, e igualando la derivada a cero. Resolviendo para
2 2
(23.6)
Una de las suposiciones en que se basa la ecuación de M erchant es que la resistencia al corte del material de trabajo es una constante a la que no le afecta la velocidad de deform ación, la tem peratura y otros factores. Dado que estas suposiciones no corresponden a las operaciones prácticas de maquinado, la ecuación 23.16 debe considerarse más como una relación aproxim ada entre sus términos que un enunciado m atem ático preciso. No obstante, consideremos su aplicación en el
FIGURA 23.11 Efecto del ángulo del plano de corte
Aproximación al torneado por corte ortogonal El m odelo ortogonal se puede usar para aproxim ar el torneado y algunas otras operaciones de m aquinado con punta sencilla mientras el avance en estas operaciones sea m enor con respecto a la profundidad de corte. De esta m anera la m ayoría del corte tendrá lugar en la dirección del avance, y el corte en la nariz de la herram ienta será despreciable. La figura 23.12 indica la conversión de una situación de corte a la otra; la parte (a) m uestra una operación de torneado, m ientras que la parte (b) describe el caso ortogonal corres pondiente.
ejemplo siguiente.
EJEM P LO 2 3 .3
E stim a ció n del ángulo de fricció n
Usando los datos y resultados de nuestros ejem plos previos calcule: a) el ángulo de fricción usan do la ecuación de M erchant y b) el coeficiente de fricción. Solución:
a) Del ejem plo 23.1, a = 10° y 0 = 25.4°. Rearreglando la ecuación 23.16, el ángulo
de fricción se puede estim ar com o sigue:
FIGURA 23.12 Aproximación del torneado por el modelo ortogonal: (a) torneado y (b) el corte ortogonal correspondiente.
fi = 2(45) + 10 - 2 (25.4) = 49.2° b) el coeficiente de fricción está determ inado por la ecuación 23.6: fj. = tan 4 9 .2 = 1.16
■
Conforme a los resultados de este ejem plo, el coeficiente de fricción en corte de metal es mucho más alto que la fricción m ecánica convencional. La razón es que ocurre una acción de adhe sión o soldado entre la viruta y la herramienta, ocasionando que la fuerza de fricción sea alta, con respecto a la fuerza normal. Lecciones basadas en la ecuación de Merchant El valor real de la ecuación de M erchant radica en que define la relación general entre el ángulo de ataque, la fricción herram ienta-viruta y el ángulo del plano de corte. H ay dos conclusiones de esta relación: 1) un increm ento en el ángulo de ataque hace que el ángulo del plano de corte aum ente y 2) un decrem ento en el ángulo de fric ción (o un decrem ento en el coeficiente de fricción) ocasiona que el ángulo del plano de corte aumente. La importancia de increm entar el ángulo del plano de corte se puede apreciar en la figura 23.11. Si todos los otros factores perm anecen constantes, un m ayor ángulo del plano de corte sig nifica una menor área de corte. Como la resistencia al corte se aplica a través de esta área, la fuerza de corte requerida para form ar la viruta decrecerá cuando el área del plano de corte dism inuya; lo cual facilita la realización del maquinado. A unque no tan obvio en la figura, un ángulo más alto del plano de corte da com o resultado energías y tem peraturas de corte más bajas. Éstas son dos buenas razones para tratar de hacer el ángulo del plano de corte tan grande com o sea posible durante el maquinado.
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558
Sección 23.4 / Relaciones entre potencia y energía en el maquinado
Capítulo 23 / Teoría del maquinado de metales
La interpretación de las condiciones de corte es diferente en los dos casos. En el corte orto gonal. el espesor de la viruta antes del corte t0 corresponde al avance en el torneado y el ancho de corte w corresponde a la profundidad de corte en el torneado. Además, la fuerza de em puje en el modelo ortogonal corresponde a la fuerza de avance (esto es, la fuerza sobre la herram ienta en dirección al avance) en torneado. La velocidad de corte y la fuerza de corte tienen la misma inter pretación en los dos casos. La tabla 23.2 resume las conversiones.
TABLA 23.2 Clave de conversión: operación de torneado contra ________________________________ corte ortogonal. Operación de torneado
La potencia unitaria se puede expresar sim plem ente com o la potencia unitaria U también conocida como energía específica. La energía específica se determ ina por: ,, P Fcv Fc U = -------- = -----------= -----MRR (v i0w) t„w
Relaciones de potencia en maquinado
Continuemos con nuestros ejem plos previos y determ inem os la potencia, la potencia unitaria y la energía específica requerida para desem peñar el proceso de maquinado. Si la velocidad de corte = 200 pies/min. Podem os resum ir los datos y los resultados de los ejem plos previos, t0 = 0.020 pulg, w = 0.125 pulg y Fc = 350 Ib.
Avance f = Espesor de la viruta antes del corte (o Profundidad d = Ancho del corte w Velocidad de corte v = Velocidad de corte v Fuerza de corte Fc = Fuerza de corte Fc Fuerza de Avance F¡ = Fuerza de em puje F,
Solución:
De la ecuación 23.18 la potencia en hp en la operación es:
23.4 RELACIONES ENTRE POTENCIA Y ENERGÍA EN EL M AQUINADO
(350 lb)(200 pies/min) hp, = ----------------------------- = 2.12 hp 33 000 y
Una operación de producción en m aquinado requiere potencia. Las fuerzas de corte que se encuen tran en la práctica de esta operación pueden ser de varios cientos de libras. Las velocidades típicas de corte son de varios cientos de pies/min o más. El producto de la fuerza cortante y la velocidad dan la potencia (energía por unidad de tiempo) requerida para ejecutar la operación de maquinado: P
=
Fcv
(23.18)
donde hpc = potencia de corte en caballos de fuerza, hp. La potencia bruta requerida para operar la m áquina herram ienta es más grande que la potencia usada en el proceso de corte, debido a las pér didas mecánicas en el motor y la transmisión de la máquina. Estas pérdidas se pueden contabilizar por la eficiencia mecánica de la máquina herramienta.
hpg = ^
(23.19)
donde hpg = potencia bruta del m otor de la m áquina herram ienta en hp y E = eficiencia mecánica de la máquina herramienta. El valor típico de E para m áquinas herram ienta es alrededor de 90%. M uchas veces es útil convertir la potencia en potencia por unidad de volumen de corte del metal. A ésta se le llama potencia unitaria, hpu y se define mediante hpu = - ^ £ _ Vu MRR
La ecuación 23.20 se puede usar para determ inar la potencia unitaria en hp: h
(23.20)
donde M R R = velocidad de rem oción de material. pulg3/m in. La velocidad de rem oción de m ate rial se puede calcular com o el producto de vt0w. Ésta es la ecuación 23.1, usando las conversiones de la tabla 23.2.
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= ________________ 211 2 hp________________ “
200 x 12 pulg/min x 0.020 pulg x 0.125 pulg = 0.353 h p /(p u lg 3/min)
(23.17)
donde P = potencia de corte, pie-lb/min (N-m/s o W); Fe = fuerza de corte. Ib (N); y v = velocidad de corte, pie/min (m/s). Las unidades en el sistema acostum brado en Estados Unidos pueden con vertirse a caballos de fuerza dividiéndolas por 33 000 (pie-lb/min)/hp. hPc = 33 000
(23 "M) ( ’
Las unidades para la energía específica son típicamente pulg-lb/pulg3 (N -m /m m 3), aunque la últi m a expresión en la ecuación 23.21 sugiere unidades de lb/pulg2. Es más significativo retener las unidades de pulg-lb/pulg3.
EJEMPLO 22.4
Modelo de corte ortogonal___________________
559
La energía específica se calcula de la ecuación 23.21: I U =
350 Ib 0.020 pulg x 0.125 pulg
= 140 000 pulg-lb/pulg3
La potencia unitaria en hp y la energía específica proporcionan una m edida útil de la poten cia (o energía) que se requiere para rem over una pulgada cúbica de metal durante el maquinado. U sando esta medida se pueden com parar los diferentes materiales de trabajo en términos de sus requerimientos de potencia y energía. L a tabla 23.3 presenta una lista de valores de potencia uni taria y energía específica para m ateriales de trabajo seleccionados. Los valores en la tabla 23.3 se basan en dos suposiciones: 1) la herram ienta de corte está afi lada y 2) el espesor de viruta antes del corte t0 = 0.010 pulg (0.25 mm). Si no se satisfacen estas suposiciones, se tienen que hacer algunos ajustes. En una herramienta desgastada la potencia requerida para desem peñar el corte es m ás grande, y esto se refleja en valores de potencia unitaria y energía específica más grande. C om o una guía aproxim ada, los valores en la tabla deben m ulti plicarse por un factor entre 1.00 y 1.25. dependiendo del grado de uso de la herram ienta. Para he rramientas afiladas el fa c to re s 1.00. Para herram ientas casi completam ente usadas en operaciones de acabado el factor es alrededor de 1. 10, y para herram ientas casi com pletam ente usadas en opera ciones de desbaste prim ario el factor es 1.25.
560
Sección 23.4 / Relaciones entre potencia y energía en el maquinado
Capítulo 23 / Teoría del maquinado de metales
Espesor de la viruta antes del corte t0 (mm) TABLA 23.3 Valores de la potencia unitaria en hp y energía específica para materiales selec cionados usando herramientas de corte afiladas, y espesor de la viruta antes del corte t0 = 0.010 pulg (0.25 mm).________________________________________________________________________________________
Material
Dureza Brinell
Potencia unitaria en hpu hp/(pulg3/min)
0.38
0.50
0.63
0.75
0.88
1.0
1.25
Energía específica U pulg-lb/pulg3 (N-m/mm3)
Acero al carbono
150-200 201-250 251-300
0.6 0.8 1.0
240 000 320 000 400 000
(1.6) (2.2) (2.8)
Aceros aleados
200-250 251-300 301-350 351-400
0.8 1.0 1.3 1.6
320 400 520 640
000 000 000 000
(2.2) (2.8) (3.6) (4.4)
Hierros fundidos
125-175 175-250
0.4 0.6
160 000 240 000
(1.1) (1.6)
Acero inoxidable
150-250
1.0
400 000
(2.8)
Aluminio
50-100
0.25
100 000
(0.7)
Aleaciones de aluminio 100-150
0.3
120 000
(0.8)
Cobre (puro)
0.7
280 000
(1.9)
Latón
100-150
0.8
320 000
(2.2)
Bronce
100-150
0.8
320 000
(2.2)
0.15
60 000
(0.4)
Aleaciones de magnesio 50-100
0.125 0.25
Espesor de la viruta antes del corte t0 (pulg) FIGURA 23.13 Factor de corrección para la potencia unitaria en hp y la energía específica cuando los valores del espesor de la viruta antes del corte f0 son diferentes de 0.010 pulg (0.25 mm).
Datos recopilados de [5], [7], [10| y otras fuentes.
El espesor de la viruta antes del corte t0 afecta también los valores de la potencia unitaria y de la energía específica. Al reducirse t0 , aum entan los requerimientos de potencia y energía. A esta relación se le llama algunas veces el efecto del tamaño. Por ejemplo en el esm erilado, donde las virutas son extremadamente pequeñas en com paración con muchas otras operaciones de m aquina do se requieren valores m uy altos de energía específica. Los valores de hpu y U en la tabla 23.3 se pueden usar aún para estim ar la potencia y energía, en situaciones donde t0 no sea igual a 0.010 pulg (0.25 mm), mediante un factor de corrección que considere cualquier diferencia en el espesor de la viruta antes del corte. La figura 23.13 proporciona los valores de este factor de corrección en función a t0 . Los valores de la potencia unitaria y la energía específica de la tabla 23.3 deben m ul tiplicarse por el factor apropiado de corrección cuando t0 sea diferente de 0.010 pulg (0.25 mm). Debe hacerse notar que, adem ás del afilado de la herramienta y el efecto de tam año, otros tamaños influencian los valores de la potencia unitaria y de la energía específica para una operación dada. Estos otros factores incluyen el ángulo de ataque, la velocidad de corte y el fluido de corte. Al aumentar el ángulo de ataque o la velocidad de corte, o al añadir un fluido de corte, los valores de hpu y U se reducen ligeram ente. Para nuestros propósitos, en los ejercicios que se encuentran al final del capítulo se pueden ignorar los efectos de estos factores adicionales. La distribución de la energía de corte entre la herramienta, el trabajo y la viruta varían con la velocidad de corte, com o se indica en la figura 23.14. A velocidades bajas, una porción significati va de la energía total se absorbe en la herram ienta. Pero a velocidades más altas (y a niveles de energía más altos), el m ovim iento rápido de la viruta a través de la superficie de ataque de la he rramienta no da oportunidad a que el calor generado en la zona prim aria de corte sea conducido a través de la interfase herram ienta-viruta hacia la herramienta. Por tanto, la proporción de energía total absorbida por la herram ienta se reduce y la m ayor parte se la lleva la viruta. Esto ayuda a pro longar la vida de la herram ienta de corte.
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1.0
2.0
3.0
m/seg
Velocidad de corte FIGURA 23.14 Distribución típica de la energía total de corte entre la herramienta, el trabajo y la viruta en función de la velocidad de corte. Basada en datos de (8).
561
562
23.5
Capítulo 23 / Teoría del maquinado de metales
Referencias bibliográficas
TEMPERATURA DE CORTE
interfase herram ienta-viruta durante el corte mediante un potencióm etro registrador u otro disposi tivo colector de datos apropiado. La diferencia de potencial resultante del term opar herram ientaviruta se puede convertir al valor de tem peratura correspondiente mediante ecuaciones de cali bración para la com binación particular herramienta-trabajo. El term opar herram ienta-viruta se ha utilizado por los investigadores para estudiar la relación entre la tem peratura y las condiciones de corte com o velocidad y avance. Trigger [12] determ inó la relación entre velocidad y tem peratura y obtuvo la siguiente form a general:
Casi toda la energía que se consum e en el maquinado (aproxim adam ente el 98%) es convertida en calor. Este calor puede hacer que las tem peraturas sean muy altas en la interfase herram ienta-viru ta: las temperaturas de más de 1000 °F (540 °C) no son inusuales. La energía restante (cerca del 2%) se retiene como energía elástica en la viruta. En esta sección se analizarán los m étodos de cálculo y de m edida de las tem peraturas de maquinado.
23.5.1
563
Métodos analíticos
T = K vm
(23.23)
donde T = tem peratura m edida en la interfase herram ienta-viruta y v = velocidad de corte. Los parámetros K y m dependen de las condiciones de corte (diferentes a v) y del m aterial de trabajo. En la figura 23.15 se muestran las gráficas de la tem peratura contra velocidad de corte para varios materiales de trabajo, con ecuaciones sim ilares a la ecuación 23.23 determinadas para cada m ate rial. Existe una relación sim ilar entre la tem peratura de corte y el avance; sin em bargo, el efecto del avance sobre la tem peratura no es tan fuerte com o la velocidad de corte. Los resultados em píricos tienden a apoyar la validez general de la ecuación de Cook. ecuación 23.22.
Hay varios métodos analíticos para estim ar la tem peratura de corte. Las referencias [1], [3], [8] y [13], presentan algunas de estas aproxim aciones. D escribim os el método de Cook [3]. Este método se derivó de un análisis dim ensional, usando datos experim entales para varios materiales de traba jo a fin de establecer los valores de los parám etros de ia ecuación resultante. La ecuación se puede usar para predecir la elevación de la tem peratura en la interfase herram ienta-viruta durante el maquinado. 0.333
(23.22)
donde T = aumento de la tem peratura m edia en la interfase harram ienta-viruta, °F (°C); U = energía específica en la operación, pulg-lb/pulg3 (N -m / m m 3); v = velocidad de corte, pulg/seg (m/seg); t0 espesor de la viruta antes del corte, pulg (m); p C = calor específico volum étrico del material de tra bajo, pulg-lb/pulg 3-°F (J/m m 3-°C); K = difusividad térm ica del material de trabajo, pulg2/ seg (m2/s).
EJEMPLO 23.5
Temperatura de corte
Para la energía específica obtenida en el ejem plo 23.4, calcule el incremento en la tem peratura por encim a de la temperatura am biente de 70 °F. Use los datos proporcionados por los ejem plos ante riores en este capítulo: v = 200 pies/m in y t0 = 0.020 pulg. Además, el calor específico volum étri co para el material de trabajo = 120 pulg-lb/pulg3 °F, y la difusividad térm ica = 0.125 pulg2/seg. Solución: La velocidad de corte debe convenirse a las unidades de pulg/seg: v = (200 pies/m in) (12 pulg/pies)/(60 seg/m in) = 40 pulg/seg. La ecuación 23.22 se puede usar ahora para calcular el aumento de la tem peratura media: 140 000 / 40 x 0 .020 \ 0 33J
T = ° '4
120
(
0-125
Velocidad de corte (pies/min)
j
FIGURA 23.15 Temperaturas de corte medidas experimentalmente y graficadas contra la velocidad para tres materiales de trabajo, mostrando conformidad con la ecuación 23.22. Basada en datos de (81.
= (4 6 6 .7 )(1 .8 5 5 ) = 866° F Añadiendo esta tem peratura a la tem peratura ambiente, la tem peratura de corte resultante es 866 + 70 = 936 °F.
23.5.2
Medición de la temperatura de corte
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Se han desarrollado m étodos experim entales para la medición de temperaturas en m aquinado. Las técnicas de medición más frecuentem ente usadas son los termopares herram ienta-viruta. Este term opar tom a la h erram ien ta y la viruta com o dos m etales diferentes que form an una ju n ta de termopar. Conectando apropiadam ente las terminales eléctricas a la herram ienta y a la parte de tra bajo (que está conectada a la viruta), se puede registrar la diferencia de potencial generada por ia
[1] Boothroyd, G., and Knight, W. A., Fundamentáis o f Metal Machining and Machine Tools, Marcel Dekker, Inc., New York, 1989. [2] Chao, B. T., and Trigger, K. J., “Temperature Distribution at the Tool-Chip Interface in Metal Cutting,” ASME
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Transactions, Vol. 77, October 1955. pp. 1107—1121. [3] Cook. N„ “Tool Wear and Tool Life." ASME Trans actions, J. Engrg. fo r Industry, Vol. 95, November 1973, pp. 931-938. [4] DeGarmo, E. P.. Black, J. T.. and Kohser. R. A..
Problemas 564
[5]
[6]
[7] [8]
565
Capítulo 23 / Teoría del maquinado de metales
Materials and Processes in Manufacturing, 7th ed., Macmillan Publishing Co.. New York. 1988. Drozda, T. J„ and Wick, C. (editors), Tool and Manu facturing Engineers Handbook, 4th ed., Vol. I, Machining, Society of Manufacturing Engineers, Dearbom, Mich., 1983. Kalpakjian, S., Manufacturing Processes fo r Engineering Materials, 2nd ed., Addison-Wesley Publishing Co., Reading. Mass., 1991. Lindberg, R. A., Processes and Materials o f Manufac ture, 4th ed., Allyn and Bacon, Inc., Boston, 1990. Loewen, E. G., and Shaw, M. C., “On the Analysis of Cutting Tool Temperatures,” ASME Transactions. Vol. 76. No. 2, February 1954, pp. 217-225.
[9]
[10] [11] [12]
[13]
Merchant, M. E.. "Mechanics of the Metal Cutting Process. II. Plasticity Conditions in Orthogonal Cut ting,'’ Journal o f Applied Physics, Vol. 16, June 1945, pp. 318-324. Schey, J. A., ¡ntroduction to Manufacturing Processes. 2nd ed., McGraw-Hill Book Co., New York, 1987. Shaw, M. C., Metal Cutting Principies, Oxford University Press, Oxford, England, 1984. Trigger, K. J., “Progress Repon No. 2 on Tool-Chip Interface Temperatures,” ASME Transactions, Vol. 71, No. 2, February 1949, pp. 163-174. Trigger, K. J., and Chao, B. T., "An Analytical Evaluation of Metal Cutting Temperatures," ASME Trans actions, Vol. 73, No. 1, January 1951, pp. 57-68.
disminución en el ángulo de fricción, b) disminución de los requerimientos de potencia, c) disminución en el ángulo del plano de corte, d) incremento en la temperatura de corte, o e) incremento del ángulo del plano de corte. 23.7. ¿Cuál de los siguientes metales podría tener generalmente la potencia unitaria más baja? a) aluminio, b) latón, c) hierro fundido, o d) acero. 23.8. ¿Para cuál de los siguientes valores de espesor de viruta antes del corte t0, esperaría usted que fuera más grande la energía específica? a) 0.010 pulg, b) 0.025 pulg, c) 0.12 mm. 23.9. ¿Cuál de las siguientes condiciones de corte tienen un efecto mayor en la temperatura de corte? a) avance, o b) velocidad.
PROBLEMAS Formación de viruta y fuerzas en maquinado
PREGUNTAS DE REPASO 23.1. ¿En qué se distingue el maquinado de otros procesos de manufactura? 23.2. Identifique algunas de las razones por las que el maquinado es comercial y tecnológicamente impor tante. 23.3. Mencione los tres procesos de maquinado más comunes. 23.4. ¿Cuáles son las dos categorías básicas de herramientas de corte en maquinado? Dé un ejemplo de una operación de maquinado que use cada uno de los dos tipos de herramientas. 23.5. Identifique los parámetros de una operación de maquinado que se incluyen en el conjunto de las condi ciones de corte. 23.6. Defina la diferencia entre las operaciones de desbaste primario y las de acabado en maquinado. 23.7. 23.8. 23.9. 23.10. 23.11. 23.12. 23.13.
¿Qué es una máquina herramienta? ¿Qué es una operación de corte ortogonal? Mencione y describa brevemente los tres tipos de viruta que se producen en el corte de metales. Describa con palabras qué nos dice la ecuación de Merchant. ¿Qué es la energía específica en el maquinado de metales? ¿Qué significa el término efecto de tamaño en elcorte de metales? ¿Qué es un termopar herramienta-viruta?
CUESTIONARIO DE OPCIÓN MÚLTIPLE Hay un total de 10 respuestas correctas en el siguiente cuestionario. La calificación porcentual de la prueba debe basarse en dicho total. 23.1. La máquina herramienta “Lathe’’se utiliza para realizar ¿cuál de las siguientes operaciones de maquina do? (Puede haber más de una respuesta.) a) taladrado, b) fresado, o c) torneado. 23.2. Si las condiciones de corte en una operación de torneado son v = 300 p ie s / = 0.010 pulg/rev y d = 0.100 pulg, ¿cuál de las siguientes es la velocidad de remoción de material? a) 0.3 pulg3/min, b) 0.025 pulg3/min, c) 3.0 pulg3/min, o d) 3.6 pulgVmin. 23.3. Una operación de desbaste primario involucra generalmente ¿cuál de las siguientes combinaciones de condiciones de corte? a) v a lta ,/y d: b) v a lta ,/ baja y d: c) v baja,/alta y d\ o d ) v b a ja /y d. 23.4. ¿Cuál de las siguientes es la relación de espesor de la viruta? a) tc/t0 , o b) toltr 23.5. ¿Cuál de los tres tipos de viruta se podría esperai en una operación de torneado conducida a baja velocidad de corte sobre un material de trabajo frágil? a) continua, b) continua con acumulación en el borde, o c) dis continua. 23.6. De acuerdo con la ecuación de Merchant ¿cuál de los siguientes resultados podría tener un incremento en el ángulo de ataque, si los otros factores permanecen igual? (Puede haber más de una respuesta.) a)
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23.1. En una operación ortogonal de corte, la herramienta tiene un ángulo de ataque = 15°. El espesor de la viruta antes del corte = 0.012 pulg y el corte produce un espesor de viruta deformada = 0.026 pulg. Calcule el ángulo del plano de corte y la deformación cortante para la operación. 23.2. Las condiciones de corte en una operación de corte ortogonal son: v = 2 m/s, t0 = 0.25 mm. y iv = 3.0 mm. El ángulo de ataque de la herramienta = 10°, la cual produce un espesor de viruta deformada tc = 0.54 mm. Determine a) el ángulo del plano de corte, b) la deformación de corte y c) la velocidad de remoción de material. 23.3. La fuerza de corte y la fuerza de empuje se han medido en una operación de corte ortogonal: Fc = 300 Ib y F, = 291 Ib. El ángulo de ataque = 10°, el ancho del corte = 0.200 pulg, el espesor de la viruta antes del corte = 0.015 pulg, y la relación de espesor de la viruta = 0.4. Determine la resistencia al corte del material de trabajo y el coeficiente de fricción de la operación. 23.4. Una operación de corte ortogonal se realiza usando un ángulo de ataque = 15°, t0 - 0.012 pulg y w = 0.100 pulg. La relación de espesor de la viruta medida después del corte es de 0.55. Determine a) el espesor de la viruta después del corte, b) el ángulo de corte, c) el ángulo de fricción, d) el coeficiente de fricción y e) la deformación cortante. 23.5. La operación de corte ortogonal descrita en el problema 23.4 involucra un material de trabajo cuya resistencia al corte es de 40 000 lb/pulg2. Con base en sus respuestas al problema anterior, calcule a) la fuerza cortante, b) la fuerza de corte, c) fuerza de empuje y d) la fuerza de fricción. 23.6. En una operación de corte ortogonal, el ángulo de ataque = -5 o , t0 = 0.2 mm. w = 4.0 mm. La relación de viruta r = 0.4. Determine a) el espesor de la viruta después del corte, b) el ángulo de corte, c) el ángu lo de fricción, d) el coeficiente de fricción y e) la deformación de corte. 23.7. La resistencia al corte de un cierto material de trabajo = 50 000 lb/pulg2. Una operación de corte orto gonal se realiza usando una herramienta con un ángulo de ataque = 20° con las siguientes condiciones de corte: velocidad = 100 pies/min. espesor de la viruta antes del corte = 0.015 pulg y ancho del corte = 0.150 pulg. La relación de espesor de la viruta resultante = 0.50. Determine a) el ángulo del plano de corte, b) la fuerza cortante, c) la fuerza de corte y la fuerza de empuje y d) la fuerza de fricción. 23.8. Resuelva el problema 23.7, excepto que el ángulo de ataque se modificó a - 5 o y la relación de espesor de la viruta resultante = 0.35. 23.9. Una operación de torneado se lleva a cabo con las siguientes condiciones de corte v = 300 pies/m in,/ = 0.010 pulg/rev y d = 0.100 pulg. El ángulo de ataque en la herramienta que va en dirección del flujo de la viruta = 10°, la relación de viruta resultante = 0.42. La resistencia al corte del material de trabajo = 40 000 lb/pulg2. Usando el modelo ortogonal como una aproximación del torneado. Determine a) el ángulo del plano de corte, b) la fuerza cortante y c) la fuerza de corte y la fuerza de avance. 23.10. Se ejecuta un torneado en un material de trabajo con una resistencia al corte de 250 MPa. Se usan las siguientes condiciones de corte: v = 3.0 m /s ,/ = 0.20 mm/rev, d = 3.0 mm, y el ángulo de ataque = 7o en la dirección de flujo de la viruta. La relación de viruta resultante = 0.05. Usando el modelo ortogo nal como una aproximación del torneado, determine a) el ángulo del plano de corte, b) la fuerza cor tante y c) la fuerza de corte y fuerza de avance.
566
Problemas
Capítulo 23 / Teoría del maquinado de metales
23.11
Una operación de lomeado se hace con un ángulo de ataque de 10o, un avance de 0.010 pulg/rev, y una profundidad de corte = 0.100 pulg. Se sabe que la resistencia al corte del material de trabajo es de 50 000 lb/pulg2 y la relación de espesor de la viruta medida después del corte es de 0.40. Determine la fuerza de corte y la fuerza del avance. Use el modelo ortogonal de corte como una aproximación del proceso de torneado. 23.12. Derive las ecuaciones de fuerza para F, N, F¡ y F„ (de la ecuación 23.9 a la 23.12 en el texto) usando el diagrama de fuerzas de la figura 23.10.
Potencia y energía en maquinado 23.13. Suponga que la velocidad de corte en los problemas 23.4 y 23.5 es v = 200 pies/min. Entre sus respues tas a estos problemas, encuentre a) los caballos de fuerza consumidos en la operación, b) la velocidad de remoción del material en pulg3/ min, c) la potencia unitaria, hp-min/pulgJ. d) la energía específica (pulg-ib/pulg3). 23.14. En el problema 23.9, el tomo tiene una eficiencia mecánica = 0.80. Determine a) los caballos de fuerza consumidos por la operación de torneado, b) los caballos de fuerza que deben generarse por el tomo y c) la potencia unitaria y la energía específica para el material de trabajo en esta operación. 23.15. En una operación de torneado sobre un acero de bajo carbono (175 BHN), las condiciones de corte son: v = 400 pies/min,/ = 0.010 pulg/rev, d = 0.075 pulg. El tomo tiene una eficiencia mecánica = 0.85. Con base en los valores de la potencia unitaria de la tabla 23.3, determine a) los caballos de fuerza consu midos por la operación de torneado, b) los caballos de fuerza que deben generarse por el tomo. 23.16. Resuelva el problema 23.15, excepto que/ = 0.005 pulg/rev y el material de trabajo es acero inoxidable. 23.17. Una operación de torneado se lleva a cabo en aluminio (100 BHN). Las condiciones de corte son v = 5.6 m/seg, / = 0.25 mm/rev, d = 2.0 mm. El tomo tiene una eficiencia mecánica = 0.8. Con base en los valores de energía específica de la tabla 23.3, determine a) la potencia de corte, b) la potencia bruta en la operación de torneado, en watts. 23.18. Resuelva el problema 23.17, pero con los siguientes cambios: v = 1.3 m/s. / = 0.75mm/rev, d = 4.0 mm. Nótese que aunque la potencia usada en esta operación es prácticamente la misma que en el problema 23.17, la velocidad de remoción del metal es aproximadamente 40% más grande. 23.19. En una operación de torneado sobre aluminio, las condiciones de corte son las siguientes: v = 900 pies/min,/= 0.020 pulg/rev y d = 0.250 pulg. ¿Qué potencia se requiere para el motor, si el tomo tiene una eficiencia mecánica de 87%? 23.20. Una operación de torneado se realiza en un tomo corriente, usando una herramienta con ángulo de ataque = 0 en la dirección de flujo de la viruta. El material de trabajo es una aleación de acero con dureza Brinell = 325. La velocidad del avance es 0.015 pulg/rev, la profundidad de corte es de 0.125 pulg, y la velocidad de corte es 300 pies/min. Después del corte, la relación del espesor de la viruta es de 0.45. a) Usando el valor aproximado de la energía específica de la tabla 23.3. calcule los caballos de fuerza del motor si el tomo tiene una eficiencia = 85%, b) con base en los caballos de fuerza, calcu le un estimado de la fuerza de corte para la operación de torneado. Use el modelo de corte ortogonal como una aproximación del proceso de torneado. 23.21. Un tomo ejecuta una operación sobre una pieza de trabajo de 6 pulg de diámetro. La resistencia al corte del trabajo = 40 000 lb/pulg2. El ángulo de ataque de la herramienta = 10°. Las especificaciones de la máquina son: velocidad de rotación = 500 rev/min, avance = 0.0075 pulg/rev y profundidad = 0.075 pulg El espesor de la viruta después del corte es 0.015 pulg. Determine a) la potencia requerida en la operación, b) la potencia unitaria para este material bajo estas condiciones y c) la potencia unitaria como se enlista en la tabla 23.3 para un ¡q de 0.010 pulg. Use el modelo de corte ortogonal como una operación del proceso de torneado.
Temperatura de corte 23.22. Una operación de corte ortogonal se realiza sobre cierto metal cuyo calor específico volumétrico =110 pulg-lb/pulg3-°F y una difusividad térmica = 0.140 pulg2/seg. Se usan las siguientes condiciones de corte v = 350 pies/min, t0 = 0.08 pulg y w = 0.100 pulg. La fuerza de corte se mide a Fc = 200 Ib. Usando la ecuación de Cook determine la temperatura de corte si la temperatura = 70 °F.
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23.23. Se desea estimar la temperatura de corte para una cierta aleación de acero cuya dureza brinell = 275. Use el valor apropiado de energía específica de la tabla 23.3 y calcule la temperatura de corte por medio de la ecuación de Cook para una operación de torneado, en la cual se usan las siguientes condiciones de corte: velocidad v = 300 pies/mm, avance / = 0.0075 pulg/rev y profundidad d = 0.100 pulg. Las propiedades térmicas del material de trabajo son: calor específico volumétrico = 200 pulg-lb/pulg3-°F, y la difusividad térmica 0.14 pulg:/seg. Supóngase una temperatura ambiente de 70 °F. 23.24. Se ejecuta un corte ortogonal en un metal cuyo calor específico de masa = 1.1 J/g-C, densidad = 2.7 g/cm3. y difusividad térmica 0.9 cm2/seg. Se usan las siguientes condiciones de corte: v = 4.0 m/seg, t0 = 0.3 mm y w = 2.0 mm. La fuerza de corte se mide a Fc = 1100 N. Usando la ecuación de Cook, determine la temperatura de corte si la temperatura ambiente = 20 °C. 23.25. Una operación de maquinado ortogonal remueve el metal a 1.8 pulg3/min. La fuerza de corte en el pro ceso = 300 Ib. El material de corte tiene una difusividad térmica 0.18 pulg2/seg y un calor específico volumétrico = 124 pulg-lb/pulg7°F. Si el avance t0 = 0 .010 pulg y el ancho del corte 0.100 pulg, use la formula de Cook para calcular la temperatura de corte en la operación, dado que la temperatura am biente = 70 °F. 23.26. Una operación de tomo usa una velocidad de corte = 500 pies/min. alimentación = 0.006 pulg/rev y pro fundidad de corte = 0.125 pulg. La difusividad térmica de! material de trabajo = 0.21 pulg2/seg y el calor específico volumétrico = 180 pulg-lb/pulg3 °F. Si el aumento de temperatura por arriba de la tempe ratura ambiente (70 °F) medida con un termopar herramienta-viruta es de 1400 °F. determine la po tencia unitaria para el material de trabajo en esta operación. 23.27. Lna operación de tomo se realiza a v = 3.0 m /seg,/ = 0.2 mm/rev, d = 3.0 mm. La difusividad térmica del material de trabajo = 130 mm2/seg y el calor específico volumétrico = 3.0 J/cm3/°C. Si el incremento de temperatura medido por un termopar herramienta-viruta es de 800°C. ¿cuál es la energía específica para el material de trabajo en esta operación? 23.28. Usando los valores de los parámetros de la ecuación de Trigger determinados para tres metales en la figura 23.15. calcule las temperaturas de corte para cada metal cuando la velocidad de corte = 600 pies/min. 23.29. Durante una operación de torneado se usó un termopar herramienta-viruta para medir la temperatura de corte. Se recopilaron los siguientes datos de temperatura durante el corte, a tres diferentes velocidades de corte (el avance y la profundidad fueron constantes): 1) v = 300 pies/min, T = 941 °F, 2) v = 400 pies/min, T= 1026 °F. 3) v = 500 pies/min y T = 1097 °F. Determine una ecuación para la temperatu ra en función de la velocidad de corte que esté en la forma de la ecuación de Trigger, ecuación 23.23.
Sección 24.1 / Vida de las herramientas
24.1
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VIDA DE LAS HERRAMIENTAS Hay tres formas posibles de falla en una herramienta de corte en maquinado:
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TECNOLOGIA DE LAS HERRAMIENTAS DE CORTE 2 4 .1
24.2 í^ tíS ^ ¡rtN B S íi» '? i';. •.,*»^ } f r r t •:«.-fe'3- . jki < o ííS ¿ | *J s '^ t l
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. 24 .3 24 .4
Vida de las herramientas 24.1.1 Desgaste de la herramienta 24.1.2 Vida de las herramientas y la ecuación de Taylor Materiales para herramientas 24.2.1 Aceros al carbono y de baja aleación 24.2.2 Acero de alta velocidad 24.2.3 Aleaciones de fundición de cobalto 24.2.4 Carburos cementados, cermets y carburos recubiertos
24.1.1
vida de las herram ientas.
2)
Falla p o r temperatura. Esta falla ocurre cuando la tem peratura de corte es dem asiado alta para el m aterial de la herram ienta, causando ablandam iento en la punta, deform ación plás tica y pérdida del filo en el borde.
3)
Desgaste gradual. El desgaste gradual del borde cortante ocasiona pérdida de la forma de la herramienta, reducción en la eficiencia del corte, desgaste acelerado y falla final de la he rram ienta, a la falla por temperatura.
Desgaste de la herramienta El desgaste gradual ocurre en dos lugares principales de la herram ienta de corte: en la parte supe rior de la superficie de ataque y en el flanco o superficie de incidencia. Por tanto, se pueden distin guir dos tipos principales de desgaste de la herramienta: 1) desgaste en cráter y 2 ) desgaste del flan co, ilustrados en las figuras 24.1 y 24.2. U saremos una herram ienta de punta sencilla para explicar el desgaste y el m ecanism o que lo causa. El desgaste en cráter [figura 24.2(a)] es una sección cón cava de la superficie de ataque de la herram ienta, form ada por la acción de la viruta que se desliza contra la superficie. Los altos esfuerzos y tem peraturas caracterizan a la interfase de contacto herram ienta-viruta y contribuyen a la acción de desgaste. El cráter puede m edirse ya sea por su pro fundidad o por su área. El desgaste del fla n c o [figura 24.2(b)] ocurre en el flanco o superficie de
24.2.5 Cerámicos 24.2.6 Diamantes sintéticos y nitruro de boro cúbico Geometría de las herramientas Fluidos para corte 24.4.1 Tipos de fluidos para corte 24.4.2 Aplicación de los fluidos para corte
Las operaciones de m aquinado se realizan usando herramientas de corte. Las altas fuerzas y temperaturas durante el m aquinado crean un ambiente muy agresivo para la herram ienta. Las fuerzas de corte dem asiado grandes fracturan la herramienta. Si la tem peratura de corte se eleva dem asiado, el m aterial de la herram ienta se ablanda y falla. Y si ninguna de estas condi ciones ocasionan falla de la herramienta, de cualquier manera hay una acción continúa de desgaste de la herram ienta de corte que la conduce finalmente a la falla. La tecnología de las herramientas de corte tiene dos aspectos principales: 1) el material de la herramienta y 2) la geometría de la herramienta. La prim era se refiere al desarrollo de materiales que puedan soportar las fuerzas, las temperaturas y la acción de desgaste en el proceso de maquinado. La segunda se ocupa de optimizar la geom etría de la herram ienta de corte para el m aterial de la herramienta y para una operación dada. Éstos son los aspectos que trataremos en este capítulo. Es conveniente em pezar considerando la vida de las herramientas, ya que ésta es un prerrequisito en la revisión de varios temas sobre los materiales para he rramientas. También se incluye una sección sobre los fluidos para corte al final de este capí tulo, ya que éstos se usan frecuentemente en las operaciones de maquinado para prolongar la
Falla p o r fractura. Este m odo ocurre cuando la fuerza de corte se hace excesiva en la punta de la herramienta, causando una falla repentina por fractura.
Las fallas por fractura y tem peratura dan como resultado una pérdida prem atura de la herra mienta de corte. Estas dos form as de falla son por tanto indeseables. De las tres posibles formas de falla es preferible el desgaste gradual, debido a que éste perm ite una m ayor utilización de la he rram ienta con la ventaja económ ica asociada a un uso más prolongado. La calidad del producto también debe considerarse cuando se intenta controlar las formas de falla de la herramienta. La falla repentina de la punta de la herram ienta durante un corte causa fre cuentemente daños a la superficie del trabajo. Este daño requiere volver a trabajar la superficie o posiblemente desechar la parte. El daño se puede evitar si la selección de las condiciones de corte favorecen el desgaste gradual de la herramienta y evitan la fractura o la falla por temperatura, o si la herramienta se cam bia antes de que ocurra una falla catastrófica del borde o filo cortante.
C O N T EN ID O DEL CA PITU LO
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1)
FIGURA 24.1 Diagrama de una herramienta desgastada que muestra los lugares principales y los tipos de desgaste que ocurren.
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Sección 24.1 / Vida de las herramientas
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571
Capítulo 24 / Tecnología de las herramientas de corte
incidencia de la herram ienta. Resulta del rozamiento entre la recién creada superficie de trabajo y la cara del flanco adyacente al borde de corte. El desgaste del flanco se mide por el ancho de la banda de desgaste, FW . A esta banda se le llama frecuentemente la banda de desgaste. Se pueden identificar varias características del desgaste del flanco. En prim er lugar, aparece frecuentem ente un desgaste extrem o en el flanco sobre el filo de corte en el sitio que co rresponde a la superficie original de la pane de trabajo. A éste se le llam a m uesca de desgaste, y ocurre porque la superficie original del trabajo es más dura y más abrasiva que el m aterial inter no. El endurecim iento por trabajo es provocado por el estirado en frío o por m aquinados previos, así como por p anículas de arena en la superficie de la fundición o por otras razones. C om o c on secuencia de la superficie más dura el desgaste se acelera en esta región. El desgaste del radio de la nariz es la segunda región de desgaste del flanco que puede identificarse y conduce a la ter m inación del borde de cone. El m ecanism o general del desgaste entre dos superficies en contacto con m ovim iento rela tivo se describen en la sección 6.2.1. El mecanismo específico que ocasiona el desgaste de la he rramienta se puede resum ir com o sigue. >- Abrasión. material de siva ocurre el desgaste
É sta es una acción de desgaste m ecánico debido a que las partículas duras en el trabajo rayan y remueven pequeñas porciones de la herramienta. Esta acción abra tanto en el desgaste del flanco como en el desgaste en cráter, pero predom ina en del flanco.
» Adhesión. Cuando dos metales entran en contacto a alta presión y tem peratura, ocurre la adhesión o soldado entre ellos. Esta condición está presente entre la viruta y la superficie de ataque de la herram ienta. A m edida que la viruta fluye a través de la herram ienta, se rompen pequeñas partículas de la herram ienta y se separan de la superficie, provocando el desgaste de la superficie. »- D ifusión. La difusión (sección 4.3) es un intercambio de átom os a través de un límite de contacto entre dos m ateriales. En el caso del desgaste de la herram ienta. la difusión ocurre en el límite herram ienta-viruta y ocasiona que la superficie de la herram ienta quede agotada por los átomos que le im parten su dureza. Conforme este proceso continúa, la superficie de la he rramienta se vuelve más susceptible a la abrasión y a la adhesión. Se cree que la difusión es el principal m ecanism o del desgaste en cráter. >- D eform ación plástica. Otro mecanismo que contribuye al desgaste de la herram ienta es la deform ación plástica del borde cortante. Las fuerzas de corte que actúan en el borde de corte a altas tem peraturas hacen que éste se deform e plásticamente, haciéndolo más vulnerable a la abrasión de la superficie de la herramienta. La deform ación plástica contribuye principal mente al desgaste del flanco. La m ayoría de estos m ecanism os de desgaste se aceleran a velocidades de corte y tem pera turas más altas.
24.1.2
FIGURA 24.2 (a) Desgaste en cráter y (b) desgaste del flanco o supeficie de incidencia en una herramienta de carburo cementado, como se ve a través de un microscopio de herramentista (cortesía del Laboratorio de Tecnología de Manufactura, Lehigh University, fotografía de J.C. Keefe).
Vida de las herramientas y la ecuación de Taylor
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Al continuar el corte, los diferentes mecanismos de desgaste producen mayores niveles de desgaste en la herram ienta de corte. La relación general de desgaste de la herram ienta contra el tiem po de corte se muestra en la figura 24.3. A unque la relación que se ilustra es para el desgaste del flanco, existe una relación sim ilar para el desgaste en cráter. Por lo general se pueden identificar tres regiones en la curva típica del crecim iento del desgaste. La prim era es el periodo de rompimiento inicial en el cual el borde cortante afilado se desgasta rápidamente al entrar en uso. Esta prim era región ocurre en los prim eros m inutos de corte. A este periodo le sigue un desgaste a una velocidad más o menos uniform e y se le llam a la región de desgaste de estado estable. En nuestra figura esta región se representa com o una función lineal del tiempo, aunque en el m aquinado real también hay
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Capítulo 24 / Tecnología de las herramientas de corte
Sección 24.1 / Vida de las herramientas
te del flanco o superficie de incidencia, como 0.020 pulg (0.05 mm) que en la gráfica de la figura se ilustra como una línea horizontal. Cuando cada una de las tres curvas de desgaste intersecan la línea, se define que la vida de las herramientas correspondientes ha terminado. Si los puntos de intersec ción se proyectan sobre el eje del tiempo se pueden identificar los valores de la vida de la herramienta.
Periodo de entrada Región de falla ^
Falla i final Aceleración de la velocidad de d esg aste
FIGURA 24.3 Desgaste de la herramienta en función del tiempo de corte. Se usa el desgaste del flanco como medida del desgaste de la herramienta. La curva del desgaste en cráter sigue una curva similar de crecimiento.
Ecuación de Taylor para la vida de las herramientas Si los valores de vida de las herra mientas para las tres curvas de desgaste en la figura 24.4 se trazan en una gráfica log-log de velo cidad de corte contra la vida de las herramientas, la relación resultante es una línea recta como se m uestra en la figura 24.5. El descubrim iento de esta relación hacia 1900 se le acredita a F. W. Taylor. Se puede expresar en form a de ecuación y se llam a la ecuación de Taylor para la vida de una herram ienta: vTn = C
Tiempo d e corte (min)
v T " = C (T " f)
(24.2)
donde Tre¡= un valor de referencia para C. El valor de Tn f = 1 minuto, cuando las unidades que se usan para v y T son pie/min (m/m in) y min, respectivam ente. La ventaja de la ecuación 24.2 se com prende cuando se desea usar la ecuación de Taylor con otras unidades; por ejem plo, si la velocidad de corte se expresara com o m/seg y la vida de la herram ienta como segundos, en este caso Trrf podría ser = 60 seg y C podría tener el m ism o valor de velocidad que en la ecuación 24.1, aun que convertida a unidades de m/seg. La pendiente n podría tener el mismo valor num érico que en la ecuación 24.1.
FIGURA 24.5 Gráfica en escala log-log de la velocidad de corte contra vida de la herramienta.
Tiempo de corte (min)
(24.1)
donde v = velocidad de corte, pies/m in (m /m in); T = vida de la herram ienta, m in; n y c son parám etros cuyos valores dependen del avance, de la profundidad de corte, del m aterial de corte, de la herram ienta (m aterial en particular) y del criterio usado para la vida de la herram ienta. El valor de n depende del m aterial de la herram ienta, m ientras que C depende m ás del m aterial de trabajo y de las condiciones de corte. La ecuación 24.1 establece básicamente que las velocidades de corte más altas traen como consecuencia vidas más cortas para la herramienta. Al relacionar los parámetros n y C con la figu ra 24.5, n es la pendiente de la gráfica (expresada en térm inos lineales más que en la escala de los ejes) y C es la intersección sobre el eje de velocidad. C representa la velocidad de corte a la cual la herram ienta duraría un minuto. El problem a con la ecuación 24.1 es que las unidades en el lado derecho de la ecuación no son consistentes con las unidades del lado izquierdo. Para hacer consistentes las unidades la ecuación se debe expresar en la forma:
desviaciones de la línea recta. Finalm ente, el desgaste alcanza un nivel donde la velocidad del des gaste se empieza a acelerar. Esto m arca el principio de la región de falla , en la cual las tem peratu ras de corte son más altas y la eficiencia general del proceso de maquinado se reduce. Si estas condiciones continúan, la herram ienta finalm ente fallará por un mal control en la tem peratura. La pendiente de la curva de desgaste de la herramienta en la región de estado estable se ve afectada por el material de trabajo y las condiciones de corte. Los materiales de trabajo más duros ocasionan que se incremente la velocidad de desgaste (la pendiente de la curva). Los increm en tos en la velocidad, en el avance y en la profundidad de corte tienen efectos sim ilares, pero la velo cidad es el más importante de los tres. Si se trazan curvas de desgaste de la herram ienta para varias velocidades de corte, el resultado aparece en la figura 24.4. Al aum entar las velocidades de corte se incrementa la velocidad de desgaste, alcanzándose el mismo nivel de desgaste en m enos tiempo. La vida de la herramienta se define como la longitud de tiempo de corte en el cual se puede usar la herramienta. U na form a de definir la vida de la herramienta consiste en perm itir su operación hasta que ocurra una falla catastrófica. Esto se indica en la figura 24.4 por el final de cada curva de desgaste. Sin embargo, en producción frecuentemente es inconveniente usar una herram ienta hasta que ocunra esta falla, debido a las dificultades que acarrea el reafilado de la herram ienta y a los pro blemas que ocasiona a la calidad de las partes de trabajo. Como una alternativa se puede seleccionar un nivel de desgaste com o criterio de la vida de la herramienta y reemplazarla cuando el desgaste alcance este nivel. Un criterio conveniente de la vida de la herramienta es un cierto valor de desgasFIGURA 24.4 Efecto de la velocidad de corte sobre el desgaste del flanco o superficie de incidencia de la herramienta para tres velocidades de corte. Se dan valores hipotéticos de la velocidad de corte y de la vida de las herramientas para un criterio de vida de 0.020 pulg de desgaste del flanco.
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Vida de la herram ienta (min)
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Sección 24.2 / Materiales para herramientas
Capítulo 24 / Tecnología de las herramientas de corte
EJEM P LO 24.1
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donde los términos tienen el m ism o significado que antes, excepto que la constante k tendrá una interpretación ligeram ente diferente.
E cu a ció n de T a y lo r p a ra la vid a de la he rra m ien ta
Para determinar los valores de C y n en la gráfica de la figura 24.5, seleccione dos de los tres puntos sobre la curva y resuelva las ecuaciones simultáneas mediante la forma de la ecuación 24.1. Escogiendo los dos puntos extremos v = 400 pies/min, 7 = 5 min; y v = 200 pie/min, 7 = 41 min, tenemos
C rite rio s p a ra la vida d e la H erra m ie n ta en p ro d u c c ió n Aunque el desgaste en el flan co es el criterio de la vida de la herram ienta en el análisis de la ecuación de Taylor. este criterio no es práctico en una fábrica a causa de las dificultades y el tiempo requerido para m edir el desgaste del flanco. A continuación se presentan nueve criterios para determ inar la vida útil de la herram ienta durante las operaciones de m aquinado, pero algunos de ellos tienen carácter subjetivo:
4 0 0 (5 )" = C 200 (4 1 )" = C Si igualamos los lados izquierdos de cada ecuación. 4 0 0(5)" = 200(41)"
1)
La falla com pleta del borde cortante (por fractura, por temperatura o por desgaste).
2)
La inspección visual por el operador de la máquina del desgaste del flanco (o desgaste en cráter) sin microscopio. Este criterio se limita al juicio y habilidad del operador para obser var el desgaste de la herram ienta a sim ple vista.
Si tomamos los logaritmos naturales de cada término. In(400) + n ln(5) = ln(200) + n ln (4 1 ) 5.9915 4 - 1.6094n = 5.2983 + 3.7136n 0.6 9 3 2 = 2 .1042n 0.6932 n = --------- = 0.329 2.1042 Y sustituimos este valor de n en cualquier ecuación inicial obtendrem os el valor de c: C = 400(5 )0J29 = 679 o
C = 2 0 0 (4 1)0329 = 679
Por tanto, la ecuación de Taylor para la vida de las herramientas para los datos de la figura 24.5 es: v T 0i29 = 679
■
Se puede form ular una versión aum entada de la ecuación 24.4 para incluir el efecto del avance de la profundidad de corte y la dureza del material de trabajo: v i" r d 'H O = K T ^ f S t d ^ H ^
24.2
3)
La prueba al tacto del borde o filo cortante (con la uña) por el operador.
4)
Los cam bios en el sonido em itido por la operación, a juicio del operador.
5)
La viruta se vuelve más larga, enm arañada y más difícil de eliminar.
6)
D egradación del acabado superficial en el trabajo.
7)
M ayor consum o de potencia m edida por un vatím etro conectado a la m áquina herram ienta.
8)
Conteo de las piezas de trabajo. Se capacita al operador para que cam bie la herram ienta después de un núm ero específico de partes maquinadas.
9)
Tiem po acum ulado de corte, el cual es sim ilar a la cuenta de partes del punto anterior, excepto que se registra la longitud de tiempo que ha trabajado la herramienta. Esto es posi ble en las m áquinas herram ienta controladas por computadora, la cual se program a para re gistrar el tiem po total de corte de cada herramienta.
MATERIALES PARA HERRAMIENTAS
(24.3)
d onde/ = avance, pulg (mm); d = profundidad de corte, pulg (mm); H = dureza expresada en una escala apropiada de dureza; m, p y q son exponentes cuyos valores se determinan experim ental mente para las condiciones de la operación; K - una constante análoga a C en la ecuación 24.2;/ ref, dn ( y #ref son los valores de referencia para el avance, la profundidad de corte y la dureza. Los valores de m y p, los exponentes para la alim entación o avance y la profundidad son m enores que 1.0. Esto dem uestra los efectos más grandes de la velocidad de corte sobre la vida de la herram ien ta, ya que el exponente de v es 1.0. D espués de la velocidad sigue en im portancia el avance, y así m tiene un valor más grande que p. El exponente para endurecim iento por trabajo q, tam bién es menor que 1.0 . Existen dificultades para aplicar la ecuación 24.3 a una operación práctica de maquinado. Q uizá la dificultad más grande sea la trem enda cantidad de datos de m aquinado que se requieren para determ inar los parám etros de la ecuación. Las variaciones en el m aterial de trabajo y las condiciones de prueba causan tam bién dificultades por la introducción de la variación estadística en los datos. La ecuación es válida para indicar la tendencia general de las variables, pero no es capaz de predecir con precisión la vida de la herram ienta en el desem peño. Para reducir estos pro blemas generalm ente se elim inan algunos de los términos, lo cual hace que esta ecuación sea más m anejable. Por ejem plo, si elim inam os la profundidad y la dureza, la ecuación 24.3 se reduce a la siguiente:
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Se pueden usar los tres m odos de falla de la herram ienta para identificar algunas de las propiedades im portantes que deben poseer los m ateriales para herramientas: 1)
Tenacidad. Para evitar las fallas por fractura, el m aterial de la herram ienta debe tener alta tenacidad. La tenacidad es la capacidad de absorber energía sin que falle el material. Se ca racteriza generalm ente por una com binación de resistencia y ductilidad del material.
2)
Dureza en caliente. La dureza en caliente es la capacidad del material para retener su dureza a altas tem peraturas. Ésta es necesaria debido al ambiente de altas tem peraturas en que opera la herram ienta.
3)
Resistencia al desgaste. La dureza es la propiedad m is importante que se necesita para re sistir el desgaste abrasivo. Todo los materiales para herramientas de corte deben ser duros. Sin em bargo, la resistencia al desgaste en el corte de metales no solam ente depende de la dureza de la herram ienta, sino tam bién de otros mecanismos de desgaste. El acabado super ficial de la herram ienta (superficie más lisa significa coeficiente de fricción más bajo), la com posición quím ica de la herram ienta y de los materiales de trabajo, y el uso de un fluido para corte son otras características que afectan la resistencia al desgaste.
Los m ateriales de las herram ientas de corte logran esta combinación de propiedades en va rios grados. En los artículos de esta sección se analizarán los siguientes materiales de herram ientas de corte: 1) aceros al carbono y de baja aleación, 2) aceros de alta velocidad, (3) fundición de alea ciones de cobalto, 4) carburos cem entados, cerm ets y carburos recubiertos, 5) cerám icos. 6) dia-
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Sección 24.2 / Materiales para herramientas
Capítulo 24 / Tecnología de las herramientas de corte
mantés sintéticos y nitruro de boro cúbico. Antes de exam inar estos materiales en form a individual, será útil un breve panoram a y las técnicas de com paración. El desarrollo histórico de la m ayoría de estos materiales se describe en la nota histórica 24.1. La tabla 24.1 y la figura 24.6 presentan datos sobre las propiedades de varios m ateriales de herramientas. Las propiedades relacionadas con los requerim ientos de una herram ienta de corte son: dureza, tenacidad y dureza en caliente. La tabla 24.1 proporciona una lista de durezas a tem-
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TABLA 24.1 V alo res típ ico s d e d u re z a a te m p eratu ra a m b ie n te y resisten cia a la ru p tu ra tra n sv e rsal p ara varios m ateriales d e h erram ienta*.
Resistencia a la ruptura transversal M aterial
D ureza
lb/pulg2
(MPa)
Acero al carbono
60HRC
750 000
(5200)
Acero de alta velocidad
65HRC
600 000
(4100)
Aleación de fundición de cobalto
65HRC
325 000
(2250)
Bajo contenido de Co
93 HRA, 1800 HK
200 000
(1400)
Alto contenido de Co
90 HRA, 1700 HK
350 000
(2400) (1700)
Carburo cem entado (WC)
Nota histórica 24.1 Materiales para herramientas de corte |7, 8 . 101_________________________________________ E n 1800. Inglaterra e n c a b e z a b a la Revolución Industrial y el h ierro era el m a terial m ás im portante d e e s ta revolución. Las m e jo re s h e rra m ie n ta s p ara co rtar el h ierro s e h acían d e fundición d e a c ero p o r el p ro c e s o d e crisol, in v e n tad o a lre d e d o r d e 1740. La fun d ició n d e acero, cuyo c o n te n id o d e c a rb o n o s e sitú a e n tre el hierro forjado y la fu n d ició n d e hierro, p u d o s e r e n d u re c id a p o r tra ta m ie n to té rm ic o para m a q u in a r lo s o tro s m e tales. En 1868. R. M ushet d e sc u b rió q u e con u n a aleació n d e tu n g s te n o , ce rc an a al 7%. en un crisol de acero y con un ráp id o e n fria m ie n to del m aterial al aire d e s p u é s del tra ta m ie n to térm ico, s e o b te n ía un a c e ro h e rra m ie n ta en d u rec id o . El ac ero h e rra m ie n ta d e M u sh e t era b a sta n te su p e rio r a su p re d e c e s o r en el m aq u in ad o . F. W. Taylor figura c o m o p e rs o n a je im p o rta n te en la h isto ria d e las h e rra m ie n ta s d e corte. A lrededor d e 1890 e n P ennsylvania, inició u na serie d e ex p e rim en to s q u e d u raro n un cuarto d e siglo y arro jaro n un c o n o c im ie n to s m á s am p lio s d e los p ro c e d im ie n to s d e corte d e m etales. E ntre los d e s a rro llo s q u e resu ltaro n d e los tra b a jo s d e Taylor e s tá n los aceros de alta velocidad, u n a c la s e d e a c e ro s d e h erram ien ta d e a lta aleació n q u e p erm itiero n velocidades d e co rte s u s ta n c ia lm e n te m á s a lta s q u e las d e las h e rra m ie n ta s d e c o rte anteriores. Los a d e la n to s d e Taylor tu v iero n c o m o re s u lta d o n o s o la m e n te m e jo res aleaciones, sin o re fin a m ie n to s en los tra ta m ie n to s térm ico s. Las h e rra m ie n ta s d e los nuevos ac ero s p erm itiero n d u p lic a r las v elo cid ad e s d e co rte del a c ero d e M u sh e t y fueron casi cuatro veces m ay o res q u e las del a c ero al carbono. El carburo d e tu n g ste n o se sintetizó por prim era vez alred ed o r d e 1890. Pasaron casi tres décadas para q u e s e d esarrollara un m aterial que fuera útil co m o h erram ienta d e corte, sinterizando el carburo d e tu n g s te n o con un aglutinante m etálico para form ar los carburos cementados Éstos se usaron por prim era vez en el corte d e m etales a m ed iad o s d e los añ o s veinte en A lem ania y a finales d e la m ism a década en E stados Unidos (véase n ota histórica 9.2). Las h e rra m ie n ta s d e c o rte d e c e rm e ts b a s a d o s en ca rb u ro d e tita n io s e in tro d u je ro n por prim era vez en los a ñ o s cin c u e n ta , p ero su im p o rtan c ia com ercial d a ta d e lo s a ñ o s seten ta. En la a c tu a lid a d s e u san m á s a m p lia m e n te en la p ó n q u e en E sta d o s U nidos, donde se prefieren m á s los ca rb u ro s recu b ierto s. El p rim er carburo recubierto q u e c o n s is tía en un s u stra to d e WC-Co s e u s ó p o r p rim era vez a lre d e d o r d e 1970. Los m a te ria le s recubiertos incluyen TiC. TiN y Al20 3. Los m o d e rn o s ca rb u ro s recu b ierto s tie n e n tre s o m ás recu b rim ie n to s d e é s to s y o tr o s m a te ria le s duros. Los intentos d e usar cerámicos de alúmina en el m aquinado d atan d e principios d e e s te siglo en Europa. Su fragilidad im pidió el éxito d e esta s prim eras aplicaciones. Los refinam ientos en su procesam iento a través d e m uchas d éc ad as han te n id o b u en o s resu ltad o s en el m ejoram iento a p ro p iad o d e e s to s m ateriales. El uso com ercial d e herram ien tas cerám icas de corte en E stados U nidos se rem o n ta a m ediados d e la décad a d e los cincuenta. Los prim eros d ia m a n te s industriales fueron producidos por la G eneral Electric C om pany en 1954 Eran cristales sencillos d e d ia m an te y se aplicaron con cierto éxito en o p eracio n es de esm erilado iniciadas hacia 1957. Se ha registrado una mayor a cep tació n d e las herram ien tas de corte d e d ia m an te con el u so del diamante policristalino sinterizado (DPS). q u e d a ta d e los prim eros añ o s d e la d écad a d e los sete n ta. Un m aterial sim ilar para h erram ientas, el nitruro de boro cúbico, s e introdujo en 1969 po r la G eneral Electric bajo la marca com ercial Borazon.
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Cermet (TiC)
2400 HK
250 000
Alúmina (Al20 3)
2100 HK
60 000
(400)
Nitruro cúbico de boro
5000 HK
100 000
(700)
Diamante policristalino Diamante natural
6000 HK 8000 HK
150 000 215 000
(1000) (1500)
Recopilada de (11], [13], [12] y otras fuentes. a Se intenta que los valores de la dureza y de RRT sean comparativos y típicos. Las variaciones en las propiedades resultan de diferencias en composición y procesamiento.
peratura am biente y de resistencia a la ruptura transversal de algunos materiales seleccionados. La resistencia a la ruptura transversal (sección 3.4.3) es una propiedad que se usa para indicar la tenaci dad de los m ateriales duros. La figura 24.6 m uestra la dureza com o una función de la temperatura para varios m ateriales de herram ientas analizados en esta sección. Adem ás de com parar las propiedades de los m ateriales, es útil com pararlos en términos de los parám etros n y C en la ecuación de Taylor para la vida de las herram ientas. El desarrollo de nue vos materiales para herram ientas de corte ha increm entado en general los valores de estos dos parámetros. La tabla 4.2 proporciona una lista de valores representativos de n y C en la ecuación de Taylor para algunos materiales seleccionados de herram ientas de corte.
Tem peratura (°F)
FIGURA 24.6 Relaciones típicas de dureza en caliente para materiales de herramienta seleccionados. Los aceros al carbono muestran una rápida pérdida de dureza conforme aumenta la temperatura. Los aceros de alta velocidad son sustancialmente mejores, mientras que los carburos cementados y los cerámicos son significativamente más duros a temperaturas elevadas.
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Capítulo 24 / Tecnología de las herramientas de corte
Sección 24.2 / Materiales para herramientas
1 TABLA 24.2 V alores rep resen tativ o s d e n y C en la e c u a c ió n d e la vida d e las h erram ien tas d e T aylor (ecu a ció n 24.1) para m ateriales sele ccio n a d o s d e h erram ien ta.
TABLA 24.3 M ateriales d e h erram ien tas d e co rte co n sus d ato s a p ro x im ad o s d e uso inicial y v elo cid ad e s d e co rte perm isibles.
C M ate rial d e h e rra m ie n ta Acero de herramienta al carbono Corte de metales Corte de acero Acero de alta velocidad Corte de metales Corte de acero Carburo cementado Corte de metales Corte de acero Cermet Corte de acero Carburo recubierto Corte de acero Cerámico Corte de acero
M a te ria l d e h e rra m ie n ta
p ie s/m in
0.1
200
0.1
60
(70) (20)
0.125 0.125
350 200
(120) (70)
0.25 0.25
2700 1500
(900) (500)
0.25
2000
(600)
0.25
2200
(700)
10000
Acero de herramienta al carbono Corte de metales Corte de acero
1800s
Acero de alta velocidad Corte de metales Corte de acero
1900
Aleaciones de fundición de cobalto Corte de metales Corte de acero
1915
Carburos cementados IWC) Corte de metales Corte de acero
(3000)
1950s
Cerámicos (Al20 3) Corte de acerob
1955
Nitruro de boro cúbico Corte de acero Carburos recubiertos Corte de aceroc
El desarrollo cronológico de los m ateriales de herram ienta ha seguido generalm ente una trayectoria en la cual los nuevos materiales han permitido velocidades de corte cada vez más altas. La tabla 24.3 presenta una lista de materiales de herramientas de corte, junto con sus fechas de introducción y la velocidad de corte m áxim a disponible. Se han registrado increm entos dram áticos en la productividad del m aquinado debido a los avances en la tecnología de m ateriales. En la prác tica, las máquinas herram ienta no siem pre han ido al paso de la tecnología de las herram ientas de corte. Las limitaciones en la potencia, en la rigidez de las máquinas herram ienta, en los rodam ien tos de las flechas de transm isión y el uso extendido de equipos viejos en la industria estadounidense son factores que han influido en el desaprovecham iento de las posibilidades de las altas velocidades disponibles en las herram ientas de corte. La evolución tecnológica de los materiales de herramienta se caracteriza por un fenómeno interesante. Algunos de los m ateriales para herramienta desarrollados hace m uchos años siguen uti lizándose extensamente; no se han reem plazado necesariamente por m ateriales más nuevos. Por ejemplo, el acero de alta velocidad, desarrollado alrededor de 1900, se sigue usando am pliam ente en la industria como m aterial de herram ienta de corte. Se han hecho mejoras en los ingredientes de aleación y en el procesado m etalúrgico de los aceros de alta velocidad, es por esto que aún per manecen com petitivos en una variedad de aplicaciones.
V e lo c id a d p e r m is ib le d e c o r te p ie s/m in (m /m in )a
30 15
(10) (5)
75-200 50-100
(25-65) (17-33)
150-600 100-300
(50-200) (33-100)
1000-2000 300-900
(330-650) (100-300)
500-1200
(165-400)
1000-2000
(330-650)
1200-4000
(390-1300)
1500-2500
(500-800)
500-1200
(165-400)
1954, 1973 1969 190
Recopilada de |3), [71, [11|, [13] y otras fuentes. JLas velocidades permisibles de corte se expresan como una escala de valores, debido a la variedad de materiales de trabajo y aplicaciones maquinadas con estas herramientas. Los valores se destinan a representar velocidades típicas y comparativas, no límites absolutos. b Las herramientas cerámicas se usan normalmente con avances y profundidades más bajas debido a su fragilidad. c Los carburos recubiertos se usan normalmente como sustitutos de los carburos cementados en su grado de corte de acero.
bajos niveles de aleación tienen una dureza en caliente muy pobre (figura 24.6), lo cual los hace inútiles en el corte de metales, excepto a velocidades dem asiado bajas según los estándares actuales. El acero de M ushet ha sido desplazado por los avances en la m etalurgia del acero.
24.2.2
Aceros de alta velocidad
Aceros al carbono y de baja aleación Antes del desarrollo del acero de alta velocidad, los únicos materiales para corte de m etales eran el acero al carbono y el acero de M ushet. En la actualidad estos aceros se usan esporádicam ente en las aplicaciones industriales del m aquinado de metales. Los aceros al carbono que se usaban com o he rramientas de corte podían tratarse térm icam ente para adquirir una dureza relativam ente alta (Rockwell C 60) debido a su relativamente alto contenido de carbono. Sin em bargo, a causa de los
1930 1940
Cermets (TiC) Corte de acero
Diamantes sintéticos Corte de metales
Recopilada de (11, (3| y otras fuentes. Los valores de los parámetros son aproximados para torneado con avance = 0.010 pulg/rev (0.25 m/rev) y profundidad = 0.100 pulg (2.5 mm). El corte de metales se refiere a metales fáciles de maquinar como aluminio, latón y fundición de hierro. El corte de acero se refiere al maquinado de acero suave (no endurecido). En la práctica se pueden encontrar variaciones significativas de estos valores.
24.2.1
A ño de u s o inicial
(m /m in )
n
0.6
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Los aceros de alta velocidad, AAV (en inglés. HSS), son aceros de herram ienta altam ente aleados, capaces de m antener su dureza a elevadas tem peraturas m ejor que los aceros de baja aleación y poseen alto contenido de carbono. Su buena dureza en caliente permite el uso de estas herramientas a velocidades de corte más altas. Al compararlos con los m ateriales de herramientas usados antes de su desarrollo, se m erecieron el nom bre de “alta velocidad". Se dispone de una am plia variedad de aceros de alta velocidad, pero se pueden dividir en dos tipos básicos: 1) tipo tungsteno, desig nados com o grado-T por el A m erican Iron and Steel Institute (A ISI); y 2) tipo molibdeno, designa dos com o grado-M por el AISI. Los H SS tipo tungsteno contienen tungsteno com o su principal ingrediente de aleación en proporciones del 12 al 20%. Los elem entos adicionales de aleación son el crom o (Cr) cerca de 4%, y el vanadio (V), en una escala de 1 a 2%. Uno de los HSS originales y m ejor conocidos es el gra do T I o acero de alta velocidad 18-4-1, el cual contiene 18% de W, 4% de Cr y 1% de V. Los H SS
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grados molibdeno contienen com binaciones de tungsteno y molibdeno (Mo) en una com binación típica de 6% W y 5% Mo, más los m ism os elem entos de aleación adicionales. Las funciones de cada elemento aleado en aceros de alta velocidad (H SS) se listan en la tabla 24.4. Comercialmente, el acero de alta velocidad es uno de los más importantes m ateriales de he rramientas de corte que se usan actualm ente, y a pesar haberse introducido hace cerca de un siglo, es especialmente apropiado para aplicaciones que involucran herram ientas de formas com plicadas como taladros, tarrajas, fresas y escariadores. Estas com plejas herramientas son generalm ente más fáciles y menos costosas de producir con HSS que con otros materiales de herramienta. Se pueden tratar térmicamente para que el filo de corte adquiera muy buena dureza (Rockwell C 65), y tam bién mantienen buena tenacidad en las porciones internas de la herramienta. Los buriles de acero de alta velocidad tienen m ejor tenacidad que m uchos de los materiales que poseen m ayor dureza y no están fabricados con acero grado herram ienta, pero se em plean para maquinado, com o carburos cementados y cerám icos. Aun para herram ientas de punta sencilla, los aceros de alta velocidad son muy populares entre los maquinadores debido a la facilidad con que se puede tallar cualquier forma en la punta de la herramienta. A través de los años se han hecho algunas m ejoras en la formulación metalúrgica de los HSS, por lo cual esta clase de materiales de herram ienta perm anece competitiva para muchas aplicaciones. Las herram ientas H SS, incluyendo las brocas, se recubren tam bién fre cuentemente con una delgada película de nitruro de titanio (Tin) para obtener una significativa mejoría en su desem peño de corte. G eneralm ente se usan procesos de deposición física de vapor
Como se puede esperar de sus propiedades, las aplicaciones de las herramientas de fundición de cobalto están generalmente entre las de los aceros de alta velocidad y las de los carburos cementados. Son capaces de cortes burdos pesados a velocidades mayores que las de los HSS y avances mayores que la de los carburos. Los materiales de trabajo incluyen aceros y metales, así como materiales no metálicos como plásticos y grafito. En la actualidad, las herramientas de fundición de cobalto no son comercialmente tan importantes como los aceros de alta velocidad o los carburos cementados. Estos últimos se introdujeron alrededor de 1915 como un material de herramienta que podría permitir velo cidades de corte más altas que los HSS: pero los carburos se desarrollaron posteriormente y probaron ser superiores a las aleaciones de fundición de cobalto en la mayoría de las situaciones de corte.
24.2.4
Carburos cementados, cermets y carburos recubiertos
para realizar estos recubrimientos.
24.2.3 Aleaciones de fundición de cobalto Los recubrimientos de aleación de cobalto contienen de 40 a 50% de cobalto: de 25 a 35% de cromo; y tungsteno, por lo general del 15 al 20% , con trazas de otros elementos. Estas herram ien tas se hacen en la form a deseada a través de fundición en moldes de grafito y después se esmerilan para darles el tamaño y añlado final. La resistencia al desgaste es m ejor que la del acero de alta velocidad, pero no tanto com o la de los carburos cem entados. La tenacidad de las herram ientas de fundición de cobalto es m ejor que la de los carburos, pero no tan buena com o la de los HSS. La dureza en caliente se sitúa también entre los dos materiales.
TABLA 24.4 E lem entos d e ale a c ió n e n a c e ro s d e alta v elo cid ad y sus efecto s so b re sus pro p ied ad es y p ro cesam ien to .
Elemento d e a leació n
F unciones en el a ce ro d e alta velocidad
Tungsteno
Incrementa la dureza en caliente Mejora la resistencia a la abrasión a través de la formación de carburos duros en HSS
Molibdeno
Incrementa la dureza en caliente Mejora la resistencia a la abrasión a través de la formación de carburos duros en HSS
Cromo
Profundiza la templabilidad durante el tratamiento térmico Mejora la resistencia a la abrasión a través de la formación de carburos duros en HSS Resistencia a la corrosión (efecto menor)
Vanadio
Se com bina con el carbono para resistencia al desgaste Retarda el crecimiento de los granos para mejor tenacidad
Cobalto
Incrementa la dureza en caliente
Carbono
Elemento principal de endurecimiento del acero Proporciona carbono disponible para formar carburos con otros elementos de aleación e incrementa la resistencia al desgaste
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Los cermets son com puestos de materiales cerám icos y m etálicos (sección 11.2.1). Los carburos cem entados se incluyen técnicam ente dentro de esta definición, sin embargo, los cermets basados en W C-Co, incluyendo W C-TiC-TaC-Co, se conocen com o carburos (carburos cem entados) de uso común. En la term inología de las herram ientas de corte, el térm ino cermet se aplica a los com puestos cerám ico-m etálicos que contienen TiC, TiN y otros m ateriales cerám icos, excepto el W C. Un avance en los m ateriales de corte involucra la aplicación de recubrimientos muy delgados a un sustrato de W C-Co. Estas herram ientas se llaman carburos recubiertos. De esta m anera tenem os tres materiales estrecham ente relacionados que se analizarán en esta sección: 1) carburos cem entados. 2) cermets y 3) carburos recubiertos. C arb u ro s c e m e n ta d o s Los carburos cem entados son una clase de materiales duros para herramienta form ulados con carburo de tungsteno (W C), y manufacturados con técnicas de m e talurgia de polvo en las que se utiliza el cobalto (Co) com o aglutinante (secciones 9.3.2, 11.2.1 y 19.3.1). Además del W C, puede haber otros com puestos de carburo en la mezcla, como carburo de titanio (TiC) o carburo de tantalio (TaC). Las prim eras herram ientas de corte de carburo cem entado se hicieron de W C-Co y se usaron para maquinar fundiciones de hierro, excluyendo al acero y a todo tipo de m ateriales ingenieriles, a velocidades de corte más rápidas que las que eran posibles con los aceros de alta velocidad y las aleaciones de fundición de cobalto. Sin em bargo, cuando se usaron directamente las herram ientas W C-Co para m aquinar acero, apareció el desgaste en cráter, que condujo a fallas prem aturas en las herramientas. La fuerte afinidad quím ica entre el acero y el W C-Co provoca un desgaste ace lerado por adhesión y difusión en la interfase herram ienta-viruta para esta com binación trabajoherramienta. C onsecuentem ente, las herram ientas fabricadas solam ente con W C-Co no se pueden usar de manera efectiva para m aquinar el acero, posteriorm ente se descubrió que la adición de car buro de titanio y de carburo de tantalio a la herram ienta de W C-Co retardaba significativam ente la velocidad de desgaste en cráter cuando se cortaba acero. Estas nuevas herram ientas de W C-TiCTaC-Co se podían usar para m aquinar acero. El resultado es que los carburos cem entados se di viden en dos tipos básicos: 1) grados de corte para m aterial que no incluyan el acero, los cuales consisten solam ente en W C-Co y 2) grados de corte para acero con com binaciones de TiC y TaC añadidos al W C-Co. Las propiedades generales de los dos tipos de carburos cem entados son similares: 1) alta resistencia a la com presión, pero baja resistencia a la tensión moderada: 2) alta dureza (90 a 95 HRA); 3) buena dureza en caliente; 4) buena resistencia al desgaste; 5) alta conductividad térmica; 6) alto módulo de elasticidad, con valores de E cercanos a 90 x 106 lb/pulg2 (600 x 103 M Pa) y 7) tenacidad más baja que los aceros de alta velocidad. Los grados de corte para m ateriales que no incluyen el acero se refieren a aquellos carbu ros cem entados que son apropiados para m aquinar alum inio, latón, cobre, magnesio, titanio y otros metales no ferrosos; el hierro fundido se incluye irregularm ente en este grupo de m ateriales de tra bajo. En los grados de corte de m aterial no acerado, el tam año de los granos y el contenido de cobal-
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Capítulo 24 / Tecnología de las herramientas de corte
velocidades más altas, com paradas con las que permiten generalm ente los carburos de grado corte de acero. N orm alm ente se usan m enores avances y así se obtienen mejores superficies de acabado, eliminando muchas veces la necesidad del esmerilado.
to son los factores que influyen en las propiedades del material de carburo cem entado. Al incre mentarse el tamaño del grado dism inuye la dureza y la dureza en caliente, pero aum enta la resisten cia a la ruptura transversal. Al aum entar el contenido de cobalto, la resistencia a la ruptura trans versal mejora a expensas de la dureza y la resistencia al desgaste. Con altos porcentajes de cobalto (7 a 15%), el carburo cem entado tiene alta resistencia a la ruptura transversal, pero su dureza es re lativamente baja (véase tabla 24.2); m ientras que un bajo contenido de cobalto (3 a 6% ) increm en ta la dureza v reduce la resistencia a la ruptura transversal. El efecto del contenido de cobalto sobre la dureza y la resistencia a la ruptura transversal se m uestra en la figura 11.10. Los carburos cem en tados con alto contenido de cobalto se usan para operaciones bastas y cortes interrum pidos ( como en fresado), mientras que los carburos con bajo contenido de cobalto (dureza y resistencia al des gaste más altas) se usan para cortes de acabado. Los grados de corte de acero se usan para aleaciones de acero de bajo carbono, inoxidable y otras. Para estos grados de carburo, el carburo de titanio o el carburo de tantalio se sustituyen por al go de carburo de tungsteno. El TiC es el aditivo más popular en la mayoría de las aplicaciones. Se puede reemplazar típicamente del 10 al 25% de W C mediante combinaciones de TiC y TaC. Esta com posición incrementa la resistencia al desgaste en cráter para el corte de acero, pero tiende a afectar adversamente la resistencia al desgaste del flanco o superficie de incidencia en aplicaciones de corte de materiales que no son acerados. Es por esto que se necesitan dos grados de carburo cementado. Hay tantas composiciones posibles de carburo cem entado, que en Estados Unidos se desa rrolló un sistema de clasificación, conocido com o el sistema ANSI de grados-C, para ayudar a los usuarios a decidir sobre el grado más apropiado para las aplicaciones de maquinado. La figura 24.7 presenta el sistema de grados-C junto con algunos comentarios sobre las aplicaciones, propiedades y composición. La figura resume m uchas de las observaciones hechas en los párrafos precedentes. El sistema de clasificación se usa tam bién para indicar las aplicaciones de los cerm ets y de los car buros recubiertos. C erm ets Aunque los carburos cem entados se clasifican técnicamente com o com puestos cermets, en la tecnología de herram ientas de corte, el término cerm et generalm ente se reserva para las combinaciones de TiC, TiN y carbonitruro de titanio (TiCN) usando níquel y/o m olibdeno como aglutinante. En otras palabras, los cerm ets excluyen los compuestos metálicos que se basan prin cipalmente en WC-Co. Las aplicaciones de los cerm ets incluyen acabados a altas velocidades y semiterminado de aceros, aceros inoxidables y fundiciones de hierro. Estas herram ientas permiten
FIGURA 24.7. Clasificación de los carburos cementados por el sistema de grados-C.
Grados de corte metálicos: Al, Cu, latón,Ti, fundición de hierro
M aquinado burdo
C5
C2
Propósito general
C6
C3
A cabado
C7
C4
A cabado d e precisión
C8
G eneralm ente sin TiC. ni TaC
Carburos recubiertos A lrededor de 1970 se desarrollaron los carburos recubiertos, esto representó un avance significativo en la tecnología de herram ientas de corte. Los carburos recu biertos son insertos de carburo cem entado recubierto con una o más capas delgadas de un m ate rial resistente al desgaste com o carburo de titanio, nitruro de titanio u óxido de aluminio (A120 3). El recubrimiento se aplica al sustrato por deposición química de vapor (sección 33.4) o deposición física de vapor (sección 33.3). El espesor del recubrimiento es solam ente de 0.0001 a 0.0005 pulg (2.5 a 13 /¿m). Se ha observado que los recubrim ientos más gruesos tienden a ser frágiles y produ cen agrietamientos, despostilladuras y separación de la base del inserto. L a prim era generación de carburos recubiertos tenía solam ente una capa de recubrim iento de (TiC, TiN, o A L O 3), este tipo de herram ienta se encuentra todavía en uso. M ás recientemente se han desarrollado insertos recubiertos que consisten en múltiples capas, com o se ve en la lámina 7 (capí tulo 1). La prim era capa se aplica a la base de W C-Co y consiste por lo general en TiN o TiCN debido a su buena adhesión y a su coeficiente de expansión térm ica similar. Posteriorm ente se apli can capas adicionales de varias com binaciones de TiN, TiCN y A LO 3. Los carburos recubiertos se usan para maquinar fundiciones de hierro y acero en operaciones de torneado y fresado. Se aplican m ejor a altas velocidades de corte en situaciones donde las fuerzas dinámicas y el choque térm ico son mínimos. Si estas condiciones se vuelven severas como en algu nas operaciones interrum pidas de corte, pueden ocurrir despostilladuras de los recubrim ientos oca sionando una falla prem atura de la herramienta. En estas situaciones son preferibles los carburos sin recubrir y formulados para una m ayor tenacidad. Cuando las herram ientas de carburo recubierto se aplican correctamente, perm iten increm entar las velocidades permisibles de corte con respecto a los carburos cem entados no recubiertos. La tabla 24.3 indica las posibles velocidades típicas. El uso de las herram ientas de carburo recubierto se está extendiendo a metales no ferrosos y aplicaciones no m etálicas para m ejorar la vida de la herramienta, así com o para obtener velocidades de corte más altas. Se requieren diferentes materiales de recubrim iento, com o el carburo de crom o (CrC), nitruro de circonio (ZrN ) y diam ante [6 ].
24.2.5
Cerámicos La herramientas de corte hechas de cerám icos se usaron com ercialm ente por prim era vez en Estados Unidos a m ediados de la década de los cincuenta, aunque su desarrollo y uso en Europa se remonta a principios de 1900. En la actualidad las herram ientas de corte a base de materiales cerám icos están com puestas prim ariam ente de óxido de alum inio de grano fino, prensado y sinte rizado a altas presiones y tem peraturas sin aglutinante en forma de inserto (sección 19.2.). El óxido de aluminio es por lo general muy puro (99% típicamente), aunque algunos fabricantes añaden otros óxidos, com o óxido de circonio en pequeñas cantidades. Es im portante usar polvos de alúm i na muy finos en la producción de herram ientas cerám icas y m axim izar la densidad de la mezcla a través de la com pactación a alta presión, a fin de mejorar la baja tenacidad del material. Las herram ientas de corte de óxido de aluminio tienen más éxito en el torneado a altas veloci dades de fundiciones de hierro y acero. Dichas herramientas se pueden usar para operaciones de acabado en el tom o en aceros endurecidos, donde las velocidades de corte son altas — y tanto el avance como la profundidad de corte son bajos— y se em plean instalaciones rígidas de trabajo. M uchas fallas por fractura prem atura de herram ientas cerám icas se deben a m áquinas herram ientas no rígidas, que sujetan a las herram ientas a fuerzas dinámicas. C uando las herram ientas cerám icas de corte se aplican apropiadam ente, pueden usarse para obtener buen acabado en las superficies. No se recomiendan las herram ientas cerám icas para operaciones interrum pidas de corte basto (por ejemplo, fresado basto) debido a su baja tenacidad. Además de las aplicaciones de los insertos de
G rados de corte d e acero
C1
583
Contiene TiC y TaC
Resistencia al d e s g a s te abrasivo Resistencia al d e s g a s te en cráter
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Capítulo 24 / Tecnología de las herramientas de corte
Sección 24.3 / Geometría de las herramientas
óxido de aluminio en operaciones de m aquinado convencional, el óxido de alum inio se usa am pliamente como un abrasivo en esm erilado y otros procesos abrasivos (capítulo 26). Otras herramientas cerám icas de corte disponibles com ercialm ente incluyen: nitruro de si licio (SIN); sialon, que consiste en nitruro de silicio y óxido de aluminio (SÍN -A LO 3); óxido de aluminio y carburo de titanio (A L O 3-TÍC), y óxido de aluminio reforzado con cristales simples de carburo de silicio. Estas herram ientas se diseñan generalm ente para aplicaciones especiales, las
585
Ángulo del filo de corte frontal (ECEA) Radio de la nariz (NR)
cuales están fuera del alcance de este libro. lateral (SCEA)
24.2.6 Diamantes sintéticos y nitruro de boro cúbico El diamante es el material más duro que se conoce (sección 9.6.1). Según algunas m edidas de dureza, el diamante es cerca de tres o cuatro veces más duro que el carburo de tungsteno o que el óxido de aluminio. Como la alta dureza es una de las propiedades deseables de las herramientas de corte, es na tural pensar en los diamantes para aplicaciones de esmerilado y maquinado. Las herramientas de corre de diamante sintético se hacen con diamante policristalino sinterizado y se remontan a los primeros años de la década de los setenta. El diam ante policristalino sinterizado se fabrica m ediante la sinterización de polvos finos de cristales de diamante granulado a altas temperaturas y presiones en la for ma deseada, no se usa aglutinante. Los cristales tienen una orientación aleatoria y esto añade conside rable tenacidad a las herramientas de diamante policristalino sinterizado, en relación con los cristales simples de diamante. Los insertos se hacen depositando una capa de diamante policristalino sinteri zado (de 0.020 pulg de grueso aproximadamente) sobre la superficie de una base de carburo cem en tado. También se han hecho insertos muy pequeños de diamante policristalino sinterizado al 100%. Las aplicaciones de las herram ientas de corte de diamante incluyen el m aquinado a alta velo cidad de metales no ferrosos y abrasivos no metálicos com o fibras de vidrio y grafito. No es prác tico maquinar el acero y otros m etales ferrosos, así com o las aleaciones basadas en níquel, con he rramientas de diamante policristalino sinterizado debido a la afinidad quím ica que existe entre estos
(a) Angulo de t ataque lateral (ccj) FIGURA 24.8 (a) Siete elementos de la geometría de una herramienta de punta sencilla y (b) la firma convencional de la herramienta que define los siete elementos.
metales y el carbono (el diam ante, ante todo, es carbono). Después del diam ante, el m aterial más duro conocido es el nitruro de boro cúbico (sec ción 9 .3 .3 ) y su fabricación en form a de herram ientas de corte es básicam ente la m ism a que se usa para el diam ante policristalino sinterizado, esto es. recubrim ientos sobre insertos de W CCo. El nitruro de boro cúbico (cuyo sím bolo es C BN ) no reacciona quím icam ente con el hierro y el níquel com o lo hace el diam ante; p o r tanto, las aplicaciones de herram ientas recubiertas de CBN se aplican para m aquinar acero y aleaciones basadas en níquel. C om o se puede imaginar, las herram ientas de diam ante y C B N son costosas, p o r consiguiente se debe ju s tific a r el costo de sus aplicaciones y de las herram ientas adicionales.
24.3
GEOMETRÍA DE LAS HERRAMIENTAS La herramienta de corte debe tener una forma apropiada para las aplicaciones de m aquinado. Una forma importante de clasificar las herramientas de corte es atendiendo a los procesos de maquinado. De esta forma tenemos herramientas para torneado, herramientas para trozado, fresas, brocas, escaria dores, tarrajas y muchas otras herramientas de corte, cuyo nombre deriva de la operación en que se usa cada una con su geometría propia y única. Exploraremos estas diferentes herramientas en el capí tulo 25 en nuestra revisión de las operaciones asociadas al maquinado. Como se indica en la sección 23.1.2 las herramientas de corte se pueden dividir en dos ca tegorías: de punta sencilla y de bordes o filos de corte múltiples. Las herram ientas de torneado representan generalm ente el prim er tipo, mientras que las brocas y las fresas representan el segun do. En esta sección, nos enfocarem os en las herramientas de punta sencilla y exam inarem os los aspectos de su geom etría. M uchos de los principios que se aplican a las herram ientas de punta sen cilla se aplican a otros tipos de herram ientas de corte, simplemente porque el m ecanism o de la for mación de viruta es básicam ente el mismo para todas las operaciones de maquinado.
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.
Angulo de incidencia lateral
/ /
1 1
~AnguI3 d e / ataque posterior («„),
Angulo de incidencia frontal
(b) Firma d e la herram ienta: a ^ a s, ERA. SRA, ECEA. SCEA. NR
Geometría de la herramienta de punta sencilla La form a general de una herramienta de punta sencilla se ilustra en la figura 23.5. Un diagrama más detallado se muestra en la figura 24.8. Ya antes hemos considerado el ángulo de inclinación de una herram ienta de corte como un parámetro. En una herram ienta de punta sencilla, la orientación de la superficie de ataque se define por dos ángulos, el ángulo de ataque posterior (a b) y el ángulo de ataque lateral ( a s). Estos dos ángulos tienen una influencia determinante en la dirección del flujo de la viruta sobre la cara o super ficie de ataque. La superficie del flanco o incidencia de la herram ienta se define por el ángulo de inci dencia frontal, A IF (en inglés ERA) y el ángulo de incidencia lateral, AIL (en inglés SRA). Estos ángulos determinan la m agnitud del claro entre la herram ienta y la superficie de trabajo recién crea da. El borde de corte de una herramienta de punta sencilla se divide en dos secciones, el borde de corte lateral y el borde de corte frontal. Estas secciones están separadas por la punta de la herramienta que tiene un cierto radio, llamado radio de la nariz. El ángulo del filo de corte lateral. AFCL (en inglés SCEA), determ ina la entrada de la herramienta en el material y puede usarse para reducir la fuerza repentina que experim enta la herramienta al entrar en la parte de trabajo. El radio de la nariz, RN (en inglés N R), determ ina en gran parte la textura de la superficie generada en la operación. Una herramienta muy apuntada (pequeño radio de nariz) produce m arcas de avance muy pronunciadas en la superficie. El ángulo del filo de corte frontal A FCF (en inglés ECEA), proporciona un claro entre el borde de salida de la herramienta y la superficie de trabajo recientemente generada, reducien do así el roce y la fricción contra la superficie. Para una herram ienta de punta sencilla hay siete elem entos que definen su geom etría. Cuando se especifican en el siguiente orden se llaman colectivam ente la firm a de la geom etría de la herra mienta: ángulo de ataque posterior, ángulo de ataque lateral, ángulo de incidencia frontal, ángulo de incidencia lateral, ángulo del filo de corte frontal, ángulo del filo de corte lateral y radio de la nariz. Por ejem plo, una herram ienta de punta sencilla que se usa en torneado debe tener la siguiente firma: 5, 5, 7. 7. 20. 15, 2/64 pulg. Rompe virutas La elim inación de la viruta es un problem a que se encuentra frecuente mente en torneado y otras operaciones continuas. Frecuentem ente se generan largas tiras de viruta, especialm ente cuando se tornean materiales dúctiles a altas velocidades. Estas virutas representan un peligro para el operador de la m áquina y para el acabado de la parte de trabajo, e interfieren con
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24.4
Capítulo 24 / Tecnología de las herramientas
Sección 24.4 / Fluidos para corte
FLUIDOS PARA CORTE lIn flu id o para corte es un líquido o gas que se aplica directam ente a la operación de m aquinado para mejorar el desem peño del corte. Los dos problem as principales que atienden los fluidos para corte son: 1) la generación de calor en las zonas de corte y fricción y 2) fricción en las interfases herramienta-viruta y herramienta-trabajo. A dem ás de la rem oción del calor y la reducción de la fric ción, los fluidos para corte brindan beneficios adicionales como: remover las virutas (especialm ente en esmerilado), reducir la temperatura de la parte de trabajo para un manejo más fácil, dism inuir las fuerzas de corte y los requerim ientos de potencia, m ejorar la estabilidad dimensional de la parte de trabajo y optimizar el acabado superficial.
24.4.1 Tipos de fluidos para corte Se dispone de varios fluidos para corte com erciales. Es conveniente analizarlos atendiendo prim ero a su función, para después clasificarlos por su com posición química. Funciones de los fluidos para corte De acuerdo con la generación de calor y fricción hay dos categorías generales de fluidos para corte: 1) refrigerantes, y 2) lubricantes. Los refrigerantes son fluidos para corte diseñados para reducir los efectos del calor en las operaciones de m aquina do. Tienen efecto limitado sobre la magnitud de energía calorífica generada durante el corte; pero extraen el calor que se genera, de esta m anera se reduce la tem peratura de la herram ienta y de la pieza de trabajo, y ayuda a prolongar la vida de la herram ienta de corte. La capacidad que tiene un fluido para corte de reducir la tem peratura del m aquinado depende de sus propiedades térmicas. El calor específico y la conductividad térm ica son las propiedades más im portantes (sección 4.2.1). El agua tiene un calor específico y una conductividad térmica m ayores, con respecto a otros líqui dos, por esta razón se utiliza com o base de los fluidos para corte del tipo refrigerante. Estas propie dades le permiten al refrigerante extraer el calor de la operación, reduciendo así la tem peratura de la herramienta de corte. Los fluidos para corte tipo refrigerante parecen ser más efectivos a veloci dades de corte relativamente altas, donde la generación del calor y las altas tem peraturas son un problema. Son más efectivos en los materiales susceptibles a las fallas por tem peratura, com o los aceros de alta velocidad, y se usan frecuentem ente en operaciones de torneado y fresado donde se genera calor en grandes cantidades. Por lo general, los refrigerantes son soluciones o em ulsiones en agua debido a que ésta tiene propiedades térm icas ideales para estos fluidos para corte. Los lubricantes son fluidos basados generalm ente en aceite (por sus buenas propiedades lubricantes), formulados para reducir la fricción en las interfases herram ienta-viruta y herramientatrabajo. Los fluidos lubricantes de corte operan por lubricación de presión extrema, una forma espe cial de lubricación en el límite (sección 6.3 . 1) que involucra la formación de una capa delgada de sales sólidas sobre la superficie caliente y lim pia del metal a través de reacciones quím icas con el lubricante. Los com puestos de azufre, cloro y fósforo del lubricante causan la formación de estas capas superficiales, que actúan para separar las dos superficies metálicas (de la viruta y de la he rramienta). Las películas de presión extrem a son más efectivas para reducir la fricción en el corte de metales que en la lubricación convencional de límites. Los fluidos para procesos de corte tipo lubricante son más efectivos a velocidades bajas de corte; tienden a perder su efectividad a altas velocidades, a m b a de 400 pies/m in (120 m/min), debido a que el movim iento de la viruta a estas velocidades previene que el fluido para corte alcan ce la interfase herram ienta-viruta. A dem ás de las altas temperaturas de corte que generan estas velocidades, los aceites se vaporizan antes de que puedan lubricar. Las operaciones de m aquinado com o el taladrado y el roscado se benefician por lo general de los lubricantes. En estas operaciones se retarda la formación de acum ulados en el filo de corte y se reduce el m omento de torsión de la herramienta.
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Aunque el propósito principal de un lubricante es reducir la fricción, tam bién reduce la tem peratura a través de varios m ecanism os. En prim er lugar, el calor específico y la conductividad tér mica del lubricante ayudan a rem over el calor de la operación, reduciendo por tanto la tem peratu ra. En segundo lugar, debido a que se reduce la fricción, también se reduce el calor generado com o resultado de la fricción. En tercer lugar, un coeficiente más bajo de fricción se traduce en un m enor ángulo de fricción. De acuerdo con la ecuación de M erchant (ecuación 23.16), un m enor ángulo de fricción ocasiona un aum ento del ángulo del plano cortante, por consiguiente, la magnitud de la energía calorífica generada en la zona de corte se reduce. Hay un efecto típico de traslape entre los tipos de fluidos para corte. Los refrigerantes se for mulan con ingredientes que ayudan a reducir la fricción. Y los lubricantes tienen propiedades tér micas, que aunque no son tan buenas com o las del agua, actúan para remover el calor de la opera ción de corte. Los fluidos para corte (refrigerantes y lubricantes) ponen de m anifiesto su efecto en la ecuación de Taylor para la vida de la herramienta a través de valores más altos de C. Son típicos los incrementos del 10 al 40% . La pendiente n no se afecta significativamente. Formulación química de los fluidos para corte Hay tres categorías básicas de fluidos para corte de acuerdo con su form ulación quím ica: 1) aceites de corte, 2 ) aceites em ulsificados y 3) fluidos quím icos y sem iquím icos. Las características de las tres categorías y de sus aplica ciones se resum en en el esquem a de la figura 24.12. Los aceites de corte son fluidos basados en aceites derivados del petróleo, de origen anim al, marino o vegetal. Los aceites m inerales son los principales debido a su abundancia y sus carac terísticas favorables en general. Para lograr la máxima capacidad de lubricación se com binan fre cuentem ente todos los tipos de aceite en un mismo líquido. También se mezclan aditivos quím icos para increm entar las cualidades lubricantes. Estos aditivos contienen compuestos de azufre, cloro o fósforo y se diseñan para reaccionar quím icam ente con las superficies de la herram ienta y de la viruta para form ar películas sólidas (lubricación por presión extrema), que ayudan a evitar el con tacto entre metal y metal. Los aceites em ulsificados son fluidos que forman suspensiones de pequeñas gotas de aceite en agua. El fluido se hace m ezclando aceite (mineral por lo general) en agua, y se utiliza un agente emulsificante para prom over la m ezcla y la estabilidad de la emulsión. Una relación típica entre agua y aceite es de 30 : 1. Se usan frecuentem ente aditivos químicos basados en azufre, cloro y fósforo para promover la lubricación a presión extrema. Debido a que contienen aceite y agua, los aceites emulsificantes com binan las cualidades de lubricación y refrigeración en un solo fluido para corte. Los fluid o s quím icos son sustancias químicas disueltas en agua, más que aceites em ulsifica dos en agua. Las sustancias quím icas disueltas son com puestos de azufre, cloro o fósforo y agentes humectantes. Las sustancias quím icas se destinan a sum inistrar algún grado de lubricación a la solu ción. Los fluidos quím icos tienen buenas propiedades refrigerantes, pero sus cualidades lubricantes son menores que las de los otros tipos de fluidos. Los flu id o s semiquím icos son fluidos quím icos que contienen pequeñas cantidades de aceite em ulsificado para incrementar las características lu bricantes del fluido de corte. De hecho es una clase híbrida entre fluidos quím icos y aceites em ul sificantes. FIGURA 24.12 Tres formulaciones químicas básicas de fluidos para corte y su aplicación característica.
Aceites d e corte Aceites emulsificados Fluidos quím icos y semiquímicos
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24.4.2
Capítulo 24 / Tecnología de las herramientas de corte
Cuestionario de opción múltiple
Aplicación de los fluidos para corte Los fluidos para corte se aplican a las operaciones de m aquinado en varias formas. En esta sección consideraremos sus técnicas de aplicación, el problem a de la contam inación de los fluidos, y tam bién la forma com o se utiliza la filtración para m antener los fluidos. Métodos de aplicación El m étodo más com ún es la inundación, llam ada algunas veces enfriamiento por inundación, debido a que se usa generalm ente con fluidos de enfriam iento. En este método se dirige una corriente constante de fluido hacia la interfase herram ienta-trabajo o he rramienta-viruta de la operación de maquinado. Un segundo m étodo consiste en la aplicación de niebla, usada principalm ente para fluidos para corte basados en agua. En este m étodo se dirige el fluido hacia la operación en form a de niebla acaneada por una corriente de aire presurizado. La aplicación de niebla no es generalm ente tan efectiva como la inundación de la herram ienta de corte. Sin embargo, debido a la alta velocidad de la corriente de aire, la aplicación de niebla puede ser más efectiva para llevar el fluido de corte a áreas inaccesibles que no pueden ser alcanzadas por la inundación convencional. Se usa la aplicación m anual del fluido de corte por medio de una aceitera o brocha para aplicar lubricantes en operaciones de roscado, y otras donde las velocidades de corte son bajas y la fricción es un problema. La mayoría de los talleres de m aquinado en producción prefieren general mente no usar esta técnica debido a la variabilidad de su aplicación.
[5] Hoffman, E. G. (editor). Fundamentáis ofTool Design. 2nd ed., Society of Manufacturing Engineers, Dear bom, Mich., 1984. [6] Koelsch, J. R.. “Beyond TiN,” Manufacturing Engineering. October 1992. pp. 27-32. [7] Krar, S. F., and Ratterman. E., Superabrasíves: Grinding and Machining with CBN and Diamond, McGraw-Hill, Inc.. New York. 1990. [8] Liebhold, P.. “The History of Tools,” Cutting Tool Engineer, June 1989, pp. 137-8.
24.1 . 24.2. 24.3. 24.4. 24.5. 24.6.
[3] Drozda, T. J., and Wick, C. (editors), Tool and Manu facturing Engineers Handbook, 4th ed., Vol. I, Machin ing, Society of Manufacturing Engineers, Dearbom. Mich., 1983. [4] H & W Systems, marketing and technical literature. Gastonia, N.C.
[11] [12] [13]
¿Cuáles son los dos aspectos principales de la tecnología de herramientas de corte? Mencione los tres modos de falla de la herramienta en maquinado. ¿Cuáles son los dos principales lugares de una herramienta de corte donde ocurre el desgaste? Identifique los mecanismos de desgaste de la herramienta de corte.
¿Qué significa el parámetro C en la ecuación de vida de la herramienta de Taylor? ¿Qué otras variables además de la velocidad de corte se incluyen en la versión aumentada de la ecuación
de Taylor? ¿Cuáles son algunos de los criterios de vida usados en las operaciones de maquinado en producción? Identifique tres propiedades favorables de un material para herram ienta de corte. ¿Cuáles son los elementos principales de aleación en los aceros de alta velocidad? ¿Cuál es la diferencia de ingredientes entre los carburos cementados grado corte de acero y grado corte de materiales que no son aceros? 24.11 . Identifique algunos de los compuestos comunes que forman los recubrimientos delgados sobre la super ficie de los insertos de carburo recubierto. 24.12. Mencione los siete elementos de la geometría de herramientas para una herramienta de corte de punta
24.7. 24.8. 24.9. 24.10.
24.13. 24.14. 24.15. 24.16. 24.17. 24.18. 24.19.
sencilla. ¿Por qué se diseñan generalmente las herramientas cerámicas de corte con ángulos de ataque negativos? Identifique las formas alternativas para sujetar una herramienta de corte en su lugar durante el maquinado. Mencione las dos categorías principales de fluidos para corte de acuerdo a su función. Mencione los tres tipos principales de fluidos para corte de acuerdo a su composición química.
¿Cuál es el principal mecanismo lubricante mediante el cual trabajan los fluidos para corte? ¿Cuáles son los métodos de aplicación de los fluidos para corte en una operación de maquinado? ¿Por qué los sistem as de filtrado de fluidos se hacen cada día más comunes y cuáles son sus ventajas?
CUESTIONARIO DE OPCIÓN MÚLTIPLE
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] Brierley, R. G.. and Siekman, H. J.. Machining Principies and Cost Control, McGraw-Hill Book Co., New York. 1964. [2] Cook. N. H„ “Tool Wear and Tool Life,” ASME Transactions, J. Engrg. fo r Industm, Vol. 95, November 1973,pp. 931-938.
[10]
Machining Data Handbook. 3rd ed.. Vol. I and II. Metcut Research Associates, Inc., Cincinnati. Ohio, 1980. Metals Handbook. 9th ed.. Vol. 16: Machining, ASM International, Metals Park, Ohio. 1989. Owen. J. V., “Are Cermets for Real?” Manufacturing Engíneering, October 1991. pp. 28-31. Schey, J. A., introduction to Manufacturing Processes. 2nd ed., McGraw-Hill Book Co., New York. 1987. Shaw. M. C., Metal Cutting Principies, Oxford University Press, Oxford, England, 1984.
PREGUNTAS DE REPASO
Filtración de los fluidos para corte Los fluidos para corte se contam inan al cabo del tiempo con una variedad de sustancias extrañas. Estos contam inantes incluyen aceites sucios (aceite de máquina, fluidos hidráulicos, etc.), basura, pequeñas virutas, hongos y bacterias. A dem ás de cau sar malos olores y riesgos a la salud, los fluidos para corte contam inados no desem peñan sus fun ciones tan bien com o cuando están frescos y limpios. Algunas alternativas para m anejar este problem a son las siguientes: 1) reem plazar el fluido para corte a intervalos regulares y frecuentes (quizá dos veces por mes), 2) realizar el m aquinado sin fluidos para corte, o 3) usar un sistem a de filtración continua para limpiar el fluido. D ebido al crecimiento de la conciencia am biental y a la legislación asociada con la contam inación, la elim i nación de los fluidos gastados se ha vuelto costosa y contraria al bienestar público general. El maquinado sin fluidos para corte ahorra los costos de su elim inación, pero estos ahorros se neu tralizan por los costos de producción más altos. Se han instalado sistem as de filtración en num erosos talleres de m áquinas para resolver los problemas de contam inación. Las ventajas de estos sistem as incluyen: 1) prolongación de la vida de los fluidos entre cam bios (en lugar de reem plazar el fluido una o dos veces p o r m es. se han reportado vidas de refrigerantes de hasta un año); 2 ) se reducen los costos de elim inación de los fluidos ya que ésta es m ucho m enos frecuente cuando se usan filtros; 3) fluidos para corte más limpios para un m ejo r am biente de trabajo y reducción de los riesgos contra la salud; 4 ) m enor mantenimiento de las m áquinas herram ienta y 5) una vida más larga de las herram ientas. Hay varios tipos de sistem as para filtrar los fluidos para corte, el lector interesado puede c onsultar la referencia [3],
[9]
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Hay un total de 18 respuestas correctas en el siguiente cuestionario. La calificación porcentual de la prueba debe basarse en dicho total. 24.1. De las siguientes condiciones de corte ¿cuál tiene el efecto mayor en el desgaste de la herramienta? a) velocidad de corte, b) profundidad de corte, o c) avance. 24.2. Como ingrediente de aleación en el acero de alta velocidad, ¿cuál de las siguientes funciones tiene el tungsteno? (Puede haber más de una respuesta.) a) forma carburos duros para resistir la abrasión, b) mejora la resistencia y la dureza, c) aumenta la resistencia a la corrosión, o d) incrementa la dureza en caliente. 24.3. ¿Cuáles de los siguientes ingredientes principales contienen típicamente las aleaciones de función del cobalto? (Puede haber más de una respuesta.) a) aluminio, b) cobalto, c) cromo, d) níquel y e) tungs teno. 24.4. ¿Cuál de los siguientes no es un ingrediente común de las herramientas de corte de carburo cementa do? (Puede haber más de una respuesta.) a) ALOj, b) Co, c) CrC, d) TiC y e) WC.
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Problemas
Capítulo 24 / Tecnología de las herramientas de corte
24.5. ¿Cuál de los siguientes efectos sobre los carburos cementados WC-Co tiene un incremento en el contenido de cobalto? a) disminuye la resistencia a la ruptura transversal, b) incrementa la dureza, c) incrementa la tenacidad. 24.6. ¿Por cuáles de los siguientes ingredientes se caracterizan típicamente los grados de corte de acero de los carburos cementados? (Puede haber más de una respuesta.) a) Co, b) Ni, c) TiC, d) TaC y e) WC. 24.7. Si usted ha seleccionado un carburo cementado para una aplicación que involucra el acabado en tomo de un acero, ¿qué grado-C seleccionaría usted? a) C l, b) C3. c) C5, o d) C7. 24.8. ¿Cuál de los siguientes procesos se usan para proveer los recubrimientos delgados sobre la superficie de un inserto de carburo recubierto? a) deposición química de vapor, b) electrodepositación, c) deposi ción física de vapor, o d) prensado y sinterizado. 24.9. ¿Cuál de los siguientes materiales tiene la dureza más alta? a) óxido de aluminio, b) nitruro de boro cúbico, c) acero de alta velocidad, d) carburo de titanio, o e) carburo de tungsteno. 24.10 ¿Cuál de las siguientes son las dos funciones principales de un fluido para corte en maquinado? (Dos respuestas solamente.) a) mejorar el acabado superficial de la pieza de trabajo, b) reducir las fuerzas y la potencia, c) reducir la fricción en la interfase herramienta-viruta, d) remover el calor de los procesos, o e) eliminar la viruta.
PROBLEMAS Desgaste y vida de la herramienta 24.1. Los siguientes datos de desgaste del flanco o superficie de incidencia se recopilaron en una serie de pruebas de torneado usando una herramienta de carburo recubierto sobre un acero endurecido. El avance fue de 0.012 pulg/rev y la profundidad de corte fue de 0.125 pulg. El símbolo x en el desgaste de la herramienta denota falla final de la herramienta.
Tiempo de corte (min) 1 3 5 7 9 11 13 15 20 25
Desgaste de flanco, pulg v = 400 sfpm v = 500 st'pm 0.005 0.008 0.011 0.013 0.016 0.018 0.020 0.023 0.029 0.039 x
0.009 0.014 0.019 0.023 0.028 0.032 0.040 x
a) Trace el desgaste del flanco como una función del tiempo en papel de gráfica lineal. Usando 0.030 pulg de campo de desgaste como criterio de la falla de la herramienta, determine las vidas de la herramienta para dos velocidades de corte, b) Sobre una pieza de papel log-log, trace sus resultados determinados en la parte a). De este trazo determine los valores de n y C en la ecuación de vida de la herramienta de Taylor. c) Calcule para comparación los valores de n y C en la ecuación de Taylor resolviendo ecuaciones simultáneas. ¿Son los valores de n y C los mismos? d) De su ecuación de Tay lor calcule la vida de la herramienta que debería resultar con una velocidad de 600 sfpm. 24.2. El ensayo de la vida de la herramienta en un tomo ha arrojado los siguientes datos: 1) v = 350 pies/min, T = 7 min: 2) v = 250 pies/min, T = 50 min. a) Determine los parámetros n y C en la ecuación de vida de la herramienta de Taylor. b) Basándose en los valores de n y C, ¿cuál es el material probable de he rramienta usado en esta ecuación? c) Usando su propia ecuación, calcule la vida de la herramienta que corresponde a una velocidad de corte v = 300 pies/min. d) Calcule la velocidad de corte que corresponde a una vida de la herramienta T = 10 min.
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24.3. Un ensayo de vida de la herramienta en torneado arrojó los siguientes datos: 1) v = 100 m/min, 7 = 10 min; 2) v = 75 m/min, T = 30 min. a) Determine los valores de n y C en la ecuación de vida de la he rramienta de Taylor. Basándose en su ecuación, calcule b) la vida de la herramienta para una velocidad de 90 m/min y c) la velocidad correspondiente a una vida de la herramienta de 20 min. 24.4. En un ensayo de torneado resultó una vida de la herramienta de 1 minuto a una velocidad de corte v = 4.0 m/seg y una vida de la herramienta de 20 min a una velocidad v = 2.0 m/s. a) Encuentre los valores de n y C en la ecuación de vida de la herramienta de Taylor. b) Proyecte la duración de la herramienta a una velocidad v = 1.0 m/seg. 24.5. En una operación de producción de torneado, la parte de trabajo tiene 125 mm de diámetro y 300 mm de largo. Se usa una velocidad de avance de 0.225 mm/rev en la operación. Si se usa una veloci dad de corte de 3.0 m/seg la herramienta debe cambiarse cada cinco panes de trabajo: pero si la velocidad de corte es de 2.0 m/seg, la herramienta puede producir 25 piezas entre los cambios de he rramienta. Determine la ecuación de vida de la herramienta de Taylor para este trabajo. 24.6. Para la vida de la herramienta de la figura 24.5, demuestre que el punto central de los datos (v = 300 pies/min y T = 12 min) es consistente con la ecuación de Taylor determinada en el ejemplo 24.1 24.7. En las gráficas de desgaste de la herramienta de la figura 24.4, se indica la falla completa de la he rramienta de corte con una X ai final de cada curva de desgaste. Usando el criterio de falla completa como criterio de vida de la herramienta en lugar de 0.030 pulg de desgaste del flanco o superficie de incidencia, los datos resultantes serían: 1) v = 400 pies/min, T = 5.75 min; 2) v = 300 pies/min, T = 14.25 min; 3) v = 200 pies/min, T = 47 min. Determine los parámetros n y C para estos datos en la ecuación de vida de la herramienta de Taylor. 24.8. La ecuación de Taylor para un cierto conjunto de condiciones de prueba es vT° ’5 = 1000. donde se usan las unidades acostumbradas en Estados Unidos: pies/min para v y minutos para T. Convierta esta ecuación a la ecuación de Taylor equivalente en unidades del Sistema Internacional (métrico), donde v esté en m/seg y T esté en segundos. Valide la ecuación métrica usando una vida de la herramienta = 16 min. Esto es, calcule la velocidad de corte correspondiente en pies/min y m/seg usando las dos ecua ciones. 24.9. La ecuación 24.4 en el texto relaciona la vida de la herramienta con la velocidad y el avance. En una serie de ensayos de torneado conducidos para determinar los parámetros n, m y K se recopilaron los siguientes datos: 1) v = 400 pies/m in,/= 0.010 pulg/rev, T = 10 min; 2) v = 300 pies/m in,/ = 0.010 pulg/rev, 7" = 35 min; 3) v = 400 pies/m in,/= 0.015 pulg/rev, 7 = 8 min. Determine n, m y K. ¿Cuál es la interpretación física de la constante K? 24.10. Se ejecuta una serie de pruebas de torneado para determinar los parámetros n, m y K en la versión aumentada de la ecuación de Taylor (ecuación 24.4). Los siguientes datos se obtuvieron durante el ensayo: 1) v = 2.0 m/seg,/ = 0.20 mm/rev. 7 = 1 2 min; 2) v = 1.5 m/seg,/ = 0.20 mm/rev, T = 40 min; 3) v = 2.0 m /seg,/ = 0.3 mm/rev, T = 10 min. a) Determine n. m y K. b) Usando su ecuación, calcule la vida de la herramienta cuando v = 1.5 m/seg y / = 0.3 mm/rev. 24.11. En la tabla 24.2, los valores de n y C se basan en una velocidad de avance de 0.010 pulg/rev y una pro fundidad de corte = 0.100 pulg. Determine cuántas pulgadas cúbicas de acero podrían removerse por cada uno de los siguientes materiales de herramienta, si se requiriera una vida de la herramienta de 10 min en cada caso: a) acero al carbono, b) acero de alta velocidad, c) carburo cementado, d) cerámico y e) carburo recubierto. 24.12. Un cierto taller de maquinado usa un número limitado de grados de carburo cementado en sus opera ciones estos grados se enlistan en la siguiente tabla con su composición química: Grado
%WC
1
95 82 80 89
2 3 4
%Co 5 4 10 11
%TiC 0 14 10 0
a) ¿Qué grado debería usarse para un acabado torneado de un acero no endurecido? b) ¿Qué grado debería usarse para un fresado burdo de aluminio? c) ¿Qué grado deberá usarse para acabado tornea do de latón? d) ¿Cuál de los grados enlistados será apropiado para maquinar fundiciones de hierro? explique su recomendación para cada caso
594
Capítulo 24 / Tecnología de las herramientas de corte
24.13. Se ejecuta una operación de torneado en una flecha de acero de 5 pulg de diámetro y 32 pulg de largo. Se ha practicado una ranura a lo largo de toda su longitud. La operación de torneado es para reducir el diámetro de la flecha. Indique cuál de los siguientes materiales es un razonable candidato para usarse en la operación: a) acero al carbono, b) acero de alta velocidad, c) carburo cementado, d) cerámico y e) diamante policristalino sinterizado. Exponga sus razones para los materiales que no sean buenos can didatos. 24.14. Se ejecuta una operación de taladrado en la cual se taladran agujeros de 0.5 pulg de diámetro a través de placas de fundición de hierro que tienen 1.0 pulg de grueso. Se han taladrado agujeros de muestra para determinar la vida de la herramienta a dos velocidades de corte. A 80 pies/min superficiales la he rramienta duró exactamente 50 agujeros. A 120 pies/min superficiales la herramienta duró exactamente 5 agujeros. La velocidad de avance del taladro fue de 0.003 pulg/rev. (Ignore los efectos de la entrada y salida de la broca del agujero.) Considere la profundidad del corte de exactamente 1.0 pulg, el cual corresponde al espesor de la placa. Determine los valores de n y C en la ecuación de Taylor con estos datos de muestra, en la cual la velocidad de corte v se exprese en pies/min y la vida de la herramienta T se exprese en minutos.
OPERACIONES DE MAQUINADO Y MÁQUINAS HERRAMIENTA
Fluidos para corte 24.15. Una operación de torneado de producción sobre una barra de acero opera normalmente a una velocidad de corte de 125 pies/min, usando una herramienta de acero de alta velocidad sin fluido para corte. Los valores apropiados de n y C en la ecuación de Taylor se dan en la tabla 24.2. Se ha encontrado que el uso de un fluido para corte tipo refrigerante permitirá un incremento de 25 pies/min en la velocidad sin ningún efecto sobre la vida de la herramienta. Si se puede asumir que el efecto del fluido para corte es solamente incrementar la constante C en 25, ¿cuál deberá ser el incremento en la vida de la herramien ta si la velocidad de corte original de 125 pies/min se hubiera usado en la operación? 24.16. Se está usando un broca de acero de alta velocidad de 1/4 de pulg en una operación de taladrado sobre acero blando. El operador aplica un aceite de corte por medio de una brocha que lubrica la broca antes de cada agujero. Las condiciones de corte son velocidad = 80 pies/min, avance = 0.005 pulg/rev y pro fundidad del agujero = 1.75 pulg. El encargado menciona que la velocidad y el avance están de acuer do con el manual para este material de trabajo. Sin embargo, dice: “la rebaba se aglomera en las estrías, ocasionando calor de fricción y la broca falla prematuramente debido al sobrecalentamiento”. ¿Cuál es el problema? ¿Qué recomendaría usted para solucionarlo? 24.17. En una operación de torneado que utiliza herramientas de acero de alta velocidad, se usa una velocidad de corte v = 90 m/min. La ecuación de vida de la herramienta de Taylor tiene parámetros n = 0.120 y C = 130 m/min cuando la operación se ejecuta en seco. Cuando se usa un refrigerante en la operación, el valor de C se incrementa en un 10%. Determine el incremento porcentual que resultaría para la vida de la herramienta si la velocidad de corte se mantuviera a v = 90 m/min.
C O N T E N ID O DEL C A P ÍT U L O 25.1
2 5 .2
2 5 .3
'*
ib
: .'i/-*- -
2 5 .4 2 5 .5
2 5 .6 ¿I
I
r W : :fUrTSki
r> xn&ibíV.r? 2 5 .7 2 5 .8
2 5 .9
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Torneado y operaciones afines 25.1.1 Condiciones de corte en el torneado 25.1.2 Operaciones relacionadas con el torneado 25.1.3 El torno m ecánico 25.1.4 Otros tornos y máquinas de tornear 25.1.5 Máquinas perforadoras Taladrado y operaciones afines 25.2.1 Taladrado con brocas helicoidales 25.2.2 Condiciones de corte en el taladrado 25.2.3 Operaciones relacionadas con el taladrado 25.2.4 Taladros prensa Fresado 25.3.1 Tipos de operaciones de fresado 25.3.2 Fresas 25.3.3 Condiciones de corte en fresado 25.3.4 Máquinas fresadoras Centros de maquinado y centros de torneado Otras operaciones de maquinado 25.5.1 Perfilado (formado) y cepillado 25.5.2 Escariado 25.5.3 Aserrado Forma, tolerancia y acabado superficial 25.6.1 Creación de formas en maquinado 25.6.2 Tolerancias en maquinado 25.6.3 Acabado superficial en maquinado Maquinabilidad Selección de las condiciones de corte 25.8.1 Selección del avance y de la profundidad de corte 25.8.2 Optim ización de la velocidad de corte Consideraciones para el diseño del producto en maquinado
596
Sección 25.1 / Torneado y operaciones afines
Capítulo 25 / Operaciones de maquinado y máquinas herramienta
597
Este capítulo describe la im portancia de las operaciones de m aquinado y de las m áquinas he rram ienta que se usan para llevar a cabo estos procesos. Se exam inarán tam bién algunos de los aspectos de ingeniería en la aplicación del m aquinado, que incluyen la creación de las form as de las partes de trabajo, las tolerancias, los acabados superficiales, la m aquinabilidad y la selección de las condiciones de corte (avances y velocidades). La nota histórica 25.1 ofrece una breve na rración del desarrollo de la tecnología de las m áquinas herram ienta.
Nota histórica 25.1 Máquinas herramienta 114 ,2 0 .2 2 1 L j a rem o ció n d e m a te ria l c o m o un m e d io d e m an u factu ra s e rem o n ta a los tie m p o s , p rehistóricos c u a n d o los s e re s h u m a n o s ap re n d ie ro n a ta lla r la m a d era y e s c u lp ir p ie d ra s para hacer im p le m e n to s d e caza y labranza. Hay ev id en cia s a rq u eo ló g ica s d e q u e lo s an tig u o s eg ip cio s u s a ro n m e c a n is m o s ro ta to rio s d e p alo s y cu e rd a s p ara ta la d ra r ag u jero s. El d esarro llo d e las m á q u in a s h e rra m ie n ta m o d e rn a s se relacio n a e s tre c h a m e n te con la Revolución In d u stria l. C u an d o la m e s W att d is e ñ ó su m á q u in a d e v ap o r en In g la terra alred ed o r d e 1763, u n o d e los p ro b le m a s té c n ic o s q u e en fren tó fue h ac er la p e rfo rac ió n del cilindro lo s u fic ie n te m e n te p reciso p a ra p revenir q u e el v ap o r se esc a p a ra a lre d e d o r del pistón. |o h n W ilkinson c o n stru y ó u n a máquina perforadora con u n a ru ed a m ovida p o r ag u a a lrededor d e 1775. la cual p e rm itió a W att c o n stru ir su m á q u in a d e v ap o r E sta m á q u in a perforadora s e re c o n o c e fre c u e n te m e n te co m o la prim era m á q u in a h erram ien ta. O tro inglés, H enry M audsley d e s a rro lló el prim er to rn o co rta d o r d e to rn illo s a lre d e d o r d e 1800. A unque s e h ab ía u s a d o el to m o d e m ad era p o r m u c h o s siglos, la m á q u in a d e M audsley a d ic io n ó u n a h e rra m ie n ta d e s liz a n te m ecanizad a, con la cual se p u d ie ro n d e s e m p eñ a r o p e ra c io n e s d e a v a n ce y ro s c a d o con m ucha m ayor p recisió n q u e p o r c u a lq u ie r m edio anterior. A Eli W hitney s e le a c re d ita el d e s a rro llo d e la prim era máquina fresadora en E s ta d o s U nidos, a lre d e d o r d e 1818. El d e s a rro llo del cepillo y el perfilador ocu rrió en In g laterra e n tre 1800 y 1835, c o m o r e s p u e s ta a la n e c e sid a d d e hac er c o m p o n e n te s d e s tin a d o s a la m á q u in a d e vapor, al e q u ip o tex til y a o tra s m á q u in a s a s o c ia d a s con la R evolución In d u stria l. El taladro prensa m e c a n iz a d o fue d e s a rro lla d o p o r la m es N asm yth a lre d e d o r d e 1846. el cual perm itió ta la d ra r a g u je ro s d e p re c isió n en el m etal. La m ayoría d e las m á q u in a s c o n v e n c io n a le s d e perforado, to rn o s, m á q u in a s fre sa d o ra s, cepillos, p e rfila d o ra s y ta la d ra d o s p re n s a u s a d a s hoy en dfa tie n e n el m ism o d is e ñ o b á sic o q u e las v ersio n e s a n tig u a s , d e s a rro lla d a s d u ra n te los d o s ú ltim o s siglos. Los c e n tro s m odernos d e m a q u in a d o , q u e so n m á q u in a s h erram ien ta ca p a c e s d e e je c u ta r m á s d e un tip o d e o p e ra c io n e s d e co rte, s e in tro d u je ro n en la d é c a d a d e los c in c u e n ta — d e s p u é s d e q u e se d e s a rro lló el c o n tro l n u m é ric o (n o ta h istó rica 37.1).
FIGURA 25.1
25.1.1
O peración de torneado.
Condiciones de corte en el torneado La velocidad de rotación en el torneado se relaciona con la velocidad de corte requerida en la super ficie cilindrica de la pieza de trabajo por la ecuación
N= i k
D0 - Df = 2d
ír = N f
(25.3)
donde f r = velocidad de avance, pulg/m in (mm /min) y / = avance, pulg/rev (mm /rev). El tiem po para m aquinar una parte de trabajo cilindrica de un extremo al otro está dado por
TORNEADO Y OPERACIONES AFINES El torneado es un proceso de m aquinado en el cual una herramienta de punta sencilla remueve material de la superficie de una pieza de trabajo cilindrica en rotación. La herram ienta avanza li nealmente y en una dirección paralela al eje de rotación, como se ilustra en lám ina 6 (capítulo 1) y en las figuras 23.2(a), 23.4 y 25.1. El torneado se lleva a cabo tradicionalmente en una máquina herramienta llam ada to rn o, la cual sum inistra la potencia para tornear la parte a una velocidad de rotación determinada con avance de la herram ienta y profundidad de corte especificados. * Los cortadores para fresadora son conocidos comúnmente bajo el nombre de "fresas" [N.del R.T.).
(25.2)
El avance en el torneado se expresa generalm ente en pulg/rev (mm/rev). Este avance se puede con vertir a velocidad de avance lineal en pulg/m in (mm/min) m ediante la fórmula:
Tm = y Jr
25.1
<25-1)
donde N = velocidad de rotación, rev/min; v = velocidad de corte, pie/min (m/min); y D 0 = diám etro original de la parte, pies (m). La operación de torneado reduce el diámetro del trabajo D 0 al diám etro final D¡. El cam bio de diám etro se determ ina por la profundidad de corte d:
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(25.4)
donde Tm = tiem po de maquinado real en min y L = longitud de la parte cilindrica en pulg (mm). G eneralm ente se añade una pequeña distancia a la longitud al principio y al final de la pieza de tra bajo para dar margen a la aproxim ación y al sobrerrecorrido de la herramienta. La velocidad volum étrica de rem oción del material se puede determ inar más conveniente mente por la siguiente ecuación. MRR = v fd
(25.5)
donde M RR = velocidad de rem oción de material, pulg3/m in (m m 3/m in). En esta ecuación las unidades de / se expresan sim plem ente como pulg (mm), ignorando el efecto de la rotación del torneado. D ebe asegurarse que las unidades para la velocidad sean consistentes con las d e / y d.
598
Capítulo 25 / Operaciones de maquinado y máquinas herramienta Sección 25.1 / Torneado y operaciones afines
25.1.2
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Operaciones relacionadas con el torneado Además del torneado, se puede realizar una gran variedad de operaciones de m aquinado en un tomo. En la figura 25.2 se ilustran las siguientes: (a) Careado. La herram ienta se alim enta radialm ente sobre el extrem o del trabajo rotatorio para crear una superficie plana. (b) Torneado ahusado o cónico. En lugar de que la herram ienta avance paralelam ente al eje de rotación del trabajo, lo hace en cierto ángulo creando una forma cónica.
Avance
(c) Torneado de contornos. En lugar de que la herram ienta avance a lo largo de una línea rec ta paralela al eje de rotación com o en torneado, sigue un contom o diferente a la línea recta, creando así una form a contorneada en la parte torneada.
(c)
(d) Torneado de fo rm a s. En esta operación llamada algunas veces formado, la herram ienta tiene una form a que se imparte al trabajo y se hunde radialmente dentro del trabajo. (e) Achaflanado. El borde cortante de la herram ienta se usa para cortar un ángulo en la es quina del cilindro y forma lo que se llam a un “chaflán". (f)
Tronzado. La herram ienta avanza radialmente dentro del trabajo en rotación, en algún punto a lo largo de su longitud, para trozar el extrem o de la pane. A esta operación se le llama algunas veces partido.
Avance
(g) Roscado. U na herram ienta puntiaguda avanza linealmente a través de la superficie exter na de la parte de trabajo en rotación y en dirección paralela al eje de rotación, a una veloci dad de avance suficiente para crear cuerdas roscadas en el cilindro. (h) Perforado. Una herram ienta de punta sencilla avanza en línea paralela al eje de rotación, sobre el diám etro interno de un agujero existente en la pane. (i)
Taladrado. El taladrado se puede ejecutar en un tom o, haciendo avanzar la broca dentro del trabajo rotatorio a lo largo de su eje. El escariado se puede realizar en form a similar.
(j)
Moleteado. Ésta no es una operación de m aquinado porque no involucra corte de material. Es una operación de formado de metal que se usa para producir un rayado regular o un patrón en la superficie de trabajo.
Las herram ientas de punta sencilla (sección 24.3) se usan en la mayoría de las operaciones ejecutadas en tom os. Las herram ientas de corte para el torneado, careado, ahusado, contorneado, chaflanado y perforado son herram ientas de punta sencilla. U na operación de roscado se ejecuta usando una herram ienta de punta sencilla, diseñada con la form a de la cuerda a producir. Ciertas operaciones requieren herram ientas diferentes a las de punta sencilla. El torneado de form as se eje cuta con una de diseño especial llam ada herram ienta de forma. El perfil de la forma tallada en la herramienta establece la form a de la parte de trabajo. Una herram ienta de tronzado es básicamente una herramienta de forma. El taladrado se realiza m ediante una broca (sección 25.2.1). El m oleteado se ejecuta con una herram ienta de m oleteado que consiste en dos rodillos formadores endurecidos y m ontados sobre sus centros. Los rodillos formadores tienen el patrón de moleteado deseado en sus superficies. Para ejecutar el m oleteado, se presiona la herram ienta con tra la superficie de la parte rotatoria con la presión suficiente para im prim ir el patrón sobre la super ficie del trabajo.
25.1.3
Avance
(h)
Avance
(i)
FIGURA 25.2 Otras operaciones diferentes al torneado que se realizan en un torno: (a) careado, (b) torneado ahusado, (c) torneado de contornos, (d) formado en torno, (e) achaflanado, (0 tronzado, (g) roscado, (h) perforado, (i) taladrado y (j) moleteado.
El torno mecánico El tomo básico usado para torneado y operaciones afines es un torno m ecánico. Es una máquina herramienta m uy versátil que se opera en forma manual y se utiliza ampliam ente en producción baja y media. El térm ino “m áquina” se originó en el tiempo en que estos m ecanism os eran m ovidos por máquinas de vapor.
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T ecnología del to rn o m e c á n ic o La figura 25.3 es un diagram a de un tom o mecánico m ostrando sus com ponentes principales. El cabezal contiene la unidad de transm isión que mueve el husillo que hace girar al trabajo. O puesta al cabezal está el contrapunto, en el cual se monta un centro para sostener el otro extrem o del trabajo. La herram ienta de corte es sostenida por una torreta que se encuentra fija al carro trans\ersal, que se ensam bla al c an o principal. El carro principal se diseña para deslizarse sobre las guías del tom o a fin de hacer avanzar la herram ienta paralelam ente al eje de rotación. Las guías son una especie de rieles a lo largo de los cuales se mueve el carro y están hechas con gran precisión para lograr un alto grado de paralelism o con respecto al eje del husillo. Las guías se construyen sobre la bancada del tom o que provee una arm azón rígida para el tom o mecánico. El carro se mueve por m edio un tom illo guía sin fin que gira a la velocidad propia para obte ner la velocidad de avance deseada. El carro transversal está diseñado para avanzar en una direc ción perpendicular al m ovim iento del carro. Por tanto, al m over el carro, la herram ienta puede avan-
600
Capitulo 25 / Operaciones de maquinado y máquinas herramienta
Sección 25.1 / Torneado y operaciones afines
601
Perro de arrastre (fijado al trabajo, movido por la placa del perro) M ordazas (3), ajutables para sujetar el trabajo
P arte de trabajo Centro (otro centro en el extremo del cabezal)
Parte de trabajo
Placa del perro (movida por el husillo del tomo)
(a) (b) Plato d e sujeción (Fijado al husillo) Boquilla con tres hendiduras para apretar el trabajo
Superficie torneada
Barra d e trabajo FIGURA 25.3 Diagrama de un torno mecánico, indicando sus componentes principales. Parte de trabajo
zar paralela al eje del trabajo para ejecutar el torneado recto. Y al m over el carro transversal, la he rramienta puede avanzar radialmente dentro del trabajo para ejecutar el careado, el torneado de forma o la operación de tronzado. El tomo mecánico convencional y la m ayoría de otras m áquinas descritas en esta sección son máquinas de torneado horizontal', es decir, el eje del husillo es horizontal. Esto es adecuado para la mayoría de los trabajos de tom o donde la longitud es m ayor que el diámetro. Para trabajos donde el diámetro es m ayor que la longitud y el trabajo es pesado, es más conveniente orientar el trabajo de manera que gire alrededor de un eje vertical: éstas son las m áquinas de torneado vertical. El tamaño del tom o se designa por 1) el diám etro máximo adm isible (el volteo) y 2) la má xima distancia entre los centros. El volteo es el diám etro máxim o de la parte de trabajo que puede girar en el husillo, se determina com o el doble de la distancia que existe entre el eje central del husillo y las guías de la máquina. El máximo tamaño real de la parte de trabajo cilindrica que puede acomodarse en el tom o es algo más pequeña, debido a que el carro y la corredera lateral están sobre las guías. La m áxim a distancia entre los centros indica la longitud máxim a de la pieza de trabajo que puede ser m ontada entre el cabezal y el contrapunto. Por ejem plo, un tom o de 14 x 48 indi ca que el diámetro máxim o admisible es de 14 pulg y la distancia máxima entre los centros es de
Camisa (avanza hacia delante para apretar la boquilla)
(c)
(d)
FIGURA 25.4 Cuatro métodos para sujetar el trabajo en un tomo: (a) montado del trabajo usando un perro, (b) mandril de tres mordazas, (c) boquilla y (d) plato de sujeción para partes de trabajo no cilindricas.
48 pulgadas. Métodos d e su jec ió n del trabajo al torno Se usan cuatro m étodos com unes para sujetar las partes de trabajo en el torneado, que a su vez consisten en varios mecanism os para sujetar el tra bajo, centrarlo y m antenerlo en posición sobre el eje del husillo y hacerlo girar. Los métodos se ilus tran en la figura 25.4 y son: (a) montura del trabajo entre los centros, (b) mandril, (c) boquilla y (d) plato de sujeción. La sujeción del trabajo entre los centros se refiere al uso de dos centros, uno en el cabezal y el otro en el contrapunto, com o se m uestra en la figura 25.4(a). Este método es apropiado para partes que tienen una alta relación entre la longitud y el diámetro. En el centro del cabezal se fija una brida llamada perro o plato de arrastre, en la parte exterior del trabajo que se usa para trans mitir la rotación del husillo. El centro del contrapunto tiene una punta en form a de cono que se inserta en un agujero practicado en el extrem o del trabajo. El centro del contrapunto puede ser un centro vivo o muerto. Un centro vivo gira en un rodam iento del contrapunto, de manera que no hay rotación relativa entre el trabajo y el centro vivo y por tanto no hay fricción. En contraste, un cen-
Sujetadores (4)
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tro muerto está fijo en el contrapunto y no gira; la pieza de trabajo gira alrededor del punto. Debido a la fricción y a la acum ulación del calor que resulta, esta disposición se usa norm alm ente a menores velocidades de rotación. El centro vivo se puede usar a altas velocidades. El m andril (chuck en inglés), figura 25.4(b), tiene varios diseños, con tres o cuatro mordazas para sostener la parte cilindrica sobre su diám etro exterior. Las mordazas se diseñan frecuentem en te para sostener tam bién el diám etro interior de una parte tubular. Un m andril auto-centrante tiene un mecanismo que mueve sim ultáneam ente las m ordazas hacia dentro o hacia fuera, y de esta forma centra el trabajo en el eje del husillo. Otros mandriles perm iten la operación independiente de cada mordaza. Los mandriles se pueden usar con o sin el centro del contrapunto. Para panes con baja relación entre la longitud y el diám etro, la sujeción de la parte al mandril en form a em potrada (en voladizo) es por lo general suficiente para soportar las fuerzas de corte. Para barras largas de tra bajo se necesita el soporte del contrapunto. Una boquilla consiste en un buje tubular con hendiduras longitudinales que corren sobre la mitad de su longitud e igualmente espaciadas alrededor de su circunferencia, com o se muestra en la figura 25.4(c). El diám etro interior de la boquilla se usa para sostener trabajos de form a cilindri ca como barras. D ebido a las hendiduras, un extremo de la boquilla puede apretarse para reducir su diámetro y sum inistrar una presión de agarre segura sobre el trabajo. Como hay un límite en la reducción que se puede obtener en una boquilla de cualquier diámetro dado, estos dispositivos de sujeción del trabajo se deben hacer en varias medidas para igualar el tamaño particular de la pieza de trabajo. Un plato de sujeción [figura 25.4(d)] es un dispositivo para sujetar el trabajo que se fija al husillo del tom o y se usa para sostener partes con formas irregulares. D ebido a su form a irregular, estas partes no se pueden sostener por otros métodos de sujeción. Por tanto, el plato está equipado con mordazas diseñadas a la m edida de la forma particular de la parte.
602
25.1.4
Sección 25.1 / Torneado y operaciones atines
Capitulo 25 / Operaciones de maquinado y máquinas Herramienta
603
Otros tornos y máquinas de tornear Además de los tom os m ecánicos, se han desarrollado otras m áquinas de tornear para satisfacer fun ciones particulares o para autom atizar el proceso de torneado. Entre estas máquinas están: 1) el tom o para herram ientas, 2) el tom o de velocidad, 3) el tom o revólver. 4) el tom o de m andril, 5) la máquina automática de tom illos y 6 ) el tom o controlado numéricamente. Torno para herramientas y torno de velocidad Estos dos tom os están estrecham ente relacionados con el tom o m ecánico. El torno para herram ientas es más pequeño y tiene m ás veloci dades y avances disponibles. Se construye también para precisiones más altas en concordancia con su propósito de fabricar com ponentes para herramientas, accesorios y otros dispositivos de alta pre cisión. El torno de velocidad es más simple en su construcción que el tom o mecánico. No tiene carro ni cursor transversal ni tam poco tom illo guía para m anejar el carro. El operador sostiene la he rramienta de corte usando un sostén fijo en la bancada del tomo. Las velocidades son m ás altas en el tomo de velocidad, pero el núm ero de velocidades es limitado. Las aplicaciones de este tipo de máquina incluyen el torneado de madera, el rechazado de metal y operaciones de pulido. Torno revólver Un tom o revólver es un tom o operado m anualm ente en el cual el con trapunto se ha reem plazado p o r una torreta que sostiene hasta seis herram ientas de corte. Estas herram ientas se pueden po n er rápidam ente en acción frente al trabajo, una por una, girando la torreta. A demás, el poste convencional de herram ientas que se usa en el tom o m ecánico está reemplazado por una torreta de cuatro lados, que es capaz de poner cuatro herram ientas en posi ción. Dada la capacidad de cam bios rápidos de herram ientas, el tom o revólver se usa para traba jo s de alta producción que requieren una secuencia de cortes sobre la parte.
FIGURA 25.5 (a) Tipo de parte producida en una máquina de barras automática de seis husillos y (b) secuencia de operaciones para producir la parte: (1) avance del material hasta el tope. (2) torneado del diámetro principal, (3) formado del segundo diámetro y centrado, (4) taladrado, (5) achaflanado, y (6) tronzado.
husillos puede cortar seis partes al mismo tiempo, como se muestra en la figura 25.5. Al final de cada ciclo de maquinado, los husillos (incluyendo las boquillas y las barras de trabajo) se corren al si guiente juego de herramientas de corte. Esto es, cada parte debe ser cortada en form a secuencial por seis juegos de herramientas de corte que toman seis ciclos de maquinado, pero cada parte se com pleta al final de cada ciclo. Como resultado, una máquina autom ática de tom illos con seis husillos tiene la velocidad más alta de producción que cualquier máquina de torneado.
Torno de mandril Com o su nom bre lo indica, este tom o usa un m andril en el husillo para sostener la parte de trabajo. El contrapunto está ausente en esta máquina, de m anera que las partes no se pueden m ontar entre los centros. Esto restringe el uso de un tom o de m andril a partes cortas y ligeras. La disposición de la operación es sim ilar al tom o revólver, excepto que las acciones de avance de las herram ientas de corte se controlan más en forma autom ática que m ediante un ope rador. la función del operador es cargar y descargar las partes. Máquina de barra automática Una m áquina de barra es sim ilar al tom o de m andril, ex cepto que se usa una boquilla en lugar de un mandril, la cual permite alim entar barras largas a través del cabezal en posición de trabajo. Al final de cada ciclo de m aquinado, una operación de corte reti ra la pane torneada. La barra se corre entonces hacia adelante para presentar nuevo m aterial para la próxima parte. El avance del material, así com o los corrim ientos y los avances de las herram ientas de corte se realizan autom áticam ente. D ebido al alto nivel de operación autom ática, frecuentem en te se le da a esta m áquina el nom bre de máquina de barras automática. U na aplicación im portante para este tipo de m áquinas es la producción de tom illos y partes similares de artículos de ferretería. A menudo se usa el térm ino m áquina de tornillos autom ática para las máquinas que se usan en estas aplicaciones. Las m áquinas de barras pueden clasificarse como de husillo simple y de husillo m últiple. Una máquina de barras de husillo simple tiene un husillo que permite usar solam ente una herram ienta de corte a la vez por cada parte que se maquina. Por tanto, mientras cada herram ienta corta el trabajo las otras herramientas están ociosas (los tom os revólver y los tomos de mandril están tam bién limi tadas por esta operación secuencial no simultánea). Para incrementar la utilización de las herra mientas de corte y la velocidad de producción existen las máquinas de barras de husillo múltiple. Estas máquinas tienen más de un husillo, de manera que muchas partes se pueden maquinar simultáneamente por m uchas herram ientas. Por ejemplo, una máquina de barras autom ática de seis
Tornos controlados numéricamente La secuenciación y la actuación de los movimien tos en las máquinas de tom illos y de m andril se han controlado tradicionalmente por m edio de planti llas y otros dispositivos m ecánicos. La forma moderna es el control num érico com putarizado CNC (sección 37.1). El CNC (control num érico computarizado) es un m edio sofisticado y muy versátil para controlar los dispositivos mecánicos, que ha conducido al desarrollo de m áquinas herramienta capaces de ciclos de maquinado y formas geométricas más com plejas y a niveles más altos de ope ración automática que las m áquinas de tom illos convencionales y las máquinas de mandril. El tomo de CNC es un ejemplo de estas máquinas de tornear, y es especialm ente útil para operaciones de torneado en contom o con tolerancias de trabajo estrechas. En la actualidad, casi todas las máquinas de barras y tom os de m andril están equipadas con un control num érico com putarizado.
25.1.5
Máquinas perforadoras
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El perforado es sim ilar al torneado. U sa una herramienta de punta sencilla contra una parte de tra bajo en rotación. La diferencia es que el perforado se realiza en el diám etro interior de un agujero existente, en lugar del diám etro exterior de un cilindro existente. En efecto, el perforado es una operación de torneado interno. Las m áquinas herramienta usadas para realizar las operaciones de perforado se llam an m áquinas perforadoras (también m olinos perforadores). Se podría esperar que las m áquinas perforadoras tuvieran características comunes con las m áquinas de torneado; cierta m ente, com o se indicó antes, los tom os se usan algunas veces para realizar el perforado. Las m áquinas perforadoras pueden ser horizontales o verticales. La designación se refiere a la orientación del eje de rotación del husillo de la m áquina o de la pieza de trabajo. En una
604
Capítulo 25 / Operaciones de maquinado y máquinas herramienta
Sección 25.2 / Taladrado y operaciones afines
605
operación de perforado horizontal, la disposición se puede arreglar en cualquiera de dos formas. En la primera, el trabajo se fija a un husillo giratorio y la herram ienta a una barra volada que la hace avanzar dentro del trabajo, com o se ilustra en la figura 25.6(a). La máquina que perfora en esta dis posición debe ser muy rígida para evitar la deflección y la vibración durante el corte. Para lograr alta rigidez, las barras perforadoras se hacen frecuentemente de carburo cem entado, cuyo módulo de elasticidad se aproxim a a 90 x 106 lb/pulg2 (620 x 103 MPa). La figura 25.7 m uestra una barra perforadora de carburo. En la segunda disposición posible la herramienta se m onta a una barra perforadora, la cual se soporta y gira entre los centros. El trabajo se sujeta a un mecanism o de alim entación que lo pasa frente a la herramienta. Esta disposición [figura 25.6(b)] se puede usar para realizar una operación de perforado en un tom o convencional. FIGURA 25.6 Dos formas de perforado horizontal: (a) una barra perforada avanza dentro de una parte de trabajo rotatoria y (b) el trabajo avanza frente a una barra perforadora rotatoria. Parte de trabajo Mandril (movido por el husillo) Parte de trabajo
Barra perforadora (fijada entre centros)
Perro de arrastre (para
Barra perforadora (avanza dentro del trabajo) Movimiento de avance
FIGURA 25.8
M áquina perforadora vertical.
__ L ^
Herram ienta de trabajo
H erramienta de corte
Una m áquina de perforado vertical se usa para partes pesadas de trabajo con diámetros grandes, por lo general el diámetro de la parte de trabajo es más grande que su longitud. Como se m uestra en la figura 25.8, la parte se m onta en una m esa de trabajo que gira con respecto a la base de la máquina. Hay mesas de trabajo hasta de 40 pies de diámetro. La m áquina perforadora típica puede poner en posición y hacer avanzar varias herram ientas de corte simultáneamente. Las herramientas se m ontan en cabezales de herram ientas que pueden avanzar horizontal y verticalmente con respecto a la mesa de trabajo. Uno o dos cabezales se montan en una guía horizontal, se ensamblan en el bastidor de herram ientas de la m áquina por encim a de la m esa de trabajo. Las herram ientas de corte m ontadas por encim a del trabajo se pueden usar para carear y perforar. A de más de las herram ientas sobre la guía, se pueden m ontar uno o dos cabezales adicionales en las colum nas laterales del bastidor para perm itir el torneado en el diám etro exterior del trabajo. Las cabezas portaherram ientas usadas en una m áquina de perforado vertical incluyen fre cuentem ente torretas para acom odar varias herram ientas de corte. Esto hace difícil distinguir entre esta m áquina y un tom o revólver vertical. Algunos constructores de máquinas herram ienta especi fican que los tom os revólver verticales se usan para diám etros de trabajo de hasta 100 pulg (2.5 m), mientras que las m áquinas perforadoras verticales se usan para diám etros más grandes [6 ]. Las m áquinas perforadoras verticales también se aplican frecuentem ente a trabajos especializados, mientras que los tom os revólver verticales se usan para la producción por lotes.
S ujetadores Mesa
Movimientos • de avance
FIGURA 25.7 Barra perforadora hecha de carburo cementado (WC-Co) que usa insertos intercambiables de carburo cementado (cortesía de Kennametal, Inc.).
25.2
TALADRADO Y OPERACIONES AFINES
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El taladrado [figura 23.2 (b)] es una operación de m aquinado que se usa para crear agujeros redon dos en una parte de trabajo. Esto contrasta con el perforado descrito previam ente, el cual solamente puede usarse para agrandar un agujero existente. El taladrado se realiza por lo general con una he rram ienta cilindrica rotatoria, llamada broca, que tiene dos bordes cortantes en su extremo. La broca avanza dentro de la parte de trabajo estacionaria para form ar un agujero cuyo diámetro está determ inado por el diám etro de la broca. El taladrado se realiza en un taladro prensa, aunque otras m áquinas herram ienta puedan ejecutar esta operación.
Sección 25.2 / Taladrado y operaciones afines
Capitulo 25 / Operaciones de maquinado y máquinas herramienta
606
25.2.1
diámetro. A lgunas brocas helicoidales tienen conductos internos longitudinales, a través de los cuales se puede bom bear un fluido dentro del agujero cerca de la punta de la broca. Una aproxi mación alternativa con las brocas helicoidales que no tienen conductos para el fluido es el uso de un procedimiento de “picoteo” durante la operación de taladrado. En este procedim iento la broca sale periódicam ente del agujero para lim piar la viruta antes de volver a entrar. Las brocas se hacen norm alm ente de acero de alta velocidad. Su geom etría se fabrica antes del tratamiento térm ico y el exterior (bordes de corte y superficies de fricción) se endurece, m ien tras retiene un núcleo interno relativam ente tenaz. El esm erilado se usa para afilar los filos de corte y la forma de la punta.
Taladrado con brocas helicoidales Hay disponibles vanas herramientas de corte para hacer agujeros, pero la broca helicoidal es con mucho la más común. Sus diám etros fluctúan desde 0.006 pulg (0.15 mm) hasta brocas tan grandes com o 3.0 pulg (75 mm). Las brocas helicoidales se usan am pliam ente en la industria para producir agujeros en forma rápida y económ ica. La geom etría estándar de la broca helicoidal se ilustra en la figura 25.9. El cuerpo de la broca tiene dos ranuras o canales helicoidales (de la hélice deriva el nombre de broca helicoidal). El ángulo de las ranuras helicoidales se llama ángulo de la hélice, un valor típico tiene alrededor de 30°. Durante la operación, las ranuras actúan como canales de extrac ción de la viruta del agujero. Aunque es deseable que la abertura de las ranuras sea grande para proveer el claro máxim o de la viruta, el cuerpo de la broca debe ser soportado sobre su longitud. Este soporte lo provee el alma o núcleo, que es el espesor de la broca entre las ranuras. La punta de la broca tiene la form a general de un cono. Un valor típico para el ángulo de la punta es de 118°. La punta se puede diseñar en varias form as, pero el diseño más com ún es el borde de cincel, como se m uestra en la figura. Conectadas con el filo del cincel hay dos bordes cortantes (algunas veces llamados labios) que conducen hacia las ranuras. La porción de cada ranura adya
25.2.2
Condiciones de corte en el taladrado
cente al borde cortante actúa com o la cara inclinada de la herramienta. La acción de corte de la broca helicoidal es com pleja. La rotación y el avance de la broca pro ducen un movimiento relativo entre los filos cortantes y la pieza de trabajo que forma la viruta. La velocidad de corte en cada filo cortante varía en función de la distancia al eje de rotación. Por con siguiente, la eficiencia de la acción de corte varía, y es más eficiente en el diám etro exterior de la broca que en el centro. De hecho, la velocidad relativa en la punta de la broca es cero, por tanto no hay corte. En su lugar, el borde de cincel de la punta de la broca em puja el m aterial del centro hacia los lados cuando penetra dentro del agujero; se requiere una gran fuerza de empuje para conducir la broca helicoidal hacia el agujero. Al principio de la operación, el borde de cincel rotatorio tiende a deslizarse sobre la superficie de la parte de trabajo y causa la pérdida de precisión posicional. Para resolver este problem a se han desarrollado nuevos diseños de puntas. La remoción de la viruta puede ser un problem a en la operación de taladrado. La acción de corte tiene lugar dentro del agujero, y las ranuras deben proveer el claro suficiente a lo largo de la longitud de la broca para perm itir que salga la rebaba del agujero. Al formarse la viruta, se mueve a través de las ranuras hacia la superficie del trabajo. La fricción com plica la operación en dos for mas. Además de la fricción usual en el corte de metales entre la viruta y la cara inclinada del borde cortante, también hay fricción por el roce entre el diám etro exterior de la broca y el agujero recien temente formado. Esto genera calor que eleva la tem peratura de la broca y del trabajo. La adición de un fluido de corte a la punta del taladro para reducir la fricción y el calor se dificulta debido a que la viruta fluye en dirección opuesta. D ebido a la rem oción de viruta y al calor, la profundidad del agujero que puede hacer una broca está lim itada norm alm ente a no más de cuatro veces el
FIGURA 25.9
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La velocidad de corte en una operación de taladrado es la velocidad superficial en el diám etro exte rior de la broca. Se especifica de esta form a por conveniencia, aunque casi todo el corte se realiza realmente a las velocidades más bajas cercanas al eje de rotación. Para fijar la velocidad deseada de corte en taladrado es necesario determ inar la velocidad de rotación de la broca por su diám etro. Si N representa las rev/min del husillo, entonces: N = —7: (25.6) n D donde v = velocidad de corte pulg/m in (m m /m in); y D = diám etro de la broca, pulg(m m ). En algu nas operaciones de taladrado, la superficie de la pieza gira sobre una herram ienta en reposo, pero se aplica la m ism a fórmula. En el taladrado, el avance / se especifica en pulg/rev (mm/rev). Las velocidades recom en dadas son aproxim adam ente proporcionales al diámetro del taladro; los avances m ás altos se logran con brocas de diám etro grande. C om o generalm ente existen dos bordes de corte en la punta de la broca, el espesor de la viruta no cortada (carga de viruta) que se toma en cada borde de corte es la mitad del avance. El avance puede convertirse a velocidad de avance si utilizam os la misma ecuación que en el torneado: fr = N f
(25.7)
donde f r = velocidad de avance, pulg/m in (mm /min). Los agujeros taladrados pueden ser agujeros com pletos o agujeros ciegos (figura 25.10). En los agujeros com pletos, la broca sale en el lado opuesto del trabajo; en los agujeros ciegos no es así. El tiempo de m aquinado requerido para taladrar un agujero completo se puede determ inar con la siguiente fórmula. Tm = i ± ±
(25.8)
Jr
donde Tm = tiem po de m aquinado (taladrado), min; t = espesor del trabajo, pulg(m m ); f r = velo cidad de avance, pulg/m in (m m /m in); A = tolerancia de aproximación que toma en cuenta el ángu lo de la punta de la broca, y representa la distancia que la broca debe avanzar dentro del trabajo antes de alcanzar el diám etro com pleto [figura 25.10(a)J. Dicha tolerancia está determ inada por
Geometría estándar de una broca helicoidal. C ara inclinada
A = 0.5 D tan ^ 9 0 - ^
(25.9)
donde A = tolerancia de aproxim ación, pulg(m m ); 9 = ángulo de la punta de la broca. En un agujero ciego la profundidad d se define com o la distancia entre la superficie de tra bajo y el punto m ás profundo del agujero [figura 2 5 .10(b)]. Por esta definición, el ángulo de tole rancia de la punta de la broca no afecta el tiem po para taladrar el agujero. Entonces, el tiem po de maquinado para un agujero ciego está dado por: 7’m = y
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Jr
(25.10)
Sección 25.3 / Fresado
612
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Capítulo 25 / Operaciones de maquinado y máquinas herramienta
La geom etría relativa de estas dos formas de fresado tiene sus diferencias en las acciones de corte. En el fresado ascendente, la viruta formada por cada diente del cortador com ienza muy del gada y aum enta su espesor durante el paso del diente. En el fresado descendente, cada viruta em pieza gruesa y se reduce a través del corte. La longitud de una viruta en el fresado descendente es m enor que en el fresado ascendente (en nuestra figura la diferencia está exagerada para m ayor comprensión). Esto significa una reducción en el tiempo de trabajo por volum en de m aterial corta do, lo cual tiende a increm entar la vida de la herram ienta en el fresado descendente. La dirección de las fuerzas de corte difieren en el fresado ascendente y descendente. La direc ción de la fuerza de corte es tangencial a la periferia de la fresa para los dientes que están engan chados en el trabajo. En el fresado ascendente hay una tendencia a levantar la pane de trabajo al salir los dientes del cortador del material. En el fresado descendente la dirección de la fuerza de corte es hacia abajo, y por esa causa el trabajo se mantiene contra la mesa de la máquina de fresado.
Velocidad de movimiento
FIGURA 25.14
Fresado en las c aras o fresad o frontal En el fresado frontal, el eje de la fresa es perpen dicular a la superficie de trabajo y el maquinado se ejecuta por los bordes o filos cortantes del extremo y la periferia de la fresa. Cuando el diámetro de la fresa es más grande que el ancho de la pane de tra bajo, de tal manera que la fresa sobrepasa al trabajo en ambos lados, se denomina fresado frontal con vencional, el cual se ilustra en la figura 25.17(a). De igual manera que en el fresado periférico, tam bién en el fresado frontal existen diversas formas, varias de ellas se ilustran en la figura 2 5 .17(b): fr e sado parcial de caras o parcial frontal, en el cual la fresa sobrepasa al trabajo solamente en un lado: (c) fresado terminal, en el cual el diámetro de la fresa es m enor que el ancho del trabajo, de manera que se corta una ranura dentro de la parte; (d) el fresado de pe/files es una forma de fresado terminal en el cual se corta una parte plaña de la periferia; (e) fresado de cavidades, otra forma de fresado ter minal usada para fresar cavidades poco profundas en partes planas; (f) fresado de contorno superfi cial, en el cual una fresa con punta de bola (en lugar de una fresa cuadrada) se hace avanzar hacia ade lante y hacia atrás y hacia un lado y otro del trabajo, a lo largo de una trayectoria curvilínea a pequeños intervalos para crear una superficie tridimensional. Se requiere el mismo control básico para maquinar los contomos de moldes y dados en cuyo caso esta operación se llama tallado o contorneado de dados.
Dos tipos básicos de la operación de fresado: (a) fresado periférico o plano y (b) fresado
frontal.
FIGURA 25.15
Fresado periférico: (a) fresado de placa, (b) ranurado, (c) fresado lateral y (d) fresado paralelo simultáneo.
En el fresado periférico hay dos direcciones opuestas de rotación que puede tener la fresa con respecto al trabajo. Estas direcciones distinguen dos form as de fresado, fresado ascendente y fresa do descendente que se ilustran en la figura 25.16. En el fresado ascendente, también llam ado fr e sado convencional, la dirección del m ovim iento de los dientes de la fresa es opuesto a la dirección de avance cuando cortan el trabajo. Es decir, cortan “contra el avance”. En el fresado descendente, también llamado fresado tipo escalam iento, la dirección del movim iento de la fresa es la m ism a que la dirección de avance cuando los dientes cortan el trabajo. Es un fresado “con el avance” .
FIGURA 25.16 Dos formas de fresado con una fresa de 20 dientes: (a) fresado ascendente y (b) fresado descendente.
Dirección de rotación del cortador
(a)
FIGURA 25.17 Fresado frontal: (a) fresado frontal convencional, (b) fresado de frente parcial, (c) fresado terminal, (d) fresado de perfiles. (e) fresado de cavidades y (0 fresado de contorno superficial.
Dirección de rotación del cortador
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Trabajo
Trabajo
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Sección 25.3 / Fresado
Capítulo 25 / Operaciones de maquinado y máquinas herramienta Posición del cortador al final del corte
Posición del cortador al principio del corte
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satisfacen estos requerim ientos. Para empezar, las máquinas fresadoras se pueden clasificar en ho rizontales o verticales. Una m áquina fresadora horizontal tiene un husillo horizontal, y este diseño es adecuado para realizar el fresado periférico (por ejem plo, fresado de planchas, ranurado. y fre sado lateral y atravesado) sobre partes de trabajo que tienen forma aproxim adam ente cúbica. Una máquina fresadora vertical tiene un husillo vertical, y esta orientación es adecuada para fresado frontal, fresado de acabado, fresado de contorno de superficies y tallado de dados sobre partes de trabajo relativamente planas. En esta sección, clasificam os las m áquinas fresadoras dentro de los siguientes tipos: 1) rodi lla y columna, 2) tipo bancada, 3) tipo cepillo, 4) fresas trazadoras y 5) máquinas fresadoras CNC.
V - x d Avance (con respecto al trabajo) Trabajo
Vista lateral
M áq u in as fre sa d o ra s d e ro d illa y c o lu m n a La m áquina fresadora de rodilla y colum na es la máquina herram ienta básica para fresado. Deriva su nom bre del hecho que sus dos principales com ponentes son una colum na que soporta el husillo y una rodilla (se parece a una rodilla hum ana) que soporta la mesa de trabajo. Se puede disponer de m áquinas horizontales o verticales, com o se ilustra en la figura 25.22. En la versión horizontal, un árbol soporta generalmente a la fresa. El árbol es básicamente una flecha que sostiene el cortador y se acciona mediante el husillo principal. En las m áquinas horizontales se provee un brazo para sostener el árbol. En las m áquinas de rodilla y columna verticales los cortadores se pueden montar directam ente en el husillo principal. Una característica de las m áquinas fresadoras de rodilla y colum na que las hace tan versátiles es la capacidad de la mesa de trabajo para hacer avanzar el trabajo en cualquiera de los tres ejes x, y, o z. Estas direcciones de los ejes se indican en la figura. La mesa de trabajo se puede m over en la dirección .v, la silla se puede m over en la dirección y , y la rodilla se puede m over verticalmente para lograr el m ovim iento r. Se pueden identificar dos m áquinas especiales de rodilla y columna. Una es la m áquina fr e sadora universal [figura 25.23(a)] la cual tiene una m esa que se puede girar en un plano horizon tal (sobre un eje vertical) a cualquier ángulo especificado. Esto facilita el corte de form as heli coidales sobre las partes de trabajo. O tra m áquina especial es la fresadora con corredera [figura 25.23(b)] en la cual el cabezal de la herram ienta que contiene el husillo se localiza sobre el extrem o de una corredera horizontal; la corredera se puede ajustar hacia dentro y hacia fuera sobre la mesa de trabajo para dirigir la fresa hacia el trabajo. El cabezal de la herram ienta se puede girar también para lograr una orientación angular de la fresa hacia el trabajo. Estas características aportan con siderable versatilidad en el m aquinado de varias formas de trabajo.
FIGURA 25.20 Fresado de placa (periférico) mostrando la entrada de la fresa en la pieza de trabajo.
Posición del cortador al final del corte
Posición del cortado al final del corte
Posición del cortador al principio del corte
v
f,
\
— +
\
!
I
[...y;-- ,
Avance (con respecto al trabajo) Avance (respecto al trabajo)
Posición del cortador al principio del corte
-T -yt
i \
Vista superior
Vista superior
(a)
(b)
FIGURA 25.21 Fresado frontal mostrando las distancias de aproximación y de recorrido adicional para dos casos: (a) cuando el fresador está centrado sobre la pieza de trabajo y (b) cuando el cortador está desplazado hacia un lado del trabajo.
tra en la figura 25.21. En ambos casos A = O. El primer caso es cuando la fresa se centra sobre la pieza de trabajo rectangular. En la figura 25.21 (a) es evidente que A y O son iguales a la mitad del diám etro del cortador. Esto es, D
FIGURA 25.22
Dos tipos básicos de máquina fresadora de rodilla y columna: (a) horizontal y (b) vertical.
(25.17)
A = 0 = 2 donde D = diám etro de la fresa, pulg(m m). El segundo caso es cuando la fresa sobresale a uno de los lados del trabajo, com o se muestra en la figura 25 .2 l(b). En este caso, las distancias de aproximación y la distancia adicional están dadas por A - O - J w (D - w)
(25.18)
donde w = ancho del corte, pulg (mm). Por tanto, el tiempo de maquinado en cada caso está dado por L + 2A Tm =
(25.19)
fr
25.3.4
Máquinas fresadoras Las máquinas fresadoras deben tener un husillo rotatorio para el cortador y una m esa para sujetar, poner en posición y hacer avanzar la parte de trabajo. Varios diseños de m áquinas herramienta
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Sección 25.4 / Centros de maquinado y centros de torneado
Capítulo 25 / Operaciones de maquinado y máquinas herramienta
61 9
Máquinas tipo cepillo Las m áquinas tipo cepillo forman la categoría m ás grande de máquinas fresadoras. Su apariencia general y su construcción son las de un cepillo grande (figura 25.30); la diferencia es que en lugar del cepillado llevan a cabo el fresado. Por consiguiente, uno o más cabezales de fresado sustituyen a las herram ientas de corte de una sola punta que se usan en los cepillos, y el m ovim iento del trabajo que pasa enfrente de la herram ienta es un m ovim iento de velocidad de avance más que un m ovim iento de velocidad de corte. Las fresas tipo cepillo se cons truyen para m aquinar partes muy grandes. La m esa de trabajo y la cam a de la m áquina son pesadas y relativamente bajas, casi al ras del piso, y los cabezales fresadores se sostienen sobre una estruc tura puente que se extiende a través de la mesa. Fresas trazadoras U na fresa trazadora, también llamada fresa perfiladora, está diseñada para reproducir una geom etría irregular de la pane creada sobre una plantilla. Un estilete de prue ba controlado por avance manual o autom ático sigue la plantilla, mientras el cabezal de fresado duplica la trayectoria del estilete para m aquinar la forma deseada. Las m áquinas trazadoras se pue den dividir en los siguientes tipos: 1) trazado x-y, en la cual la plantilla es una form a plana con un contorno que se perfila usando un control de dos ejes, 2) trazado .v-y-r. en el cual el estilete sigue un patrón tridim ensional usando un control de tres ejes. Las fresadoras trazadoras se han usado para crear formas que no pueden ser generadas fácil mente por una acción de avance sim ple de la parte de trabajo frente a la fresa. Sus aplicaciones in cluyen el m aquinado de moldes y dados. En años recientes, muchas aplicaciones que se hacían antes en fresas trazadoras se hacen ahora en máquinas fresadoras de control numérico computarizado (CNC).
FIGURA 25.23 Tipos especiales de máquinas fresadoras de rodilla y columna: (a) universal (se omiten la corredera superior, el árbol y el cortador, para mayor claridad) y (b) tipo corredera.
Fresadora tipo bancada Las m áquinas fresadoras tipo bancada se diseñan para la pro ducción en masa. Están construidas con m ayor rigidez que las máquinas de rodilla y colum na, y permiten las velocidades de avance m ás críticas y las profundidades de corte que se necesitan para las altas velocidades de remoción de m aterial. La construcción característica de las m áquinas fre sadoras tipo cam a se m uestra en la figura 25.24. La mesa de trabajo está montada directam ente a la cam a de la máquina herram ienta en lugar del tipo menos rígido de rodilla y colum na. Esta cons trucción limita el posible m ovim iento longitudinal de la mesa para pasar el trabajo por delante de la fresa. La fresa está m ontada en un cabezal de husillo que puede ajustarse verticalm ente a lo largo de la colum na de la máquina. Las m áquinas de bancada con un solo husillo se llaman máquinas símplex, como se muestra en la figura 25.24, y están disponibles en m odelos verticales u horizon tales. Las fresadoras dúplex usan dos cabezales de husillo, los cuales se posicionan por lo general horizontalmente sobre los lados opuestos de la cam a para realizar operaciones sim ultáneas durante un avance del trabajo. Las m áquinas triplex añaden un tercer husillo montado verticalm ente sobre la cam a para darle m ayor capacidad a la máquina.
FIGURA 25.24
Máquinas fresadoras C N C En las máquinas fresadoras C NC la trayectoria de la fresa se controla por datos num éricos en lugar de plantillas físicas. Las m áquinas fresadoras CNC están adaptadas especialm ente para el fresado de perfiles, fresado de cavidades, fresado de contom o de superficies y operaciones de tallado de dados, en las que se debe controlar sim ultáneam ente dos o tres ejes de la m esa de trabajo. N orm alm ente se requiere el operador para cam biar las fresas y car gar y descargar las partes de trabajo.
25.4 CENTROS DE M AQ U IN AD O Y CENTROS DE TORNEADO Un centro de m aquinado es una m áquina altam ente autom atizada capaz de realizar m últiples opera ciones de m aquinado en una instalación bajo CNC (control num érico com putarizado) con la m íni ma intervención hum ana. Las operaciones típicas son aquellas que usan herramientas de corte rota torio, como los cortadores y las brocas. Las siguientes características hacen de estos centros de maquinado una m áquina productiva:
Máquina fresadora tipo cam a símplex de husillo horizontal.
Velocidad, N
\
>- Cam bio autom ático de herram ientas. Para cam biar de una operación de m aquinado a la siguiente se deben cam biar las herram ientas. Esto se hace en un centro de m aquinado por medio de un program a de control num érico que controla a un cam biador autom ático de herra mientas diseñado para intercam biar cortadores entre los husillos de la m áquina y un tam bor de alm acenam iento de herram ientas. Las capacidades de estos tam bores fluctúan por lo gene ral de 16 a 80 herram ientas de corte.
^ Cabezal del husillo
» Paletas transportadoras. A lgunos centros de m aquinado están equipados con dos o más paletas transportadoras que pueden transferir autom áticam ente la pieza de trabajo al husillo de la m áquina. Con dos paletas, el operador puede descargar las partes previam ente m a quinadas y cargar las siguientes, m ientras la m áquina herram ienta se encarga de m aquinar la parte en tum o. Esto reduce el tiem po no productivo en la máquina.
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620
Sección 25.4 / Centros de maquinado y centros de torneado
Capítulo 25 / Operaciones de maquinado y máquinas herramienta
»- Posicionado autom ático de las partes de trabajo. M uchos centros de m aquinado tienen más de tres ejes. Uno de los ejes adicionales se diseña frecuentem ente como una mesa rota toria para poner la parte en posición formando un ángulo específico con respecto al husillo. La mesa rotatoria perm ite a la herram ienta de corte desem peñar el m aquinado en cuatro lados de la parte en una sola instalación. Los centros de m aquinado se clasifican en horizontales, verticales o universales. La desig nación se refiere a la orientación del husillo. Los centros de m aquinado horizontales m aquinan nor malmente partes de form a cúbica donde la herramienta de corte tiene acceso a los cuatro lados ver ticales del cubo. Los centros de m aquinado vertical están adaptados para partes planas en los cuales la herramienta puede m aquinar la superficie superior. Los centros de m aquinado universal tienen cabezales de trabajo que pueden girar los ejes del husillo a cualquier ángulo entre el vertical y el horizontal, como se ilustra en la figura 25.25. El éxito de los centros de m aquinado CNC ha conducido al desarrollo de centros de tornea do CNC. Un centro de torneado C N C m oderno (figura 25.26.) es capaz de desem peñar varias operaciones de torneado y operaciones relacionadas, torneado de contorno y secuenciado autom áti co de herramientas, todas bajo control computarizado. Adem ás, los centros de torneado sofisticado pueden realizar: 1) calibrado de partes de trabajo (verificación de las dim ensiones clave después del maquinado), 2) control de la vida de las herramientas (sensores que indican cuando las herram ien tas están desgastadas), 3) cam bio autom ático de herramientas cuando se desgastan, y adem ás 4) cam bio automático de pan es de trabajo al final de cada ciclo [18]. Un desarrollo reciente de la tecnología de máquinas herram ienta CNC es el centro de torno y fresa CNC. Esta m áquina tiene la configuración natural de un centro de torneado, y adem ás puede posicionar una parte de trabajo cilindrica en un ángulo específico, de m anera que una herram ienta rotatoria de corte (por ejem plo, una fresa) pueda maquinar formas en la superficie extem a de la parte, como se ilustra en la figura 25.27. Un centro ordinario de torneado no tiene la capacidad de parar la pieza de trabajo en una posición angular definida y no tiene husillos para herramientas rotatorias.
FIGURA 25.26
Centro de torneado de cuatro ejes y CNC (cortesía de Cincinnati Milacron).
FIGURA 25.27 Operación de un centro de torneado y fresado: (a) ejemplo de una parte con superficies torneadas fresadas y taladradas y (b) secuencia de operaciones en un centro de torneado y fresado: (1) torneado de un segundo diámetro, (2) fresado plano en una posición angular programada de la parte, (3) taladrado de un agujero con la parte en la misma posición programada y (4) corte.
FIGURA 25.25 Un centro de maquinado universal (cortesía de Cincinnati Milacron). La capacidad de orientar el cabezal de trabajo hace de ésta, una máquina de cinco ejes.
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624
Sección 25.5 / Otras operaciones de maquinado
Capítulo 25 / Operaciones de maquinado y máquinas herramienta
Cbn ¡ 3 3 ¡ 3 3 (a)
(b)
(c)
(d)
625
O (e)
FIGURA 25.31 Tipos de perfiles que se pueden cortar por perfilado y cepillado: (a) canal en V, (b) canal cuadrado, (c) ranura en T, (d) ranura cola de milano y (e) dientes de engrane.
mite el tallado de canales, ranuras, dientes de engranes y otras formas, como las ilustradas en la figura 25.31. Para cortar algunas de estas formas, es necesario especificar geom etrías especiales diferentes a las herram ientas estándar de punta sencilla. De hecho, las herramientas especiales para maquinado se usan algunas veces para este fin. Un ejemplo importante es el form ador de engranes, un formador vertical diseñado especialm ente para avance rotatorio y cabezal de herram ienta sin cronizada para generar los dientes de los engranes rectos o cilindricos.
25.5.2
(a)
Escariado El escariado se realiza usando una herram ienta de corte de dientes m últiples que se mueve lineal mente con relación al trabajo en dirección al eje de la herramienta, como se m uestra en la figura 25.32. La herramienta de corte se llam a escariador, y la m áquina herramienta se llam a máquina escariadora. Éste es un método de m aquinado altamente productivo en algunos trabajos que usan el escariado. Las ventajas incluyen buen acabado de la superficie, tolerancias estrechas y una gran variedad de formas posibles de trabajo. D ebido a la geom etría com plicada del escariador y a que frecuentemente se diseña a la m edida, la herram ienta es costosa. La terminología y la geom etría del escariado se ilustran en la figura 25.33. El escariado con siste en una serie de dientes cortantes distintos a lo largo de su longitud. El avance se logra por el incremento del paso entre los dientes sucesivos del escariador. Esta acción de avance es única entre las operaciones de maquinado, ya que m uchas operaciones logran el avance por un m ovim iento de avance relativo que llevan a cabo la herram ienta o el trabajo. El m aterial que se remueve totalm ente en un solo paso del escariador es el resultado acum ulativo de todos los pasos de la herram ienta. El movimiento de velocidad se logra por el desplazam iento lineal de la herramienta por enfrente de la superficie de trabajo. La form a de la superficie de corte está determ inada por el contorno de los filos de corte sobre el escariador, particularm ente el borde final.
FIGURA 25.32
FIGURA 25.33 El escariador: (a) terminología de la geometría del diente y (b) un escariador típico usado para escariado interno.
Seguidor
Dientes de acabado Piloto trasero
Dientes de d esb aste — Dientes para sem iacabado (b)
Debido a la geom etría com pleja y a las bajas velocidades que se usan en el escariado, la m a yoría de los escariadores se hacen de acero de alta velocidad. En el escariado de ciertas fundiciones de hierro, los filos cortantes son insertos de carburo cem entado ya sea soldados o fijos por medios m ecánicos sobre la herram ienta de escariado. Hay dos tipos principales de escariado: externo, llamado tam bién escariado superficial, y el interno. El escariado externo se ejecuta sobre la superficie externa del trabajo para crear ciertas for mas de la sección transversal en la superficie. La figura 25.34 m uestra algunas posibles secciones
FIGURA 25.34 Formas de trabajo que se pueden cortar por (a) escariado externo y (b) escariado interno. El achurado indica las superficies escariadas.
O peración de escariado. Velocidad
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Sección 25.5 / O tras operaciones de maquinado
Capítulo 25 / Operaciones de maquinado y máquinas herramienta
transversales que pueden form arse por escariado externo. El escariado interno se ejecuta en la superficie interna de un agujero de la parte. Por consiguiente, en la parte de trabajo debe estar presente un agujero inicial de manera que se pueda insertar el escariador al principio de la carrera de escariado. La figura 25.34(b) indica algunas de las formas que pueden producirse por escariado interno. La función básica de la m áquina escariadora es sum inistrar un m ovimiento lineal y preciso de la herramienta que pasa delante de la posición del trabajo estacionario, pero hay varias formas en que esto puede hacerse. La m ayoría de las máquinas escariadoras se pueden clasificar como máquinas verticales u horizontales La m áquina escariadora vertical (figura 25.35) está diseñada para m over el escariador a lo largo de una trayectoria vertical, mientras que la m áquina escariado ra horizontal tiene una trayectoria horizontal. La m ayoría de las máquinas de escariado jalan el escariador por delante del trabajo. Sin em bargo, hay excepciones para esta acción de tirado. U na de ellas es un tipo relativamente sim ple llam ado prensa de escariado que se usa solam ente para esca riado interno, la cual em puja la herram ienta a través de la pane de trabajo. O tra excepción es la máquina de escariado continuo, en la cual se fija la pane de trabajo a un transportador sin fin que se mueve delante de un escariador estacionario. Debido a su operación continua, esta m áquina se
25.5.3
627
Aserrado El aserrado es un proceso en el que se corta una hendidura angosta dentro de la parte de trabajo por medio de una herram ienta que tiene una serie de dientes estrecham ente espaciados. El aserrado se usa normalmente para separar una parte de trabajo en dos piezas o para cortar un trozo no deseado de la pieza. A estas operaciones se les llama frecuentemente operaciones de separación. El aserra do es un proceso im portante de m anufactura, ya que m uchas fábricas requieren de operaciones de corte en algunos puntos de su secuencia de manufactura. En la m ayoría de las operaciones de aserrado el trabajo se mantiene estático y la hoja de la sierra se mueve con respecto a él. H ay tres tipos básicos de aserrado, como se muestra en la figura 25.36, de acuerdo con el tipo de m ovim iento de la sierra: (a) con segueta, (b) con sierra banda y (c) con sierra circular. S egueta El corte con segueta [figura 25.36(a)] involucra un m ovimiento lineal de vaivén de la segueta contra el trabajo. Este método de aserrado se usa frecuentem ente en operaciones de
puede usar solam ente para escariado superficial. FIGURA 25.35 Máquina escariadora vertical con carrera de 24 pulg (600 mm). Foto cortesía de Ty Miles, Inc.
Transmisión de fuerza
Velocidad del movimientc
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Sección 25.6 / Forma, tolerancia y acabado superficial
Capítulo 25 / Operaciones de maquinado y máquinas herramienta
629
trozado. El corte se realiza solamente en la carrera hacia adelante de la segueta. D ebido a esta acción de corte intermitente el corte con segueta es por naturaleza menos eficiente que los otros métodos de aserrado, ambos son continuos. U na segueta es una herram ienta delgada y recta, con dientes cortantes en uno de sus bordes. El corte con segueta se puede hacer en forma mecánica o manual. La segueta m ecanizada tiene un m ecanism o de transmisión en el que la segueta opera a la velocidad deseada, también se aplica una velocidad dada de avance o presión de aserrado. Sierra cinta El aserrado con cinta im plica un movimiento lineal continuo que utiliza una sierra cinta hecha en fo rm a de banda flexible sin fin con dientes en uno de sus bordes. La máquina aserradora es una sierra cinta, que tiene un m ecanism o de transmisión con poleas para m over y guiar continuamente la sierra cinta delante del trabajo. Las sierras cintas se clasifican en verticales u horizontales. La designación se refiere a la dirección del m ovimiento de la sierra cinta durante el corte. Las sierras cintas verticales se usan para cortar trozos y realizar otras operaciones como calado y ranurado. El calado en una sierra cinta im plica el corte de una parte perfilada de material plano. El ranurado es el corte de una ranura delgada dentro de la parte, una operación para la cual la sierra cinta es adecuada. El calado y el ranurado son operaciones en las que el trabajo avanza den tro de la sierra cinta. Las máquinas verticales de sierra cinta pueden operarse ya sea manualmente por un operador que guía y hace avanzar el trabajo manualmente sobre la sierra cinta, o automáticamente, en la cual el tra bajo avanza mecánicamente a través de la sierra. Algunas innovaciones recientes en el diseño de sierras cintas han permitido el uso del CNC para realizar el calado de formas complejas. Algunos detalles de la operación de la sierra cinta se ilustran en la figura 25.36(b). Las sierras cintas horizontales se usan normalmente para operaciones de corte así como alternativas de corte con segueta mecanizada. Sierra circular La sierra circular [figura 25.36(c)] usa una sierra circular giratoria para suministrar el m ovim iento continuo de la herram ienta frente al trabajo. El corte con sierra circular se usa frecuentemente para cortar barras largas, tubos y formas similares a una longitud específica. La acción de corte es sim ilar a una operación de fresado ranurado, excepto que la sierra circular es más delgada y contiene más dientes que una fresa ranuradora. Las máquinas de sierra circular tienen husillos motorizados que hacen girar la sierra y un mecanismo de avance que conduce la sierra gira toria dentro del trabajo. Dos operaciones relacionadas con la sierra circular son el corte abrasivo y el aserrado por fric ción. En el corte abrasivo se usa un disco abrasivo para ejecutar las operaciones de corte sobre ma teriales duros que serían difíciles de aserrar con una sierra convencional. En el aserrado por fricción, un disco de acero gira contra el trabajo a una velocidad muy alta y produce el calor de fricción nece sario para ablandar el material lo suficiente y perm itir la penetración del disco a través del trabajo. Las velocidades de corte en ambas operaciones son mucho más rápidas que las de la sierra circular.
Diente m uescado (b)
Disposición recta
Disposición en rastrillo
(c) FIGURA 25.37 Características de las hojas de sierra: (a) nomenclatura para la geometría de las hojas de sierra, (b) dos formas comunes de dientes y (c) dos tipos de disposición de los dientes.
25.6
FORMA, TOLERANCIA Y ACABADO SUPERFICIAL Las operaciones de maquinado se usan para producir partes de formas definidas con tolerancias y acabados superficiales que especifica el diseñador del producto. En esta sección exam inarem os los aspectos de la forma, las tolerancias y los acabados superficiales en m aquinado.
25.6.1
Creación de formas en maquinado
Hoja de la sierra En las tres operaciones de aserrado anteriores, las hojas de la sierra tienen ciertas características com unes que incluyen la forma de los dientes, su espaciam iento y la disposición de los mism os, com o se puede apreciar en la figura 25.37. La form a de los dientes se refiere a la geom etría de cada diente de corte. El ángulo de inclinación o ataque, el ángulo del claro, el espaciamiento entre los dientes y otras características de la geom etría se m uestran en la parte (a) de la figura. El espaciam iento entre los dientes es la distancia entre los dientes adyacentes sobre la hoja de la sierra. Este parám etro determ ina el tam año del diente y el tam año de la garganta entre los dientes. La garganta proporciona un espacio para la formación de viruta por los dientes adyacentes de corte. Las diferentes formas de los dientes se adecúan a los diferentes materiales de trabajo y situaciones de corte. Se usan dos formas com unes en corte con segueta y corte con cinta, las cuales se muestran en la figura 25.37(b). La disposición de los dientes permite que la ranura de corte hecha por la hoja de la sierra sea más ancha que el ancho de la hoja en sí; de otra m anera la hoja podría atascarse contra las paredes de la ranura hecha por la sierra. En la figura 25.37(c) se ilustran dos disposiciones com unes de los dientes.
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El m aquinado es el más versátil de todos los procesos de m anufactura por su capacidad de pro ducir una diversidad de p a n es con geom etría de precisión. La fundición tam bién puede producir una variedad de form as, pero carece de la precisión y exactitud del m aquinado. En esta sección revisarem os algunos de los aspectos relacionados con la creación de form as de las p anes de tra bajo m ediante m aquinado. Partes rotacionales y no rotacionales Las partes m aquinadas se clasifican en rotacio nales y no rotacionales (figura 25.38). Una pane de trabajo rotacional tiene la forma de cilindro o disco. En la operación característica que produce estas form as, una herram ienta de corte elim ina material de una parte de trabajo giratoria. Los ejem plos incluyen el torneado y el perforado. El taladrado se relaciona estrecham ente, sólo que en la m ayoría de las operaciones de taladrado se crea una forma cilindrica interna y la herram ienta es la que gira (en lugar del trabajo). U na pane de tra bajo no rotacional (tam bién llam ada prism ática) es una parte en form a de bloque o placa, como se ilustra en la figura 25.38. Esta geom etría se logra por m ovim ientos lineales de la parte de trabajo com binada con m ovim ientos lineales o rotatorios de la herram ienta. Las operaciones en esta cate goría incluyen fresado, perfilado, cepillado y aserrado.
630
Sección 25.6 / Forma, tolerancia y acabado superficial
Capitulo 25 / Operaciones de maquinado y máquinas herramienta
631
Superficie generada = cilindro
Superficie generada = cono
Superficie g enerada
FIGURA 25.38 Las partes maquinadas se clasifican en (a) rotacionales, o (b) no rotacionales. Aquí se muestran com o bloques y partes planas. Superficie
Operaciones de formado y generación en maquinado Cada operación de m aquinado produce una geometría característica debido a dos factores: 1) los movim ientos relativos entre la herramienta y la parte de trabajo y 2) la form a de la herram ienta de trabajo. C lasificam os estas operaciones según la forma de la parte creada, ya sea por generación o formado. En la generación, la geom etría de la parte de trabajo está determ inada por la trayectoria del avance de la herram ienta de corte. La trayectoria seguida por la herram ienta durante su m ovi miento de avance se imparte a la superficie del trabajo a fin de crear su forma. Los ejem plos de generación de formas de trabajo en m aquinado incluyen el torneado recto, el torneado ahusado, el torneado de contornos, el fresado p eriférico y el fresado de perfiles, todos ellos ilustrados en la figura 25.39. En cada una de estas operaciones la rem oción de m aterial se realiza por el mo vim iento de la velocidad en la operación, pero la form a de la parte se determ ina por el m ovim ien to de avance. La trayectoria del avance puede involucrar variaciones en la profundidad o el ancho del corte durante la operación. Por ejem plo, en el torneado de contom o y las operaciones de fre sado de perfiles m ostradas en la figura, el m ovim iento de avance produce cam bios en la profun didad y el ancho respectivam ente, conform e el corte prosigue. En el form ado, la herram ienta de corte forma la geometría de la parte. En efecto, el filo de corte de la herramienta tiene el reverso de la form a a producir en la superficie de la parte. El tornea do de formas, el taladrado y el escariado son ejem plos de este caso. En estas operaciones, ilustradas en la figura 25.40, la herram ienta de corte imparte su forma al trabajo a fin de crear la geom etría de la parte. Las condiciones de corte en el form ado incluyen generalmente el m ovim iento prim ario de velocidad com binado con un m ovim iento de avance que se dirige directamente hacia el trabajo. La profundidad de corte en esta categoría de m aquinado se refiere a la penetración final dentro del tra
Trabajo
Superficie generada Trabajo
FIGURA 25.39 Generación de formas en maquinado: (a) torneado recto, (b) torneado ahusado, (c) torneado de contornos, (d) fresado plano y (e) fresado perfilado.
alcanzables en una fábrica moderna. Si la máquina herram ienta es antigua o está gastada, la varia bilidad en los procesos será más grande que la ideal y será difícil m antener estas tolerancias. Por otra pane, las nuevas m áquinas herram ienta pueden lograr tolerancias menores que las enlistadas. En general, las tolerancias más cerradas significan costos m ás altos. Por ejem plo, si el di señador de productos especifica una tolerancia de ±0.003 pulg (±0.076 mm) para el diám etro de un agujero de 0.250 pulg (6.35 mm), esta tolerancia podría lograrse por una operación de tala drado, de acuerdo con la figura 25.42. Sin em bargo, si el diseñador especifica una tolerancia de ±0.001 pulg (±0.025 mm), entonces se necesitaría una operación adicional de escariado para satis facer precisión en este requerim iento. La relación general entre tolerancia y costo de m anufactura se describe en la figura 42.1. No estam os sugiriendo que las tolerancias más flojas sean buenas. Sucede frecuentem ente que las tolerancias más estrechas y la variabilidad más baja en el m aquinado de com ponentes indi viduales conducen a m enos problem as de ensam blado, prueba final del producto, servicio en cam po y aceptación del cliente. A unque estos costos no son siempre tan fáciles de cuantificar com o los cos tos directos de m anufactura, pueden ser de cualquier form a significativos. Las tolerancias más estre chas que obligan al fabricante a lograr m ejor control sobre sus procesos de m anufactura, pueden conducir a m enores costos totales de operación para la com pañía en el largo plazo.
tran en la figura 25.41.
Tolerancias en maquinado En cualquier proceso de m anufactura hay variabilidad y las tolerancias se usan para establecer los límites admisibles de esa variación (sección 5.1.1). Cuando las tolerancias son pequeñas se selec ciona frecuentemente el m aquinado, ya que las operaciones de maquinado sum inistran alta pre cisión con respecto a otros procesos de form ado. La figura 25.42 indica las tolerancias típicas que pueden lograrse con la m ayoría de los procesos de formado exam inados en este capítulo. Debemos m encionar que los valores en esta tabla representan condiciones ideales, aunque son fácilmente
(e)
(d)
bajo una vez que term ina el m ovim iento de avance. El form ado y el generado se co m b in an algunas veces en una operación. El corte de ros cas sobre un tom o y el tallado de ranuras son dos ejem plos de esta com binación. En el corte de roscas la form a puntiaguda de la h erram ien ta de corte determ ina la form a de las cuerdas, pero la gran velocidad de avance genera las cuerdas. En el ranurado, el ancho del co rta d o r determ i na el ancho de la rendija, pero el m ovim iento de avance crea la ranura. Estos dos casos se ilus
25.6.2
plana
25.6.3
Acabado superficial en maquinado
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El maquinado es el proceso de m anufactura que determ ina frecuentem ente la geom etría final y las dim ensiones de la parte, así com o la textura de la superficie (sección 5.2.2). La figura 25.43 pre-
632
Capitulo 25 / Operaciones de maquinado y máquinas herramienta
Sección 25.6 / Forma, tolerancia y acabado superficial Superficie formada
633
± Tolerancia o> S
5*
o> E
I- i I 9
ó 2.
a s 8 -
3 E
O- E
2 «o
3 ?
Q- £
§ ¡3
Torneado, perforado Diámetro < 1.0 pulg. Superficie formada
1.0 < Diámetro S 2.0 pulg
Trabajo
Diámetro > 2.0 pulg. Taladrado' Diámetro <0.1 pulg. Trabajo
Superficie formada
Escariador
0.1 < Diámetro < 0.25 pulg 0.25 <, Diámetro < 0.5 pulg 0.5 < Diámetro <, 1.0 pulg. Diámetro > 1.0 pulg.
Herramienta formadora
Rimado Diámetro < 0.5 pulg. 0.5 £ Diámetro < 1.0 pulg Diámetro > 1.0 pulg. FIGURA 25.40
Creación de formas en maquinado por formación: (a) torneado formado, (b) taladrado y (c) escariado.
Fresado Periférico De frente
serna una lista de acabados superficiales típicos que se pueden alcanzar en las operaciones de maquinado. Los datos en esta figura representan los acabados que se alcanzan fácilm ente con las máquinas herram ienta m odernas en buenas condiciones de mantenim iento. Examinemos cóm o se determ inan los acabados superficiales en una operación de m aqui nado. La rugosidad de la superficie m aquinada depende de muchos factores que se pueden agru par de la siguiente manera: 1) factores geom étricos, 2) factores de m aterial de trabajo y 3) factores de vibración y de la m áquina herram ienta. Nuestra revisión del acabado superficial en esta sección analiza estos factores y sus efectos.
FIGURA 25.41 Combinación de formación y generación para crear formas: la) corte de roscas en torno y (b) fresado de ranura.
Terminal Perfilado, ranurado Cepillado FIGURA 25.42 Tolerancias típicas alcanzables en operaciones de maquinado. Recopiladas de varias fuentes, incluyendo [3!, [5], (7|, (16] y [24],
Escariado Aserrado * Las tolerancias típicas en taladrado se expresan típicamente com o tolerancias ses gadas bilaterales (por ejemplo + 0.005/ -0.001). Los valores en esta tabla se expresan como la tolerancia bilateral más cercana (ejemplo ±0.003).
F resa para ranurado en T Superficie form ada-generada-
Trabajo Trabajo
Herramienta roscadora
Superficie formada-
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F a c to re s g e o m é tric o s Los factores geom étricos determ inan la geom etría de la superficie en una parte m aquinada. Éstos incluyen: 1) el tipo de operación de maquinado; 2 ) la geom etría de la herram ienta de corte, la más im portante es el radio de la nariz; y 3) el avance. La característi ca de la superficie que resulta de estos factores es la rugosidad superficial ideal o teórica que se obtendría en ausencia de los factores del material de trabajo, de la vibración y de la máquina herram ienta. El tipo de operación se refiere al proceso de m aquinado que se usa para generar la superficie. Por ejemplo, el fresado periférico, el fresado de frente y el perfilado, todos producen superficies planas; sin em bargo, la geom etría de la superficie es diferente para toda operación debido a las diferencias en la form a de la herram ienta y en la m anera en que la herram ienta interactúa con la superficie.
634
Capítulo 25 / Operaciones de maquinado y máquinas herramienta
Sección 25.6 / Forma, tolerancia y acabado superficial
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Rugosidad superficial (AA)
Ó)
f E Operación de maquinado
9- a 3. CM
a=L i
ái
íi CM
•
oo o
H n. CM (O
9- E
S
Torneado Perforado Taladrado Rimado Fresado Perfilado Cepillado Escariado Aserrado FIGURA 25.43 Valores (AA) de acabado superticial logrados en varias operaciones de maquinado. Recopilados de varias fuentes, incluyendo 17], [16] y [24].
La geometría de la herram ienta y el avance se com binan para form ar la geom etría de la super ficie. En la geom etría de la herram ienta, el factor importante es la form a de la punta de la he rramienta. El efecto se puede ver para una herram ienta de punta sencilla en la figura 25.44. Con el mismo avance, un m ayor radio de nariz causa marcas de avance menos pronunciadas, lo cual pro duce un mejor acabado. Si se com paran dos avances con el mismo radio de la nariz, el avance más grande aumenta la separación entre las marcas de avance y conduce a un increm ento en el valor de la rugosidad superficial ideal. Si la velocidad de avance es lo suficientem ente grande y el radio de la nariz es lo suficientem ente pequeño, de m anera que el filo de corte frontal participe en la creación de la nueva superficie, entonces el ángulo del filo de corte frontal A FC F (en inglés ECEA) afectará la geom etría de la superficie. En este caso un m ayor EC EA producirá un valor de rugosi dad superficial más alto. En teoría un ECEA = 0 podría producir una superficie perfectam ente lisa; sin embargo las im perfecciones de la herram ienta, del m aterial de trabajo y del proceso de maqui
FIGURA 25.44 Efecto de los factores geométricos en la determinación del acabado teórico sobre una superficie de trabajo para herramientas de punta sencilla: (a) efecto del radio de la nariz, (b) efecto del avance y (c) efecto del ángulo del filo cortante frontal (ECEA).
nado impiden alcanzar sem ejante acabado ideal. Los efectos del radio de la nariz y del avance pueden com binarse en una ecuación para pre decir la media aritm ética ideal de la rugosidad de una superficie producida por una herram ienta de punta sencilla. La ecuación se aplica a operaciones com o torneado, perfilado y cepillado: R¡ =
f2
La ecuación 25.20 se puede usar para estimar la rugosidad superficial ideal en el fresado frontal con herramienta de insertos, d o n d e/rep resen ta la carga de viruta (avance por diente). Sin em bargo, debe notarse que las puntas traseras y delanteras de los bordes de rotación de la fresa produ cen marcas de avance sobre la superficie del trabajo, lo cual com plica la geom etría de la superficie. En el fresado de placas donde se utilizan los bordes de corte recto de la fresa para generar la geom etría superficial, se puede usar la siguiente relación para estim ar el valor ideal de rugosidad superficial, basados en el análisis de M artellotii [17]:
(25.20)
32 N R
0 .1 2 5 / R, =
donde R, = media aritm ética teórica de la rugosidad superficial, pulg(m m );/ = avance, pulg(mm); y NR = radio de la nariz en la punta de la herramienta, pulg (mm). La ecuación supone que el radio JS¡ de la nariz no es cero y que el avance y el radio de la nariz serán los factores principales que deter- J j minen la geom etría de la superficie. Los valores para R, se dan en pulg (mm), los cuales se pueden ® convertir a m icropulgadas (|im ).
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(25.21)
(D /2 ) ± (f n , / n )
donde / = carga de viruta, pulg/diente (mm /diente); D = diám etro del cortador para la fresadora, pulg(m m); n, = núm ero de dientes en el cortador. El signo positivo en el denom inador es para el fre sado ascendente y el signo negativo es para el fresado descendente. La ecuación 25.21 asum e que cada diente está igualm ente espaciado alrededor del cortador, que todos los filos de corte son
636
Capítulo 25 / Operaciones de maquinado y máquinas herramienta
Sección 25 .7 / M aquinabilidad
equidistantes del eje de rotación y que el árbol que sopona el cortador es perfectam ente recto durante la rotación (cero desviación). Estas suposiciones se dan raramente en la práctica. En con secuencia. los patrones ondulatorios se sobreponen frecuentemente en la superficie, donde las ondu laciones corresponden a la velocidad de rotación de la fresa. Las relaciones anteriores para el acabado de la superficie ideal suponen una fresa bien afila da. Al desgastarse la henam ienta, cam bia la form a del corte y esto se refleja en la geom etría de la superficie de trabajo. El efecto no se nota para desgastes ligeros. Sin em bargo, cuando el desgaste de la herramienta se vuelve significativo, especialm ente el desgaste del radio de la nariz, la rugosi dad de la superficie se deteriora con respecto a los valores ideales determ inados por las ecuaciones anteriores.
El procedim iento para predecir la rugosidad superficial real en una operación de m aquinado es: 1) calcular el valor de la rugosidad superficial ideal y 2) m ultiplicar este valor por la relación entre la rugosidad real e ideal para la clase apropiada de m aterial de trabajo. Esto se puede resum ir como: R a = rai R¡
(25.22)
donde Ra = valor estim ado de la rugosidad real; rai = relación del acabado superficial real e ideal de figura 25.45 y R¡ = valor de la rugosidad real de las ecuaciones previas 25.20 ó 25.21.
Ejem plo 25.1 Factores del material de trabajo No es posible alcanzar el acabado ideal de la superficie en la mayoría de las operaciones de m aquinado, debido a los factores que se relacionan con el m ate rial de trabajo y a su interacción con la h enam ienta. Los factores del material de trabajo que afectan el acabado son: 1) efectos de acum ulación en el filo, debido a que se forma una acum ulación en el filo que se rompe cíclicam ente, las panículas se depositan en la superficie recién creada y ocasio nan una textura rugosa como lija; 2 ) daño causado a la superficie por la viruta enredada en el traba jo; 3) desgarramiento de la superficie de trabajo durante la formación de viruta cuando se m aquinan materiales dúctiles; 4) grietas en la superficie causadas por la formación discontinua de viruta cuan do se maquinan materiales frágiles; y 5) fricción entre el flanco de la herram ienta y la superficie recién generada de trabajo. Estos factores del material de trabajo son influenciados por la velocidad de cone y el ángulo de inclinación, de m anera que un aumento de la velocidad de corte o del ángu lo de inclinación produce mejoras en el acabado superficial. Los factores del m aterial de trabajo son la causa de que el acabado de la superficie real sea en general más defectuoso que el ideal. Se puede desarrollar una relación em pírica para convertir los valores de rugosidad ideal en un valor estim ado de la rugosidad superficial real. Esta relación toma en cuenta la formación de la acum ulación en el borde, el desgarre y los otros factores identi ficados previamente. El valor de la relación depende de la velocidad de cone, así com o del m ate rial de trabajo. La figura 25.45 m uestra la relación entre la rugosidad superficial real e ideal como una función de la velocidad para varias clases de material de trabajo.
R ugosidad su p e rficial
Una operación de torneado se ejecuta sobre un acero C1008 (el cual es un material relativamente dúctil) usando una henam ienta con un radio de nariz = 3/64 de pulg. Las condiciones de corte son velocidad = 300 pies/m in y avance = 0.010 pulg/rev. C alcule un estim ado de la rugosidad superfi cial para esta operación. Solución:
La rugosidad superficial ideal se puede calcular m ediante la ecuación 25.20: (0 .010)2 R ‘ ~ 32 x 0.047 = 0.000067 pulg = /¿pulg
De la gráfica en la figura 25.45. la relación entre la rugosidad real e ideal para m etales dúctiles a 300 pies/min es aproxim adam ente 1.27. Por consiguiente, la rugosidad superficial real para la operación sería aproxim adam ente: Ra = 1.27 x 67 = 85 //pulg
■
Factores de la vibración y de la máquina herramienta Estos factores se relacionan con la máquina henam ienta, con la henam ienta y con la instalación de la operación. Incluyen el tra queteo o vibración de la máquina o de la henam ienta, la deflexión de los montajes es una resultante frecuente de la vibración y el juego entre los m ecanismos de avance, particularm ente en máquinas henam ienta antiguas. Si estos factores de la máquina herram ienta se pueden m inim izar o eliminar, la rugosidad superficial en el maquinado será determinada prim ariam ente por los factores geom étri cos y los factores del m aterial de trabajo descritos anteriorm ente. El traqueteo o vibración en la operación de una m áquina puede producir ondulaciones pro nunciadas en la superficie de trabajo. El operador puede distinguir un ruido característico cuando ocune el traqueteo. Es muy conveniente elim inar este traqueteo tom ando las siguientes m edidas para reducir su incidencia: 1) añadir rigidez o am ortiguación a la instalación, 2) operar a veloci dades que no causen fuerzas cíclicas cuya frecuencia se aproxim e a la frecuencia natural del sis tema de la m áquina herramienta, 3) dism inuir los avances y profundidades para reducir las fuer zas de corte y 4) cam biar el diseño del cortador para reducir fuerzas. La geom etría de la parte tiene también influencia en la vibración. Las secciones transversales delgadas tienden a vibrar, por tanto requieren soportes adicionales para evitar esta condición.
FIGURA 25.45 Relación entre la rugosidad superficial real y la rugosidad superficial ideal para varias clases de materiales. Fuente: datos de la General Electric Co. 123],
25.7
Velocidad d e corte, pies/min
637
M AQUIN ABILIDAD
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Las propiedades del m aterial de trabajo tienen una influencia significativa sobre el éxito de la operación de maquinado. Estas propiedades y otras características del trabajo se resum en fre cuentem ente en el térm ino maquinabilidad, que denota la facilidad relativa con la cual se puede m aquinar un m aterial (por lo general metal) usando las henam ientas y las condiciones de corte apropiadas.
638
Sección 25.8 / Selección de las condiciones de corte
Capítulo 25 / Operaciones de maquinado y máquinas herramienta
M uchos materiales de trabajo y sus factores afectan el desem peño del maquinado. Las propiedades mecánicas de un m aterial de trabajo que afectan la m aquinabilidad incluyen la dureza y la resistencia. Al increm entarse la dureza, aumenta el desgaste abrasivo y la vida de la herramienta se reduce. La resistencia se indica por lo general com o resistencia a la tensión, aun cuando el m aquinado im plica esfuerzos cortantes. Al aumentar la resistencia del material, se incrementan las fuerzas de corte, la energía específica y la temperatura de corte, haciendo que el material sea más difícil de maquinar. Por otro lado, una dureza muy baja puede ir en detrim ento del desempeño del maquinado. Por ejem plo, el acero al bajo carbono, cuya dureza es relativamente baja, con frecuen cia es dem asiado dúctil para poder maquinarlo bien. La alta ductilidad causa desgarram ientos del metal al form arse la viruta y produce un pobre acabado y problem as con la elim inación de la viru ta. Frecuentem ente se usa el estirado en frío de las barras de bajo carbono para incrementar su dureza superficial y propiciar el rom pim iento de la viruta durante el corte. La com posición química de un metal tiene un efecto im portante sobre las propiedades, y en algunos casos afecta los mecanismos de desgaste que actúan sobre el m aterial de la herramienta. La com posición quím ica afecta la maquinabilidad a través de estas relaciones. El contenido de carbón tiene un efecto significativo sobre las propiedades del acero. A l increm entarse el carbón, aumentan la resistencia y la dureza del acero: esto reduce el desem peño del maquinado. M uchos elementos de aleación que se añaden al acero para m ejorar sus propiedades van en detrim ento de la maquina bilidad. El crom o, el molibdeno y el tungsteno forman carburos en el acero, lo cual incrementa el desgaste de la herram ienta y reduce la maquinabilidad. Se pueden añadir ciertos elem entos al acero para m ejorar su desem peño en el m aquinado, com o son plom o, azufre y fósforo. Estos aditivos tienen el efecto de dism inuir el coeficiente de fricción entre la herram ienta y la viruta, por tanto reducen las fuerzas, la tem peratura y la formación de acum ulación en el borde. Estos efectos pro porcionan una m ejor vida de la herram ienta y un m ejor acabado superficial. Las aleaciones de acero form uladas para m ejorar la m aquinabilidad se conocen com o aceros de m aquinado libre. Existen relaciones sim ilares para otros materiales de trabajo. La tabla 25.1 proporciona una lista de metales seleccionados junto con sus índices aproxim ados de maquinabilidad. Estos índices pretenden resum ir el desem peño de los materiales en el m aquinado.
Para evaluar la m aquinabilidad se usan varios criterios y los más im portantes son los si guientes: 1) vida de la herram ienta, 2) fuerzas y potencia. 3) acabado superficial y 4) facilidad de elim inación de la viruta. A unque la m aquinabilidad se refiere generalm ente al m aterial de traba jo . debe reconocerse que el buen desem peño del m aquinado no depende solam ente del m aterial. El tipo de operación de m aquinado, la herram ienta y las condiciones de corte son tam bién fac tores im portantes, así com o las propiedades del material. A dem ás, el criterio de m aquinabilidad es también una fuente de variación. Un m aterial puede prolongar la vida de la herram ienta, m ien tras que otro sum inistra un m ejor acabado superficial. Todos estos factores hacen difícil la eva luación de la m aquinabilidad. El ensayo de la m aquinabilidad implica generalm ente una com paración de m ateriales de tra bajo. El desem peño del m aquinado de un m aterial de prueba se mide en relación con el material base (estándar). Las m edidas posibles de desempeño en el ensayo de la m aquinabilidad incluyen: 1) la vida de la herram ienta, 2) el desgaste de la herramienta, 3) la fuerza de corte, 4) la potencia en la operación, 5) la tem peratura de corte y 6) la velocidad de rem oción del material bajo las condi ciones estándar de la prueba. El desem peño relativo se expresa com o un núm ero índice llamado índice de m aquinabilidad (IM). Al m aterial base que se usa com o estándar se le da un índice de maquinabilidad de 1.00. El acero B1112 se usa frecuentemente como material base en las com paraciones de m aquinabilidad. Los materiales más fáciles de m aquinar que la base tienen índices mayores de 1.00. Los índices de maquinabilidad se expresan frecuentem ente com o porcentajes en lugar de números índices. En el siguiente ejemplo se ilustra cóm o puede determ inarse un índice de m aquinabilidad, usando la vida de la herramienta como base de com paración.
EJEM P LO 2 5 .2
639
En sayo de m a q u in ab ilid ad
Se conduce una serie de ensayos para la vida de una herram ienta en dos m ateriales de trabajo bajo idénticas condiciones de corte, variando solam ente la velocidad en el procedim iento de ensayo. El prim er material definido com o material base proporciona la ecuación de Taylor:
vTois _ l050 y el otro m aterial (material de prueba) tiene la ecuación de Taylor:
25.8
v T 0 V = 1320
SELECCIÓN DE LAS CONDICIONES DE CORTE Un problem a práctico en m aquinado es seleccionar las condiciones de corte apropiadas para una operación dada. Ésta es una de las tareas de planeación de procesos (sección 39.1). para cada ope ración se deben tom ar decisiones acerca de la máquina herram ienta, de la herram ienta de corte y de las condiciones de corte, estas decisiones deben considerar la m aquinabilidad de la parte de traba jo, la geom etría de la parte, el acabado superficial y así sucesivam ente.
Determine el índice de m aquinabilidad del material de prueba usando la velocidad de corte que suministra una vida de la herram ienta de 60 minutos com o base de com paración. Esta velocidad se denota por vM. Solución: El m aterial base tiene un índice de maquinabilidad = 1.0. Su valor minar de la ecuación de la vida de la herramienta de Taylor como sigue:
se puede deter
25.8.1
1050 v 60
= ^2 8
Selección del avance y de la profundidad de corte
= 334 pies/mm
La velocidad de corte de la vida de la herram ienta de 60 min para el m aterial de prueba se deter mina en forma similar: 1320 ¿V 7 • / • V60 = goülT = 37 P‘eS/min Por consiguiente, el índice de maquinabilidad se puede calcular com o
IM (para el material de prueba) =
= 1.31
(o 131%)
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Las condiciones de corte en una operación de m aquinado consisten en la velocidad, el avance, la profundidad de corte y el fluido para corte (si se usa o no, y qué tipo de fluido). El factor dom i nante en la elección sobre los fluidos para corte son generalm ente las consideraciones sobre las herram ientas (sección 24.4). L a profundidad de corte se predeterm ina frecuentem ente por la geom etría de la pieza de trabajo y la secuencia de operación. M uchos trabajos requieren una se rie de operaciones de desbaste seguidas de una operación final de acabado. En las operaciones de desbaste, la profundidad se hace tan grande com o sea posible dentro de las lim itaciones de la potencia disponible, la m áquina herram ienta, la rigidez de la instalación, la resistencia de la he rram ienta de corte y otros factores. En el corte de acabado, se fija la profundidad para alcanzar las dim ensiones finales de la parte.
640
Sección 25.8 / Selección de las condiciones de corte
Capítulo 25 / Operaciones de maquinado y máquinas herramienta
>- R equerim ientos del acabado superficial. Si la operación es el acabado ¿cuál es el acabado superficial que se desea? C om o se indicó en la sección 25.6.3, el avance es un factor im por tante en el acabado superficial, se pueden usar cálculos com o los del ejem plo 25.1 para e sti m ar el avance que producirá un acabado superficial deseado.
TABLA 25.1 V alores a p ro x im ad o s del n ú m e ro d e d u re z a Brinell e índices d e m a q u ín a b ilid a d p ara m a teriales sele ccio n a d o s. _________________________ Dureza Brinell
índice de m aquínabilidad'
200-250
0.30
60 200 230
0.70 0.55 0.40
Superaleaciones Inconel Inconel X Waspalloy
240-260 350-370 250-280
0.30 0.15 0.12
Titanio Puro Aleaciones
160 220-280
0.30 0.20
Suave
5.00c
Suave
2.00d
Material
Dureza Brinell
índice de maquínabilidad9
Acero base: B1112
180-220
1.00
Acero al bajo carbono C1008, C1010. C1015
Acero de herramienta (no endurecido)
130-170
0.50
Acero al medio carbono C1020, C1025, C1030
140-210
0.65
Fundición de hierro Suave Dureza media Duro
Acero al alto carbono C1040, C1045, C1050
180-230
0.55
Acero aleado6 1320, 1330. 3130, 3140 4130 4140 4340 4340 (fundición) 6120, 6130, 6140 8620, 8630 81113 Acero de libre maquinado
170-230 180-200 190-210 200-230 250-300 180-230 190-200 170-220 160-220
0.55 0.65 0.55 0.45 0.25 0.50 0.60 1.35 1.50
Acero inoxidable 301, 302 34 316, 317 403 416
170-190 160-170 190-200 190-210 190-210
0.50 0.40 0.35 0.55 0.90
Material
Aluminio 2-S, 11-S, 17-S Aleaciones de aluminio (suaves) Aleaciones de aluminio (duras) Cobre
25.8.2
Duro
1.25d
Suave
0.60
Latón
Suave
2.00d
Bronce
Suave
0.65d
Optimización de la velocidad de corte
Los valores son promedios estimados basados en [11, [2|, [3|, [61 y otras fuentes. Los índices representan velocidades de corte para una vida determinada de la herramienta (véase ejemplo 25.2). a Los índice de maquínabilidad se expresan frecuentemente en porcentaje (número índice x 100%) b Nuestra lista de aceros aleados no es muy completa. Hemos tratado de incluir algunas de las aleaciones más comunes y de indicar el rango de índices de maquínabilidad entre estos aceros. c La maquínabilidad del aluminio varía ampliamente. Se expresa aquí como IM = 5.00, pero el rango probablemente va de 3.00 a 10.00 o más. d Las aleaciones de aluminio, bronces y latones varían también significativamente en el rendimiento del maquinado. Diferentes gra dos tienen diferentes índices de maquínabilidad. En cada caso hemos tratado de reducir la variación a un solo valor promedio para indicar el desempeño relativo con otros materiales de trabajo.
El problem a se reduce entonces a la selección del avance y de la velocidad. En general, los valores de estos parámetros deben decidirse en orden, prim ero el avance y segundo la velocidad. La determinación de la velocidad de avance apropiada para una operación de m aquinado depende de los siguientes factores: »• Herramienta. ¿Qué tipo de herram ienta se usará? Los materiales más duros de herram ien ta (carburos cem entados, cerám icos y similares) tienden a fracturarse más fácilm ente que los aceros de alta velocidad. Estas herram ientas se usan norm alm ente a velocidades de avance lentas. Los aceros de alta velocidad pueden tolerar velocidades de avance más altas debido a su m ayor tenacidad. »• Desbaste o acabado. Las operaciones de desbaste implican altas velocidades (de 0.020 a 0.050 pulg/rev para torneado); las operaciones de acabado implican avances lentos (de 0.005 a 0.015 pulg/rev para torneado). > Restricciones del avance en desbaste. Si la operación es desbaste, ¿a qué altura se puede fijar la velocidad de avance? para m axim izar la velocidad de rem oción de metal, el avance se debe fijar tan alto com o sea posible. Los límites más altos en el avance son im puestos por las fuerzas de corte, la rigidez de la instalación y algunas veces la potencia.
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La selección de la velocidad de corte se basa en aprovechar m ejor la herram ienta de corte particu lar, lo cual significa norm alm ente escoger una velocidad que rinda una alta velocidad de rem oción de m aterial y que sea conveniente para una vida larga de la herramienta. Se han derivado fórmulas matemáticas para determ inar la velocidad óptim a de corte para una operación de m aquinado, dado que se conocen los tiem pos y los componentes de costo de la o pe ración. La derivación original de las ecuaciones económ icas del m aquinado se acredita a W. G ilbert [9]. Las fórm ulas perm iten calcular las velocidades óptim as de corte para alcanzar dos objetivos: 1) máxima velocidad de producción, o 2) mínimo costo por unidad. Ambos objetivos buscan lograr un balance entre la velocidad de rem oción de material y la vida de la herramienta. Las fórm ulas se basan en el conocim iento de la ecuación de Taylor para la vida de la herram ienta usada en la operación. En consecuencia, se ha establecido el avance, la profundidad de corte y el m aterial de trabajo. La derivación se ilustrará para una operación de tom o. Se pueden desarrollar derivaciones similares para otros tipos de operaciones de m aquinado. Maximización de la velocidad de producción Para m axim izar la velocidad de produc ción, se determ ina la velocidad que minimiza el tiem po de m aquinado por unidad de producción. M inimizar el tiempo de corte por unidad es equivalente a maximizar la velocidad de producción. Este objetivo es im portante en casos donde las órdenes de producción se deben term inar tan rápido como sea posible. En el to rn e a d o existen tres etapas que c o n tribuyen a la duración del ciclo de p roducción de una parte: 1) Tiempo de m anejo de la parte Th. Éste es el tiem po que tom a el operador para cargar la parte en la m áquina herram ienta al principio del ciclo de producción y descargar la parte después de com pletar el maquinado. 2)
Tiempo de m aquinado T„. do durante el ciclo.
Es el tiempo real en que la herram ienta desem peña el m aquina
3) Tiem po de cam bio de la herram ienta T¡. Al final de la vida de la herram ienta, ésta debe cam biarse, lo cual tom a tiem po. Este tiem po debe dividirse entre el núm ero de partes que se produjeron durante la vida de la herram ienta. Sea np = núm ero de piezas cortadas du rante la vida de la herram ienta (núm ero de piezas que se cortan con un borde de corte has ta que la herram ienta se cam bia). Entonces, el tiem po de cam bio de la herram ienta por p a r te = TJnp. Con la sum a de estos tres elem entos de tiem po se obtiene el tiem po total por unidad de producto para el ciclo de operación: Tc = Th + Tm + T ,/n p
(25.23)
donde Tc = tiem po del ciclo de producción por pieza, min; los otros términos se han definido pre viamente. El tiem po del ciclo Tc está en función de la velocidad de corte. Al increm entarse la velocidad de corte, Tm dism inuye y T, lnp aumenta; Th no es afectada por la velocidad. Estas relaciones se m uestran en la figura 25.46. El tiempo total p o r cada parte se m inim iza a un cierto valor de velocidad de corte. Esta veloci dad óptim a se puede identificar con un rearreglo m atem ático de la ecuación 25.23 com o una fun-
642
Secci n 25.8 / Selección de las condiciones de corte
Capítulo 25 / Operaciones de maquinado y máquinas herramienta
643
La vida de la herram ienta correspondiente a la velocidad m áxim a de producción es: Tmáx =
- l ) T,
(25.29)
M in im iz ac ió n del c o sto p o r u n id a d Para el m ínim o costo por unidad se determ ina la velocidad que m inim iza el costo de producción por unidad de producto. Cuando se derivan las ecuaciones para este caso, em pezam os con los cuatro com ponentes de costo que determinan el costo total por unidad durante una operación de torneado:
FIGURA 25.46 Elementos de tiempo en un ciclo de maquinado representados en función de la velocidad de corte. El tiempo total del ciclo por pieza se minimiza a un cierto valor de la velocidad de corte. Ésta es la velocidad para la máxima velocidad de producción.
1) C osto del tiem po de m anejo de la parte. Es el costo del tiempo que ocupa el operador car gando y descargando la pane. Sea C0 = tasa de costo (por ejemplo $/m in) para el operador y la máquina. Entonces el costo de tiempo de m anejo de la pane = C q T i,.
ción de la velocidad. Se puede dem ostrar que el tiempo de m aquinado en la operación de torneado recto está determ inada por: T
= nD L. vf
(25.25)
donde T = vida de la h enam ienta, min/herr; y tm = tiempo de maquinado por pieza, min/pieza. Ambos T y Tm son función de la velocidad; por tanto, la relación es una función de la velocidad: / C (I/n) p
El efecto de esta relación es que T, lnp en la ecuación 25.23 se incrementa al aum entar la ve locidad de cone. Sustituyendo las ecuaciones 25.24 y 25.26 en la ecuación 25.23 para Tc tenemos: nD L
T ,{ jr D L v il' n- l))
/ o w -------
nK vn
(25'27)
La duración del ciclo por pieza es m ínim o en la velocidad de cone donde la derivada de la ecuación 25.27 sea cero. ^ = 0 dv Resolviendo esta ecuación obtenem os la velocidad de cone para la velocidad de producción máxi ma en la operación: C vmáx — ^
3)
Costo del tiem po de cam bio de herramienta. m ienta = C0 T,/np.
4)
Costo de la herramienta. Además del tiem po de cam bio de la herram ienta, la herram ien ta en sí tiene un costo que debe añadirse al costo total de operación. Éste es el costo por borde de co n e Ct, dividido por el número de piezas maquinadas con ese borde de cone np. Entonces el costo de la herram ienta por unidad de producto está dado por C, ¡np.
Es el costo del tiem po de cam bio de herra
El costo de la henam ienta requiere una explicación, ya que es afectado por diferentes situa ciones de la henam ienta. Para insertos desechables (por ejem plo, insertos de carburo cem entado), el costo de la henam ienta se determ ina como C, = ne
(25.30)
donde C, = costo por filo cortante, S/vida de la henam ienta; P, = precio del inserto. S/inserto; y ne = número de filos cortantes por inserto. Esto depende del tipo de inserto, por ejem plo, los insertos triangulares que pueden ser usados solam ente por un lado (inclinación positiva de la henam ienta) rinden tres filos por inserto; si ambos lados del inserto se pueden usar (inclinación negativa de la henam ienta) hay seis filos por inserto, y así sucesivam ente. Para herramientas reafilables (por ejemplo, acero de alta velocidad, henam ientas de vástago sóli do o herramientas de carburo soldado) el costo incluye el precio de compra más el costo de reafilado.
(25.26)
n D L v (i/n~ l)
T‘ = n + - f 7 +
Costo del tiempo de maquinado. Es el costo del tiem po que tom a la herram ienta para hacer el m aquinado. Usando otra vez C0 para representar el costo por m inuto del operador y de la m áquina herram ienta, el costo de tiem po de c o n e = C0 Tm.
(25.24)
donde Tm = tiempo de m aquinado, min; D = diámetro de la parte de trabajo, pulg (mm ); L = lon gitud de la pane de trabajo, pulg (mm ); / = avance, pulg/rev (mm/rev); y v = velocidad de cone, pulg/m in (mm/min). El número de piezas por herram ienta np es también una función de la velocidad, se puede dem ostrar que: nP = ^ r *m
2)
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C, = — + TgC . ng
(25.31)
donde C, = costo por vida de la henam ienta, S/vida henam ienta: P, = precio de com pra de la he nam ienta de vástago sólido o inserto soldado, S/henam ienta; ng = número de vidas de la h e n a m ienta por henam ienta, que es el número de veces que la henam ienta puede afilarse antes de que su desgaste sea tal que no pueda ser usada (de 5 a 10 veces para herram ientas de desbaste y de 10 a 20 veces para henam ientas de acabado); Tg = tiem po para afilar o reafilar la henam ienta, min/vida de la henam ienta; y Cg = tasa de afilado, S/min. La sum a de los cuatro com ponentes de costo pro porciona el costo total por unidad de producto Cc para el ciclo de m aquinado. Cc = C 0Th + C0Tm + S s l i + rip fi p
(25.32)
Cc es una función de la velocidad de corte, de igual m anera que Tc es una función de v. Las rela ciones para los térm inos individuales y el costo total com o función de la velocidad de corte se m ues tran en la figura 25.47.
644
Sección 25.9 / Consideraciones para el diseño del producto en maquinado
Capítulo 25 / Operaciones de maquinado y máquinas herramienta
Solución: 25.28.
645
La velocidad de corte para m áxim a velocidad de producción está dada por la ecuación
= 144 pies/min convirtiendo C0 = 30.00 dólares/hr a 0.5 de dólar/m in, la velocidad de corte para el costo m ínim o está dada por la ecuación 25.34. vm¡n - -
I" 0.125 .5 |^0 g75 (Q 5 x 2) + 2 0Q
= 121 pies/min
Algunos comentarios sobre la economía del maquinado Es conveniente hacer algunas observaciones prácticas relacionadas con las ecuaciones de la velocidad de corte óptimo. Primero, al aum entar los valores de C y n en la ecuación de vida de la herram ienta de Taylor, la velocidad óptim a de corte aum enta según la ecuación 25.28 o 25.34. Las herramientas de carburos cem enta dos o cerám icas deben usarse a velocidades que sean significativam ente más altas que para las he rram ientas de acero de alta velocidad.
Velocidad de corte FIGURA 25.47 Componentes del costo en una operación de maquinado representados en función de la velocidad de corte. £1 costo total por pieza se minimiza a cierto valor de la velocidad de corte. Ésta es la velocidad para el mínimo costo por pieza.
Segundo, al aum entar el tiempo o el costo de las herram ientas (Ttc> Q , las ecuaciones de la velocidad de corte producen valores más bajos. Las velocidades más bajas perm iten una m ayor durabilidad en las herramientas, y es un desperdicio cam biar las herramientas con dem asiada fre cuencia si el costo de las mismas o el tiem po para cam biarlas es alto. Un efecto importante del fac tor de costo es que los insertos desechables poseen generalm ente una ventaja económ ica sustancial sobre las herram ientas reafilables. Aunque el costo por inserto es significativo, el núm ero de filos por inserto es lo suficientemente grande, y el tiem po requerido para cam biar el filo cortante es lo suficientem ente bajo para que las herram ientas desechables logren velocidades de producción más altas y costos por unidad de producto más bajos. Tercero, vmáx es siem pre m ayor que vm(n. El térm ino C t lnp, en la ecuación 25.32, tiene el efecto de em pujar el valor de la velocidad óptim a hacia la izquierda en la figura 25.47, y da com o resultado un valor más bajo que en la figura 25.46. A lgunos talleres de m aquinado se esfuerzan en operar en el intervalo entre vm(n y vm4x, ya que es difícil señalar con precisión cualquier valor en la m ayoría de las operaciones de m aquinado. En lugar de arriesgarse a cortar a una velocidad arri ba de vm4x o por debajo de vm(n, tratan de operar dentro de estos dos valores, en un intervalo algu nas veces llam ado rango de alta eficiencia. Los procedim ientos delineados para seleccionar los avances y velocidades en m aquinado son difíciles de aplicar en la práctica. La m ejor velocidad de avance es difícil de determ inar porque las relaciones entre el avance y el acabado superficial, la fuerza, la potencia y otras restricciones no están fácilm ente disponibles para cada m áquina herram ienta. Se requiere experiencia, juicio y experim entación para seleccionar el avance adecuado. La velocidad de corte óptim a es difícil de calcular, porque para conocer los parám etros de la ecuación de Taylor C y n es necesario un ensayo previo. Los ensayos de esta clase en un ambiente de producción son costosos.
La ecuación 25.32 se puede reexpresar en térm inos de v y se obtiene: C „nD L Cc = C0Ti, +
fv
(25.33)
(C 0Tl + C , ) [ n D L v (l/n- l)] fC O /n ) La velocidad de corte que da com o resultado el mínimo costo por pieza para la operación se puede determinar si tomamos la derivada de la ecuación 25.33 con respecto a v, la igualam os a cero y resolvemos para vmin : (25.34) ' C 0T , + c ) La vida de la herram ienta correspondiente está dada por:
- e - im EJEMPLO 25.3
■
(25.35)
Economía del maquinado
Suponga que una operación de torneado se desem peña con una herram ienta de acero de alta veloci dad sobre acero suave (n = 0.125, C = 200 de la tabla 24.2). La pane de trabajo tiene una longitud = 20.0 pulg y un diám etro = 4.0 pulg. El avance = 0.010 pulg/rev, el tiem po de manejo por pieza = 5.0 min y el tiempo de cam bio de herram ienta = 2.0 min. El costo de la máquina y del operador = 30.00 dólares/hr, y el costo de la herram ienta = 3.00 dólares por filo cortante. Encuentre a) la veloci dad de corte para la velocidad de producción máxima y b) velocidad de corte para el costo mínimo.
25.9 CONSIDERACIONES PARA EL DISEÑO DEL PRODUCTO EN M AQUIN ADO
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Ya se han considerado varios aspectos del diseño de productos en nuestra revisión de la form a, to lerancia y acabado superficial (sección 25.6). En esta sección presentarem os algunos lincamientos de diseño para m aquinado recopilados de las fuentes [1], [3], [24]:
648
Capítulo 25 / Operaciones de maquinado y máquinas herramienta
[11] Groover, M. P., and Zimmers, E. W., Jr., CAD/CAM: Computer-aided Design and Manufacturing, Prentice Hall. Englewood Cliffs, N.J., 1984. [12] Hoffman, E. G. (editor). Fundamentáis ofTool Design, 2nd ed., Society of Manufacturing Engineers, Dear bom. Mich., 1984. [13] Kalpakjian, S., Manufacturing Engíneering and Tech nology, 2nd ed., Addison-Wesley Publishing Co., Reading, Mass., 1992. [14] Krar, S. F., and Ratterman, E., Superabrasives: Grinding and Machining with CBN and Diamond, McGraw-Hill, Inc., New York, 1990. [ 15] Lindberg, R. A.. Processes and Materials o f Manufac ture, 4th ed., Allyn and Bacon. Inc., Boston, 1990. [16] Machining Data Handbook, 3rd ed.. Vols. I and II, Metcut Research Associates, Inc., Cincinnati, Ohio, 1980. [17] Martellotti, M. E., “An Analysis o f the Milling Process,” ASME Transactions, Vol. 63, November 1941, pp. 677-700. [18] Masón. E, and Freeman, N. B.. “Tuming Centers Come of Age." Special Report 773, American Machinist,
[19] [20] [21]
[22] [23]
[24]
[25] [26]
Cuestionario de opción múltiple
February 1985, pp. 97-116. Metals Handbook, 8th ed., Vol. 3: Machining, Ameri can Society for Metals, Metals Parle, Ohio, 1967. Rolt, L. T. C., A Short History o f Machine Tools, M.I.T. Press. Cambridge, Mass., 1965. Schaffer, G. H., “The Many Faces of Surface Texture," Special Repon 801, American Machinist & Automated Manufacturing, June 1988, pp. 61-68. Steeds, W„ A History o f Machine Tools— 1700-1910, Oxford University Press, London. 1969. Surface Finish, Machining Development Service, Publication A-5, General Electric Company, Schenectady, N.Y., (no date). Trucks, H. E., Designing fo r Economical Production, Society of Manufacturing Engineers, Dearbom, Mich., 1974. Van Voast, J., United States Air Forcé Machinability Report, Vol. 3, Curtiss-Wright Corporation, 1954. Wilson, F. W. (editor). Fundamentáis o f Too! Design, 2nd ed., Society of Manufacturing Engineers, Prentice Hall, Englewood Cliffs, N.J., 1984.
25.25. ¿Cuáles son los factores básicos que afectan el acabado de superficie en maquinado? 25.26. Mencione algunas de las medidas que se pueden tomar para reducir o eliminar las vibraciones en maquinado. 25.27. Defina la maquinabilidad 25.28. ¿Cuáles son los criterios por los que se valora comúnmente la maquinabilidad en operaciones de maquinado de producción? 25.29. Mencione algunas de las propiedades físicas o mecánicas importantes que afectan la maquinabilidad de un material de trabajo. 25.30. ¿Cuáles son los factores en que se debe basar la selección del avance en una operación de maquinado? 25.31. El costo unitario en una operación de maquinado es la suma de cuatro términos de costo. Los primeros tres términos son: 1) costo de cargar y descargar la parte. 2) costo del tiempo en que la herramienta corta realmente el trabajo y 3) el costo de tiempo para cambiar la herramienta. ¿Cuál es el cuarto término? 25.32. ¿Por qué la velocidad de corte para el costo mínimo es siempre menor que la velocidad de corte para máxima velocidad de producción?
CUESTIONARIO DE OPCIÓN MÚLTIPLE
PREGUNTAS DE REPASO 25.1. 25.2. 25.3. 25.4. 25.5. 25.6. 25.7. 25.8. 25.9. 25.10. 25.11. 25.12. 25.13. 25.14. 25.15. 25.16. 25.17. 25.18. 25.19. 25.20. 25.21. 25.22. 25.23. 25.24.
Describa el proceso de torneado. ¿Cuál es la diferencia entre el roscado exterior y el roscado interior? ¿En qué difiere una operación de perforado de una operación de torneado? ¿Qué significa la designación 12 x 36 pulg en un tomo? Mencione las formas en que se puede sujetar una pane de trabajo a un tomo. ¿Cuál es la diferencia entre un centro vivo y un centro muerto en el contexto desujecióndel trabajo al tomo? ¿En qué se diferencia un tomo revólver de un tomo mecánico? ¿Qué es un agujero ciego? ¿Cuál es la característica que distingue a un taladro prensa radial? ¿Cuál es la diferencia entre el fresado periférico y el fresado frontal? Describa el fresado perfilado. ¿Qué es el fresado de cavidades? Describa la diferencia entre el fresado ascendente y el fresado descendente. ¿En qué difiere una máquina de fresado universal de una máquina convencional de rodilla y columna? ¿Qué es un centro de maquinado? ¿Cuál es la diferencia entre un centro de maquinado y un centro de torneado? ¿Qué puede hacer un centro de torneado y fresado que no pueda hacer un centroconvencional de tor neado? ¿En qué difieren el perfilado y el cepillado? ¿Cuál es la diferencia entre el escariado interno y el escariado extemo? Identifique las tres formas básicas de la operación de aserrado. Describa las diferencias entre las partes rotacionales y las partes prismáticas en maquinado. Distinga entre generación y formación, cuando se maquina la geometría delas partes. Dé dos ejemplos de operaciones de maquinado en las cuales se combinen el generado y formado para crear la geometría de la parte de trabajo. ¿Por qué tienden a incrementarse los costos cuando se requiere mejor acabado superficial en una parte maquinada?
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Hay un total de 21 respuestas correctas en el siguiente cuestionario. La calificación porcentual de la prueba debe basarse en dicho total. 25.1. En una operación de torneado, el cambio en diámetro de la parte de trabajo es igual a ¿cuál de los si guientes? a) 1 x profundidad de corte, b) 2 x profundidad de corte, c) I x avance, o d) 2 x avance. 25.2. ¿En cuál de las siguientes máquinas herramientas se lleva a cabo normalmente una operación de carea do? a) taladro prensa, b) tomo, c) máquina fresadora, d) cepillo, o e) perfilador. 25.3. El moleteado se ejecuta en un tomo, pero es una operación de formado de metal más que una operación de remoción de metal: a) verdadero, o b) falso. 25.4. ¿Cuál de las siguientes herramientas de corte se puede usar en un tomo revólver? (Puede haber más de una respuesta.) a) escariador, b) herramienta de corte, c) broca, d) herramienta de tornear de punta sen cilla, o e) herramienta de roscado. 25.5. ¿Cuál de las siguientes máquinas de tornear permite usar material de barras largo? (La mejor respues ta.) a) máquina de mandril, b) tomo mecánico, c) máquina de tomillos, d) tomo manual, o e) tomo revólver. 25.6. ¿Para cuál de las siguientes funciones se usa el escariado? (Puede haber más de una respuesta.) a) Localizar exactamente la posición de un agujero, b) ensanchar un agujero taladrado, c) mejorar el acabado superficial en un agujero, d) mejorar la tolerancia del diámetro de un agujero y e) proveer una rosca interna. 25.7. ¿A cuál de las siguientes operaciones es más parecido el fresado terminal? a) fresado frontal, b) fresa do periférico, c) fresado plano, o d) fresado de placa. 25.8. ¿Cuál de las siguientes es la máquina fresadora básica? a) tipo bancada, b) de rodilla y columna, c) fresa perfiladora, d) fresadora de corredera y e) máquina fresadora universal. 25.9. ¿Cuál de las siguientes opciones describe mejor una operación de escariado ? a) una herramienta rota toria se mueve pasando frente a una parte de trabajo estacionaria, b) una herramienta con dientes múlti ples se mueve linealmente pasando una parte de trabajo estacionaria, c) una parte de trabajo avanza frente a una herramienta rotatoria de corte, o d) una parte de trabajo se mueve linealmente frente a una herramienta estacionaria de punta sencilla. 25.10. ¿Cuál de los siguientes son ejemplos de generación de la geometría de la parte de trabajo en maqui nado, comparadas con el formado de la geometría? (Puede haber más de una respuesta.) a) escariado, b) torneado de contornos, c) taladrado y d) fresado perfilado. 25.11. ¿Cuál de las siguientes operaciones es generalmente capaz de tolerancias más cerradas? a) escariado, b) taladrado, c) fresado de acabado, d) cepillado, o e) aserrado. 25.12. De los diferentes métodos para ensayar la maquinabilidad, ¿cuál de los siguientes es el más importan te? (Una sola respuesta.) a) fuerzas de corte, b) temperatura de corte, c) potencia consumida en la operación, d) rugosidad superficial, e) vida de la herramienta, o f) desgaste de la herramienta.
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Problemas
Capítulo 25 / Operaciones de maquinado y máquinas herramienta
25.9.
25.13. En general, ¿cuál de los siguientes materiales tiene la maquinabilidad más alta? (Mencione sólo uno.) a) aluminio, b) fundición de hierro, c) cobre, d) acero al bajo carbono, e) acero inoxidable, f) aleaciones de titanio, o g) acero de herramienta no endurecido. 25.14. ¿Cuál de los siguientes componentes de tiempo en el ciclo de maquinado es afectado por la veloci dad de corte? (Puede haber más de una respuesta.) a) tiempo de carga y descarga de la parte de traba jo, b) tiempo de montaje de la máquina herramienta, c) tiempo en que la herramienta corta el trabajo y d) tiempo de cambio de la herramienta.
PROBLEMAS Condiciones de corte, tiempos de procesado
25.10.
25.1. Una barra de trabajo de 5.0 pulg de diámetro y 48 pulg de longitud se monta en un tomo mecánico usan do un centro vivo en el extremo opuesto. Una porción de 40 pulg de longitud se tornea a un diámetro de 4.75 pulg en un paso, a una velocidad de 400 pies/min y una velocidad de avance = 0.012 pulg/rev. Determine a) la profundidad requerida de corte, b) tiempo de corte y c) velocidad de remoción de corte 25.2. Una barra de trabajo cuyo diámetro = 4.00 pulg y su longitud = 25 pulg se tornea a 3.50 pulg de diá metro en dos pasos, en un tomo mecánico con herramienta de carburo cementado. Las condiciones de corte son las siguientes: v = 300 pies/min./ = 0.015 pies/rev y d = 0.125 pulg. La barra se sostiene en un mandril y se soporta en el extremo opuesto en un centro vivo. Con este montaje de sujeción, un ex tremo debe de tornearse al diámetro. Posteriormente, la barra debe voltearse para tornear el otro extremo. El tiempo requerido para cargar y descargar la barra, usando una grúa disponible en el tomo, es de 5.0 minutos y el tiempo para voltear la barra es 3.0 minutos. Para cada torneado se debe añadir una tolerancia a la longitud del tomo de aproximación y sobreavance. La tolerancia total (aproximación y sobrerTecorrido) = 0.050 pulg. Determine la duración dei ciclo total para completar esta operación de torneado. 25.3. Una parte de trabajo cilindrica de 125 mm de diámetro y 900 mm de largo se tomea en un tomo mecáni co. Las condiciones de corte son: v = 2.5 m /seg,/= 0.3 mm/rev y d - 2.0 mm. Determine: a) el tiempo de corte y b) la velocidad de remoción de metal. 25.4. El extremo de una parte grande tubular se carea en una perforadora vertical. La parte tiene un diámetro exterior de 45.0 pulg y un diámetro interior = 25 pulg. Si la operación de careado se ejecuta a una velocidad de rotación = 30 rev/min, el avance = 0.020 pulg/rev y la profundidad = 0.150 pulg. Determine a) tiempo de corte para completar la operación de careado y b) las velocidades de corte y de remoción de metal al principio y al final del corte. 25.5. Resuelva el problema 25.4, excepto que los controles de la máquina herramienta operan a una veloci dad de corte constante, ajustando continuamente la velocidad de rotación para posicionar la herramien ta con respecto al eje de rotación. La velocidad de rotación al principio del corte = 30 rev/min, y a par tir de este punto se incrementa continuamente para mantener una velocidad de corte constante. 25.6. Se tomea el diámetro exterior de un rodillo para un molino laminador de acero. En el paso final, el diámetro inicial = 26.25 pulg y la longitud = 48.0 pulg. Las condiciones de corte serán: avance = 0.0125 pulg/rev y profundidad de corte = 0.125 pulg. Se usa una herramienta de corte de carburo cementado, y los parámetros de la ecuación de vida de herramienta de Taylor para este montaje son: n = 0.25 y C = 1300. Es conveniente operar a una velocidad de corte, de tal manera que la herramienta no necesite cambiarse durante la operación. Determine la velocidad de corte que hara que la vida de la herramien ta sea igual al tiempo requerido para completar esta operación de torneado. 25.7. Se tomea el diámetro exterior de un cilindro hecho de aleación de titanio. El diámetro inicial = 500 mm y la longitud = 1000 mm. Las condiciones de corte son / = 0.4 mm/rev y d = 3.0 mm. El torneado se hará con una herramienta de corte de carburo cementado cuyos parámetros en la ecuación de Taylor son n = 0.23 y C = 400 m/min. Calcule la velocidad de cone que permitirá que la vida de la herramienta sea igual al tiempo de corte para esta parte. 25.8. Se ejecuta una operación de taladrado con una broca helicoidal de l pulg de diámetro en una parte de trabajo de acero. El agujero ciego tendrá una profundidad de 2.0 pulg y el ángulo de la punta = 118°. Las condiciones de corte son velocidad = 75 pies/min y el avance = 0.012 pulg/rev. Determine a) el tiempo de corte para completar la operación de taladrado y b) la velocidad de remoción de metal durante la operación.
25.11.
25.12.
25.13.
25.14. 25.15.
25.16.
651
Un taladro prensa de CN ejecuta una serie de agujeros completos en una placa gruesa de aluminio de 1.75 pulg, que es un componente de un intercambiador de calor. Cada agujero tiene 3/4 de pulg de diámetro, hay 100 agujeros en total arreglados en una forma de matriz de 10 x 10, y la distancia entre los centros de los agujeros adyacentes (en cuadro) = 1.5 pulg. La velocidad de corte = 300 pies/min. el avance de penetración (dirección z ) = 0.015 pulg/rev, la velocidad de avance entre agujeros (planox-y) = 15.0 pulg/min. Suponga que los movimientos x-y se hacen a una distancia de 0.05 pulg sobre la super ficie de trabajo, y que esta distancia debe incluirse en la velocidad de avance de penetración para cada agujero. La velocidad a la cual la broca se retira de cada agujero es dos veces la velocidad de avance de penetración. La broca tiene un ángulo de punta = 100°. Determine el tiempo requerido desde el princi pio del primer agujero hasta la terminación del último, suponga que se usará la secuencia de taladrado más eficiente para completar el trabajo. Se usa una operación de taladrado para hacer un agujero de 7/16 de pulg de diámetro a cierta profun didad. La ejecución de la operación toma 4.5 min de taladrado, usando un fluido refrigerante a alta pre sión en la punta de la broca. Las condiciones de corte son N = 3000 rev/min a un avance = 0.001 pulg/rev. Para mejorar el acabado de la superficie en el agujero se ha decidido incrementar la velocidad en 20% y disminuir el avance en 25%. ¿Cuánto tiempo tomará ejecutar la operación en las nuevas condiciones de corte? Se ejecuta una operación de fresado de plancha para acabar la superficie superior de una pieza rectan gular de acero de 10.0 pulg de largo por 3.0 pulg de ancho. Se monta una fresa helicoidal de 2.5 pulg de diámetro con 8 dientes, cuyo ancho de la parte sobresale en ambos lados. Las condiciones de corte son v = 100 pies/m in,/ = 0.009 pulg/diente y d = 0.250 pulg. Determine a) el tiempo para hacer un paso a través de la superficie y b) la velocidad de remoción de metal durante el corte. Se ejecuta una operación de fresado periférico en la superficie superior de una pane rectangular de 300 mm de largo x 100 mm de ancho. La fresa tiene un diámetro de 75 mm y tiene 4 dientes, y sobrepasa el ancho de la parte en ambos lados. Las condiciones de corte son v = 80 m/min,/ = 0.2 mm/diente y d = 7.0 mm. Determine: a) el tiempo para hacer un paso a través de la superficie y b) la velocidad de remoción del material durante el corte. Se ejecuta una operación de fresado de frente para acabar la superficie superior de una pieza rectan gular de acero de 12 pulg de largo x 2 pulg de ancho. La fresa tiene 4 dientes (insertos de carburo ce mentado) y 3.0 pulg de diámetro. Las condiciones de cone son v = 500 pies/m in,/= 0.010 pulg/diente. d = 0.150 pulg. Determine a) el tiempo para hacer un paso a través de la superficie y b) la velocidad de remoción del material durante el corte. Resuelva el problema 25.13, excepto que la pieza tiene 5.0 pulg de ancho y la fresa sobresale de un lado, y la anchura de corte de la fresa = 1.0 pulg. Se usa una operación de fresado frontal para maquinar 5 mm de la superficie superior de una pieza rec tangular de aluminio de 400 mm de largo x 100 mm de ancho. El cortador tiene 4 dientes (insertos de carburo cementado) y 150 mm de diámetro. Las condiciones de cone son v = 3 m/seg, / = 0.27 mm/diente y d = 5.0 mm. Determine a) el tiempo para hacer un paso a través de la superficie y b) la velocidad de remoción del material durante el cone. Se usa un cepillo de lado abierto para rectificar la superficie superior de una parte rectangular de 25.0 pulg x 40.0 pulg. Las condiciones de corte son v = 25 pies/min,/ = 0.020 pulg/paso y d = 0.200 pulg. La longitud de la carrera a través del trabajo debe establecerse de manera que se permitan 10 pulg al principio y al final de cada carrera para la aproximación y el recorrido adicional. La carrera de retomo, incluyendo una tolerancia para aceleración y desaceleración, consume el 75% del tiempo para la carre ra hacia adelante. ¿Cuánto tiempo tomará completar el trabajo? Suponga que la parte se orienta en deter minada forma para minimizar el tiempo.
Rugosidad superficial
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25.17. Una operación de torneado utiliza una heiTamienta de corte con un radio de nariz de 2/64 de pulg sobre un acero de maquinado libre con una velocidad de avance = 0.010 pulg/rev y una velocidad de corte = 300 pies/min. Determine la rugosidad superficial para este corte. 25.18. En una operación de torneado sobre fundición de fierro, el radio de la nariz de la herramienta = 1.0 mm, la velocidad de avance = 0.2 mm/rev y la velocidad = 2 m/seg. Estime la rugosidad superficial para este corte.
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Capítulo 25 / Operaciones de maquinado y máquinas herramienta
Problemas
25.19. Se usa una herramienta de punta sencilla de acero de alta velocidad con radio de la nariz = 3/64 pulg en una operación de perfilado de una parte de acero dúctil. La velocidad de corte = 100 pies/min, el avance = 0.015 pulg/paso y la profundidad de corte = 0.125 pulg. Determine la rugosidad superficial para esta operación. 25.20. Una parte que se tornea en un tomo mecánico debe tener un acabado superficial de 63 /¿pulg. La parte está hecha de aleación de aluminio de maquinado libre. La velocidad de corte = 500 pies/min y la pro fundidad de corte 0.100 pulg. El radio de la nariz = 0.031 pulg. Determine el avance que logre el acaba do superficial especificado. 25.21. Resuelva el problema 25.20, excepto que la parte está hecha de fundición de fierro en lugar de aluminio, y la velocidad de corte se reduce a 300 pies/min. 25.22. Una parte que se tornea en un tomo mecánico debe tener un acabado superficial de 1.6 pm. La parte está hecha de un acero de maquinado libre. Las condiciones de corte son v = 1.5 m/seg y d = 3.0 mm. El radio de la nariz de la herramienta = 0.75 mm. Determine el avance que logra el acabado superficial especificado. 25.23. Se realiza una operación de fresado frontal en una parte de fundición de acero a 400 pies/min para un acabado superficial de 32 |ipulg. El cortador usa 4 insertos y tiene 3.0 pulg de diámetro. Para obtener el mejor acabado posible se usan insertos de carburo con un radio de nariz = 4/64 depulg.Determine la velocidad de avance recorrido en pulg/min que logre el acabado de 32 //pulg. 25.24. Una operación de fresado frontal no está rindiendo el acabado superficial requerido sobre el trabajo. El cortador tiene cuatro dientes tipo inserto. El supervisor del taller de maquinado cree que el proble ma es que el material es demasiado dúctil para el trabajo, pero este parámetro está dentro de los límites de ductilidad del material especificados por el diseñador. Sin conocer más acerca del trabajo, ¿qué cam bios sugeriría usted en las condiciones de corte y en las herramientas para mejorar el acabado super ficial? 25.25. Se ejecuta una operación de torneado sobre un acero C 1010, el cual es un grado dúctil. Se desea lograr un acabado superficial de 64 |ipulg (AA), y al mismo tiempo maximizar la velocidad de remoción del metal. Se ha decidido que la velocidad debe estar en una escala de 200 a 400 pies/min y que la profun didad de corte sea de 0.080 pulg. El radio de la nariz de la herramienta = 3/64 de pulg. Determine la combinación y velocidad de avance que cumple con estos criterios. 25.26. Se ejecuta una operación de fresado periférico usando una fresa para placa con 4 dientes y un diámetro 2.50 pulg. El avance = 0.015 pulg/diente, la velocidad de corte = 150 pies/min. Supóngase que los dientes están igualmente espaciados alrededor del cortador y que cada diente proyecta una distancia igual desde el eje de rotación, determine la rugosidad superficial teórica para a) el fresado ascendente y b) el fresado descendente. 25.27. Para acabar una parte de fundición de hierro antes de recubrirse, se ejecuta un fresado plano. El corta dor tiene 4 dientes igualmente espaciados y un diámetro = 60 mm. La carga de viruta / = 0.35 mm/diente, la velocidad de corte v = 1.0 m/seg. Estime la rugosidad superficial para a) el fresado ascen dente y b) el fresado descendente.
de la herramienta en operación es 30 min: a) C1008 acero al carbono con dureza 150 Brinell, b) alea ción de acero 4130 con dureza Brinell = 190, c) acero B 1113 con dureza Brinell = 170. Suponga que se usarán el mismo avance y profundidad de corte.
Economía del maquinado
Maquinabilidad 25.28. Se necesita determinar el índice de maquinabilidad para un nuevo material de trabajo usando la veloci dad de corte para una vida de la herramienta de 60 min como base de comparación. Del ensayo para el material base (acero B 1112). resultaron los siguientes valores de los parámetros de la ecuación de Taylor: n = 0.29 y C = 1500. Para el nuevo material, el valor de los parámetros fue n = 0.21 y C = 1200. Estos resultados se obtuvieron usando herramientas de carburo cementado, a) Calcule un índice de maquinabilidad para el nuevo material, b) Suponga que el criterio de maquinabilidad fue la velocidad de corte para una vida de la herramienta de 10 min. en lugar del criterio presente. Calcule el índice de maquinabilidad para este caso, c) ¿Qué demuestran los resultados de los dos cálculos acerca de las difi cultades en la medida de la maquinabilidad? 25.29. Se han realizado ensayos sobre la vida de herramientas de torneado sobre acero B 1112 con herramien tas de acero de alta velocidad, y los parámetros resultantes de la ecuación de Taylor son n = 0.13 y C = 225. El avance y la profundidad durante estos ensayos fueron/ = 0.010 pulg/rev y d = 0.100 pulg. Con base en esta información y los datos de maquinabilidad proporcionados en la tabla 25.1, determine la velocidad de corte que recomendaría usted para los siguientes materiales de trabajo si la vida deseada
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25.30. Calcule: a) las vidas de las herramientas, b) los tiempos de producción y c) los costos por unidad de producción para las dos velocidades de corte calculadas en el ejemplo 25.3. ¿Son consistentes los tiem pos y costos con la velocidad máxima de producción y los objetivos de costo mínimo? 25.31. Una herramienta de corte cementado se usa para tornear una parte que tiene 18.0 pulg de largo y 30.0 pulg de diámetro. Los parámetros en la ecuación de Taylor son n = 0.27 y C = 1200. La tasa para el operador y la máquina herramienta = 33.00 dólares/hr, el costo de herramientas por filo cortante = 2.00 dólares. Se necesitan 3.0 min para cargar y descargar la parte de trabajo y 1.50 min para cambiar la he rramienta. El avance = 0.013 pulg/rev. Determine a) velocidad de corte para máxima velocidad de pro ducción. b) vida de la herramienta en minutos de corte y c) la duración del ciclo y el costo por unidad del producto. 25.32. Resuelva el problema 25.31, excepto que en la pane a) determine la velocidad de corte para el costo mínimo. 25.33. Se usa una herramienta de acero de alta velocidad para tornear una parte de acero de 300 mm de largo y 80 mm de diámetro. Los parámetros en la ecuación de Taylor son n = 0.13 y C = 75 m/min para un avance de 0.4 mm/rev. El costo del operador y la máquina herramienta = 30.00 dólares/hr y el costo de herramien ta por filo de corte = 4.00 dólares. Toma 2.0 min cargar y descargar la parte de trabajo y 3.5 min cambiar las herramientas. Determine a) la velocidad de corte para una velocidad de producción máxima, b) la vida de la herramienta en minutos de corte y c) la duración del ciclo y el costo por unidad de producción. 25.34. Resuelva el problema 25.33, excepto que en la parte a) determine la velocidad de corte para el costo mínimo. 25.35. En este problema se comparan las herramientas desechables y reafilables. El mismo grado de herramientas de carburo cementado está disponible en dos formas para operaciones de torneado en un cierto taller de maquinado: insertos desechables e insertos soldados. Los parámetros en la ecuación de Taylor para este grado son n = 0.25 y C = 1000 bajo las condiciones de corte consideradas aquí. El precio de cada inserto desechable = 6.00 dólares, cada inserto úene 4 bordes cortantes, y el uempo para cambiar la herramienta = 1.0 min (éste es un promedio del tiempo para recorrer el inserto y el tiempo para reemplazarlo cuando se han usado todos los bordes). El precio de la herramienta con insertos soldados = 30.00 dólares, y se estima que se puede usar un total de 15 veces antes de desecharla. El tiempo de cambio de herramienta para la he rramienta reafilable = 3.0 min. El üempo estándar para afilar o reafilar el borde cortante es 5.0 min, y el afi lado se paga a una tasa = 15.00 dólares/hr. El tiempo de maquinado en el tomo cuesta 24.00 dólares/hr. La parte de trabajo a usar en la comparación tiene 15.0 pulg de largo y 2.5 pulg de diámetro, y toma 2.0 min cargar y descargar el trabajo. El avance = 0.012 pulg/rev para los dos casos. Compare a) las velocidades de corte para costo mínimo, b) las vidas de la herramienta, c) la duración del ciclo y el costo por unidad de producción. ¿Qué herramienta recomendaría usted? 25.36. Resuelva el problema 25.35, excepto que en la parte a) determine las velocidades de corte para la má xima velocidad de producción. 25.37. Se comparan tres materiales de herramientas para la misma operación de torneado de acabado en un lote de 100 partes de acero: acero de alta velocidad, carburo cementado y cerámica. Para el acero de alta veloci dad, los parámetros de la ecuación de Taylor son n = 0.125 y C = 200. El precio de la herramienta de acero de alta velocidad es de 15.00 dólares y se estima que puede afilarse y reafilarse 15 veces a un costo de 1.50 dólares. El tiempo de cambio de la herramienta = 3 min. Las herramientas de carburo y cerámicas son en forma de insertos y pueden fijarse en la misma portaherramienta mecánica. Los parámetros de la ecuación de Taylor para el carburo cementado son n = 0.25 y C = 1500, y para la cerámica n = 0.6 y C = 10 000. El costo por inserto de carburo = 6.00 dólares y para la cerámica = 8.00 dólares. En ambos casos, el número de cortes de bordes cortantes por inserto = 6. El tiempo de cambio de la herramienta = 1.0 min para los dos ¿pos de herramientas. El tiempo de cambio de las partes de trabajo = 2.0 min. El avance = 0.010 pulg/rev y la profundidad = 0.050 pulg. El costo del tiempo de maquinado = 30 dólares/hr. Las dimensiones de la parte son diámetro = 2.25 pulg y longitud = 11.5 pulg. El tiempo de montaje para el lote es de 2.0 hr. Compare en los tres casos de herramientas: a) las velocidades de corte para costo mínimo, b) las vidas de
654
Capítulo 25 / Operaciones de maquinado y máquinas herramienta
la herramienta, c) la duración del ciclo, d) el costo por unidad de producción, e) el tiempo total para com pletar el lote y la velocidad de producción y 0 ¿cuál es la proporción de tiempo que toma realmente el corte de metal para cada herramienta? 25.38. Resuelva el problema 25.37, excepto que en las partes a) y b) determine las velocidades de corte y las vidas de la herramienta para la máxima velocidad de producción. 25.39. Se usa una máquina de perforado vertical para perforar el diámetro interno de un lote grande de partes tubulares. El diámetro = 28.0 pulg y la longitud de la perforación = 14.0 pulg. Las condiciones de corte corriente son: velocidad = 200 pies/min. avance = 0.015 pulg/rev y profundidad = 0.125 pulg. Los parámetros de la ecuación de Taylor para la herramienta de corte en esta operación son n = 0.23 y C = 850. El tiempo de cambio de la herramienta = 3.0 min. y el costo de la herramienta = 3.50 dólares por filo cortante. El tiempo requerido para cargar y descargar las partes = 12.0 min, y el costo de tiempo de la máquina en esta operación de perforado = 42.00 dólares/hr. La gerencia ha indicado que la velocidad de producción para este trabajo debe incrementarse en un 25%. ¿Es esto posible ? Suponga que el avan ce debe permanecer sin cambio a fin de lograr el acabado superficial requerido. ¿Cuál es la velocidad normal de producción y la máxima velocidad posible para este trabajo? 25.40. Un tomo de CN hace dos pasos de corte a través de una pieza cilindrica de trabajo en un ciclo automáti co. El operador carga y descarga la máquina. El diámetro inicial del trabajo es 3.00 pulg y su longitud = 10 pulg. El ciclo de trabajo consiste en los siguientes pasos (con elementos de tiempo dados entre paréntesis en su caso):
ESMERILADO Y OTROS PROCESOS ABRASIVOS v. c’ *;<.
*■ El operador carga la parte en la máquina, empieza el ciclo (1.00 min). »■ El tomo CN pone las herramientas en posición para el primer paso (0.10 min).
3^';
"ir. ‘ '•r
»• El tomo CN maquina la primera parte (el tiempo depende de v ).
C O N T E N ID O DEL CA PÍTU LO 26.1
*■ El tomo CN reacomoda en posición la herramienta para el segundo paso (0.4 min). *- El tomo CN maquina el segundo paso (el tiempo depende de v). »• El operador descarga la parte y la coloca en la charola (1.00 min). 2 6 .2 Además, la herramienta de corte debe cambiarse periódicamente y este cambio de herramienta toma 1.00 min. La velocidad de avance = 0.007 pulg/rev y la profundidad de corte para cada paso = 0.100 pulg. El costo del operador y de la máquina = 39 dólares/hr y el costo de la herramienta = 2.00 dó lares/filo cortante. La ecuación de Taylor aplicable para la vida de la herramienta tiene los parámetros C = 900 y n = 0.26. Determine a) la velocidad de corte para el costo mínimo por pieza, b) el tiempo promedio requerido para completar un ciclo de producción, c) el costo del ciclo de producción y d) si el tiempo total de montaje para este trabajo es de 3.0 hr y el tamaño del lote es de 300 partes, ¿cuánto tiempo tomará completar el lote? 25.41. El problema 24.15 demostró que un efecto posible de un fluido para corte tipo refrigerante es incre mentar el valor de C en la ecuación de vida de la herramienta de Taylor. En ese problema el valor de C se incrementó de 200 a 225 debido al uso de un fluido para corte. La velocidad de corte usada en esa operación fue v = 125 pies/min. El problema demostró que el efecto del fluido para corte pudo ser a través de un incremento en la velocidad de corte (con la misma vida de la herramienta) o un incremen to en la vida de la herramienta (a la velocidad de corte original). El avance = 0.010 pulg/rev y la pro fundidad = 0.100 pulg. ¿Qué efecto es mejor económicamente? Si el costo de la herramienta = 2.00 dólares por filo cortante, el tiempo de cambio de la herramienta = 2.5 min, y el costo del operador y de la máquina = 30 dólares/hr. Justifique su respuesta con cálculos, usando el costo por pulgada cúbica de metal maquinado como un criterio de comparación.
Esmerilado 26.1 .1 La rueda de esmeril 2 6 .1 .2 Análisis del proceso de esmerilado 2 6 .1 .3 Consideraciones en la aplicación del esmerilado 2 6 .1 .4 Operaciones de esmerilado y máquinas de esmerilar Procesos abrasivos relacionados 26.2 .1 Rectificado fino 2 6 .2 .2 Pulido o lapeado 2 6 .2 .3 Superacabado 2 6 .2 .4 Pulido y abrillantado
El m aquinado abrasivo im plica la elim inación de m aterial por la acción de partículas abra sivas duras que están por lo general pegadas a una rueda. El esm erilado es el proceso abrasi vo más im portante. El esm erilado, en térm inos de núm ero de m áquinas herram ienta en uso, es el m ás com ún de todas las operaciones de trabajo de metales [10]. El rectificado, puli m entado, superacabado, pulido y abrillantado son otros procesos abrasivos. Los procesos de m aquinado abrasivo se usan generalm ente com o operaciones de acabado, aunque algunos de ellos son capaces de altas velocidades de rem oción de m aterial que rivalizan con las operaciones de m aquinado convencional. El uso de abrasivos para dar form a a las partes de trabajo es probablem ente el proceso más antiguo de rem oción de m aterial (véase nota histórica 26.1). Las razones por las que los procesos abrasivos son importantes com ercial y tecnológicam ente en la actualidad, son las siguientes: » Se pueden usar en todos los tipos de m ateriales, desde metales suaves hasta aceros endurecidos, y en materiales no m etálicos com o cerám icos y silicio. > A lgunos de estos procesos se pueden usar para producir acabados superficiales ex trem adam ente finos de hasta 1 /i pulg (0.025 fim ).
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>• Para ciertos procesos abrasivos, las dim ensiones pueden m antener tolerancias extre m adam ente cerradas.
690
Sección 27.3 / Procesos de energía térmica
Capítulo 27 / Maquinado no tradicional y procesos de corte térmico
27.3.1
Procesos con descarga eléctrica Los procesos de rem oción de m aterial con descarga eléctrica retiran metal mediante una serie de descargas eléctricas discontinuas (chispas) que producen temperaturas localizadas suficientemente altas para fundir o vaporizar el metal en la región inmediata a la descarga. Los dos procesos princi pales en esta categoría son: 1) el m aquinado por descarga eléctrica y 2) el m aquinado por descarga eléctrica con alambre. Estos procesos sólo pueden usarse en materiales de trabajo eléctricam ente
R ueda de esmeril (cátodo)
Flujo de material electrolítico
conductivos.
-«---------- Material electrolítio ------------ Trabajo (ánodo) M esa de trabajo FIGURA 27.7
í
Esmerilado electroquímico.
de taladrado convencional a través de un orificio. La herram ienta de electrodos está diseñada para concentrar la acción de rem oción de metal en la viruta. Se aíslan las panes de la herram ienta que no se usan para el m aquinado. El m aterial electrolítico fluye por el orificio para alejar las partícu las de la viruta. En la ECD se aplican los m ism os principios de la operación de ECM. Sin em bar go, dado que se retira m ucho m enos m aterial en una ECD, los ciclos de tiempo son m ucho más breves. Un ciclo de tiem po norm al en la rem oción electroquím ica de virutas es m enor de un mi nuto. El tiempo aum enta si se pretende redondear una esquina adem ás de rem over la viruta. El esmerilado electroquímico, EE (en inglés ECG), es una forma especial de ECM, en el cual se usa una rueda de esmeril rotatoria con un material de enlace conductivo para aumentar la disolución anódica del exterior metálico de la parte de trabajo, como muestra la figura 27.7. Los abrasivos usados en el ECG incluyen el óxido de aluminio y el diamante. El material de enlace es metálico (para abrasivos de diamante) o es resina impregnada con partículas metálicas para hacerlo eléctricamente conductor (para el óxido de aluminio). Los granos abrasivos que sobresalen de la rueda de esmeril y entran en con tacto con la parte de trabajo, establecen la distancia de separación en el ECG. Los electrolitos fluyen por la separación entre los granos para cumplir su función en la electrólisis. La remoción de chapa es responsable del 95% o más del retiro de metal en el esm erilado elec troquímico, y la acción abrasiva de la rueda de esmeril elim ina el 5% restante o menos, sobre todo en forma de películas salinas que se producen en la superficie de trabajo durante las reacciones elec troquímicas. Debido a que gran parte del maquinado se consigue mediante acción electroquím ica, una rueda de esmeril en este proceso dura m ucho más que una rueda en el esm erilado convencional. El resultado es una velocidad de esm erilado mucho más alta. Además, el revestim iento de la rueda de esmeril se realiza con m enor frecuencia. Éstas son las ventajas importantes del proceso. Las apli caciones del ECG incluyen el afilado de herram ientas de carburo fortalecido y el esm erilado de agu jas quirúrgicas, aparte de tubos de pared delgados y partes frágiles.
27.3
691
PROCESOS DE ENERGÍA TÉRMICA
M aq u in a d o p o r d escarg a e lé c tric a El maquinado por descarga eléctrica (en inglés EDM) es uno de los procesos no tradicionales de uso más amplio. La figura 27.8 muestra una disposición de EDM. La forma de la superficie de trabajo acabada se produce mediante una herramienta formada por electrodos. Ocurren chispas a través de una pequeña separación entre la herramienta y la superficie de trabajo. El proceso de EDM debe realizarse en presencia de un fluido dieléctrico, el cual crea una trayectoria para cada descarga conforme se ioniza el fluido en la separación. Las descargas se generan mediante un transformador de corriente directa pulsante conectado al trabajo y a la herramienta. La figura 27.8(b) m uestra un acercam iento de la separación entre la herram ienta y el trabajo. La descarga ocurre en la posición donde están más cerca las dos superficies. El fluido dieléctrico
FIGURA 27.8 M aquinado por descarga eléctrica: (a) disposición general y (b) vista de acercam iento de la separación, mostrando la descarga y la remoción de metal. Avance de la herram ienta
\
Fluido dieléctrico
I Separación
Trabajo
Excedente de corte
H erram ienta©
LV .^.
Los procesos de remoción de m aterial basados en la energía térm ica se caracterizan por tem pera turas locales muy altas con calor suficiente para rem over material mediante fusión o vaporización. Debido a las altas tem peraturas, estos procesos producen daños físicos y metalúrgicos en la nueva superficie de trabajo. En algunos casos, el acabado resultante es tan pobre que se requiere un proce samiento posterior para alisar la superficie. En esta sección exam inam os varios procesos de energía térmica que tienen im portancia com ercial: 1) maquinado por descarga eléctrica y corte con alam bre de descarga eléctrica, 2) m aquinado con haz de electrones, 3) maquinado con rayo láser, 4) maquinado con arco de plasm a y 5) procesos convencionales de corte térmico.
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— D esgaste del electrodo
____i D escarga
Fluido ionizado
Metal removido de la cavidad Trabajo ©
Flujo del fluido dieléctrico Cavidad creada mediante d escarg a Metal refundido
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Capítulo 26 / Esmerilado y otros procesos abrasivos
Sección 26.1 / Esmerilado
Algunos otros procesos de remoción de material se clasifican también dentro del maquinado abra sivo, debido a que realizan el corte por m edios abrasivos, com o el corte con chorro de agua abrasi va y el maquinado ultrasónico. Sin em bargo, estos procesos se conocen com únm ente como proce sos no tradicionales de remoción de m aterial los cuales se cubren en el capítulo 27.
26.1
ESMERILADO El esmerilado es un proceso de rem oción de m aterial en el cual las partículas abrasivas están con tenidas en una rueda de esmeril aglutinado que opera a velocidades superficiales muy altas. La rueda de esmeril tiene por lo general form a de disco balanceado con toda precisión para soportar altas velocidades de rotación. El esm erilado es sim ilar al fresado. En ambas técnicas, el corte ocurre en la periferia o en el frente de la rueda de esmeril, sim ilar al fresado periférico y al fresado de frente. El esm erilado pe riférico es m ucho más común que el esm erilado de frente. La rueda rotatoria de esm eril consiste en m uchos dientes cortantes (partículas abrasivas) y el trabajo avanza hacia esta rueda para lograr la remoción del material. A pesar de las sim ilitudes, hay una diferencia significativa entre el esm eri lado y el fresado: 1) los granos abrasivos en la rueda son m ucho más pequeños y num erosos que los dientes de una fresa, 2 ) las velocidades de corte en el esm erilado son m ucho más altas que el fresado, 3) los granos abrasivos en una rueda de esmeril están orientados aleatoriam ente y tienen un ángulo de inclinación prom edio m uy alto, 4) una rueda de esm eril es auto-afilante — al desgas tarse la rueda, las partículas abrasivas pierde el filo y se fracturan para crear nuevos bordes cortan tes, o se eliminan de la superficie de la rueda para dejar expuestos nuevos granos.
Nota histórica 26.1 Desarrollo de tos procesos abrasivos (14)
E
I uso de los abrasivos es más antiguo que cualquiera de las otras operaciones de maquinado Hay evidencia arqueológica de que los pueblos antiguos usaron piedras abrasivas como la arenisca natural para afilar herram ientas, arm as y raspar porciones no deseadas de m ateriales más suaves para hacer im plem entos dom ésticos. El esmerilado se convirtió en una técnica comercial im portante en el antiguo Egipto. Las grandes piedras usadas para construir las pirám ides se cortaron al tam año por procesos rudimentarios de esm erilado. El esm erilado de m etales data alrededor de 2000 años a.C. y era una habilidad altam ente valorada en aquella época. Los primeros m ateriales abrasivos fueron aquellos que se encontraban en la naturaleza como la arenisca, que está com puesta fundam entalm ente de cuarzo (S i02); el esmeril, que consiste en corindón (Al20 5) más una cantidad igual o m enor de minerales de hierro, hematita (Fe20 3) y m agnetita (Fe30 4) y diam ante. Las prim eras ruedas de esmeril fueron probablem ente de piedra tallada y giradas a mano. Sin embargo, las ruedas esm eriladoras hechas en esta forma no tenían una calidad consistente. En la primera parte del siglo xix se produjeron, en la India, las prim eras ruedas de esmeril aglutinadas. Se usaron para esm erilar gem as, un im portante artículo de comercio en la India en esa época. Los abrasivos fueron el corindón, el esmeril y el diam ante. El material aglutinante se hizo de resinas naturales de laca. La tecnología se exportó a Europa y Estados Unidos, donde se introdujeron sucesivam ente otros m ateriales aglutinantes: los de hule a m ediados del siglo xix, los vitrificados alrededor de 1870, los de laca alrededor de 1880, y resinosos en la década de los veinte con el advenim iento de los primeros plásticos termofijos (fenol-formaldehído). A finales del siglo xix se produjeron los prim eros abrasivos sintéticos: carburo de silicio (SiC) y óxido de alum inio (A120 3). Con la manufactura de los abrasivos, se pudo controlar más estrecham ente su composición química y el tam año de los granos individuales, así se obtuvieron ruedas de esmeril de más alta calidad. Las primeras m áquinas reales de esm erilado fueron hechas en Estados Unidos, por la empresa Brown and Sharpe en la década d e 1860 para esm erilar partes de m áquinas de coser, una industria im portante en esa época. Las m áquinas esm eriladoras tam bién contribuyeron al desarrollo de la industria de las bicicletas en la década de 1890. y más tarde en la industria automotriz. Los procesos de esm erilado se usaban para ajustar el tam año y el acabado de ciertas partes endurecidas por tratam iento térmico en estos productos. Los superabrasivos como el diam ante y el nitruro de boro cúbico son productos del siglo xx. La General Electric produjo los prim eros diam antes sintéticos en 1955. Estos abrasivos se usaron para esm erilar herram ientas de corte de carburo cem entado, y en la actualidad permanece como una de las aplicaciones im portantes de los abrasivos de diam ante. El nitruro de boro cúbico (CBN), segundo en dureza d espués del diam ante, se sintetizó por primera vez en 1957 por la General Electric, usando un proceso sim ilar al de la fabricación de diam antes artificiales. El nitruro de boro cúbico ha llegado a ser un abrasivo im portante para el esm erilado d e m etales ferrosos (aceros endurecidos).
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26.1.1
La rueda de esmeril
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Una rueda de esm eril consiste en partículas abrasivas y material aglutinante. Los m ateriales agluti nantes mantienen a las partículas en su lugar y establecen la form a y la estructura de la rueda. Estos dos ingredientes y la forma en que se fabrican, determinan los parámetros de la rueda de esmeril, que son los siguientes: 1) m aterial abrasivo, 2) tamaño del grano, 3) material aglutinante. 4) grado de la rueda y 5) estructura de la rueda. Éstos son análogos al material y geom etría de las he rram ientas de corte convencionales. Para lograr el desem peño deseado en una aplicación dada, debe seleccionarse cada parám etro cuidadosam ente. M aterial a b ra siv o Los diferentes materiales abrasivos se adecúan para esm erilar diferen tes materiales de trabajo. Las propiedades generales de un material abrasivo para las ruedas de esmeril incluyen alta dureza, resistencia al desgaste, tenacidad y fragilidad. La dureza, la resisten cia y la tenacidad son propiedades convenientes para cualquier m aterial de herram ienta de corte. La fragilidad (Jriability) se refiere a la capacidad del material abrasivo a fracturarse cuando el filo cor tante del grano se desgasta, exponiendo así un nuevo filo de corte. El desarrollo de los abrasivos para esm erilar se describió en nuestra nota histórica. A con tinuación se describen los m ateriales abrasivos de m ayor im portancia com ercial en la actualidad, y sus valores relativos de dureza se presentan en la tabla 26.1: >- Óxido de alum inio (A120 3). É ste es el m aterial abrasivo más común (sección 9.3.1). Se usa para esm erilar acero y otras aleaciones ferrosas de alta resistencia. *■ Carburo de silicio (SiC). El carburo de silicio es más duro que el óxido de aluminio, pero no tan tenaz (sección 9.2.2); sus aplicaciones en esm erilado incluyen m etales dúctiles como el aluminio, el latón y el acero inoxidable, así com o m ateriales frágiles com o algunas fundi ciones de hierro y ciertos cerám icos. » Nitruro de boro cúbico (C B N ). C uando se usa com o abrasivo, el nitruro de boro cúbico (sección 9.3.3) se produce bajo el nom bre com ercial de Borazon por la G eneral Electric Company. Las ruedas de esm eril de B orazon se usan para materiales duros com o aceros de herram ienta endurecidos y aleaciones aeroespaciales. >• Diam ante. Los abrasivos de diam ante se dan en form a natural y tam bién pueden hacerse sintéticam ente (sección 9.6.1). Las ruedas de diam ante se usan generalm ente en aplicaciones de esm erilado de m ateriales abrasivos duros com o cerám icos, carburos cem entados y vidrio.
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Sección 26.1/ Esmerilado
Capítulo 26 / Esmerilado y otros procesos abrasivos
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TABLA 26.1 V alores d e d u re z a d e los m a teriales abrasivos para ruedas d e esm eril.
M aterial abrasivo
D ureza K noop
Óxido de aluminio Carburo de silicio Nitruro de boro cúbico Diamante (artificial)
Poros (huecos)
2100 2500 5000 7000
Material aglutinante G ranos abrasivos
Tamaño de los granos El tam año de los granos de las partículas abrasivas es un parám etro importante en la determ inación del acabado superficial y de la velocidad de remoción del material. El tamaño de grano pequeño produce m ejores acabados, mientras que los m ayores tam años de grano permiten velocidades de remoción de m aterial más grandes. Por tanto, cuando se selecciona el tamaño de granos abrasivos, deben lom arse en cuenta ambos parám etros. La selección del tamaño de grano depende tam bién hasta cieno punto del tipo de material de trabajo. Los m ateriales de tra bajo más duros requieren tam año de grano más pequeño para un corte efectivo, m ientras que los materiales más suaves requieren tam años de granos más grandes. El tamaño de grano se mide por el procedim iento de cribas y m allas, descrito en la sección 18.1.1. En este procedim iento los tamaños de grano más pequeños tienen núm eros más grandes y viceversa. El tam año de los granos usados en las ruedas de esm eril fluctúan típicam ente entre 8 y 250. El grano tam año ocho es muy grueso y el tamaño 250 es muy fino. Se usan los tam años de grano más finos para pulim entado y superacabado (sección 26.2). Materiales aglutinantes Los m ateriales aglutinantes sujetan los granos abrasivos y esta blecen la forma y la integridad estructural de la rueda de esmeril. Las propiedades convenientes del material aglutinante son: resistencia, tenacidad, dureza y resistencia a la temperatura. El material aglutinante debe ser capaz de soportar las fuerzas centrífugas y las altas tem peraturas experim en tadas por la rueda de esm eril, resistir sin quebrarse ante los impactos de la rueda, tam bién deben sostener los granos abrasivos rígidam ente en su lugar para alcanzar la acción de corte y perm itir el desalojo de los granos gastados, de m anera que se expongan nuevos granos. Los m ateriales agluti nantes comunes usados en las ruedas de esm eril incluyen los siguientes: »■ Aglutinantes vitrificados. Los materiales aglutinantes vitrificados consisten principalmente en arcilla cocida y materiales cerám icos. La mayoría de las ruedas de esmeril de uso com ún son ruedas con aglutinantes vitrificados, fuertes y rígidas, resistentes a las temperaturas elevadas y casi no se afectan con el agua y los aceites que puedan usarse en los fluidos de esm erilado. » Aglutinante de silicato. Este m aterial aglutinante consiste en silicato de sodio (N aiSiO j). Sus aplicaciones se limitan generalm ente a situaciones en las que se debe m inim izar la gene ración de calor, com o en el esm erilado de herramientas de corte. >- Aglutinante de hule.
El hule es el más flexible de los materiales aglutinantes. Se usa como
material aglutinante en las ruedas de corte. >- Aglutinante de resina. Este aglutinante se hace de varias resinas termofijas, com o fenolformaldehído. Tienen una gran resistencia y se usan para esm erilado de desbaste y opera ciones de corte o separación. » Aglutinante de laca. Las ruedas de esmeril aglutinadas con laca son relativam ente fuertes pero no rígidas. Se usan frecuentem ente en aplicaciones que requieren un buen acabado. » Aglutinante m etálico. Los aglutinantes m etálicos, bronce por lo general, son los materiales aglutinantes más com unes para ruedas de diamante y de nitruro de boro cúbico. Se usan téc nicas de procesam iento de panículas (capítulos 18 y 19) para aglutinar la m atriz de los gra nos abrasivos, en los cuales se pega el m aterial únicam ente en la periferia de la rueda, y de esta forma se conservan los m ateriales abrasivos costosos.
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FIGURA 26.1
Estructura típica de una rueda de esmeril.
Estructura de la rueda y grado de la rueda La estructura de la rueda se refiere al espaciam iento relativo de los granos abrasivos en la rueda. Además de los granos abrasivos y el m ate rial aglutinante, las ruedas de esm eril contienen huecos de aire o poros, com o se ilustra en la figu ra 26.1. Las proporciones volum étricas de los granos, el m aterial aglutinante y los poros se puede expresar como: Vg + Vb + Vp = 1.0
(26.1)
donde Vg = proporción de los granos abrasivos en el volumen total de la rueda, Vb = proporción del m aterial aglutinante y Vp = proporción de los poros (huecos). La estructura de la rueda se mide en una escala que va de abierta a densa. U na estructura abierta es aquella en la que Vp es relativam ente grande y Vg es relativam ente pequeña. Esto es, hay m uchos poros y pocos granos por unidad de volumen en una rueda de estructura abierta. Por el con trario, en una estructura densa Vp es relativamente pequeña y Vg es más grande. G eneralm ente se recom iendan estructuras abiertas en situaciones donde se deben proveer claros para la viruta. Las estructuras densas se usan para obtener m ejores acabados superficiales y control dimensional. El grado de la rueda indica la resistencia del aglutinante de la rueda de esm eril para retener los granos abrasivos durante el corte. Esto depende en gran m edida de la cantidad de material aglutinante presente en la estructura de la rueda. Vb en la ecuación 26.1. El grado se mide en una escala que va de suave a duro. Las ruedas suaves pierden los granos fácilm ente, m ientras que las ruedas duras retienen los granos abrasivos. Las ruedas suaves se usan generalm ente para aplica ciones que requieren una baja velocidad de rem oción de m aterial y en el esm erilado de materiales de trabajo duros. Las ruedas duras se usan típicamente para lograr altas velocidades de remoción de material y ocasionalm ente para el esm erilado de m ateriales de trabajo suaves. Especificación de las ruedas de esmeril Los parám etros precedentes se pueden designar concisam ente usando un sistem a de especificación de ruedas de esm eril definido por la A merican N ational Standards Institute (A N SI) [2]. Este sistem a de especificación usa núm eros y letras para identificar el tipo de abrasivo, el tam año del grano, el grado, la estructura y el m aterial aglutinante. La figura 26.2 presenta una versión abreviada de la norm a ANSI que indica cóm o se interpretan los núm eros y las letras. La norm a tam bién proporciona identificaciones adicionales que pueden uti lizar los fabricantes de ruedas de esmeril. La norm a A N SI para las ruedas de nitruro de boro cúbico son ligeram ente diferentes que las de las ruedas convencionales. El sistem a de especificación para estas nuevas ruedas abrasivas se presenta en la figura 26.3. Las ruedas de esm eril vienen en una variedad de formas y tam años, com o se puede ver en la figura 26.4. Las configuraciones (a), (b) y (c) en la figura son ruedas abrasivas periféricas, en las cuales la rem oción de m aterial se realiza por la circunferencia exterior de la rueda. U na rueda de corte típica se m uestra en la parte (d), que involucra también el corte periférico. Las ruedas (e), (0 y (g) son ruedas de esm erilado de frente, en las cuales la cara plana de la rueda rem ueve el m ate rial de la superficie de trabajo.
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Sección 26.1 / Esmerilado
Capitulo 26 / Esmerilado y otros procesos abrasivos
661
Diámetro de encaje Prefijo
Tipo de abrasivo
Tam año de grano
Grado
30
A
46
H
Estructura
Tipo de aglutinante
Registro del fabricante
6
V
XX
CLAVE: Prefijo = Símbolo del fabricante para el abrasivo (opcional) Tipo d e abrasivo:
A = Óxido d e aluminio C = Carburo de silicio etc.
Tam año del grano: Burdo = tam años d e grano 8 ,1 0 ,1 2 ,1 4 ,1 6 , 2 0 ,2 4 Mediano = tam años de grano 30, 36, 46, 54, 60 Fino = tam años d e grano 70, 80 ...... 180 Muy fino = tam años de grano 220, 240...... 600 Grado:
La escala va d e la A a la Z: A = suave, M = mediano, Z = duro.
Estructura:
Escala numérica: 1 = estructura muy densa, 15 - estructura muy abierta.
Tipo de aglutinante:
(c)
(d)
B = resinoso E = laca R = hule S = silicato V = vitrificado
C ara esmeriladora
Registro del fabricante: Marca privada de identificación de la rueda (opcional)
(e) FIGURA 26.2 Sistema de identificación para ruedas de esmeril convencionales definido por la norma ANSI B74.13-1977 [2].
C ara _ esm eriladora T
i
Espesor de la ' pared de la cara esmeriladora
FIGURA 26.3 Sistema de identificación para ruedas abrasivas de diamante y nitruro de boro cúbico definido por la norma B74.13-1977 [21.
Prefijo
Tipo de abrasivo
Tamaño de grano
Grado
Concentración
XX
D
150
P
YY
Tipo de Modificación aglutinante del aglutinante M
ZZ
Profundidad del abrasivo Vb
FIGURA 26.4 Algunas formas estándar de ruedas abrasivas: (a) recta, (b) escotada dos lados, (c) rueda con armadura metálica y abrasivo pegado en la circunferencia, (d) disco abrasivo de corte, (e) rueda cilindrica, (f) rueda de copa recta y (g) rueda de copa abocinada.
CLAVE Prefijo = Símbolo del fabricante para el abrasivo (opcional) Tipo de abrasivo:
26.1.2
Análisis del proceso de esmerilado
D = Diamante B = Nitruro de boro cúbico
Las condiciones de corte en el esm erilado se caracterizan por velocidades muy altas y cortes muy pequeños, com parados con el fresado y otras operaciones de m aquinado tradicional. Usando el esm erilado superficial de la figura 26.5(a) para ilustrar las características principales del proceso, la velocidad periférica de la rueda de esm eril se determ ina por la velocidad de rotación de la rueda:
Tamaño de grano: Burdo = tam años de grano 8, 10 ,1 2 ,1 4 ,1 6 , 20, 24 Mediano = tam años de grano 30, 36, 4 6 .5 4 , 60 Fino = tam años de grano 70, 80...... 180 Muy fino = tam años de grano 220, 2 4 0 ,.... 600
v = nD N
Grado: La escala va de la A a la Z = suave, M = mediano, Z = duro. Concentración: D esignación del fabricante, puede ser un número o símbolo. Tipo de aglutinante:
B = Resina M = Metal V= Vitrificado
Modificación del aglutinante = Nota del fabricante sobre la modificación o tipo de aglutinante especial Profundidad del abrasivo = Profundidad de trabajo de la sección abrasiva en pulg o mm.
(26.1)
donde v = velocidad superficial de la rueda, pies/min (m/min); N = velocidad del husillo, rev/min; D = diám etro de la rueda, pies (m).
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La profundidad del corte d, llam ada avance radial, es la penetración de la rueda dentro de la superficie original de trabajo. Al proseguir la operación, la rueda de esmeril avanza lateralmente a través de la superficie en cada paso del trabajo. Esto se llam a avance transversal y determ ina el ancho de la trayectoria del esm erilado w en la figura 26.5(a). Este ancho, m ultiplicado por la pro fundidad d, determ ina el área de la sección transversal de corte. En la mayoría de las operaciones
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Sección 26.1 / Esmerilado
Capítulo 26 / Esmerilado y otros procesos abrasivos
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debido a un factor llam ado relación de aspecto del grano r , definido por :
Velocidad de rotación el
>
u>' = -
h u cilln Q
(26.5)
Los valores típicos del aspecto del grano están entre 10 y 20. El número de granos o partículas activas (dientes cortantes) por pulgada cuadrada en la pe riferia de larueda de esm eril se denota por C. cuyo valor es normalmente inversam ente propor cional al tamaño del grano. C se relaciona también con la estructura de la rueda. U na estructura más densa significa más granos por área. Basado en el valor de C, el número de virutas form adas por tiempo nc está determ inado por nc = vw C
(b)
(26.6)
donde v = velocidad de la rueda, pulg/m in (mm /min): w = avance transversal, pulg (m m ); y C = gra nos x área en la superficie de la rueda de esm eril. gram os/pulg: (granos/m m : ). Se da por entendi do que el acabado superficial m ejorará al aum entar el número de virutas form adas por unidad de tiempo, sobre la superficie del trabajo para un ancho dado w. Por tanto, de acuerdo a la ecuación 26.6, al increm entar v o C se m ejorará el acabado. Como se indica, tamaños de grano más pequeños rinden valores de C más grandes.
(a)
Fuerzas y e n e rg ía Si se conociera la fuerza requerida para conducir el trabajo por enfrente de las ruedas de esm eril, la energía específica en el esm erilado podría determ inarse com o
FIGURA 26.5 (a) Geometría de la superficie esmeriladora mostrando las condiciones de corte; (b) forma longitudinal asumida y (c) sección recta de un viruta simple.
U = de esm erilado, el trabajo se mueve contra la rueda a una cierta velocidad vH,, de manera que la velocidad de rem oción de material MRR es: M R R = vww d
(26.3)
Cada grano de la rueda de esm eril corta una viruta individual, cuya forma antes del corte se muestra en la figura 26.5(c). En el punto de salida del grano con respecto al trabajo, donde la sec ción transversal de la viruta es mayor, este triángulo tiene una altura t y un ancho w . En una operación de esm erilado, nos interesa cóm o se com binan las condiciones de corte con los parámetros de la rueda de esm eril que afectan lo siguiente: 1) acabado superficial, 2 ) fuerzas y energía, 3) tem peratura de la superficie de trabajo, 4) desgaste de la rueda. A c ab a d o su p erficial La m ayor parte del esm erilado com ercial se ejecuta para alcanzar acabados superficiales superiores a los que se pueden alcanzar con maquinado convencional. El acabado de la parte de trabajo se afecta por el tamaño de las virutas individuales que se forman durante el esmerilado. Un factor obvio en la determ inación del tam año de viruta es el tam año del grano, los tam años más pequeños de grano o partículas rinden m ejores acabados. Examinemos las dim ensiones de una viruta individual. A partir de la geom etría del proceso de esm erilado en la figura 26.5, se puede ver que la longitud prom edio de una viruta está determ i nada por
L = y/~Dd
(26.4)
donde lc es la longitud de la viruta, pulg(m m ), D = diám etro de la rueda, pulg (mm ), y d - profun didad de corte o avance radial, pulg (mm ). Se asume que la viruta la forma un grano que actúa a través del arco barrido entero en el diagram a. La figura 26.5 (c) m uestra la sección transversal que se asum e d e una viruta en esm e rilad o . La forma de la sección transversal es triangular con un ancho w ', y es más grande que el espesor t,
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Fcv vww d
(26.7)
donde U = energía específica, p u lg -lb /p u lg 3 (J/m m 3); F c = la fuerza de co rte n ecesaria para m over el trabajo c ontra la rueda. Ib (N ); v = velocidad de la rueda, pies/m in (m /m in); vM. = velocidad del trabajo, pulg/m in (m m /m in); vv = ancho del corte, pulg (m m ); d = profundidad de corte en pulg (m m ). En el esmerilado, la energía específica es mucho más grande que en el m aquinado convencional. Hay varias razones para esto. La prim era es el efecto del tamaño en maquinado. Como se analizó pre viamente, el espesor de la viruta en el esm erilado es mucho más pequeño que para otras operaciones de maquinado como el fresado. De acuerdo a este efecto de tamaño (sección 23.4). los tamaños más pequeños de viruta en el esm erilado ocasionan que la energía requerida para remover cada unidad de volumen de material sea aproxim adam ente diez veces más alta que en el maquinado convencional. Segundo, los granos individuales en una rueda de esm eril tienen ángulos de inclinación extrem adam ente negativos. El ángulo de inclinación prom edio es aproxim adam ente -3 0 ° , con va lores de algunos granos individuales hasta -6 0 ° (según se cree). Estos ángulos de inclinación muy bajos rinden valores bajos del ángulo del plano de corte y altas deform aciones cortantes, lo anterior significa niveles de energía más altos en esmerilado. La tercera razón por la cual la energía específica es más alta en esm erilado es porque no todos las partículas individuales se involucran en el corte real. D ebido a su posición aleatoria y a las orien taciones de los granos en la rueda, algunos granos no se proyectan lo suficiente dentro de la super ficie de trabajo para realizar el corte. Se pueden reconocer tres tipos de acciones de los granos, según se ilustra en la figura 26.6: (a) corte, en el cual los granos se proyectan bastante dentro de la superficie para form ar una viruta y rem over el material; (b) roturado en el cual el grano se proyec ta dentro del trabajo, pero no lo suficiente para causar corte; en su lugar, la superficie del trabajo se deform a y la energía se consum e sin ninguna remoción de material; (c) roce, en el cual el grano toca la superficie durante su recorrido, pero solam ente ocurre fricción de roce, la cual consum e energía sin rem over ningún material. El efecto del tam año, los ángulos de inclinación negativa y las acciones inefectivas de los g ra nos se com binan para causar que los procesos de esm erilado sean muy ineficientes en térm inos de consum o de energía por volum en de m aterial removido.
664
Capítulo 26 / Esmerilado y otros procesos abrasivos
Sección 26.1 / Esmerilado
donde K2 = una constante de proporcionalidad. La implicación práctica de esta relación es que el daño superficial debido a la alta tem peratura del trabajo puede m itigarse al dim inuir la profundidad de corte d , la velocidad de la rueda v y el número de partículas activas por pulgada cuadrada en la rueda de esm eril C. o al increm entar la velocidad de trabajo v„„ A dem ás, las ruedas de esmeril des gastadas y las ruedas que tienen alto grado y estructura densa, tienden a causar problem as térmicos. Las temperaturas de esm erilado tam bién se pueden reducir usando un fluido para corte.
Estructura del aglutinante Grano individual
Viruta
Desgaste de la rueda Las ruedas de esm eril se desgastan com o cualquier herram ienta de corte convencional. Se reconocen tres mecanism os como las causas principales de desgaste en las ruedas de esmeril: 1) fractura de granos, 2) desgaste por rozam iento y 3) fractura por el aglutinante. La fractura del grano ocune cuando una porción de los granos se rom pe, pero el resto permanece aglutinado en la rueda. Los bordes del área fracturada se convierten en nuevos filos de corte en la rueda de esmeril. La tendencia del grano a la fractura se denom ina fragilidad {friability en inglés). Una alta fragilidad significa que los granos se fracturan más rápidam ente debido a las fuerzas de
Trabajo
(a) FIGURA 26.6
665
(c)
(b)
Tres tipos de acción de los granos en esmerilado: (a) corte, (b) roturado.depresión deformada localizada, y (c) roce.
Si usamos las relaciones de energía específica precedentes, ecuación 26.7 y suponem os que las fuerzas de corte que actúan en un grano sencillo en la rueda de esmeril es proporcional a rgt, se puede demostrar [8] que
corte en los granos F'c. El desgaste p o r rozam iento involucra el desgaste de los granos individuales que dan como resultado zonas planas y bordes redondeados. Este tipo de desgaste es análogo al desgaste de una h enam ien ta de cone convencional. Se debe a mecanism os físicos similares, incluyendo la fricción y la difusión, así com o las reacciones quím icas que se originan entre el material abrasivo y el de trabajo en presencia de tem peraturas muy altas. La fractura p o r el aglutinante sucede cuando los granos individuales son expulsados del m a terial aglutinante. La tendencia hacia este mecanismo depende del grado de la rueda, entre otros fac tores. La fractura del aglutinante ocune generalmente porque el grano se ha deslustrado, debido al desgaste por roce, y la fuerza resultante del corte es excesiva. Los granos afilados cortan más efectiva mente con fuerzas de corte más bajas, por tanto, éstos permanecen fijos en la estructura del aglutinante. Los tres m ecanism os se com binan para ocasionar que la rueda de esmeril se desgaste, como se describe en la figura 26.7. Se pueden identificar tres regiones de desgaste. En la prim era región, los granos son agudos inicialm ente y el desgaste se acelera debido a la fractura de los granos. Este conesponde al periodo de irrupción en el desgaste convencional de la henam ienta. En la segunda región, la velocidad de desgaste es más o menos constante y provoca una relación lineal entre la rueda de esm eril y el volumen de metal removido. La característica principal de esta región es el desgaste por rozam iento, con algo de fractura de granos y de aglutinante. En la tercera sección de la curva de desgaste de la rueda, los granos se vuelven lisos, y la m agnitud de la depresión loca lizado deform ada y del rozam iento o fricción se increm entan en relación con el corte. Adem ás, algo de viruta se queda atrapada en los poros de la rueda. A esto se le llam a saturación o carga de la rueda, dicho efecto im pide la acción de corte y conduce a un m ayor calentam iento y a temperaturas superficiales de trabajo. C om o consecuencia, la eficiencia del esm erilado decrece y el volum en de la rueda rem ovida aum enta en relación con el volumen del metal removido.
0.25
(26.8) donde F 'e s la fuerza de corte que actúa sobre el grano individual, K¡ es una constante de propor cionalidad que depende de la resistencia del material que se corta y de la agudeza de los granos indi viduales, los otros térm inos se definieron previamente. La significación práctica de esta relación es que F 'c afecte o no a los granos individuales, tirará hacia afuera de la rueda de esm eril, factor importante en la capacidad de la rueda para reafilarse a sí misma. Refiriéndonos a nuestro análisis del grado de la rueda, se puede hacer que una rueda dura aparezca más suave al increm entar la fuerza de cone que actúa sobre los granos individuales a través de ajustes apropiados en vM„ v y d, de acuerdo con la ecuación 26.8. Temperaturas en la s u p e rfic ie d e trabajo Debido al efecto de tamaño, los ángulos de inclinación altamente negativos, el roturado y el roce de los granos abrasivos contra la superficie del grano, el proceso de esm erilado se caracteriza por altas temperaturas y alta fricción. Al contrario de las operaciones convencionales de m aquinado en las cuales la m ayor pane de la energía calorí fica generada en el proceso se va en la viruta, la m ayor pane de la energía en el esm erilado per manece en la superficie esm erilada [10] y provoca altas temperaturas de la superficie de trabajo. Las altas temperaturas superficiales pueden tener varios efectos dañinos posibles. Probablemente el m ayor daño de la superficie sean las quemaduras y las grietas. Las marcas de quemaduras aparecen com o decoloraciones de la superficie debidas a la oxidación. Las que maduras por esm erilado son frecuentem ente un signo de daño m etalúrgico inm ediatam ente debajo de la superficie. Las grietas superficiales son perpendiculares a la dirección de la velocidad de la rueda. Éstas indican un caso extrem o de daño térmico en la superficie de trabajo. Un segundo efecto térm ico perjudicial es el ablandamiento de la superficie de trabajo. M uchas operaciones de esm erilado se llevan a cabo sobre panes que han sido tratadas térmicamente para obtener alta dureza. Las altas tem peraturas de esm erilado pueden hacer que la superficie pier da algo de su dureza. El tercer efecto térm ico en el esm erilado puede causar esfuerzos residuales en la superficie de trabajo y posible decrecim iento en la resistencia a la fatiga de la pane. Es im portante entender qué factores tienen influencia en la tem peratura de la superficie de trabajo en el esm erilado. Se ha observado experimentalmente que la tem peratura superficial depende de la energía por área superficial esm erilada (relacionada estrecham ente con la energía específica U). Como ésta varía inversam ente al espesor de la viruta, se puede dem ostrar que la tem peratura superficial Ts se relaciona con los parámetros del esmerilado de la siguiente m anera [8]: Ts = K zd ° 15
1)025
(26.9)
FIGURA 26.7 Curva de desgaste típica de una rueda de esmeril. El desgaste se grafica convenientemente en función del volumen de material removido, en lugar de hacerlo en función del tiempo (basada en [121).
j
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Volumen de material de trabajo removido
666
Capítulo 26 / Esmerilado y otros procesos abrasivos
10
Sección 26.1 / Esmerilado
Velocidad de la rueda m/seg 20 30
40
Lincamientos de aplicación M uchas variables en el esm erilado afectan su desem peño y el éxito de la operación. Los sig u ien tes lincam ientos son útiles para sortear los com plejida des y seleccionar los parám etros apropiados de la rueda y las condiciones de esm erilado, recopi lados de [6 ], [10] y [13]:
Acabado superficial
1)
Para optim izar el acabado superficial seleccione una estructura de rueda densa con granos de tamaño pequeño. Use tam bién, velocidades m is altas (v) y velocidades de trabajo bajas (vw). Las profundidades de corte más pequeñas (d) y mayores diámetros de rueda (D) tam bién pueden ayudar algo.
2)
Para m axim izar la velocidad de rem oción de material, seleccione un tamaño grande de par tícula, estructura de rueda más abierta y aglutinante vitrificado.
3)
Para esm erilar acero y la m ayoría de las fundiciones de hierro, seleccione el óxido de alu minio com o abrasivo.
4)
Para esm erilar la mayoría de los m etales no ferrosos, seleccione el carburo de silicio como abrasivo.
5)
Para esm erilar aceros de herram ienta endurecidos y ciertas aleaciones aeroespaciales elija el nitruro de boro cúbico (B orazon) com o abrasivo.
6)
Para esm erilar materiales abrasivos duros, com o cerám icos, carburos cem entados y vidrio, elija el diamante como abrasivo.
7)
Para metales suaves, escoja un tam año grande de grano y el grado de rueda más duro. Para metales duros, elija un tam año de grano pequeño y un grado más suave de rueda.
8)
Para m inim izar el daño por calor, el agrietado y el alabeado de la superficie de trabajo man tenga el afilado de la rueda. Labre la rueda frecuentem ente. Use también profundidades de corte más ligeras (d), velocidades de rueda más bajas (v), velocidades de trabajo más rápi das (v„,).
9)
Si la rueda de esmeril se abrillanta y se quem a, seleccione una rueda de grado más suave y estructura más abierta.
Velocidad de la rueda pies/mín FIGURA 26.8 Relación de esmerilado y acabado superficial en función de la velocidad. Basada en datos de Krabacher [12].
La relación de esm erilado es un término usado para indicar la pendiente de la curva de des gaste de la rueda. Específicamente, GR = £ vg
(26.10)
donde GR = relación de esm erilado, Vw = volumen de m aterial de trabajo rem ovido y V, = volumen correspondiente de la rueda de esm eril que se gasta durante el proceso. El radio de esm erilado tiene la mayor significancia en la región de desgaste lineal de la figura 26.7. Los valores típicos de GR fluctúan entre 95 y 125 [4], lo cual significa es cerca de cinco órdenes de m agnitud m enos que la relación análoga en m aquinado convencional. La relación de esm erilado se increm enta cuando aumenta la velocidad de la rueda v. La razón es que el tam año de la viruta form ada por cada grano es más pequeño a velocidades más altas, así que la cantidad de fracturas de grano se reduce. Como las velocidades más altas de la rueda m ejoran tam bién el acabado superficial, hay una ventaja gene ral ai operar a altas velocidades de esm erilado. Sin em bargo, cuando las velocidades se incremen tan demasiado, aum enta el desgaste por frotación y la temperatura. C om o resultado, la relación de esmerilado se reduce y el acabado de la superficie se perjudica. Este efecto fue reportado original mente por Krabacher [12], com o se muestra en la figura 26.8. Cuando la rueda está en la tercera región de la curva de desgaste, debe reafilarse por un pro cedimiento llamado acabado (perforación m ecánica, dressing en inglés), que consiste en: 1) romper los granos desgastados en la periferia exterior de la rueda de esm eril a fin de exponer gra nos afilados frescos y 2) rem over las virutas que se han quedado atrapadas en la rueda. Esto se logra por medio de un disco rotatorio, una barra abrasiva, u otra rueda de esm eril operando a alta veloci dad, sostenida contra la rueda que se viste cuando está girando. A unque el dressing afila la rueda, no garantiza la form a de la rueda. El rectificado (truing, en inglés) es un procedim iento alternativo que no solamente afila la rueda, sino que también restaura su forma cilindrica y asegura la rectitud de su perímetro exterior. El procedim iento implica el uso de una herram ienta de punta de diamante (se pueden usar también otros tipos de herram ienta para corregir o rectificar) que avanza lentamente y con precisión a través de la rueda conform e ésta gira. Esto tom a una profundidad m uy ligera de la rueda (0.001 o menos).
26.1.3
667
10) Si la rueda de esmeril se rom pe dem asiado rápido, seleccione una rueda de grado más duro y estructura más densa. Fluidos de esmerilado La aplicación apropiada de los fluidos de corte ha sido efectiva para reducir los efectos térmicos y las altas tem peraturas superficiales de trabajo descritas previamente. Cuando estos fluidos se usan en la operación de esm erilado, se llaman fluidos de esm erilado, las fun ciones que desempeñan son sim ilares a las de los fluidos de corte (sección 24.4). Dos funciones comunes son reducir la fricción y rem over el calor de los procesos. Además, el lavado de las virutas y la reducción de la temperatura de la superficie de trabajo son muy importantes en el esmerilado. Los tipos de fluidos de esm erilado incluyen en su com posición quím ica aceites de esm erila do y aceites emulsificados. Los aceites de esm erilado se derivan del petróleo y otras fuentes. Estos productos parecerían ser atractivos debido a que la fricción es un factor importante en esmerilado. Sin em bargo, representan riesgos de incendio y de la salud del operador, su costo es alto en relación con los aceites emulsificados. A dem ás, su capacidad de elim inar el calor es m enor que la de los fluidos basados en agua. Por esto se recom iendan com únm ente las mezclas de aceite en agua com o fluidos de esmerilado, cuyas concentraciones son m ás altas que los aceites em ulsificados para corte convencional, de esta form a refuerzan el m ecanism o de reducción de la fricción.
26.1.4
Consideraciones en la aplicación del esmerilado En esta sección, tratamos de resum ir las revisiones previas sobre los parám etros de la rueda y el análisis teórico del esm erilado, así com o sus sus aplicaciones prácticas. También consideram os flui dos para esmerilado que se usan com únm ente en estos procesos.
Operaciones de esmerilado y máquinas de esmerilar
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Se usa tradicionalm ente el esm erilado para partes cuya geom etría ha sido creada por otras opera ciones. Por consiguiente, se han desarrollado m áquinas para esm erilar superficies planas, cilindros exteriores o interiores y contornos com o roscas. Los contornos se crean frecuentem ente por ruedas
674
Sección 26.2 / Procesos abrasivos relacionados
Capítulo 26 / Esmerilado y otros procesos abrasivos
er
Polea loca
3> E
Plancha -
n -
en E
fo. I—
a. o
in o o d
Operación abrasiva
Velocidad d e la banda = v
E
675
Esmerilado, granos tam año mediano
Trabajo
Esmerilado, granos tam año fino - Banda abrasiva Rectificado fino Husillo motor
26.2
FIGURA 26.17 Esmerilador de banda abrasiva.
PROCESOS ABRASIVOS RELACIONADOS Otros procesos abrasivos incluyen rectificado, pulimentado, superacabado. pulido y abrillantado. Éstos se usan exclusivamente com o operaciones de acabado. La form a inicial de la parte se crea por algún otro proceso y se term ina por m edio de alguna de estas operaciones para obtener un acabado superficial superior. Las partes geom étricas usuales para estos procesos se indican en la tabla 26.2 y los acabados superficiales típicos se presentan en la figura 26.18. También se presentan los va lores de la rugosidad superficial para el esm erilado.
G eo m etría usual d e la parte
Rectificado fino
Agujero redondo (cilindro de motor de combustión interna, alma de rifle) Plana o ligeramente esférica (por ejemplo, lente) Superficie plana, cilindrica externa Formas misceláneas Formas misceláneas
Lapeado o pulido Superacabado Pulido Abrillantado
S uperacabado
Z Z ^ Z Z Z Z I ^
Pulido
Z Z =
I Z I Z
I Z I Z
I Z
I Z ^ I
Z Z Z I Z H Z
I Z Z I Z Z Z I H
Z
!Z Z Z
I^ Z Z ! Z Z Z I
I Z Z Z H " "
FIGURA 26.18 Valores (AA) de rugosidad superficial logrados típicamente en los procesos abrasivos. Recopilados de [13].
to de la herram ienta de rectificado es una com binación de rotación y oscilación lineal, regulada de tal manera que un punto dado de la barra abrasiva, no repite la m ism a trayectoria. Este m ovim ien to más bien com plejo produce el patrón achurado transversal sobre la superficie de la perforación. Las velocidades de rectificado fluctúan entre 60 y 500 pies/min [3]. D urante este proceso las ba rras abrasivas presionan hacia afuera contra la superficie de la perforación para producir la acción de corte abrasiva deseada. Son típicas las presiones de rectificación de 150 a 400 lb/pulg2, aunque se han reportado presiones fuera de este rango [3]. La herram ienta de rectificación se soporta den tro de la perforación por dos juntas universales, ocasionando que la herram ienta siga el eje previa mente definido de la perforación. La rectificación agranda y term ina la perforación, pero no puede cam biar su localización.
Otra clase de operaciones, llam adas acabado en masa, se usan para acabar partes en forma colectiva más que individual. Estos m étodos de acabado masivo se usan también para lim pieza y rebarbado (véase sección 32.2.).
26.2.1
H Z Z Z Z Z IZ I Z Z U Z ^ Z Z
Abrillantado
TABLA 26.2 Geometría usual de las partes para rectificado, pulim enta do, superacabado, pulido y abrillantado __________ Proceso
Lapeado
Rectificado fino El rectificado fino es un proceso abrasivo ejecutado por un conjunto de barras abrasivas pegadas. Una aplicación com ún es el acabado de perforaciones en m áquinas de combustión interna. Otras aplicaciones incluyen rodam ientos, cilindros hidráulicos, y cañones de pistolas. En estas aplica ciones se logran acabados superficiales cercanos a 5 /i pulg o ligeramente m ejores. El rectificado produce una superficie achurada transversal característica, que tiende a retener la lubricación duran
FIGURA 26.19 El proceso de rectificado fino: (a) herramienta de rectificado que se usa para la superficie interna de la perforación y (b) patrón achurado transversal creado por la acción de la herramienta de rectificado.
te la operación del com ponente, contribuyendo a su función y vida de servicio. El proceso de rectificado para una superficie cilindrica interna se ilustra en la figura 26.19. La herramienta de rectificado consiste en un conjunto de barras abrasivas pegadas. Se usan cuatro barras sobre la herram ienta que se m uestra en la figura, pero su número depende del tam año del agujero. Para agujeros pequeños se podrían usar de dos a cuatro barras (cañones de pistola por ejemplo), y para agujeros de diám etro m ás grande se podrían usar una docena o más. El m ovimien-
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Impulsor
Ju n tas universales
Barras abrasivas peg ad as (4)
Movimiento oscilante O
(a)
Movimiento de rotación
Sección 26.1 / Esmerilado
Capítulo 26 / Esmerilado y otros procesos abrasivos
669
de formado especial, que tienen el contom o opuesto al que se desea im partir al trabajo. El esm eri lado se usa también en los cuartos de herram ientas para form ar la geom etría de las herram ientas de corte. Además de estos usos tradicionales, las aplicaciones del esm erilado se están expandiendo para incluir operaciones de más alta velocidad y más alta rem oción de material. Nuestra revisión de las operaciones y de las m áquinas en esta sección incluyen los siguientes tipos: 1) esmerilado superficial, 2) esm erilado cilindrico, 3) esm erilado sin centro, 4) esm erilado profundo, 5) otras operaciones de esm erilado. Esmerilado superficial El esm erilado superficial se usa norm alm ente para esm erilar su perficies planas. Se realiza ya sea con la periferia de la rueda de esm eril o con la cara plana de la rueda. Como el trabajo se sostiene norm alm ente en una orientación horizontal, el esm erilado pe riférico se ejecuta girando la rueda en un eje horizontal, y el esm erilado de la cara se realiza giran do la rueda en un eje vertical. En cualquier caso, el m ovimiento relativo de la parte de trabajo se logra con un m ovimiento de vaivén del trabajo frente a la rueda o haciéndolo girar. Estas posibles combinaciones de las orientaciones de los m ovim ientos de la rueda y de la parte de trabajo pro ducen los siguientes cuatro tipos de m áquinas de esm erilado superficial, com o se ilustra en la figu ra 26.9: (a) husillo horizontal con m esa de trabajo oscilante, (b) husillo horizontal con m esa de tra bajo rotatoria, (c) husillo vertical con m esa de trabajo oscilante y (d) husillo vertical con m esa de trabajo rotatoria. De los cuatro tipos, la de husillo horizontal con mesa oscilante es la máquina más com ún, la cual se muestra en la figura 26.10. El esm erilado se realiza haciendo oscilar el trabajo longitudi nalmente bajo la rueda a una profundidad m uy pequeña (avance normal o radial) y haciendo avanFIGURA 26.9 Cuatro tipos de esmerilado superficial: (a) husillo horizontal con mesa de trabajo oscilante, (b) husillo horizontal con mesa de trabajo rotatoria, (c) husillo vertical con mesa de trabajo oscilante y (d) husillo vertical con mesa de trabajo rotatoria.
Velocidad de la rueda, v
Velocidad de la rueda, v
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zar la rueda transversalm ente dentro del trabajo una cierta distancia entre cada oscilación. En estas operaciones el ancho de la rueda es generalm ente m enor que el de la pieza de trabajo. Además de sus aplicaciones convencionales, una máquina de esm erilar con husillo horizon tal y mesa oscilante se puede usar para form ar superficies con contom os especiales mediante una rueda formada de esm erilado. En lugar de hacer avanzar la rueda transversalm ente sobre el trabajo conform e éste oscila, la rueda se hunde cortando verticalm ente el trabajo. La form a de la rueda se imparte a la superficie del trabajo. Las m áquinas de esm erilar con husillos verticales y mesas oscilantes se m ontan para que el diám etro de la rueda sea m ayor que el ancho del trabajo. En consecuencia, estas operaciones se pueden realizar sin necesidad de usar un m ovim iento de avance transversal. En su lugar, el esm e rilado se realiza haciendo oscilar el trabajo enfrente de la rueda y haciendo avanzar la rueda verti calm ente en el trabajo a la dim ensión deseada. Esta configuración es capaz de lograr una superficie muy plana en el trabajo. De los dos tipos de m esa rotatoria para esm erilado de la figura 26.9(b) y (d), las máquinas de husillo vertical son las más com unes. D ebido a la superficie de contacto relativam ente grande que existe entre la rueda y la parte de trabajo, las máquinas de esm erilado de m esa rotatoria y husillo vertical son capaces de altas velocidades de rem oción del metal cuando están equipadas con ruedas de esm eril apropiadas. Esmerilado cilindrico C om o su nom bre indica, el esm erilado cilindrico se usa para partes rotacionales. Estas operaciones de esm erilado se dividen en dos tipos básicos, ilustrados en la figu ra 23.11: (a) esm erilado cilindrico extem o y (b) esm erilado cilindrico interno. El esm erilado cilindrico externo, (también llamado esmerilado tipo centro, para distinguirlo del esmerilado sin centro) se realiza en forma parecida a la operación de torneado. Las m áquinas de esm erilado que se usan para estas operaciones se asemejan m ucho a un tom o, en el cual el por taherramientas ha sido reem plazado por un m otor de alta velocidad para m over la rueda de es meril. La pieza de trabajo cilindrica se hace girar entre los centros para proveer una velocidad superficial de 60 a 100 pies/m in [13], y la rueda de esmeril, que gira a 4000 o 6500 pies/m in, se engancha para realizar el corte. Son posibles dos tipos de movim iento de avance, avance transver sal y corte hundido, com o se m uestra en la figura 26.12. En el avance transversal la rueda de esm e ril avanza en dirección paralela al eje de rotación de la parte de trabajo. El avance normal se fija dentro de un rango típico de 0.0003 a 0.003 pulg. A lgunas veces se le da a la rueda o al trabajo un movim iento oscilante longitudinal para m ejorar el acabado superficial. En el corte hundido, la rueda
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Sección 26.1 / Esmerilado
Capitulo 26 / Esmerilado y otros procesos abrasivos
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Velocidad del trabajo
Avance normal
/ Velocidad de la rueda Movimiento de avance transversal \
^— Superficie recién esm erilada '— Superficie original del trabajo
(b)
(a) FIGURA 26.11
Velocidad de la rueda
t e
Esmerilado extremo sin centros.
E sm erilado sin c e n tro s El esm erilado sin centros es un proceso alternativo para esmerilar superficies cilindricas internas y extem as. Como su nombre lo indica, la pieza de trabajo no se sostiene entre los centros, lo cual produce una reducción del tiem po de manejo del trabajo. Por esta causa, el esm erilado sin centros se usa frecuentemente para trabajo de alta producción. El arreglo para el esm erilado externo sin centros se muestra en la figura 26.13. Se requieren dos ruedas: la rueda de esm eril y una rueda reguladora. Las partes de trabajo — que pueden ser mu chas piezas cortas individuales de varias pulgadas de largo, o varias barras largas, por ejem plo de 12 pies de largo— pueden sostenerse por una cuchilla de apoyo y alim entarse a través de las dos ruedas. La rueda esm eriladora hace el corte girando a una velocidad superficial de 4000 a 6000 pies/min. La rueda reguladora gira a velocidades m ucho más bajas y está inclinada a un ángulo ligero / para con trolar la alimentación del trabajo. La siguiente ecuación se puede usar para predecir la velocidad de alimentación, basada en un ángulo de inclinación y en otros parámetros del proceso [13]:
Dos tipos de esmerilado cilindrico: (a) externo y (b) interno.
Avance de la rueda
FIGURA 26.13
Avance de
Avance normal
1
f r = n Dr N r sen /
Velocidad del trabajo
(a) FIGURA 26.12 Dos tipos de movimientos de avance en esmerilado cilindrico externo: (a) avance transversal y (b) corte hundido.
de esmeril avanza radialm ente dentro del trabajo. Las ruedas formadoras esmeril usan este tipo de movimientos de avance. El esm erilado cilindrico extem o se usa para term inar partes que han sido m aquinadas al tamaño aproximado y tratadas térm icam ente para alcanzar la dureza deseada. Estas partes incluyen ejes, cigüeñales, husillos, rodam ientos, bujes y rodillos para molinos laminadores. La operación de esmerilado produce el tam año final y el acabado superficial requerido en estas partes endurecidas. El esm erilado cilindrico interno opera en forma sim ilar a la operación de perforado. La pieza de trabajo se sostiene por lo general en un mandril y se hace girar para obtener velocidades super ficiales de 75 a 200 pies/m in [13]. Las velocidades superficiales de la rueda son sim ilares a las del esmerilado cilindrico extem o. La rueda avanza en cualquiera de dos formas: 1) avance transversal, que es la más com ún y se ilustra en la figura 26.11 (b), y 2) avance hundido. O bviam ente, el diámetro de la rueda en el esm erilado cilindrico interno debe ser más pequeño que el agujero per forado originalmente. Esto significa frecuentem ente que el diámetro de la rueda es m uy pequeño y, por tanto, se necesitan velocidades de rotación muy altas a fin de lograr la velocidad superficial deseada. El esm erilado interno se usa para term inar superficies internas endurecidas de guías de cojinetes y superficies de bujes.
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(26.11)
donde f r = velocidad de avance, pulg/m in (mm/min); D r = diám etro de la rueda reguladora, pulg (mm); N r = velocidad de rotación de la rueda reguladora en rev/m in, e / ángulo de inclinación de la rueda reguladora. El arreglo típico en esm erilado interno sin centros se m uestra en la figura 26.14. En lugar de la cuchilla se apoyo, se usan dos rodillos de soporte para m antener la posición del trabajo. La rueda reguladora se inclina en un pequeño ángulo para controlar el avance del trabajo que pasa enfrente de la rueda de esm eril. D ebido a la necesidad de soportar la rueda de esm eril, no es posible la ali mentación del trabajo com o en el esm erilado extem o sin centro. Por tanto, en esta operación de esm erilado no se pueden lograr a las mismas velocidades de alta producción que son posibles en el
FIGURA 26.14
Esmerilado interno sin centros. Trabajo
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Capítulo 26 / Esmerilado y otros procesos abrasivos
Sección 26.1 / Esmerilado
proceso extemo sin centro. Su ventaja es que es capaz de sum inistrar una concentricidad muy estrecha entre los diám etros interno y externo de una parte tubular, como las guías para rodam ien tos de rodillos. Esmerilado profundo Una form a relativam ente nueva es el esm erilado profundo (o esme rilado con avance bajo condiciones de term ofluencia), desarrollado alrededor de 1958. El esm erila do profundo se ejecuta a profundidades de corte muy altas y a velocidades de avance muy bajas, de aquí el nombre genérico de esm erilado bajo condiciones de termofluencia. La com paración con el esmerilado superficial convencional se ilustra en la figura 26.15. Las profundidades de corte en el esm erilado profundo son de 1000 a 10 000 veces más gran des que en el esm erilado superficial convencional, y las velocidades de avance se reducen alrede dor de la misma proporción. Sin em bargo, la rem oción del m aterial y la productividad se incre mentan debido a que la rueda corta continuam ente. Esto contrasta con el esmerilado superficial convencional en el cual el movimiento oscilante del trabajo da como resultado una pérdida signi ficativa de tiempo durante cada carrera. El esm erilado profundo puede aplicarse en el esm erilado superficial y en el esm erilado cilin drico extemo. Las aplicaciones del esm erilado superficial incluyen el esm erilado de ranuras y per files. El proceso parece especialm ente apropiado para aquellos casos en los cuales la relación entre profundidad y ancho son relativamente grandes. Las aplicaciones cilindricas incluyen roscas, per files de engranes form ados y otros com ponentes cilindricos. El término esm erilado profundo se usa en Europa para describir las aplicaciones del esm erilado cilindrico con avance lento. Se ha despertado un reciente interés en el esm erilado profundo por la introducción de máqui nas esmeriladoras diseñadas con características especiales para realizar este proceso. Las carac terísticas incluyen [ 10]: alta estabilidad estática y dinámica, correderas muy precisas con una ten dencia reducida a atascarse, poder increm entado del husillo (dos a tres veces la potencia de las máquinas de esm erilado convencional), tabla de velocidades para avances lentos, sistem as de mane jo de fluidos para esm erilado de alta presión, sistem as capaces de labrar las ruedas de esmerilado durante el proceso. Las ventajas típicas del esm erilado profundo incluyen: 1) alta velocidad de re moción de material, 2) precisión mejorada para panes formadas y 3) temperaturas reducidas de la superficie de trabajo. Otras operaciones de esmerilado Debemos mencionar otras operaciones de esmerilado para com pletar nuestra revisión en esta sección. Éstas incluyen el afilado de henam ientas, esm e riles de plantillas, esm eriles de discos, bandas abrasivas y rebarbado. Las henam ientas de co n e están hechas de acero endurecido y otros materiales duros. Los afi ladores de herram ientas son m áquinas de esm erilado especial de varios diseños para afilar y reaFIGURA 26.15
Comparación de (a) esmerilado superficial convencional y (b) esmerilado profundo.
Velocidad del trabajo, v„ (a)
condicionar las henam ientas de cone. Estas m áquinas tienen dispositivos que posicionan y orien tan las herramientas durante el esm erilado de las superficies deseadas, a los ángulos y radios especi ficados. Varios de los afiladores de henam ientas son de propósito general, mientras que otros tienen el único propósito de co n ar la geom etría de tipos específicos de herramienta. Los afiladores de propósito general usan aditam entos especiales y ajustes para acom odar una variedad de herram ien tas. Los afiladores de propósito único incluyen afiladores de engranes, afiladores de fresas de va rios tipos, afiladores de escariadores y afiladores de brocas. Los esm eriles de p lantillas o patrones son m áquinas usadas tradicionalmente para esm erilar agujeros de alta precisión en panes de acero endurecido. Las aplicaciones originales incluyen dados troqueladores y henam ientas. Aunque estas aplicaciones son todavía importantes, los esm eriles de plantillas se usan actualm ente en un rango más amplio, donde se requiere alta precisión y buen acabado de com ponentes endurecidos. Hay m áquinas de esm eriles de plantillas que disponen de control numérico para lograr una operación autom atizada. Los esm eriles de disco son máquinas esm eriladoras con discos grandes m ontados en ambos extremos de un eje horizontal, com o se m uestra en la figura 26.16. El trabajo se m antiene contra las superficie plana de la rueda (en general, m anualm ente) para realizar la operación de esm erilado. A lgunas m áquinas esm eriladoras de disco tienen husillos opuestos dobles. A justando los discos a la separación deseada, la parte de trabajo puede avanzar autom áticam ente entre los dos discos y esmerilarse sim ultáneam ente sobre los lados opuestos. Las ventajas del esm erilador de discos son su buena planicidad y paralelism o a velocidades altas de producción. La configuración del rebarbador es sim ilar al esm erilador de disco. La diferencia es que el esm erilado se hace en la periferia de la rueda más que en el lado plano de la rueda. Por tanto, el di seño de las ruedas de esm eril es diferente de las del esm erilador de discos. El rebarbado es gene ralmente una operación m anual para operaciones de esm erilado de desbaste, tales com o rem over la rebaba de piezas de fundición, forjado y alisado de las juntas soldadas. El esmerilado con bandas de abrasivo usa partículas abrasivas pegadas a una banda flexible (tela). El aneglo típico se ¡lustra en la figura 26.17. El soporte de la banda se requiere cuando el tra bajo se presiona contra ella, este soporte se consigue por m edio de un rodillo o placa localizado atrás de la banda. Se usa una placa plana para trabajos que necesiten superficies planas. Se puede usar una placa suave si se quiere conform ar la banda al contom o general de la pane durante el esmerilado. La velocidad de la banda depende del m aterial que se está esmerilando. El rango típico es de 2500 a 5500 pies/min. Debido a los mejoram ientos en los abrasivos y en los materiales aglutinantes, cada vez se usan más bandas abrasivas para altas velocidades de remoción de material, en lugar del esm e rilado ligero aplicado tradicionalm ente. El término lijadora de banda se refiere a las aplicaciones li geras del esmerilado, en las cuales la parte de trabajo se presiona contra la banda para remover rebabas y salientes, y también para producir un mejor acabado en forma rápida y a manual. FIGURA 26.16
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Avance del trabajo (lento) (b)
673
Configuración típica de un esmerilador de discos.
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Capítulo 26 / Esmerilado y oíros procesos abrasivos
Referencias bibliográficas
Patrón de movimiento d e la pulidora (lapeado)
Pulimentadora (herramienta)
Movimiento oscilatorio de la barra (alta frecuencia y baja amplitud)
Trabajo FIGURA 26.21 Superacabado de una superficie cilindrica externa.
El proceso de pulido (lapeado) en la elaboración de lentes.
En rectificado, el tam año de los granos fluctúa entre 30 y 600. Tanto en el rectificado como en el esmerilado existe la m ism a relación entre mejor acabado y velocidades de rem oción de m ate rial. La cantidad de material rem ovido de la superficie de trabajo durante una operación de rectifi cado puede ser de hasta 0.020 pulg, pero generalmente es m ucho m enor que esto. Es preciso usar un fluido de corte en el rectificado para enfriar y lubricar la herram ienta y para ayudar a remover las virutas.
26.2.2
Pulido o lapeado
En lugar de una herram ienta abrasiva, el lapeado usa entre la pieza de trabajo y la herramienta de pulimentado una suspensión de partículas abrasivas muy pequeñas en un fluido. La aplicación del proceso en la fabricación de lentes se ilustra en la figura 26.20. Al fluido con abrasivos se le llama compuesto para pulid o y tiene la apariencia general de una pasta calcárea. Los fluidos que se usan para hacer el com puesto son aceites y petróleo diáfano. Los abrasivos com unes son óxido de aluminio y carburo de silicio con tamaños de grano típicos entre 300 y 600. La herram ienta para pulir o lapear se llam a pulidora y tiene el reverso de la forma deseada en la parte de trabajo. Pa ra realizar el proceso, la pulidora se presiona contra el trabajo y se mueve hacia atrás y adelante sobre la superficie en form a de un ocho u otro patrón de movimiento, sujetando todas las porciones de la superficie a la m ism a acción. El pulido se hace algunas veces a m ano, pero las m áquinas puli doras realizan el proceso con m ayor consistencia y productividad. Los m ateriales que se usan para la pulidora van desde acero y fundición de hierro hasta cobre o plomo. Se han hecho ruedas pulidoras de madera. Dado que se usa un com puesto para pulido en lugar de una h erram ien ta abrasiva, el m ecanism o de este pro ceso es de a lguna for ma diferente ai esm erilado y rectificado. Se cree que existen dos m ecanism os alternativos de corte en el pulido [3]. En el prim er m ecanism o las partículas abrasivas ruedan y se deslizan entre la rueda de pulido y el trabajo, y ocurre muy poca acción de cone en am bas superficies. En el segun do mecanismo los abrasivos quedan incorporados en la superficie de la pulidora y la acción de cone es muy sim ilar al esm erilado. Lo más probable es que el pulido sea una com binación de estos mecanismos, dependiendo de la dureza relativa del trabajo y de la pulidora. Para ruedas de mate riales suaves, el m ecanism o de incorporación de granos es el dom inante; y para ruedas duras dom i na el rodado y deslizado.
Superacabado
26.2.4
Pulido y abrillantado El pulido se usa para remover arañazos y rebabas y para alisar las superficies gruesas por medio de granos abrasivos pegados a una rueda de pulido que gira a altas velocidades cerca de 7500 pies/min. Las ruedas se hacen de manta, cuero, fieltro y aún papel. Por consiguiente, estas ruedas son un tanto flexibles. Los granos abrasivos se pegan en la periferia de la rueda. Cuando se gastan los abrasivos, se vuelve a pegar la rueda con nuevos granos. El tam año de los granos es de 20 a 80 para pulido basto y de 90 a 120 para pulido fino, y arriba de 120 para acabados más finos. Las operaciones de pulido se realizan frecuentemente a mano. El abrillantado es similar en apariencia al pulido, pero su función es diferente. El abrillanta do se usa para producir superficies atractivas de alto lustre. Las ruedas de abrillantado se hacen de materiales sim ilares a las ruedas de pulido (cuero, fieltro, algodón y otras), pero las ruedas de abri llantado son por lo general más suaves. Los abrasivos son m uy finos y están contenidos en un com puesto de abrillantado que se presiona en la superficie externa de la rueda mientras gira. Esto con trasta con el pulido, en el cual los granos de abrasivos están pegados a la superficie de la rueda. Las partículas abrasivas deben reponerse periódicam ente com o en el pulido. El abrillantado se ejecuta a velocidades entre 8000 y 17 000 pies/m in. El abrillantado se hace por lo general manualmente com o en el pulido, aunque se han diseñado m áquinas para realizar el proceso automáticamente.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] Andrew, C., Howes, T. D„ and Pearce, T. R. A., Creep Feed Grinding, Holt, Rinehart and Winston Ltd., London. 1985. [2] ANSI Standard B74.13-1977, “Markings for Identifying Grinding Wheels and Other Bonded Abrasives,”
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El superacabado es un proceso abrasivo sim ilar al rectificado. A m bos procesos usan una b añ a con abrasivo pegado, la cual se mueve por una acción oscilante y de com presión contra la super
Rotación del trabajo (lento)
ficie que se trabaja. El superacabado difiere del rectificado en los siguientes aspectos: las o sci laciones son m ás conas (3/16 de pulg), se usan frecuencias m ás altas (hasta 1500 oscilaciones por m inuto), se aplican presiones m ás bajas entre la h e n am ien ta y la superficie (abajo de 40 lb/pulg2), las velocidades de la pieza de trabajo son más bajas (50 pies/m in o m enos) y los tam años de granos son generalm ente m enores (hasta 1000), recopilado de [3]. El m ovim iento re lativo entre la b a ñ a abrasiva y la superficie de trabajo es variado de m anera que los granos indi viduales no re c o n en la m ism a trayectoria. Se usa un fluido de c o n e para enfriar la superficie del trabajo y elim inar las virutas. A dem ás, el fluido tiende a separar la b a ñ a abrasiva de la superfi cie de trabajo después de que se alcanza un cien o nivel de tersura en las superficies, de esta forma se previene una acción posterior de cone. El resultado de estas condiciones de operación son acabados com o espejo con valores en la rugosidad superficial cercanos a 1 /i pulg. El supera cabado se puede usar para superficies planas y cilindricas externas. El proceso se ilustra en la figura 26.21 para estas últim as superficies.
El pulido o lapeado es un proceso abrasivo (contrario al pulido convencional) que se usa para pro ducir acabados superficiales de extrema precisión y tersura. Se usa en la producción de lentes, su perficies metálicas para rodam ientos, calibradores y otras partes que requieren acabados m uy finos. Frecuentemente se lapean las partes metálicas que se sujetan a cargas de fatiga o superficies que se usan para formar un sello con una parte complementaria.
26.2.3
Barra abrasiva aglutinada
Com puesto para lapear
Forma de lente (trabajo) FIGURA 26.20
677
American National Standards Institute, New York, 1977. [3] Armarego, E. J. A., and R. H. Brown, The Machining o f Metals, Prentice Hall. Englewood Cliffs, N.J., 1969, Chapter 11.
678
Problemas
Capítulo 26 / Esmerilado y otros procesos abrasivos
[4] Bacher. W. R „ and M erchant. M. E., “On the Basic M echanics of the G rinding Process." Transactions ASM E. Series B. Vol. 80. No. 1, 1958. pp. 141. [5] Black. P. H.. T keory o f M etal Cutting, M cGraw-Hill Book Co.. Inc.. New York. 1961. C hapter 9. [6] Boothroyd. G „ and Knight, W. A.. Fundam entáis o f M etal M achining and M achine Tools, 2nd ed., M arcel Dekker. Inc.. New York, 1989, Chapter 10. [7] Boston, O. W„ M etal Processing, 2nd ed.. John Wiley & Sons, Inc.. New York, 1951. Chapter 15. [8] Cook, N. H.. M anufacturing Analysis. Addison-W esley Publishing Co., Inc.. Reading, M ass.. 1966. Chapter 3. [9] DeGarmo. E. P., Black. J. T.. and Kohser, R. A.. M aterials and Processes in M anufacturing, 7th ed., Macmillan Publishing Co., New York, 1988, Chapter 27.
26.5. ¿Cuál de las siguientes opciones mejora el acabado superficial en esmerilado? (Puede haber más de una respuesta.) a) mayor velocidad de la rueda, b) mayor avance radial, c) menor velocidad de la rueda, d) menor velocidad del trabajo. 26.6. ¿Cuál de los siguientes materiales abrasivos es más apropiado para esmerilar acero y fundición de hie rro? (Escoja la mejor respuesta.) a) óxido de aluminio, b) nitruro de boro cúbico, c) diamante, o d) car buro de silicio. 26.7. ¿Cuál de los siguientes materiales abrasivos es más apropiado para esmerilar el acero de herramienta endurecido? (Escoja la m ejor respuesta.) a) óxido de aluminio, b) nitruro de boro cúbico, c) diamante, d) carburo de silicio. 26.8. ¿Cuál de los siguientes materiales abrasivos es más apropiado para esmerilar metales no ferrosos? (Escoja la mejor respuesta.) a) óxido de aluminio, b) nitruro de boro cúbico, c) diamante, d) carburo de silicio. 26.9. ¿Cuál de los siguientes opciones ayuda a reducir la incidencia del daño por calor en la superficie de tra bajo en esmerilado? (Puede haber más de una respuesta.) a) labrado o corregido frecuente de la rueda, b) mayor avance radial, c) velocidades de trabajo más altas y d) velocidades de la rueda más bajas. 26.10. ¿Cuál de los siguientes procesos abrasivos logra el mejor acabado superficial? (Escoja la mejor respues ta.) a) esmerilado sin centro, b) rectificado, c) pulimentado, o d) superacabado. 26.11. ¿Cuál de los siguientes procesos abrasivos podría usarse para acabar un agujero o perforación interna? (Puede haber más de una respuesta.) a) esmerilado sin centros, b) rectificado, c) esmerilado cilindrico, d) pulimentado y e) superacabado. 26.12. El término esmerilado profundo se refiere a ¿cuál de los siguientes descripciones? (Escoja la mejor respuesta.) a) nombre de cualquier operación de esmerilado con avance lento, b) esmerilado con avance lento cilindrico externo, c) operación de esmerilado ejecutado en el fondo de un agujero, d) esmerilado superficial que usa un avance transversal grande, e) esmerilado superficial que usa un avance radial grande.
[10] Drozda. T. J.. and Wick. C. (editors), Tool and M anu facturing Engineers H andbook, 4th ed., Vol. I, M achin ing. Society of M anufacturing Engineers. Dearbom, M ich.. 1983. C hapter 11. [11] Eary. D. F., and Johnson. G. E.. Process Engineering fo r M anufacturing, Prentice Hall. Englew ood Cliffs, N .J., 1962. C hapter 12. [12] Krabacher. E. J., "Factors Influencing the Performance o f G rinding W heels.” Transactions ASM E . Series B, Vol. 81. No. 3. 1959. pp. 187-199. [13] Machining Data H andbook, 3rd ed.. Vols. I and II, M etcut Research Associates, Inc., Cincinnati, Ohio, 1980. [14] M alkin. S. G rinding Technology, Eliis H orw ood Ltd., John Wiley & Sons. Inc.. New York. 1989.
PREGUNTAS DE REPASO 26.1. ¿Cuáles son las razones por las que los procesos abrasivos son tecnológica y comercialmente impor tantes? 26.2. ¿Cuáles son los cinco parámetros principales de una rueda de esmeril? 26.3. ¿Cuáles son algunos de los materiales abrasivos que se usan en la rueda de esmeril? 26.4. Mencione algunos de los principales materiales aglutinantes que se usan en las ruedas de esmeril. 26.5. ¿Qué es la estructura de la rueda! 26.6. ¿Qué es el grado de la rueda de esmeril? 26.7. ¿Por qué los valores de la energía específica son mucho más altos en el esmerilado que los procesos 26.8. 26.9. 26.10. 26. U . 26.12.
tradicionales de corte de metal? El esmerilado crea altas temperaturas. ¿Cómo daña la temperatura al esmerilado? ¿Cuáles son los tres mecanismos de desgaste de las ruedas abrasivas? ¿Qué es la operación llamada dressing, con referencia a las ruedas de esmeril? ¿Qué es el rectificado en relación con las ruedas de esmeril? ¿Qué materiales abrasivos se seleccionan para afilar una herramienta de corte de carburo cementado?
26.13. 26.14. 26.15. 26.16. 26.17.
¿Cuáles son las funciones del fluido de esmerilado? ¿Qué es el esmerilado sin centro? ¿En qué difiere el esmerilado profundo del esmerilado convencional? ¿En qué difiere el esmerilado con banda de las operaciones de esmerilado superficial convencional? Mencione algunas de las operaciones abrasivas de que se dispone para lograr muy buenos acabados
PROBLEMAS
superficiales.
CUESTIONARIO DE OPCION MULTIPLE Hay un total de 17 respuestas correctas en el siguiente cuestionario. La calificación porcentual de la prueba debe basarse en dicho total. 26.1. ¿Cuál de los siguientes procesos de maquinado convencional está más cercano al esmerilado? (Una sola respuesta.) a) taladrado, b) fresado, c) perfilado, o d) torneado. 26.2. De los siguientes materiales abrasivos, ¿Cuál es el que tiene la dureza más alta? a) óxido de aluminio, b) nitruro de boro cúbico, c) diamante, o d) carburo de silicio. 26.3. El tamaño de grano más pequeño en una rueda de esmeril tiende a provocar ¿cuál de lo siguiente? a) M ejorar el acabado superficial, b) no tiene efecto en el acabado superficial, o c) degradar el acabado superficial. 26.4. ¿Cuál de las siguientes opciones proporcionaría velocidades más altas de remoción de material? a)
679
tamaño m ás grande de grano, o b) tamaño más pequeño de granos.
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26.1. Basándose en las ecuaciones del texto, derive una ecuación para calcular el volumen promedio por viru ta formada en el proceso de esmerilado. 26.2. En una cierta operación de esm erilado el diámetro de la rueda = 6.0 pulg y el avance radial = 0.003 pulg. La velocidad de la rueda = 4750 pies/min, la velocidad del trabajo = 50 pies/min y el avance transver sal = 0.20 pulg. El número de granos activos por pulgada cuadrada de la superficie de la rueda C = 500. Determine a) la longitud promedio por viruta, b) la velocidad de remoción de metal y c) el número de virutas formadas por unidad de tiempo. 26.3. En una operación de esmerilado, la rueda de esmeril es dura. Se desea hacer que la rueda aparezca más suave haciendo cambios en las condiciones de corte, ¿qué cambio recomendaría usted? 26.4. En una cierta operación de esmerilado sin centro, la rueda de esmeril tiene 8.5 pulg de diámetro y la rueda reguladora tiene 5.0 pulg de diámetro. La rueda de esmeril gira a 3500 rev/min y la rueda regu ladora gira a 150 rev/min. El ángulo de inclinación de la rueda reguladora = 3o. ¿Cuál es la velocidad de avance de partes cilindricas que tienen 1.25 pulg de diámetro y 8.0 pulg de largo? 26.5. Una operación de esm erilado sin centros usa una rueda reguladora de 6.0 pulg de diámetro, con una velocidad de rotación = 500 rev/min. ¿A qué ángulo de inclinación debe colocarse la rueda reguladora si se desea alimentar una pieza de trabajo de 12 pies de largo y 0.875 pulg de diámetro a través de la operación en exactamente 1.0 min? 26.6. Se desea com parar las duraciones del ciclo requerido para esmerilar una pieza de trabajo particular usando el esmerilado superficial tradicional y el esmerilado profundo. La pieza de trabajo tiene 8.0 pulg de largo, 1.25 pulg de ancho y 3.0 pulg de espesor. Para hacer una buena comparación, la rueda de esmeril en ambos casos tiene 10.0 pulg de diámetro, 1.50 pulg de ancho y gira a 1500 rev/min. Se desea remover 1.0 pulg de material de la superficie. Cuando se usa el esmerilado tradicional el avance radial se ajusta a 0.001 pulg, y la rueda atraviesa dos veces (hacia adelante y hacia atrás) a través de la super ficie del trabajo en cada paso antes de reajustar el avance radial. No hay avance transversal porque el ancho de la rueda es mayor que el ancho del trabajo. Cada paso se hace a una velocidad de trabajo de 40 pies/min, pero la rueda sobrepasa la p ane en ambos lados. Con aceleración y desaceleración, la rueda trabaja el 50% del tiempo en cada paso. Cuando se usa el esmerilado profundo, la profundidad se incre-
680
Capítulo 26 / Esmerilado y otros procesos abrasivos
26.7.
26.8.
26.9. 26.10.
26.11.
menta a 1000 y el avance hacia adelante disminuye a 1000. ¿Cuánto tiempo tomará la operación de esmerilado? a) Con esmerilado tradicional y b) con esmerilado profundo. Se usa una operación de esmerilado cilindrico interno para acabar una perforación interna de un diámetro inicial de 10.000 pulg a un diámetro final de 10.100 pulg. La perforación es de 5 pulg de largo. Se usa una rueda de esmeril con diámetro inicial de 6.000 pulg y el ancho = 0.75 pulg. Después de la operación el diámetro de la rueda de esmeril se ha reducido a 5.90 pulg. Determine la relación de esme rilado en esta operación. Se esmerila una aleación de aluminio en una operación de esmerilado cilindrico extemo para obtener un buen acabado superficial. Especifique los parámetros de la rueda de esmeril apropiada y las condi ciones de esmerilado para este trabajo. Se reafila un escariador (endurecido) de acero de alta velocidad para lograr un buen acabado. Especifique los parámetros apropiados de la rueda de esmeril para este trabajo. Se ejecuta una operación de esmerilado superficial sobre una parte de trabajo de acero 6150 (recocido, con dureza aproximada 200 BHN). La designación de la rueda de esmeril es 51-C-24-D-5-V-23. La rueda tiene 7.0 pulg de diámetro, 1.00 pulg de ancho y opera a 3000 rev/min. La profundidad (avance radial) = 0.002 pulg por paso, el avance transversal = 0.5 pulg. La velocidad de la pieza de trabajo = 20 pies/min. Esta operación ha sido una fuente de problemas casi desde el principio. El acabado superfi cial no es tan bueno como las 16 ¡1pulg que se especifican en la etiqueta de la parte, y hay síntomas de daño metalúrgico en la superficie. Además, la rueda parece saturarse casi tan pronto como empieza la operación. En resumen, casi siempre las cosas han salido mal desde el principio, a) determine la veloci dad de remoción de metal cuando la rueda está trabajando, b) si el número de granos activos por pul gada cuadrada —200, determine la longitud promedio de las virutas y el número de virutas formadas por unidad de tiempo, c) ¿qué cambios recomendaría usted en la rueda de esmeril para ayudar a resolver los problemas encontrados? Explique tas razones de cada recomendación. Se usa una rueda de esmeril de 8 pulg de diámetro y 1.0 pulg de ancho en el esmerilado de cierta superficie en un trabajo sobre una pieza plana de acero 4340 tratado térmicamente. La rueda gira a 5000 pies/min. con una profundidad de corte (avance radial) = 0.002 pulg por paso y un avance trans versal = 0.15 puig. La velocidad oscilante del trabajo es = 20 pies/min y la operación se ejecuta en seco, a) ¿cuál es la longitud de contacto entre la rueda y el trabajo?, b) ¿cuál es la velocidad del vo lumen del material removido? c) si C = 300, estime el número de virutas formadas por unidad de tiempo, d) ¿Cuál es el volumen promedio por viruta? e) Si la fuerza de corte tangencial sobre la pieza de trabajo = 10 Ib, ¿cuál es la energía específica calculada para este trabajo?
MAQUINADO NO TRADICIONAL Y PROCESOS DE CORTE TERMICO C O N T E N ID O DEL CA PÍTU LO 27.1
2 7 .2
2 7 .3
2 7 .4
2 7 .5
: ■
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P ro c e s o s d e e n e rg ía m e c á n ic a 2 7 .1 .1 M a q u in a d o u ltrasó n ic o 2 7 .1 .2 P ro ce so s c o n c h o rro d e a g u a y c h o rro a b ra siv o P ro c e s o s e le c tro q u ím ic o s d e m a q u in a d o 2 7 .2 .1 M a q u in a d o e le c tro q u ím ic o 2 7 .2 .2 R e m o ció n d e v irutas y e s m e rila d o c o n m aterial e le c tro q u ím ic o P ro c e s o s d e e n e rg ía té rm ic a 2 7 .3 .1 P ro c e so s c o n d e sc a rg a e lé c tric a 2 7 .3 .2 M a q u in a d o c o n h az d e e le c tro n e s 2 7 .3 .3 M a q u in a d o c o n rayo láser 2 7 .3 .4 P ro ce so s d e c o rte c o n a rc o e lé c tr ic o 2 7 .3 .5 P ro c e so s d e c o rte co n o x íg e n o y g a s c o m b u stib le M a q u in a d o q u ím ic o 2 7 .4 .1 M e c á n ic a y q u ím ic a del m a q u in a d o q u ím ic o 2 7 .4 .2 P ro c e so s d e m a q u in a d o q u ím ic o C o n s id e ra c io n e s p a ra la a p lic a c ió n
Los procesos de m aquinado convencionales (por ejem plo, el torneado, el taladrado y el fre sado) usan una herram ienta de corte afilada para form ar una viruta de un trabajo mediante deform ación por una fuerza cortante. Además de estos m étodos convencionales, hay un con junto de procesos que usa otros mecanismos para rem over materiales. El térm ino m aquinado no tradicional se refiere a este grupo de procesos, los cuales rem ueven el exceso de m ateri al m ediante diversas técnicas que incluyen la energía m ecánica, térmica, eléctrica o química (o com binaciones de ellas). Estos procesos no usan un instrum ento afilado de corte en el sentido convencional. Desde la Segunda G uerra Mundial se han desarrollado procesos no tradicionales, como respuesta a los requerim ientos nuevos y singulares que no pueden cum plirse m ediante m éto dos convencionales. Estos requerimientos y la im portancia com ercial tecnológica de los pro cesos no tradicionales incluyen los siguientes:
682
Capitulo 27 / Maquinado no tradicional y procesos de corte térmico
Sección 27.1 / Procesos de energía m ecánica
>- La necesidad de m aquinar m etales y no m etales recién desarrollados. Estos m ateriales nuevos con frecuencia tienen propiedades especiales (por ejem plo, alta resistencia, tenaci dad y dureza), lo cual d ificulta o im posibilita m aquinarlos m ediante m étodos conven
683
Oscilación a alta frecuencia
cionales. » Necesidad de realizar geom etrías de partes singulares o com plejas que no se obtienen con facilidad y que, en algunos casos, son imposibles de preparar mediante m aquinado conven cional. >• Necesidad de evitar daños externos en una parte, lo cual sucede frecuentemente por las ten siones que surgen por el m aquinado convencional. Muchos de estos requerimientos están asociados con las industrias de la aeronáutica, el espacio y la electrónica, las cuales se han desarrollado en forma significativa durante las cuatro décadas pasadas. Hay docenas de procesos de m aquinado no tradicionales y gran parte de ellos son singulares en su rango de aplicaciones. En este capítulo analizarem os los de m ayor im portancia com ercial. Las referencias contienen análisis más detallados de estos métodos no tradicionales, en particular [2], [4]. [51 y [13], Los procesos no tradicionales se clasifican de acuerdo con la forma principal de energía que usan para remover materiales. En esta clasificación hay cuatro tipos: 1)
Mecánicos. En estos procesos no tradicionales se usa energía m ecánica en alguna torma diferente a la acción de una herram ienta de corte convencional. La forma com ún de acción mecánica en los procesos es el trabajo mediante una corriente de alta velocidad de abrasivos o fluidos (o am bos).
2)
Eléctricos. Estos procesos no tradicionales usan energía electroquím ica para rem over mate rial; el mecanism o es lo opuesto al electrochapeado.
3)
Térmicos. Estos procesos usan energía térmica para cortar o dar forma a una parte del tra bajo. En general se aplica energía térm ica a una parte muy pequeña de la superficie de traba jo, provocando que esa parte se rem ueva por fusión o vaporización del material. La energía térmica se genera m ediante la conversión de energía eléctrica.
4)
Químicos. La m ayoría de los materiales (en particular los m etales) son susceptibles de ataques químicos por m edio de ciertos ácidos y otras sustancias. En el m aquinado químico, las sustancias seleccionadas rem ueven el m aterial de algunas áreas de las partes, m ientras que otras zonas de la superficie se protegen con una mascarilla.
27/1
PROCESOS DE ENERGÍA M ECÁNICA
Los m ateriales de herram ientas com unes que se usan en el USM incluyen el acero suave y el acero inoxidable. Los materiales abrasivos incluyen el nitrato de boro, el carburo de boro, el óxido de aluminio, el carburo de silicio y el diam ante. El tam año de las partículas de piedra para el esm e ril (sección 18.1.1) varía entre 100 y 2000. La am plitud de vibración debe establecerse aproxi madam ente igual al tamaño del esm eril y el tamaño del boquete debe mantenerse en alrededor del doble del esmeril. En un grado significativo, el tam año del esm eril determ ina el acabado extem o en la nueva pieza de trabajo. Adem ás del acabado extem o, la velocidad de rem oción de materiales es una im portante varia ble de rendim iento en el m aquinado ultrasónico. Para determ inado material de trabajo, la velocidad de remoción en el maquinado ultrasónico aumenta, al increm entar la frecuencia y la am plitud de vibración, es decir, es directam ente proporcional. Estas relaciones se muestran en la figura 27.2. La acción de corte en el U SM afecta tanto a la herram ienta como al trabajo. Conform e las partículas abrasivas erosionan la superficie de trabajo, tam bién desgastan la herram ienta y afectan su forma. Por tanto, es im portante conocer los volúmenes relativos que se remueven del material de trabajo y de la herram ienta durante el proceso, así com o la velocidad de esm erilado (sección 26.1.2). Esta razón de m ateria prim a rem ovida por desgaste de la herram ienta varía para diferentes materiales de trabajo, en proporciones que van desde 100 : 1 para cortar vidrio, hasta 1 : 1 para cor tar acero de herramientas. La pasta fluida en el USM consiste en una mezcla de agua y partículas abrasivas. La concen tración de abrasivos en el agua varía del 20 al 60% [5], La pasta debe circular en forma continua para que entren en acción los granos frescos en la abertura entre la herramienta y la pieza de trabajo. También sirve para retirar las virutas y los restos de esmeril producidos por el proceso de corte. El m aquinado ultrasónico se desarrolló por la necesidad de m aquinar materiales de trabajo duros y frágiles, tales como la cerám ica, el vidrio y los carburos. También se usa con éxito sobre
En esta sección exam inarem os varios de los procesos no tradicionales de energía m ecánica: l) el maquinado ultrasónico, 2) el corte con chorro de agua. 3) el corte con chorro de agua abrasiva y 4) el maquinado con chorro abrasivo.
27.1.1
FIGURA 27.2 Efecto de la frecuencia de oscilación y la amplitud sobre la velocidad de remoción de materiales en el maquinado ultrasónico.
Maquinado ultrasónico El maquinado ultrasónico MU (en inglés USM ) es un proceso de maquinado no tradicional en el cual se dirigen a alta velocidad abrasivos contenidos en una pasta fluida sobre un trabajo, mediante una herramienta vibratoria en am plitud baja, de alrededor de 0.003 pulg (0.076 mm ) y en una alta frecuencia de aproxim adam ente 20 000 Hz. La herram ienta oscila en una dirección perpendicular a la superficie de trabajo y se alim enta lentamente para que la parte adopte la form a deseada. Sin embargo, lo que ejecuta el corte es la acción de los abrasivos, chocando contra la superficie de tra bajo. El arreglo general del procesos de USM se muestra en la figura 27.1.
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Amplitud, frecuencia
686
Sección 27.2 / Procesos electroquímicos de maquinado
Capítulo 27 / Maquinado no tradicional y procesos de corte térmico
M aquinado co n c h o rro a b ra siv o No se debe confundir el corte con chorro de agua abra siva con el proceso denom inado m aquinado con chorro abrasivo (en inglés AJM), el cual es un pro ceso de remoción de materiales que se produce por la acción de una corriente de gas a alta veloci dad que contiene pequeñas partículas abrasivas, com o se muestra en la figura 27.4. El gas es seco, y se usan presiones de 25 a 200 lb/pulg2 (0.2 a 1.4 MPa) para propulsar el gas por los orificios de la boquilla con un diámetro de 0.003 a 0.040 pulg (0.075 a 1.0 mm), a velocidades de 500 a 1000 pies/ min (2.5 a 5.0 m/seg). Los gases incluyen el aire seco, el nitrógeno, el dióxido de carbono y el helio. Por lo general, el proceso lo realiza un operador en forma manual, quien dirige la boquilla al tra bajo. Las distancias normales entre la punta de la boquilla y la superficie de trabajo varían entre 1/8 de pulg y varias pulgadas. La estación de trabajo debe contar con ventilación apropiada para el operador. Normalmente se usa el AJM para aplicar un acabado y no como un proceso de corte dentro de la producción. Las aplicaciones incluyen la remoción de virutas, el recorte y retiro de rebabas, la limpieza y el pulido. Los cortes se llevan a cabo sobre materiales duros y frágiles (por ejemplo, vidrio, silicio, mica y cerámica) que están en forma de materias primas planas y delgadas. Los abrasivos nor males usados en el maquinado con chorro abrasivo incluyen el óxido de aluminio (para aluminio y latón), el carburo de silicio (para acero inoxidable y cerámica) y las perlas de vidrio (para pulido). Los tamaños de partícula del abrasivo son pequeños, sus diámetros oscilan entre 15 y 40 ¡J m , y su tamaño debe ser muy uniforme para determinadas aplicaciones. Es importante no reciclar los abrasivos debido a que los granos usados se fracturan (por lo cual se reduce su tamaño), se gastan y contaminan.
27.2
FIGURA 27.5 Maquinado electro químico
PROCESOS ELECTROQUÍM ICOS DE M AQUINADO Un grupo importante de procesos no tradicionales utiliza la energía eléctrica para rem over el m ate rial. Este grupo se identifica con el térm ino de procesos electroquím icos, debido a que se usa la energía eléctrica junto con reacciones quím icas para obtener la remoción. De hecho, estos procesos son lo opuesto a la electrodepositación (sección 33.1.1). El material de trabajo debe ser un conduc tor en el maquinado electroquím ico.
rem oción específica, que depende del peso atómico, la valencia y la densidad del material de tra bajo. en pulg3/A -m in (cm 3/A ); I = corriente en A; y t = tiem po en min (seg). Con base en la ley de Ohm. la corriente / = EíR. donde E = voltaje y R = resistencia. Bajo las condiciones de la operación de maquinado electroquím ico, la resistencia se proporciona mediante: R =
I
El proceso básico en este grupo es el maquinado electroquímico, ME (en inglés ECM). El maquinado electroquímico retira material de una pieza de trabajo conductora de electricidad por medio de disolu ción anódica, en la cual se obtiene la form a de la pieza de trabajo a través de una herramienta formada por electrodos, muy próxim a al trabajo, pero al mismo tiempo separada de él mediante un electrolito que fluye con rapidez. El ECM es básicamente una operación de remoción del chapeado. Como mues tra la figura 27.5, la pieza de trabajo es el ánodo y la herramienta es el cátodo. El proceso aplica el prin cipio de que el material se retira de la chapa que funciona como ánodo (el polo positivo) y se deposita en el cátodo (el polo negativo) ante la presencia de un baño electrolítico (sección 4.5). La diferencia en el ECM es que el baño electrolítico fluye con rapidez entre los dos polos para retirar el material removi do de la chapa. Por tanto, el material que se retira de la pieza no forma una chapa sobre la herramienta. Por lo general se diseña una herram ienta de electrodos (hecha de cobre, bronce o acero inoxi dable) que posee aproxim adam ente la form a inversa a la que se desea obtener. Debe considerarse la separación entre la herram ienta y el trabajo. Para conseguir la rem oción de metal, se alim enta el electrodo dentro del trabajo a una velocidad igual a la velocidad de rem oción del metal de trabajo. La velocidad de rem oción del metal se determ ina por medio de la prim era ley de Faraday, que establece que la cantidad de cam bio quím ico que produce una corriente eléctrica (esto es, la canti dad de metal disuelto) es proporcional a la cantidad de electricidad trasm itida (corriente x tiempo). Esto se expresa mediante: V = C ít
(27.1)
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A
(27.2)
donde g = separación entre el electrodo y el trabajo, en pulg (cm); r = resistividad del material elec trolítico, en ohm-pulg (ohm-cm); y A = área de superficie entre el trabajo y la herramienta en la sepa ración frontal de trabajo,en pulg2 (cm2). Sustituyendo esta expresión para R en la ley de Ohm. tenemos
27.2.1 Maquinado electroquímico
donde V = volumen de metal rem ovido, en pulg3 (cm 3); C = una constante llamada la velocidad de
687
= — gr
(27.3)
A l incorporar la e x presión m atem ática anterior en la e cu ació n que define la ley de Faraday. tenem os: V _ C (£ A °. gr
(27.4)
Es conveniente convenir esta ecuación a una expresión para velocidad de avance, que es la velocidad a la cual el electrodo (la herram ienta) puede avanzar dentro del trabajo. Esta conversión se consigue en dos pasos. Primero, dividim os la ecuación (27.4) por A t (área x tiem po) para con vertir el volum en de metal rem ovido a una velocidad de desplazam iento lineal: Y = fr = — At gr
(27.5)
en donde f r= velocidad de alimentación, en pulg/min (cm/seg). Segundo, sustituimos HA en lugar de Eligr), como lo plantea la ecuación (27.3). Por tanto, la velocidad de alimentación en elECM es: fr = — J A
(27.6)
donde A = el área frontal del electrodo, en pulg2 (cm 2). Ésta es el área proyectada de la herram ien ta en la dirección del avance dentro del trabajo. Los valores de la velocidad de rem oción específi-
Capítulo 27 / Maquinado no tradicional y procesos de corte térmico
Sección 27.2 / Procesos electroquímicos de maquinado
ca C se presentan en la tabla 27.1 para diferentes materiales de trabajo. D ebem os señalar que esta ecuación supone una eficiencia del 100% en la rem oción de metal. La eficiencia real está en el rango del 90 al 100% y depende de la forma de herram ienta, el voltaje y la densidad de corriente, así como de otros factores.
se hace dem asiado grande, el proceso electroquím ico se vuelve lento. Sin em bargo, si el electrodo toca el trabajo, ocurre un corto circuito que detiene todo el proceso. Como una cuestión práctica, la distancia de separación por lo general se mantiene dentro de un rango de 0.003 a 0.030 pulg (0.075 a 0.75 mm). El agua se utiliza com o base para el material electrolítico en el ECM . Para reducir la resis tividad del m aterial electrolítico se añaden sales a la solución, tales com o NaCl o N a N 0 3. Además de retirar los m ateriales removidos de la pieza de trabajo, el flujo electrolítico también sirve para retirar el calor y las burbujas de hidrógeno que se crean en las reacciones quím icas del proceso. El m aterial de trabajo removido está en form a de partículas m icroscópicas que deben de separarse del m aterial electrolítico mediante centrifugado, sedim entación u otros medios. Las panículas sepa radas forman una gruesa capa cuya disposición es un problem a ambiental asociado con el ECM. Se requieren grandes cantidades de corriente eléctrica para ejecutar un ECM . C om o indican las ecuaciones, la corriente eléctrica determ ina la velocidad de rem oción de metal, específicam ente la densidad de corriente que se proporciona para la operación. El voltaje en un ECM se conserva relativam ente bajo para m inim izar la generación de arcos a través de la separación. Por lo general, el m aquinado electroquím ico se usa en aplicaciones donde el metal de traba jo es muy duro o difícil de m aquinar o donde es difícil (o imposible) obtener una geom etría de partes de trabajo m ediante m étodos de m aquinado convencionales. La dureza del trabajo no repre senta una diferencia en el ECM , debido a que la rem oción del metal no es mecánica. Las aplica ciones com unes del ECM incluyen 1) inm ersión de dados, la cual im plica el m aquinado de formas y contornos irregulares en dados de forja, m oldes plásticos y otras herram ientas de formado; 2) ta ladrado de orificios múltiples, es posible taladrar m uchos orificios en form a sim ultánea con el ECM , a diferencia del taladrado convencional que requiere que los orificios se hagan en forma secuencial; 3) orificios que no son redondos, dado que el m aquinado electroquím ico no usa un tala dro rotatorio; y 4) la remoción de virutas (sección 27.2.2) Las ventajas del ECM incluyen 1) poco daño superficial a la parte de trabajo, 2) no hay viru tas com o en el m aquinado convencional, 3) un bajo desgaste de herram ienta (el único desgaste de herram ienta se produce por el flujo electrolítico) y 4) velocidades de remoción de metal relativa m ente altas para metales duros y difíciles de maquinar. Las desventajas del ECM son: 1) un alto costo de corriente eléctrica para conducir la operación y 2) problem as de disposición de la masa electrolítica.
TABLA 27.1 Valores típicos de una velocidad de remoción específica C para materiales d e trabajos seleccionados en el m aquinado electroquím ico. M aterial d e trabajoa
V elo cid ad d e rem o ció n específica C
Aluminio (3) Cobre (1) Hierro (2) Aceros De baja aleación De alta aleación Inoxidable Níquel (2) Titanio (4)
1.26 x 10-* 2.69 x 10-4 1.35 x 10“*
(3.44 x 10"5) (7 .3 5 x 1 0 -5) (3 .6 9 x 1 0"5)
1.1 x lO-* 1.0 x 10-4 0.9 x 10-* 1.25 x 10-" 1 .0 x 1 0 -"
(3.0 x 10"s) (2.73 x 10-5) (2.46 x 10-5) (3.42 x 10-5) (2 .7 3 x 1 0"5)
I \ « w p n a u v UC lUS UdlU5 e n P J .
1 La valencia más común se proporciona entre paréntesis (), y se supone para determinar la velocidad de remoción específica C. Para una valencia diferente, C se calcula multi plicando este valor por la valencia más común y dividiéndola por la valencia real.
EJEMPLO 27.1
Maquinado electroquímico
Se usará la operación de ECM para cortar un orificio en una placa de alum inio con un grosor de 0.50 pulg. El orificio tiene una sección transversal rectangular de 0.375 por 1.25 pulg. La operación de ECM se conseguirá bajo una corriente = 1200 A. Se espera una eficiencia del 95%. Determine la velocidad de alim entación y el tiem po requeridos para cortar la placa. Solución: Por los datos de la tabla 27.1, la velocidad de rem oción específica C para el aluminio = 0.000126 pulg3/A -m in. El área frontal del electrodo A = 0.375 pulg x 1.25 pulg = 0.469 pulg2. A un nivel de corriente de 1200 A, la velocidad de alimentación es
27.2.2
Remoción de virutas y esmerilado con material electroquímico
1200 f r = 0.000126 pulg3 /A -m in — — - A /pulg2 0.469
La rem oción electroquím ica de virutas, REV (en inglés EC D ), es una adaptación del ECM di señada para retirar las virutas o para redondear las esquinas agudas de partes de trabajo m etálico m ediante disolución anódica. En la figura 27.6 se m uestra una disposición posible para la ECD. El orificio en la parte de trabajo tiene una viruta filosa del tipo que se produce en una operación
= 0 .322 pulg/min A una eficiencia del 95% , la velocidad de alimentación real es f r = 0322 pulg/min (0.95) = 0.306 pulg/min
FIGURA 27.6 Remoción electroquímica de virutas (REV).
El tiempo para m aquinar a través de la placa de media pulgada es
° -50 . « mui. • Tm = — — = 1.63 0.306
689
Herramienta (cátodo)
Electrolitos
3a Trabajo (ánodo)
Las ecuaciones anteriores indican que los parámetros de proceso m ás im portantes para deter minar la velocidad de rem oción de metal y la velocidad de alim entación en el m aquinado electro químico son: la distancia de separación g , la resistividad electrolítica r, la corriente / y el área frontal de electrodos A. L a distancia de separación necesita controlarse con m ucha atención. Si g
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Flujo de material electrolítico Aislamiento
692
Sección 27.3 / Procesos de energía térmica
Capítulo 27 / Maquinado no tradicional y procesos de arte térmico
se ioniza en esta posición a fin de crear una trayectoria para la descarga. La región en la que ocurTe la descarga se calienta a tem peraturas m uy altas, de modo que se derrita repentinam ente y se rem ue va una pequeña parte de la superficie de trabajo. D espués, el flujo dieléctrico aleja la partícula pequeña (viruta). Dado que la superficie del trabajo en la posición previa de la descarga está ahora separada de la herram ienta por una distancia mayor, ésta es la posición menos probable para que ocurra otra chispa hasta que las regiones que la rodean se hayan reducido al mismo nivel o uno infe rior. Aunque las descargas individuales retiran material en puntos muy localizados, ocurren cientos o miles de veces por segundo, de modo que sucede una erosión gradual de toda la superficie en el área de la separación. Dos variables im portantes en el proceso de EDM son la corriente de descarga y su frecuen cia. Conforme aum enta cualquiera de estos parámetros, se incrementa la velocidad de rem oción de metal. La aspereza de la superficie tam bién es afectada por la corriente y la frecuencia, com o se muestra en la figura 27.9. N o obstante, cuando el EDM se opera a frecuencias altas y corrientes de descarga bajas, se puede obtener un m ejor acabado en la superficie. Conforme la herram ienta de electrodos penetra en el trabajo ocurre un excedente de corte. El excedente de corte en el EDM es la distancia que rebasa el tamaño de la herram ienta para producir un orificio de maquinado más grande en la pieza de trabajo. Este efecto se debe a que las descar gas eléctricas ocurren tanto a los lados de la herramienta, como en el extrem o. El excedente de corte es una función de la corriente y la frecuencia, como se ilustra en la figura 27.10, y puede ascender a varias milésimas de una pulgada. Debe señalarse que las altas temperaturas de chispa que funden el trabajo también afectan a la herramienta, creando una pequeña cavidad en la superficie opuesta a la cavidad producida en el trabajo. Por lo general, el desgaste de la herramienta se mide como la razón del material de trabajo removido entre el material rem ovido de la herramienta (es igual a la razón de esmerilado). Esta razón de desgaste varía entre 1.0 y 100 o un poco más, dependiendo de la combinación del trabajo y los
materiales de los electrodos. Los electrodos están hechos de grafito, cobre, bronce, tungsteno plata y otros materiales. La selección depende del tipo del circuito del transformador de corriente disponible en la máquina para EDM , el tipo de material de trabajo que se va a maquinar y si se va a pulir o dar un acabado al material. En muchas aplicaciones se prefiere el grafito debido a sus características de fusión. De hecho, el grafito no se funde, sino que se vaporiza a muy altas temperaturas, y la cavidad creada por la chispa generalmente es más pequeña que en los restantes materiales de electrodos para EDM. En consecuencia, se obtiene una razón de desgaste alta con las herramientas de grafito. La dureza y la resistencia del m aterial de trabajo no son factores en el EDM . dado que el pro ceso no es una lucha de la dureza entre la herramienta y el trabajo. El punto de fusión del material de trabajo es una propiedad im portante, y la velocidad de rem oción de metal se relaciona, en forma aproxim ada, con el punto de fusión mediante la siguiente fórm ula empírica, basada en una ecuación descrita en W eller [13]: K/ M RR = TT U 1m
FIGURA 27.10 Excedente de corte en el maquinado por descarga eléctrica (EDM) como una función de la corriente de descarga y la frecuencia de las descargas.
Frecuencia en la corriente de descarga
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<27-7)
en donde M RR = velocidad de rem oción de metal, en pulg3/m in (cm 3/min); K = constante de pro porcionalidad cuyo valor = 5.08 en unidades comunes de EU (equivalentes a 39.86 en unidades del Sistem a Internacional); / = corriente descarga, en A \ y T m = tem peratura de fusión del metal de tra bajo, en °F (°C). Los puntos de fusión de los metales seleccionados se enlistan en la tabla 4.1.
EJEMPLO 27.2
Maquinado por descarga eléctrica
Se va a m aquinar cierta aleación cuyo punto de fusión = 2000 °F en una operación de maquinado por descarga eléctrica. Si se usa una corriente de descarga = 25 A, ¿cuál es la velocidad esperada de remoción de metal? Solución:
FIGURA 27.9 Acabado de la superficie en el maquinado por descarga eléctrica (EDM) como una función de la corriente de descarga y la frecuencia de las descargas.
693
U sando la ecuación (27.7), la velocidad anticipada de remoción de metal es
MRR =
5.08(25)
, „ . = 0 . 0 1 1 pulg3/m m
8
Los fluidos eléctricos usados en el EDM incluyen los aceites hidrocarbonados, el queroseno y el agua destilada o deionizada. El fluido dieléctrico funciona com o un aislante en la separación, excepto cuando ocurre una ionización en presencia de una chispa. Otras de sus funciones consisten en desalojar los desperdicios de la separación y retirar el calor de la herram ienta y la parte de trabajo. Las aplicaciones del m aquinado por descarga eléctrica incluyen tanto la fabricación de he rram ientas com o la producción de panes. Con frecuencia, la fabricación de herram ientas para muchos de los procesos mecánicos analizados en este libro se hacen mediante ED M , incluyendo moldes para inyección en plásticos, dados para extrusión, dados para estirado de alam bres, dados para forja y recalcado y dados para estam pado en láminas m etálicas (véase figura 27.11). Para muchas de estas aplicaciones, los materiales usados para habilitar herram ientas son difíciles (o imposibles) de m aquinar por métodos convencionales. C iertas partes de un producto también requieren de una aplicación de EDM . Los ejemplos incluyen algunas partes delicadas que no son lo bastante rígidas para soportar las fuerzas de corte convencionales com o en el taladrado de orifi cios en ángulo agudo con respecto a la superficie, donde con un taladrado convencional no sería posible de iniciar el orificio, y en el maquinado para producción de metales duros y exóticos. Corte por descarga eléctrica con alambre El corte p o r descarga eléctrica con alam bre (en inglés ED W C ) es una form a especial del EDM , que usa un alam bre de diám etro pequeño com o electrodo para cortar un canal delgado en el trabajo. La acción de corte en el ED W C se obtiene por m edio de energía térmica, a partir de las descargas eléctricas entre el alambre electrodo y la pieza
694
Sección 27.3 / Procesos de energía térmica
Capítulo 27 / Maquinado no tradicional y procesos de corte térmico
695
j----- Trabajo
Al igual que en el EDM simple, en el m aquinado por descarga eléctrica con alambre tam bién existe un exceso de corte, que provoca que el corte sea m ayor que el diám etro del alambre, com o se m ues tra en la figura 27.13. Este excedente de corte está en el rango de 0.0008 a 0.002 pulg (0.020 a 0.051 mm). Una vez establecidas las condiciones de corte para una acción determinada, el excedente de corte permanece bastante constante y predecible. Aunque el ED W C se asem eja a una operación con sie n a cinta, su precisión es m ucho m ayor que la de esta últim a. El canal es más estrecho, es posible hacer más agudas las esquinas y, por tanto, las fuerzas de corte en contra del trabajo son nulas. A dem ás, la dureza y la resisten cia del m aterial de trabajo no afectan el rendim iento del corte. El único requisito es que el m ate rial de trabajo debe ser eléctricam ente conductivo. Las características especiales del ED W C lo hacen ideal para fabricar componentes para dados de estampado. Debido que el canal es tan estrecho, con frecuencia es posible fabricar perforados y dados en un solo corte, com o lo sugiere la figura 27.14. El corte mediante EDWC tam bién incluye la m anufactura de otras herram ientas y partes con formas de contornos complicados, tales com o henam ientas en forma de tom o, dados para extrusión y plantillas planas.
FIGURA 27.11 Una cavidad para forja fabricada mediante maquinado por descarga eléctrica (EDWC). El electrodo es el objeto muy oscuro encima de la cavidad (fotografía cortesía de LeBlond Makino Machine Tool Company).
FIGURA 27.14 Corte de contorno irregular de un bloque sólido de metal mediante maquinado por descarga eléctrica con alambre (fotografía cortesía de LeBlond Makino Machine Tool Company).
FIGURA 27.12 Corte por descarga eléctrica con alambre (EDWC), también llamado maquinado por descarga eléctrica con alambre.
de trabajo. El ED W C se ilustra en la figura 27.12. La pieza de trabajo se alimenta en form a conti nua y lenta a través del alam bre para obtener la trayectoria de corte deseada, de un modo parecido a una operación con sierra cinta. El control numérico se usa para fijar los movim ientos de la parte de trabajo durante el cone. Conforme procede la operación de corte, el alambre avanza en forma continua entre un can-ete de alimentación y uno de recuperación del m ism o para presentar un electrodo nuevo de diám etro constante para el trabajo. Esto ayuda a m antener un ancho de corte constante durante el proceso. Al igual que en el EDM, el m aquinado por descarga eléctrica con alambre debe realizarse en presencia de un material dieléctrico. Éste puede aplicarse ya sea m ediante boqui llas dirigidas a la interfase henam ienta-trabajo. com o en nuestra figura, o por inmersión de la parte de trabajo en un baño dieléctrico. Los diám etros del alambre varían entre 0.003 a 0.012 pulg (0.076 a 0.30 mm), dependiendo de la anchura de corte requerida. Los materiales que se usan para el alambre incluyen el latón, el cobre, el tungsteno y el m olibdeno. Los fluidos dieléctricos incluyen el agua deionizada o el aceite.
: f -j ; j * jj J
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Sección 27.4 / Maquinado quím ico
Capítulo 27 / Maquinado no tradicional y procesos de corte térmico
bustión para estos com bustibles se enlistan en la tabla 29.2. El acetileno arde a la m áxim a tempe ratura de flama y es el com bustible de m ayor uso para soldar y cortar. Sin embargo, deben consi derarse ciertos riesgos con el alm acenam iento y m anejo del acetileno (sección 29.3.1). Los procesos de O FC se realizan en forma manual o con máquina. Los sopletes operados en forma manual se usan para trabajo de reparación, corte de metal desechado, adelgazam iento de pro tuberancias de fundición en arena y en operaciones sim ilares que generalm ente requieren una míni ma precisión. Para trabajo de producción, el corte con una flama de m áquina perm ite velocidades mayores y una m ejor precisión. Con frecuencia, este equipo se controla en forma num érica para perm itir que se corten form as perfiladas.
27.4
M AQUINADO Q UIM ICO El maquinado quím ico, M Q (en inglés CHM ), es un proceso no tradicional en el cual ocurre una remoción de materiales m ediante el contacto con sustancias de ataque quím ico fuerte. Las aplica ciones dentro del proceso industrial em pezaron poco después de la Segunda G uerra M undial en la industria de las aeronaves. El uso de materiales quím icos para rem over secciones no deseadas de una parte de trabajo se aplica en varias formas y se han desarrollado términos distintos para dife renciar las aplicaciones. Estos térm inos incluyen el fresado quím ico, el suajado quím ico, el graba do químico y el m aquinado fotoquím ico (en inglés PCM ). Todos em plean el mismo m ecanism o de remoción de material y es conveniente analizar las características generales del m aquinado quím i co antes de definir los procesos individuales.
27.4.1 Mecánica y química del maquinado químico El proceso de maquinado quím ico consta de varios pasos. Las diferencias en las aplicaciones y las secuencias en que se realizan las etapas establecen las diferentes form as del CHM. Los pasos son los siguientes: 1) Limpieza. El prim er paso es una operación de lim pieza para asegurar que el material se remueva en form a uniform e de las superficies que se van a atacar. 2) Enmascarillado. Un recubrim iento protector se aplica a ciertas zonas de la parte. Este pro tector está hecho de m aterial quím icam ente resistente al m aterial de ataque quím ico (el tér mino resistente se usa para el material protector). Por tanto, solam ente se aplica a aquellas porciones de la superficie de trabajo que no se van a atacar. 3)
4)
Ataque químico. Éste es el paso de remoción de material. La pieza de trabajo se sumerge en un material de ataque quím ico que afecta aquellas porciones de la superficie de la pieza que no están protegidas. En el m étodo normal de ataque, el m aterial de trabajo (por ejemplo, un metal) se convierte en una sal que se disuelve dentro del material de ataque quím ico, y posteriormente se rem ueve de la superficie. Una vez que se ha rem ovido el material, se reti ra la pane del material de ataque quím ico y se enjuaga para detener el proceso. Desenmascarillado.
Se retira el protector de la parte.
En el m aquinado q u ím ico , los dos pasos que im plican variaciones significativas en los m étodos, m ateriales y p arám etro s del proceso son el en m ascarillado y el ataque quím ico, pa sos 2) y 3). Los materiales protectores incluyen el neopreno. el cloruro de polivinilo, el polietileno y otros polímeros. La protección se consigue por alguno de estos tres métodos: 1) cortar y despren der, 2) resistente fotográfico y 3) resistente de pantalla. El método de cortar y desprender implica la aplicación del protector sobre toda la parte, ya sea por inmersión, recubrim iento o rocío. El grosor del protector resultante es de 0.001 a 0.005 pulg (0.025 a 0.125 mm). El protector (ya endurecido)
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701
se corta mediante una navaja para m arcar y se desprende de las áreas de la superficie de trabajo que se van a atacar. La operación de corte del protector se realiza a m ano, generalm ente guiando la navaja con una plantilla. El método de cortar y desprender se usa para la manufactura de partes de trabajo grandes, cantidades de producción bajas y donde la precisión no es un factor crítico. Este m étodo no soporta tolerancias más estrechas de ± 0.005 pulg (±0.125mm), excepto que la técnica se realice con extrem o cuidado. Como indica su nombre, el método de resistente fotográfico (el cual se abrevia com o fo to rresistente), usa técnicas fotográficas para realizar el paso de enmascarillado. Los m ateriales enm ascarillados contienen químicos fotosensibles. Éstos se aplican a la superficie de trabajo, y la pieza recubierta se expone a la luz a través de una imagen en negativo de las áreas que se van a atacar. Posteriormente, las áreas protegidas se retiran de la superficie usando técnicas de revelado fotográfi co. Este procedimiento deja con material protector la superficie deseada de la parte y sin protección las áreas restantes que son vulnerables al ataque químico. Posteriormente, las áreas protegidas se re tiran de la superficie usando técnicas de revelado fotográfico. Por lo general las técnicas de enm as carillado fotorresistente se aplican donde se producen partes pequeñas en grandes cantidades y se requiere una mínima tolerancia. Esta técnica soporta tolerancias más estrechas que ± 0.0005 pulg [13]. bl m étodo resistente de pantalla aplica el protector m ediante métodos ae sengraria. t n estos m étodos, el protector se aplica sobre la superficie de la parte de trabajo mediante una m alla de seda o acero inoxidable. La malla tiene incorporado un esténcil que protege la aplicación con barniz pro tector y deja expuestas las áreas que se van a atacar. Por tanto, el protector recubre las áreas de tra bajo que no se van a atacar. En general, el método resistente de pantalla se usa en aplicaciones que están entre los otros dos m étodos de enm ascarillado en términos de precisión, tam año de partes y cantidades de producción. Con el m étodo de enm ascarilado se obtienen tolerancias de ± 0.003 pulg (±0.075mm). La elección del m aterial de ataque quím ico depende del material de trabajo que se va a atacar, la profundidad y la velocidad de rem oción de material deseado, así como los requerim ientos de acabado extem o. El material de ataque quím ico también debe combinarse con un protector com patible para asegurar que dicho agente no afecte al protector. La tabla 27.2 enlista algunos de los materiales de trabajo que se procesan bajo el método de CH M , junto con los m ateriales de ataque quím ico que se usan para estos m ateriales. La tabla también incluye una velocidad de penetración y factores de ataque químico. Estos parám etros se explican enseguida. La rapidez de remoción de material en el CHM por lo general se indican como velocidades de penetración en pulg/m in (cm /m in), dado que la velocidad de ataque químico sobre el m aterial de
TABLA 2 7 .2 M ateriales d e tra b a jo y d e a ta q u e q u ím ic o c o m u n e s e n el m a q u in a d o q u ím i co , co n v e lo c id a d e s d e p e n e tra c ió n n o rm a les en el tra b ajo .________________________________ M a te ria l d e tr a b a jo
M a te ria l d e a ta q u e q u ím ic o
V e lo c id a d e s d e p e n e tr a c ió n p u lg /m in (m m /m ¡n )
F a c to r d e a ta q u e q u ím ic o
Aluminio y aleaciones
FeClj NaOH
0.0008 0.001
(0.020) (0.025)
1.75 1.75
Cobre y aleaciones
FeClj
0.002
(0.050)
2.75
Magnesio y aleaciones
h 2s o 4
0.0015
(0.038)
1.0
Silicio
HNO j : HF : H jO
Acero bajo carbono
HCI : H NO j FeClj
0.001 0.001
(0.025) (0.025)
2.0 2.0
Titanio y aleaciones
HF HF : H NO j
0.001 0.001
(0.025) (0.025)
1.0 1.0
Recopilado de [4|, [51 y [131. ND = Datos no disponibles.
(muy lento)
ND
702
-*— Hmrnntnr
r
Orilla y aleaciones
(1 )
Fe = -U
1
(2 )
1
1
I-
(3 )
Material de ataque químico
-/" V .
Parte acabada
(5)
(4)
FIGURA 27.19 Secuencia de pasos en el procesamiento por fresado químico: 1) limpiar una parte de materia prima, (2) aplicar el protector, (3) marcar, cortar y desprender el protector de las áreas que se van a atacar, (4) atacar con material químico y (5) remover el protector y limpiar para producir una parte acabada.
TABLA 27.3 A cabado de superficie esperado en el fresado quím ico. Rango de acabado externo jim pulg (p. m)
Material de trabajo
70-160 30-70 30-250 15-100
Aluminio y aleaciones Magnesio Acero blando Titanio y aleaciones
(27.9)
en donde Ft - factor de ataque quím ico; u = excedente de corte, en pulg (mm); y d = profundidad de corte, en pulg (mm). Las dim ensiones u y d se definen en la figura 27.18. En el maquinado químico, diferentes m ateriales de trabajo tienen distintos factores de ataque químico. A lgunos va lores típicos se presentan en la tabla 27.2. El factor de ataque quím ico se usa para determ inar las dimensiones de las áreas de corte en el protector, y así obtener las dim ensiones especificadas sobre las áreas atacadas de la parte.
(1.8-4.1) (0.8-1.8) (1.8-4.1) (0.4—2.5)
Suajado químico El suajado quím ico usa la erosión quím ica para cortar partes de láminas metálicas muy delgadas, con un espesor de hasta 0.001 pulg (0.025 mm) o para patrones de corte com plicados. En ambos ejem plos, los métodos convencionales para perforado y troquelado no fun cionan, debido a que las fuerzas de troquelado pueden dañar las láminas metálicas, adem ás, el costo de habilitación de herram ientas es m uy alto. El suajado quím ico produce partes sin rebabas y aven taja a otras operaciones convencionales de corte. Los m étodos que se usan para aplicar el protector en el suajado químico son el fotorresistente o el resistente de pantalla. Para patrones de corte pequeños o complicados, así com o para tole rancias reducidas, se usa el m étodo fotorresistente; de lo contrario, se usa el método resistente de pantalla. Cuando el tamaño de la pieza de trabajo es pequeño, el suajado químico excluye el m éto do de corte y desprendim iento del protector.
Procesos de maquinado químico En esta sección, d e sc rib ire m o s los p rin c ip a le s procesos de m aquinado quím ico, los cuales son: 1) el fresado q u ím ico , 2) el su ajad o q u ím ico , 3) el grabado quím ico y 4) el m aquinado fotoquím ico. Fresado químico El fresado quím ico fue el prim er proceso de CHM que se comercializó. Durante la Segunda G uerra M undial, una com pañía de aeronaves de Estados Unidos em pezó a usar el dicho proceso para rem over el metal de algunos com ponentes de las aeronaves, al cual denom i naron fresado químico. L a referencia de este proceso se tiene de los procesos de Chem-mill. Actualmente, el fresado quím ico todavía se utiliza ampliamente en la industria aeronáutica para retirar material de las alas y el fuselaje, con el propósito de reducir el peso. El método es aplicable a partes grandes, de las cuales se retiran cantidades sustanciales de metal durante el proceso. Se emplea el método de protección de corte y desprendim iento. Por lo general se usa una plantilla, que toma en cuenta el excedente de corte que se producirá durante el ataque químico. La secuencia de los pasos del procesam iento se ilustra en la figura 27.19. El fresado quím ico produce un acabado de superficie que varía con cada material de trabajo. La tabla 27.3 proporciona una m uestra de los valores. El acabado de la superficie depende de la pro fundidad de penetración. C onform e aum enta la profundidad, em peora el acabado, acercándose al límite superior de los rangos que proporciona la tabla. El daño metalúrgico del fresado quím ico es muy pequeño, tal vez de alrededor de 0.0002 pulg (0.005 mm) dentro de la superficie de trabajo.
1
1
P rlm a
FIGURA 27.18 Excedente de corte en el maquinado químico.
trabajo se dirige a la superficie. El área de la superficie no afecta la velocidad de penetración. Las velocidades de penetración enlistadas en la tabla 27.2 son valores normales para determinados m ateriales de trabajo y sus correspondientes agentes de ataque químico. Las profundidades de corte en el maquinado químico tienen hasta 0.5 pulg (12.5 mm) para pa neles de aeronaves hechos de placas metálicas. Sin embargo, muchas aplicaciones requieren profundi dades de sólo algunas milésimas de pulgada o menos. Junto con la penetración en el trabajo, también ocurre un ataque químico en las regiones laterales situadas bajo el protector, como se ilustra en la figu ra 27.18. Este efecto se denom ina el excedente de corte, y debe considerarse durante el diseño de la máscara para producir un corte que tenga las dimensiones especificadas. Para determinado material de trabajo, el excedente de corte se relacionará directam ente con la profundidad del corte. La constante de proporcionalidad para el material se lla m a /a cto r de ataque químico, y se define como:
27.4.2
■■■
— P arte de materia
(
Protector-
Trabajo
703
Sección 27.4 / Maquinado quím ico
Capítulo 27 / Maquinado no tradicional y procesos de corte térmico
FIGURA 27.20 Secuencia de pasos en el procesamiento por suajado químico: (1) limpieza de la parte. (2) aplicación de un resistente (protector) a través de la pantalla, (3) ataque con un material químico (parcialmente terminado), (4) ataque con un material químico (terminado), (5) remoción del protector y limpieza para producir una parte terminada.
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(1)
(2 )
Material de ataque químico (3)
(4)
|
•{ (5)
(-«— Parte acabada
704
Capítulo 27 / Maquinado no tradicional y procesos de corte térmico
Sección 27.4 / Maquinado químico
Materia prima
Fotorresistente
> (2 )
(1 )
1—
r Luz ultravioleta
Negativos
i—
r
F T T T T T f M
M
(4)
(3)
---- -
Material de ataque químico
Protector (fotorresistente) T i ----------------- C
O (7)
O
Material de ataque químico
(8 )
FIGURA 27.22 Secuencia de pasos de procesamiento en el maquinado fotoquímico: (1) limpiar una parte de materia prima, (2) aplicar un resistente (protector) por inmersión, pulverización o pintura, (3) colocar un negativo sobre el protector. (4) exponer a una luz ultravioleta, (5) revelar para remover el protector sólo en las áreas que se van a atacar, (6) atacar con un material químico (se muestra un efecto parcial), (7) atacar con un material químico (efecto terminado) y 18) remover el protector y limpiar para producir una parte terminada.
Partes hechas mediante suajado químico (cortesía de Buckbee-Mears St. Paul).
operación de rellenado. El propósito del rellenado es aplicar pintura u otra protección en las áreas hundidas formadas por el material de ataque quím ico. D espués, el panel se sumerge en una solu ción que disuelve el protector pero no ataca el material de recubrim iento. Por tanto, cuando se reti ra el protector, el recubrim iento permanece en las áreas atacadas, resaltando el patrón.
Usando com o ejem plo el m étodo resistente de pantalla, la figura 27.20 m uestra los pasos en el suajado quím ico. D ado que en este proceso el ataque quím ico ocurre en ambos lados de la parte, es importante que el procedim iento de enm ascarillado proporcione un registro preciso entre los dos lados. De lo contrario, la erosión de la parte no podrá alinearse desde direcciones opuestas. Esto es sumamente im portante con partes de tam año pequeño y patrones complicados. Por las razones expuestas, la aplicación del suajado quím ico se limita a m ateriales delgados o patrones com plicados. El grosor m áxim o de la materia prim a es de alrededor de 0.030 pulg. Asimismo, es posible procesar m ateriales endurecidos y frágiles mediante el suajado quím ico, que sería imposible por m étodos m ecánicos porque seguram ente se fracturaría el trabajo. La figura 27.21 presenta una m uestra de partes m anufacturadas por m edio del proceso de suajado químico. Cuando se utiliza el método fotorresistente para enm ascarillar, pueden m antenerse tolerancias tan reducidas com o ± 0.0001 pulg (±0.0025 mm) sobre m ateriales que tengan un grosor tan pequeño com o 0.001 pulg (0.025 mm). Conforme aumenta el grosor de la materia prim a, deben per mitirse tolerancias m ás amplias. Los métodos de enm ascarillado con resistente de pantalla no son tan precisos com o el fotorresistente. De acuerdo con esto, cuando se requieren tolerancias mínimas en la pane, debe usarse el método fotorresistente para realizar el paso de enm ascarillado. Grabado químico El grabado químico es un proceso de m aquinado quím ico para hacer placas con nom bres y otros paneles planos que tienen letras o dibujos en un lado. De otra forma, estas placas y paneles se harían usando una máquina convencional de grabado o un proceso similar. El grabado quím ico se usa para hacer paneles con las letras hundidas o elevadas, con solo invertir las panes del panel a las que se va a aplicar el ataque quím ico. El enm ascarillado se hace con el método fotorresistente o el resistente de pantalla. La secuencia de grabado quím ico es sim ilar a la de otros procesos de C H M , excepto que después del ataque con material quím ico se hace una
>-
(6)
(5)
FIGURA 27.21
7 05
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Maquinado fotoquímico En el m aquinado fotoquím ico, M F (en inglés PCM ), se usa el método de fotorresistente para enmascarillar. Por tanto, el térm ino se aplica correctam ente al sua jado quím ico y al grabado quím ico cuando estos métodos usan resistente fotográfico. El PCM se em plea en el procesam iento de metales cuando se requieren tolerancias m ínim as o patrones com plicados sobre partes planas. Los procesos fotoquím icos tam bién se usan am pliam ente en la indus tria de la electrónica para producir diseños de circuitos com plicados sobre plantillas de sem icon ductores (sección 34.3.1). Esta tecnología hace posible una integración a un escala muy grande en la microelectrónica. La figura 27.22 m uestra la secuencia de pasos en el m aquinado fotoquím ico, cuando éste se aplica al suajado químico. Hay varias formas de exponer fotográficam ente la im agen deseada sobre el protector. La figura m uestra el negativo en contacto con la superficie del protector durante la exposición. Ésta es una im presión de contacto, pero se cuenta con otros m étodos de impresión fotográfica que exponen el negativo a través de un sistem a de lentes para am pliar o reducir el tam año del patrón impreso en la superficie del protector. Los materiales fotoprotectores de uso ac tual son sensibles a la luz ultravioleta, pero no a la luz de otras longitudes de onda. Por tanto, con una ilum inación adecuada en la fábrica, no es necesario realizar los pasos del procesam iento en un ambiente de cuarto oscuro. U na vez que se efectúa la operación de enm ascarillado, los pasos restantes del procedim iento son similares a los de otros métodos de m aquinado quím ico. En el maquinado fotoquímico, el término que corresponde al factor de ataque químico es anisotropía, la cual se define como la profundidad del corte d dividida entre el excedente de corte u
706
> M icrom aquinado. A dem ás de cortar pequeños orificios y ranuras estrechas, hay otras apli caciones de rem oción de m ateriales donde la parte de trabajo o áreas que se van a cortar son muy pequeñas. Es posible usar ciertos procesos no tradicionales, tales como el PCM , el LBM y EMB para estas aplicaciones de microm aquinado.
(véase figura 27.18). Es el valor recíproco del factor de ataque químico, definido en la ecuación (27.9). En forma de ecuación.
*- C avidades poco profundas y detalles de superficie en partes planas. Hay un rango muy am plio e im portante en los tam años de las partes para esta categoría, desde chips m icroscópi cos para circuitos integrados hasta grandes paneles para aeronaves. El maquinado quím ico y sus variantes se usan para realizar este trabajo.
en donde A = grado de anisotropía; Ft = factor de ataque quím ico; d = profundidad de corte; y u = excedente de corte.
27.5
707
Sección 27.5 / Consideraciones para la aplicación
Capitulo 27 / Maquinado r,o tradicional y procesos de corte térmico
*• Creación de fo rm a s con contornos especiales para aplicaciones de moldes y matrices. En ocasiones estas aplicaciones se denom inan como producción de matrices. Con mucha fre cuencia se prefieren el EDM y el ECM para estas situaciones.
CONSIDERACIONES PARA LA APLICACIÓN Las aplicaciones normales de los procesos no tradicionales incluyen la geom etría con características de partes especiales y los materiales de trabajo que no se procesan con facilidad m ediante las téc nicas convencionales. En esta sección exam inarem os estos aspectos. También haremos un resumen de las características de rendimiento generales de los procesos no tradicionales.
Materiales de trabajo Como grupo, los procesos no tradicionales se aplican a casi todos los materiales de trabajo, tanto metales com o no metales. Sin em bargo, cienos procesos no son con venientes para cienos materiales de trabajo. La tabla 27.4 relaciona la aplicabilidad de los procesos no tradicionales a diversos tipos de materiales. Varios de estos procesos pueden usarse sobre metales, pero nunca sobre no metales. Por ejem plo, el ECM . el EDM y el PAM requieren materiales de trabajo que sean conductores eléctri cos. Esto generalm ente limita su aplicabilidad a panes metálicas. El maquinado quím ico depende dc la disponibilidad de un m aterial de ataque químico apropiado para el material de trabajo deter minado. Dado que los metales son m is susceptibles al ataque quím ico de cienos m ateriales, por lo general se usa el CHM para procesar metales. Con algunas excepciones, es posible usar el m aquinado ultrasónico, el maquinado con cho rro abrasivo, el m aquinado con haz de electrones y el m aquinado con rayo láser tanto en metales com o en no metales. G eneralm ente, el W JC está limitado al cone de plásticos, cartulinas, textiles y otros materiales que no poseen la resistencia de los metales.
Características de ia geometría de partes de trabajo A continuación se describen algu nas de las formas de partes de trabajo especiales, para las que son convenientes los procesos no tradicionales, adem ás se ilustran en la figura 27.23: > Orificios m uy pequeños que son m enores de 0.005 pulg (0.125 mm) de diám etro. Por lo ge neral, esto es más pequeño que el rango de diám etro posible con las brocas para taladro con vencionales. Es posible usar el maquinado por rayo láser para hacer orificios con tam años de 0.001 pulg (0.025 mm) de diámetro. »• Orificios cuya relación entre profundidad y diámetro es grande (por ejemplo, d/D > 20). Excepto por el taladrado de inyección, estos orificios no pueden maquinarse en las operaciones de tala drado convencionales. En estas aplicaciones se usan con éxito el ECM y el EDM. ► Orificios que no son redondos y, por tanto, no pueden taladrarse con una broca de taladro rotatorio. Para estas aplicaciones se usan el ECM y el EDM debido a que las herramientas no rotan. >■ C one de ranuras estrechas en láminas y placas de diferentes materiales, en donde las ranuras no son necesariamente rectas. Es posible usar el EBM, el LBM , el EDM por alambre, el corte con chorro de agua y el corte con chorro de agua abrasiva para diversas aplicaciones en esta ca tegoría. Algunos de estos procesos se usan para cortar formas extremadamente complicadas. FIGURA 27.23 Formas especiales para las que son convenientes los procesos de maquinado no tradicionales: (a) orificios con un diámetro muy pequeño, (b) orificios con una relación muy grande entre profundidad y diámetro, (c) orificios no redondos, (d) ranuras estrechas y no rectas, (e) cavidades
TABLA 2 7 .4 d e trabajo.
A p lic ab ilid ad d e p ro ceso s d e m a q u in a d o n o tra d icio n ales s e le c c io n a d o s p ara diversos m ateriales
Procesos no tradicionales
Material de trabajo Aluminio Acero Superaleaciones Cerámica Vidrio Silicio a Plástico Cartulinas b Telas'
Procesos
Mecánicos
Eléctricos
USM WJC
ECM
EDM
EBM
LBM
PAC
CHM
B A A D D D D D D
B A A D D D D D D
B B B A B B B
B B B A B B B
A A A D D D D D D
A A B C B B C D D
C B C A A
C D D D D
B D D
B A A
Térmicos
Químicos
convencionales Fresado Esmerilado A A B D D D B D D
A A B B B B C D D
Recopilado de [13) y otras fuentes. Para establecer comparaciones, se incluyen el fresado y el esmerilado convencionales. Clave: A = buena aplicación, B = aplicación regular, C = aplicación deficiente, D = no es aplicable. Los espacios en blanco indican que no se encontraron datos disponibles durante la recopilación. * Se refiere al silicio usado en la fabricación de chips de circuitos integrados. b Incluye otros productos de papel. c Incluye fieltro, cuero y materiales similares.
(e)
(0
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Rendimiento de los procesos no tradicionales En general, los procesos no tradicionales se caracterizan por las velocidades bajas en la remoción de material y energías específicas altas, en relación con las operaciones de m aquinado convencionales. La capacidad de control de las dim en siones y el acabado superficial de los procesos no tradicionales varían mucho, pues mientras algunos proporcionan una enorm e precisión y buenos acabados, otros producen acabados y preci
708
Cuestionario de opción múltiple
Capítulo 27 / Maquinado no tradicional y procesos de corte térmico
siones deficientes. Otra consideración es el daño de las superficies. Algunos de estos procesos pro ducen muy poco daño m etalúrgico sobre e inm ediatam ente abajo de la superficie de trabajo, en tanto que otros (sobre todo los térm icos) causan un daño considerable a las superficies. La tabla 27.5 señala estas características im portantes de los procesos no tradicionales, y usa el fresado y el esmerilado de superficie convencionales com o patrones o marcos de referencia com parativos. Un análisis de los datos revela am plias diferencias en las características de maquinado. Al comparar las características de los m aquinados no tradicional y convencional, no debe olvidarse que los procesos no tradicionales se usan generalm ente cuando los m étodos conven
PREGUNTAS DE REPASO 27.1. ¿Por qué son importantes los procesos no tradicionales de remoción de material? 27.2. Hay cuatro categorías de procesos no tradicionales de maquinado basadas en una forma de energía prin cipal. Nombre las cuatro categorías. 27.3. ¿Cómo funciona el proceso de maquinado ultrasónico? 27.4. Describa el proceso de WJC. 27.5. ¿Cuál es la diferencia entre el WJC, el AWJC y el corte con chorro abrasivo? 27.6. Nombre los tres tipos principales de maquinado electroquímico. 27.7. Identifique las desventajas importantes del maquinado electroquímico. 27.8. ¿Cómo afecta una descarga creciente de corriente la velocidad de remoción de metal y el acabado exter no en el maquinado por descarga eléctrica? 27.9. ¿Qué significa el término excedente de corte en el maquinado por descarga eléctrica? 27.10. Mencione dos desventajas importantes del corte con plasma de arco. 27.11. ¿Cuáles son algunos de los combustibles usados en el corte con oxígeno y gas combustible? 27.12. Nombre los cuatro pasos principales en el maquinado químico. 27.13. ¿Cuáles son los tres métodos para realizar el paso de enmascarillado en el maquinado químico? 27.14. ¿Qué es un fotorresistente en el maquinado químico?
cionales no son prácticos o económ icos.
TABLA 27.5
Características de m aquinado en los procesos no tradicionales. Procesos
Procesos no tradicionales Mecánicos
Eléctricos
USM WJC
Químicos
Térmicos
convencionales Fresado Esmerilado
ECM
EDM
EBM
LBM
PAC
CHM
Velocidades de remoción de material
C
C
B
C
D
D
A
B -D '
A
B
Control de dimensiones
A
B
B
A-Db
A
A
D
A-Bb
B
A
Acabado de exteriores
A
A
B
B-Db
B
B
D
B
B-Cb
A
Daño de exteriores
B
B
A
D
D
D
D
A
B
B-Ch
Material de trabajo
CUESTIONARIO DE OPCION MULTIPLE
Recopilado de (13). Clave: A = excelente. B = bueno, C = regular y D = deficiente ■>La valoración depende del tamaño del trabajo y el método de enmascarillado. b La valoración depende de las condiciones del corte. c En el daño de exteriores, una buena calificación significa un daño mínimo y una calificación deficiente significa una profunda penetración que daña la superficie; los procesos térmicos pueden producir un daño de hasta 0.020 pulg (0.50 mm) bajo la nueva superficie de trabajo.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] Beilows, G.. and Kohls, J. B., “Drilling without Drills,” Special Report 743, Am erican M achinist, March 1982, pp. 173-188. [2] Benedict, G. F., Nontraditional M anufacturing Processes, Marcel Dekker. Inc., New York, 1987. [3] Dini, J. W., “Fundamentáis of Chemical Milling," Special Report 768, American M achinist , July 1984, pp. 99-114. [4] Drozda, T. J.. and Wick, C., Tool and M anufacturing Engineers Handbook, 4th ed., Vol. I, M achining, Society of Manufacturing Engineers, Dearbom. Mich., 1983, Chapter 14. [5] Machining Data Handbook, 3rd ed., Vol. 2, Machinability Data Center, Metcut Research Associates, Inc., Cincinnati, Ohio, 1980. [6] Masón, F.. “Water Jet Cuts Instrumeni Panels," American M achinist & Automated M anufacturing, July 1988, pp. 126-127. [7] McGeough. J. A., Advanced M ethods o f M achining,
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Hay un total de 18 respuestas correctas en el siguiente cuestionario. La calificación porcentual de la prueba debe basarse en este total. 27.1. ¿Cuáles de los siguientes procesos usan energía mecánica como la fuerte principal? (Puede ser más de una respuesta.) a) esmerilado, b) maquinado con rayo láser, c) fresado, d) maquinado ultrasónico, e) corte por chorro de agua y f) EDM con alambre. 27.2. El maquinado ultrasónico puede usarse para maquinar materiales tanto metálicos como no metálicos: a) cierto o b) falso. 27.3. Las aplicaciones del maquinado con haz de electrones se limitan a los materiales de trabajo metálico debido a la necesidad de que el trabajo sea eléctricamente conductivo: a) cierto, o b) falso. 27.4. ¿Cuál de las siguientes temperaturas se acerca más a la usada en el corte con arco de plasma? a) 5000 °F, b) 10 000 °F. c). 15 000 °F. d) 20 000 °F o e) 30 000 °F. 27.5 ¿Para cuál de las siguientes acciones se usa el fresado químico? (Puede ser más de una respuesta.) a) taladrar orificios con una alta relación entre profundidad y diámetro, b) hacer patrones complicados en láminas de metal, c) remover material para hacer cavidades huecas en metal, d) remover metal de pa neles para alas de aeronaves y e) cortar hojas de plástico. 27.6. ¿Cuál de los siguientes es un factor de ataque químico en el maquinado químico? (Puede ser más de una respuesta.) a) A, b) l / A, c) C i t, d) dlu, y e) utd, en donde A = grado de anisotropía, C = veloci dad de remoción específica, d = profundidad de corte, / = corriente, t = tiempo y u = excedente de corte. 27.7. De los siguientes procesos, ¿cuál se distingue por las velocidades más altas de remoción de material? a) maquinado por descarga eléctrica, b) maquinado electroquímico, c) maquinado con rayo láser, d) corte con oxígeno y gas combustible, e) corte con plasma de arco, 0 maquinado ultrasónico y g) corte con chorro de agua. 27.8 ¿Cuáles de los siguientes procesos serían apropiados para taladrar un orificio con una sección transver sal cuadrada de 0.25 pulg en un lado y 1 pulg de profundidad? (Puede haber más de una respuesta.) a) maquinado con chorro abrasivo, b) fresado químico, c) EDM, d) maquinado con rayo láser, e) corte con oxígeno y gas combustible, f) WJC y g) EDM con alambre. 27.9. ¿Cuál de los procesos siguientes sería apropiado para cortar una ranura delgada de menos de 0.015 pulg de ancho y una hoja de 3/8 pulg de grosor de plástico reforzado con fibra? (Puede haber más de una respuesta.) a) maquinado con chorro abrasivo, b) fresado químico, c) EDM, d) maquinado con rayo láser, e) corte con oxígeno y gas combustible, f) WJC y g) EDM con alambre. 27.10 ¿Cuál de los siguientes procesos sería apropiado para cortar un orificio de 0.003 pulg de diámetro a través de una placa de aluminio con un grosor de 1/16 pulg? (Puede haber más de una respuesta.)
Sección 28.1 / Panorama de la tecnología de la soldadura
713
ensam ble requieren alteraciones más com plejas de las formas (por ejem plo, taladrado de ori ficios) y adición de sujetadores (remaches o tuercas). El ensamble m ecánico resultante por lo general es más pesado que la soldadura correspondiente.
Parte VII
Procesos de unión y ensamble
>- La soldadura no se lim ita al ambiente de fábrica. Puede realizarse en el cam po. A unque la soldadura tiene las ventajas indicadas, tam bién tiene ciertas lim itaciones y desven tajas (o desventajas potenciales): >- La m ayoría de las operaciones de soldadura se realizan en forma m anual y son elevadas en térm inos de costo de m ano de obra. M uchas operaciones de soldadura se consideran cues tiones especializadas y no son muchas las personas que las realizan. >■ Casi todos los procesos de soldadura implican el uso de mucha energía, y por consiguiente son peligrosos.
FUNDAMENTOS DE SOLDADURA
>• Dado que la soldadura obtiene una unión perm anente entre los com ponentes, no permite un desensam ble adecuado. Si se requiere un desensam ble ocasional de producto (para reparación o m antenim iento), no debe usarse la soldadura com o m étodo de ensamble. *• La unión soldada puede padecer ciertos defectos de calidad que son difíciles de detectar. Los defectos pueden reducir la resistencia de la unión.
C O N T EN ID O DEL C A P ÍTU LO 28.1
28.2
28.3 28.4
Panorama de la tecnología de la soldadura 28.1.1 Tipos de procesos de soldadura 28.1.2 La soldadura como una operación comercial La unión por soldadura 28.2.1 Tipos de uniones 28.2.2 Tipos de soldaduras La física de la soldadura Características de una junta soldada por fusión
2 8 J PANORAMA DE LA TECN O LO GÍA DE LA SO LDADURA La soldadura im plica la fusión o unión localizada de dos partes metálicas en sus caras empalmantes. Las superficies em palm antes son las superficies de la parte que están en contacto o m uy cercanas para ser unidas. Por lo general, la soldadura se realiza sobre partes hechas del m ism o metal, pero es posible usar algunas operaciones para unir metales diferentes.
La soldadura es un proceso de unión de materiales en el cual se funden las superficies de contacto de dos (o m ás) partes m ediante la aplicación conveniente de calor o presión. La integración de las partes que se unen m ediante soldadura se denom ina un ensam ble soldado. M uchos procesos de soldadura se obtienen solamente por calor, sin aplicar presión; otros mediante una com binación de calor y presión; y unos más únicamente por presión, sin aportar calor externo. En algunos casos se agrega un material de aporte o relleno para faci litar la fusión. La soldadura se asocia por lo regular con partes metálicas, pero el proceso también se usa para unir plásticos. N uestro análisis de la soldadura en los capítulos 28 y 29 se enfocará en la unión de metales. La soldadura es un proceso relativam ente nuevo (véase nota histórica 28.1). Su im por tancia comercial y tecnológica se deriva de lo siguiente: »■ La soldadura proporciona una unión permanente. Las partes soldadas se vuelven una sola unidad. >■ La unión soldada puede ser más fuerte que los materiales originales, si se usa un metal de relleno que tenga propiedades de resistencia superiores a la de los m ateriales ori ginales y se em plean las técnicas de soldadura adecuadas. >- En general, la soldadura es la form a más económ ica de unir com ponentes, en térm inos de uso de m ateriales y costos de fabricación. Los métodos mecánicos alternativos de
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Nota histórica 28.1 Orígenes de la soldadura *1» unque la soldadura se considera un proceso relativamente nuevo de acuerdo a como se practica actualmente, sus orígenes se remontan a épocas antiguas. Alrededor del año 1000 a.C., los egipcios y otros pueblos en el área oriental del Mediterráneo aprendieron a obtener la soldadura por forja (sección 29.5.2). C o m o una extensión natural de la forja térmica, la usaron para fabricar armas, herramientas y otros implementos Los arqueólogos han recuperado artículos de bronce soldados por forja de las pirámides de Egipto. Desde estos comienzos hasta la Edad Media, el comercio de soldadura por forja llevó el arte de la soldadura por martilleo a un alto nivel de madurez. En India y Europa se han encontrado objetos soldados de hierro y otros metales que datan de esos tiempos. No fue sino hasta el siglo xix que se establecieron las bases tecnológicas de la soldadura moderna. Durante este periodo se hicieron dos descubrimientos importantes, ambos atribuidos al científico inglés Sir Humphrey Davy- 1) el arco eléctrico y 2) el gas acetileno. Alrededor de 1801, Davy observó que podía generarse un arco eléctrico entre dos electrodos de carbono. Sin embargo, fue hasta mediados del siglo xix. cuando se inventó el generador eléctrico, que hubo la corriente eléctrica suficiente para sostener una soldadura con arco eléctrico. Fue el ruso Nikolai Benardos, preparando un laboratorio en
714
Capítulo 28 / Fundamentos de soldadura
Sección 28.1 / Panorama de la tecnología de la soldadura
I Francia, quien concedió una serie de patentes para el proceso de soldadura con electrodo j de carbono (una en Inglaterra en I885 y otra en Estados Unidos en 1887). Al terminar el i siglo pasado, la soldadura con electrodo de carbono se había convertido en un proceso I comercial muy difundido para unir metales. Los inventos de Benardos parecen haberse limitado a la soldadura con electrodo de I carbono En I892. un estadunidense llamado Charles Coffin obtuvo una patente en i Estados Unidos para desarrollar un proceso de soldadura con arco eléctrico, utilizando un í electrodo de metal La característica singular fue que el electrodo agregó un relleno de i metal a la unión soldada (el proceso de soldadura con arco eléctrico de carbono no j deposita un material de aporte). Después se desarrolló la idea de recubrir el electrodo de l metal (para proteger el proceso de soldadura de la atmósfera), y desde 1900 se hicieron j mejoramientos al proceso de soldadura con arco eléctrico metálico en Inglaterra y Suecia. Entre I885 y 1900. E. Thompson descubrió varias formas de soldadura por resistencia. Éstas i incluyen la soldadura de puntos y la soldadura engargolada, dos métodos de unión que en j la actualidad se usan mucho en el procesamiento de láminas de metal, í Aunque Davy descubrió el gas de acetileno al principio del siglo xix. la soldadura con i oxígeno y gas combustible requirió el invento posterior de sopletes para combinar el acetileno i y el oxígeno, alrededor de 1900. Durante la década que inició en 1890. se mezclaron el : hidrógeno y el gas natural con el oxígeno para soldadura, pero la flama obtenida con el | oxiacetileno obtuvo temperaturas significativamente más altas. Estos tres procesos de soldadura— la soldadura con arco eléctrico, la soldadura por | resistencia y la soldadura con oxígeno y gas combustible— constituyen por mucho la i mayoría de las operaciones de soldadura que se eiecutan actualmente.
28.1.1
(1) Vista frontal (antes)
>- Otros procesos de soldadura por fusión. A dem ás de los tipos anteriores, hay otros procesos de soldadura que producen la fusión de los metales unidos. Los ejemplos incluyen la sol dadura con haz de electrones y la soldadura con rayo láser. También se usan cienos procesos de arco eléctrico, al igual que de oxígeno y gas com bustible para cortar metales (secciones 27.3.4 y 27.3.5). S o ld a d u ra d e e sta d o só lid o La soldadura de estado sólido se refiere a los procesos de unión en los cuales la fusión proviene de la aplicación de presión solam ente o una com binación de calor y presión. Si se usa calor, la tem peratura del proceso está por debajo del punto de fu sión de los metales que se van a soldar. No se utiliza un metal de aporte en los procesos de esta do sólido. A lgunos procesos representativos de soldadura de este tipo incluyen los siguientes:
La A merican W elding Society (Sociedad N orteam ericana de Soldadura) ha catalogado más de 50 tipos de operaciones distintas, que utilizan diversos tipos o com binaciones de energía para propor cionar la energía requerida. Podem os dividir los procesos de soldadura en dos grupos principales: 1) soldadura por fusión y 2 ) soldadura de estado sólido.
>- Soldadura por difusión, SD (en inglés DFW ). En la soldadura por difusión, se colocan ju n tas dos superficies bajo presión a una tem peratura elevada y se produce la coalescencia de las partes por medio de fusión de estado sólido. *• Soldadura p o r fricción, SF (en inglés FRW.) En este proceso, la coalescencia se obtiene mediante el calor de la fricción entre dos superficies.
S o ld a d u ra p o r fusión Los procesos de soldadura p o r fu sió n usan calor para fundir los metales base. En muchas operaciones de soldadura por fusión, se añade un metal de apone a la combinación fundida para facilitar el proceso y aportar volumen y resistencia a la unión soldada. Una operación de soldadura por fusión en la cual no se añade un metal de aporte se denomina sol dadura autógena. La categoría p or fusión com prende los procesos de soldadura de uso más amplio e incluye los siguientes grupos generales:
>- Soldadura ultrasónica, SU (en inglés USW ). La soldadura ultrasónica se realiza aplicando una presión m oderada entre las dos partes y un m ovim iento oscilatorio a frecuencias ultra sónicas en una dirección paralela a las superficies de contacto. La combinación de las fuerzas normales y vibratorias produce intensas tensiones que remueven las películas superficiales y obtienen la unión atómica de las superficies.
>■ Soldadura con arco eléctrico, SA E (en inglés AW). La soldadura con arco eléctrico hace referencia a un grupo de procesos de soldadura en los cuales el calentam iento de los metales se obtiene mediante un arco eléctrico, como se muestra en la figura 28.1. Algunas de las operaciones de soldadura con arco eléctrico también aplican presión durante el proceso, y la mayoría utiliza un metal de apone.
*■ Soldadura con oxígeno y gas com bustible, SOGC (en inglés OFW ). Estos procesos de unión usan un gas de oxígeno com bustible, tal com o una mezcla de oxígeno y acetileno, con el propósito de producir una flama caliente para fundir la base m etálica y el metal de apone, en caso de que se utilice.
(3) Vista frontal (después)
FIGURA 28.1 Fundamentos de la soldadura con arco eléctrico: (1) antes de la soldadura; (2) durante la soldadura, se funde la base metálica y se agrega el metal de aporte al conjunto fundido y (3) la soldadura terminada. Hay muchas variaciones del proceso de soldadura con arco eléctrico.
Tipos de procesos de soldadura
>■ Soldadura p o r resistencia, SR (en inglés RW). La soldadura por resistencia obtiene la fu sión usando el calor de una resistencia eléctrica para el flujo de una corriente que pasa entre las superficies de contacto de dos panes sostenidas juntas bajo presión.
(2) Vista d e sección transversal (lateral) durante la soldadura
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En el capítulo 29, describim os los diferentes procesos de soldadura con m ayor detalle. La lista anterior proporciona una referencia suficiente para nuestro análisis de la term inología y los principios de soldadura en este capítulo.
.2
La soldadura como una operación comercial
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Las aplicaciones principales de la soldadura están en [3] 1) la construcción (por ejem plo, edificios y puentes); 2) la producción de tuberías, recipientes a presión, calderas y tanques de alm ace namiento; 3) la construcción naval; 4) la industria de la aeronáutica y el espacio; y 5) los automóviles y los ferrocarriles. La soldadura se realiza en diferentes instalaciones y en diversas industrias. D ebido a su versatilidad com o técnica de ensam ble para productos com erciales, muchas
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Capítulo 28 / Fundamentos de soldadura
Sección 28.2 / La unión por soldadura
operaciones de soldadura se ejecutan en fábricas. Pero varios de los procesos de soldadura tradi cionales, tales como la soldadura con arco eléctrico y la soldadura con oxígeno y gas combustible, emplean equipo que se mueve con facilidad, por lo que estas operaciones no se limitan a una fábri ca; se realizan en lugares de construcción, en patios, en las instalaciones de un cliente y en los
bajo en relación con la cabeza de soldadura. También requiere un m ayor grado de consistencia y precisión en las partes com ponentes usadas en el proceso. Por estas razones, la soldadura autom áti ca sólo se justifica para producción de cantidades grandes. En la soldadura robótica se usa un robot industrial o un m anipulador program able que con trola en form a autom ática el m ovim iento de la cabeza para soldar con respecto al trabajo (sección 37.2.3). El alcance versátil del brazo del robot permite el uso de instalaciones relativam ente sim ples, y la capacidad del robot para reprogram arse con nuevas configuraciones de las partes permite que esta forma de autom atización se justifique para cantidades de producción relativam ente bajas. U na celda robótica de soldadura con arco eléctrico normal consta de dos instalaciones para sol dadura y un ajustador humano para cargar y descargar partes mientras el robot efectúa la soldadu ra. A dem ás de la soldadura con arco eléctrico, también se usan robots industriales en las plantas de ensam ble final de autom óviles para realizar soldadura por resistencia sobre carrocerías, véase lámi na 11, capítulo 1, y figura 37.10.
talleres de reparación de autom óviles. La mayoría de las operaciones de soldadura requiere un trabajo intenso. Por ejem plo, nor m alm ente la soldadura con arco eléctrico la realiza un trabajador calificado, llam ado soldador, quien controla m anualm ente la trayectoria o colocación de la soldadura para unir partes indivi duales en una unidad más grande, (véase lám ina 10, capítulo 1.) En las operaciones de fábrica donde se realiza la soldadura con arco eléctrico en form a manual, con frecuencia el soldador tra baja con un segundo trabajador, llam ado ajustador. El trabajo del ajustador es ordenar los com ponentes individuales para el soldador antes de practicar la soldadura. Se usan sujetadores y posicionadores de soldadura para ay u d ar en esta función. U na instalación para soldadura es un dispositivo para asegurar y sostener los com ponentes en una posición fija para la soldadura. Como dicha instalación se fabrica sobre pedido para la geom etría particular de la soldadura, debe tener una justificación económ ica con base en la cantidad de ensam bles que se van a producir. Un posicionador de soldadura es un dispositivo que sostiene las partes y tam bién mueve el ensam ble a la posición deseada para soldar. La diferencia entre este dispositivo y una instalación de soldadura es que sostiene las partes en una sola posición fija. Por lo general, la posición desea da es aquella en la que la trayectoria de soldadura es plana y horizontal.
28.2
LA UNION POR SO LDADURA La soldadura produce una conexión sólida entre dos partes, denom inada unión por soldadura. Esta unión po r soldadura es el contacto de los bordes o superficies de las partes que se han unido m edi ante soldadura. En esta sección, se exam inará el tem a de las uniones por soldadura, los tipos de uniones y los diferentes tipos de soldaduras que se usan para unir las partes que forman precisa mente esta acción.
La cuestión de la seguridad La soldadura es inherentemente peligrosa para las personas. Quienes ejecutan estas operaciones deben tomar medidas de seguridad. Las altas temperaturas de los metales fusionados en la soldadura son un peligro obvio. En la soldadura con gas, los combustibles (por ejemplo, el acetileno) corren el riesgo de incendiarse. Gran parte de los procesos usan mucha energía para producir la fusión de las superficies de las partes que se van a unir. En muchos procesos de soldadura, la corriente eléctrica es una fuente de energía térmica, por lo que existe el riesgo de una descarga eléctrica para el trabajador. Ciertos procesos de soldadura tienen sus propios peligros particu lares. Por ejemplo, en la soldadura con arco eléctrico, se emite radiación ultravioleta, la cual es peli grosa para los ojos. El soldador debe usar una careta especial que incluye una ventana oscura con un filtro, igual que en la lámina 10, capítulo 1. Esta ventana filtra la radiación peligrosa, pero es tan oscu ra que deja al soldador virtualmente ciego, excepto cuando se descarga el arco eléctrico. Las chispas, las salpicaduras de metal fundido, el humo y los vapores aumentan los riesgos asociados con las operaciones de soldadura. Deben usarse instalaciones ventiladas para extraer los vapores peligrosos que generan algunos de los flujos y metales fundidos que se usan en la soldadura. Si la operación se realiza en un área cerrada, se requieren trajes o capuchas con ventilación especial.
28.2.1 Tipos de uniones Hay cinco tipos básicos de uniones para integrar dos partes de una junta. De acuerdo con la figura 28.2 se definen del modo siguiente: (a) Unión empalmada. unen en sus bordes.
En este tipo de unión, las partes se encuentran en el m ism o plano y se
(b) Unión de esquina. Las partes en una unión de esquina forman un ángulo recto y se unen en la esquina del ángulo. (c) Unión superpuesta. (d) Unión en T. a la letra T.
Esta unión consiste en dos partes que se sobreponen.
En la unión en T, una parte es perpendicular a la otra en una form a parecida
(e) Unión de bordes. Las partes en una unión de bordes están paralelas con al menos uno de sus bordes en com ún y la unión se hace en el borde común.
La automatización en la soldadura D ebido a los riesgos de la soldadura m anual y los esfuerzos de aumentar la productividad y m ejorar la calidad de los productos, se han desarrollado diversas formas de m ecanización y autom atización. Las categorías incluyen la soldadura con máquina, la soldadura autom ática y la soldadura robótica. La soldadura con m áquina se define com o una soldadura m ecanizada con equipo que realiza la operación bajo la supervisión continua de un operador. N ormalmente se obtiene mediante una cabeza para soldadura que se m ueve por medios m ecánicos respecto al trabajo estacionario o m oviendo el trabajo en relación con la cabeza de soldadura estacionaria. El trabajador hum ano debe observar continuamente e interactuar con el equipo para controlar la operación. Si el equipo es capaz de ejecutar la operación sin el ajuste de los controles por parte de un operador humano, se denom ina una soldadura autom ática. Una persona siempre está presente para vigilar el proceso y detectar variaciones de las condiciones normales. Lo que distingue la soldadura automática de la soldadura con m áquina es un controlador del ciclo de soldadura, que regula el m ovimiento del arco eléctrico y la posición de la pieza de trabajo sin atención hum ana continua. La soldadura automática requiere una instalación o un posicionador de soldadura para colocar el tra-
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FIGURA 28.2
: ¡ ^ *
Cinco tipos básicos de uniones: (a) empalmada, (b) de esquina, (c) superpuesta, (d) en T y (e) de bordes.
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28.3
Capítulo 28 / Fundamentos de soldadura
Sección 28.3 / La física de la soldadura
LA FISICA DE LA SO LDADURA
721
la densidad de energía no es uniform e por toda la superficie afectada; se distribuye com o una fun ción del área, com o se dem uestra m ediante el ejemplo siguiente.
Aunque hay varios mecanismos para fundir la soldadura, la fusión es por mucho el medio m ás común. Para conseguir la fusión, se aplica una fuente de energía calorífica de alta densidad a las superficies que se van a em palm ar y las temperaturas resultantes son suficientes para producir la fusión localiza da de los metales base. Si se agrega un metal de aporte, la densidad calorífica debe ser suficientemente alta para fundirlo también. La densidad calorífica se define com o la energía transferida al trabajo por unidad de área de superficie, esto es, Btu/seg-pulg2 (W /mm2). El tiempo para fundir el metal es inver samente proporcional a la densidad de la potencia. A bajas densidades de potencia, se requiere una gran cantidad de tiempo para producir la fusión. Si la densidad de energía es demasiado baja, el calor se conduce al trabajo tan rápidamente como se transmite a la superficie y nunca ocurre la fusión. Se ha encontrado que la mínima densidad de energía requerida para fundir la mayoría de los metales en la soldadura es de aproximadamente 6 Btu/seg-pulg2 (10 W /m m 2). Conforme aumenta la densidad calorífica, se reduce el tiempo de fusión. Si la densidad de energía es demasiado alta, un poco arriba de 60 000 But/seg-pulg2 (105 W /mm2), las temperaturas localizadas vaporizan el metal en la región afectada. Por tanto, hay un rango de valores prácticos para la densidad de energía, dentro del cual puede ejecutarse la soldadura. Las diferencias entre los procesos de soldadura en este rango son: 1) la velocidad a la que se ejecuta la soldadura o 2) el tamaño de la región que puede soldarse. La tabla 28.1 proporciona una comparación de la densidad de energía para los grupos principales de procesos de soldadura por fusión (además de dos operaciones con densidad de energía m uy alta). La soldadura con oxígeno y gas combustible es capaz de desarrollar grandes cantidades de calor, pero la densidad de calor es relativamente baja debido a que se extiende sobre un área grande. El gas oxiacetileno, el más caliente de los combustibles para soldadura con oxígeno y gas combustible, arde a una temperatura máxima de alrededor de 630 °F (3500 °C). En comparación, la soldadura con arco eléctrico produce alta energía sobre un área más pequeña, lo que genera temperaturas locales de 10 000 a 12 000 °F (5500 a 6600 °C). Por razones metalúrgicas, es conveniente fundir metales con el mínimo de energía y en general se prefieren las densidades caloríficas altas.
EJEM P LO 28.1
D en sid a d de en erg ía en la so ld ad u ra
U na fuente de calor es capaz de transferir 3.0 Btu/seg a la superficie de una parte m etálica. El calor afecta la superficie en un área circular, con intensidades variables dentro de ésta. La distribución es la siguiente: 70% de la energía se transfiere dentro de un círculo con un diám etro = 0.2 pulg y el 90% se transfiere dentro de un círculo concéntrico con un diám etro = 0.5 pulg. ¿Cuáles son las den sidades de energía en a) el círculo interno de 0.2 pulg de diám etro y b) el anillo con un diám etro de 0.5 pulg que se encuentra alrededor del círculo interno? Solución:
a) El círculo interno tiene un área de:
.
¿ = 7r(0'2 ) . = 0.0314 pulg2 4
La energía dentro de esta área P = 0.70 x 3.0 = 2.1 Btu/seg. Por tanto, la densidad de energía PD = 2.1/0.0314 = 67 B tu/seg-pulg2. b) El área del anillo fuera del círculo interno es: , tt( 0 .5 2 - 0.22) ,, A — --------- ---------- = 0 . 165 pulgLa energía en esta región P = 0.9 x 3.0 - 2.1 = 0.6 Btu/seg. Por tanto, la densidad de energía PD = 0.6/0.165 = 3.6 B tu/seg-pulg2. Observación: L a densidad de energía parece lo suficientem ente alta para fundir en el círculo interno, pero es p ro b a b le que no sea su fic ie n te en el an illo que se en cu en tra fu e ra del c írc u lo interno. ü
TABLA 28.1 C om paración de varios procesos de soldadura por fusión con base en sus densidades de potencia. Proceso d e so ld ad u ra
B tu/seg-pulg2 ap ro x im ad o s
Soldadura con oxígeno y gas combustible Soldadura con arco eléctrico Soldadura por resistencia Soldadura con rayo láser Soldadura con haz de electrones
6 30 600 5000 6000
La cantidad de calor requerida para fundir un cierto volumen de metal es la sum a de 1) el calor para elevar la tem peratura del m etal sólido a su punto de fusión, la cual depende del calor específico volum étrico del metal y 2) el calor para transform ar el metal de la fase sólida a líquida en el punto de fusión, el cual depende de la tem peratura de fusión del metal. Para una aproxim ación razonable, esta cantidad de tem peratura puede estim arse mediante [4]
D ensidad d e en ergía (W / m m 2) (10) (50) (1000) (9000) (10000)
Um = K T l
La densidad de energía se calcula com o la potencia que entra a la superficie dividida por el área superficial correspondiente:
en donde PD = densidad de energía, en Btu/seg-pulg2 (W /m m 2); P = potencia que entra a la super ficie, en Btu/seg (W ); y A = área superficial por la que entra energía, en pulg2 (m m 2). La cuestión es más complicada de lo que indica la ecuación (28.1). U na dificultad es que la fuente de energía (por ejemplo, el arco eléctrico) se mueve en muchos procesos de soldadura, lo que produce un calentamiento antes de la operación y un calentam iento después de ella. Otra com plicación es que
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(28.2)
en donde Um = la energía unitaria para fundir, la cantidad de calor requerida para fundir una unidad de volumen de m etal, em pezando a tem peratura ambiente, en B tu/ pulg3 (J/m m 3); Tm = punto de fusión del metal en una escala de tem peratura absoluta, °R (K); y K = constante cuyo valor es 1.467 x 10~5 para la escala de tem peratura rankine, y K = 3.33 x 10-6 cuando se usa la escala kelvin. Las temperaturas de fusión absoluta para los m etales seleccionados se presentan en la tabla 28.2. No toda la energía que ingresa se usa para fundir el metal soldado. Hay dos m ecanism os de transferencia de calor en el trabajo y am bos reducen la cantidad de calor disponible para el proce so de soldadura. El prim er m ecanism o es la transferencia de calor entre la fuente de calor y la super ficie de trabajo. Este proceso tiene cierta eficiencia de transferencia de calor / , , definida com o la razón del calor real que recibe la pieza de trabajo por el calor total que genera la fuente. El segun do mecanismo im plica la conducción del calor lejos del área de soldadura para disiparse a través del metal de trabajo, por lo que sólo una porción del calor transferido a la superficie está disponible
722
Sección 28.3 / La física de la soldadura
Capítulo 28 / Fundamentos de soldadura
Ahora podem os escribir una ecuación de equilibrio entre el ingreso de energía y la energía necesaria para soldar:
TABLA 28.2 Temperaturas de fusión sobre la escala de temperatura absoluta d e metales seleccionados Metal Aleaciones de aluminio Hierro fundido Cobre y aleaciones Puro Latón Bronce Inconel Magnesio Níquel Aceros Al bajo carbono Al medio carbono Al alto carbono Aleación baja Aceros inoxidables Austenítico Martensítico Titanio
Temperatura de fusión ° R* Kelvinsb 1680 2760
(930) (1530)
2440 2090 3000 1700 3110
(1350) (1160) (1120) (1660) (940) (1720)
3160 3060 2960 3060
(1760) (1700) (1650) (1700)
3010 3060 3730
(1670) (1700) (2070)
2010
723
H w = Um V
(28.4)
en donde H w = energía calorífica neta trasmitida para la operación, en Btu (J); Um = energía unitaria requerida para fundir el metal, en Btu/pulg3 (J/mm3); y V = volumen de metal fundido, en pulg3 (m m 3). La m ayoría de las operaciones de soldadura son procesos de velocidad; esto es, la energía calorífica neta H w se proporciona a cierta velocidad y la gota de soldadura se form a a cierta veloci dad de viaje. Por ejem plo, esto es característico de la m ayoría de las operaciones de soldadura con arco eléctrico y m uchas de las actividades de soldadura con oxígeno y gas com bustible. Por tanto, es conveniente expresar la ecuación (28.4) en forma de una ecuación de equilibrio de velocidad: H R w = Um W V R
(28.5)
en donde H RW= velocidad de energía calorífica proporcionada para la operación, en Btu/min (J/seg = W ); y WVR = razón de volum en de metal soldado, en pulg3/m in (m m 3/seg). En la soldadura de una gota continua, la rapidez volum étrica del metal soldado es el producto de área de soldadura A w y la velocidad de viaje v. Sustituyendo estos términos en la ecuación (28.5), la ecuación de equi librio de la rapidez puede expresarse como:
Basado en los valores de (1). 'Posición en la escala = temperatura fahrenheit + 460. bEscala Kelvin = temperatura celsius (centígrados) + 273.
H R W = f i f 2H R = Um A wv
(28.6)
en d o n d e /| y f 2 son las eficiencias de transferencia de calor y de fusión: HR = velocidad de ingre so de energía generada por la fuente de energía para soldadura, en Btu/min (W ); <4M = área de la sección transversal de la soldadura, en pulg2 (mm2); y v = la velocidad de viaje de la operación de soldadura, en pulg/m in (mm /seg).
para fusión. Esta eficiencia de fu sió n f 2 es la proporción del calor que recibe la superficie de traba jo que puede usarse para fusión. El efecto com binado de estas dos eficiencias reduce la energía calorífica disponible para soldadura del m odo siguiente:
Hw = fifz H
(28.3)
en donde Hw = calor neto disponible para soldadura, en Btu (J );/i = eficiencia de transferencia de calor: f 2 - eficiencia de fusión; y H = calor total generado por el proceso de soldadura, en Btu (J). Es conveniente separar los conceptos p a ra /] y f 2, aun cuando actúen juntos durante el proce so de soldadura. La eficiencia de transferencia de calor f| se determina en gran parte por el proceso de soldadura y la capacidad de convertir la fuente de energía (por ejemplo, energía eléctrica) en un calor utilizable en la superficie de trabajo. A este respecto, los procesos de soldadura con oxígeno y gas combustible son relativam ente poco eficientes, en tanto que los procesos de soldadura con arco eléctrico son bastante eficientes. La eficiencia de fusiónf 2 depende del proceso de soldadura, pero también influyen en ella las propiedades térmicas del m etal, la configuración de la unión y el grosor de la pieza. Los metales con alta conductividad térm ica, como el alum inio y el cobre, representan un problem a para la sol dadura, debido a la rápida disipación del calor en el momento de hacer contacto con el área de tra bajo. El problema aum enta con las fuentes caloríficas para soldadura que poseen bajas densidades de energía (por ejemplo, la soldadura con oxígeno y gas combustible), debido a que al ingresar el calor se extiende sobre un área más grande, lo que facilita la conducción dentro de la pieza. En general, una fuente de calor para soldadura de alta intensidad combinada con un material de traba jo de baja conductividad produce una alta eficiencia de fusión.
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E JEM P LO 2 8 .2
V e lo c id a d de v ia je en so ldad ura
La fuente de energía en una instalación para soldadura particular es capaz de generar 200 Btu/min. que pueden transferirse a la superficie de trabajo con una e fic ie n cia /j = 0.7. El metal que se va a soldar es de acero al bajo carbono, cuya temperatura de fusión, tom ada de la tabla 28.2, es Tm = 3160 °R. La eficiencia de fusión en la operación es f 2 = 0.5. Se realizará una soldadura de filete con tinua con un área de sección transversal A w = 0.03 pulg2. D eterm ine la velocidad de viaje a la cual puede realizarse la operación de soldadura. Solución:
Prim ero encontrem os la unidad de energía requerida para fundir el metal U„ a partir de
la ecuación (28.2). Um = 1.467(10- 5 ) x 31602 = 146.5 B tu/pulg3 Si reordenamos la ecuación (28.6) para solucionar la velocidad de viaje, tenemos: fifz H R
Y si resolvemos para las condiciones del problema,
“ =
(0.7)(0.5)(200) (146.5X0.03)
ic n
, , . pulg/mm
■
En este capítulo exam inam os cóm o se generan la densidad de energía en la ecuación (28.1) y la velocidad de ingreso de energía para la ecuación (28.6) para algunos de los procesos de soldadura individuales.
724
28.4
Preguntas
Capítulo 28 / Fundamentos de soldadura
ción química en la zona afectada por el calor es igual a la del metal base, pero esta zona ha sido tratada con calor debido a las tem peraturas de soldadura, por lo que se han alterado sus propiedades y estructura. La cantidad de daño m etalúrgico en la HAZ depende de factores tales com o la canti dad de calor que ha ingresado y la m áxim a tem peratura alcanzada, la distancia de la zona de fusión, el intervalo de tiem po al que ha estado sujeto el metal a altas tem peraturas, la velocidad de en friam iento y las propiedades térmicas del metal. El efecto sobre las propiedades mecánicas en la zona afectada por el calor por lo general es negativo y en esta región con frecuencia ocurren fallas en la junta soldada. Conforme aum enta la distancia de la zona de fusión, se alcanza por fin la zona de m etal base no afectada, en la cual no ha ocurrido un cam bio metalúrgico. No obstante, es probable que el metal base que rodea la H A Z presente un estado de alta tensión residual, producido por la contracción en la zona de fusión. -
CARACTERISTICAS DE UNA JUNTA SO LDADA POR FUSION La m ayoría de la uniones de soldadura consideradas anteriorm ente son fusiones soldadas. C om o se ilustra en la sección transversal de la figura 28.8(a), una junta soldada por fusión com ún, a la cual se ha agregado un metal de aporte, consta de varias zonas: 1) zona de fusión, 2) interface de sol dadura, 3) zona afectada por el calor y 4) zona de metal base no afectada. La zona de fu sió n consiste en una m ezcla de metal de aporte y de metal base que se ha fun dido por completo. Esta zona se caracteriza por un alto grado de homogeneidad entre los metales componentes que se han fundido durante la soldadura. El motivo principal por el que se mezclan estos componentes es la convección que se suscita en el pozo de soldadura fundida. La solidifi cación en la zona de fusión se asem eja a un proceso de fundición. En la soldadura, el m olde se forma por medio de los bordes o superficies no fundidos de los componentes que se están soldan do. La diferencia significativa entre la solidificación en fundición y la soldadura es que en esta últi ma ocurre un crecim iento de grano epitaxiai. El lector debe recordar que durante la fundición se forman granos m etálicos a partir de la fusión, mediante la nucleación de partículas sólidas en la pared de fusión, seguida por el crecim iento del grano. En contraste, en el proceso de soldadura se evita la etapa de nucleación a través del mecanism o de crecim iento de grano epitaxiai, en el cual los átomos del pozo fundido se solidifican sobre los sitios reticulares preexistentes de la base m etálica sólida adyacente. En consecuencia, la estructura del grano en el área de fusión cerca de la zona afectada por calor tiende a im itar la orientación cristalográfica de la zona afectada por calor circundante. Más hacia el centro de la zona de fusión se desarrolla una orientación preferencial, en la cual los granos están aproxim adam ente perpendiculares a los límites de la interface de soldadu ra. La estructura resultante en la zona de fusión solidificada tiende a presentar granos colum nares burdos, como lo muestra la figura 28.8(b). La estructura del grano depende de varios factores que incluyen el proceso de soldadura, los metales que se sueldan (por ejemplo, metales idénticos con tra metales diferentes), si se utiliza un metal de aporte y la velocidad de alim entación a la que se obtiene la soldadura. Un análisis detallado de la metalurgia de soldadura está más allá del alcance de este texto, pero los lectores interesados pueden consultar varias de las referencias [3, 4], La segunda zona en la unión soldada es la interface de soldadura, un estrecho límite que se para la zona de fusión de la zona afectada por el calor. La interface consta de una banda com pleta y delgada de metal base fundido o parcialm ente fundido durante el proceso de fusión (el fundido se localiza dentro de los granos), el cual se ha solidificado inmediatamente después, antes de m ezclarse con el m etal en la zona de fusión. Por tanto, su com posición quím ica es idéntica a la del metal base. La tercera zona en la soldadura por fusión común es la zona afectada p o r el calor (en inglés HAZ). En esta zona, el metal ha experim entado temperaturas menores a su punto de fusión, aunque lo suficientemente altas para producir cam bios m icroestructurales en el metal sólido. La com posi-
FIGURA 28.8
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] Cary, H. B., M odern Welding Technology, Prentice Hall. Englew ood Cliffs, N.J., 1979. [2] Datsko, J., M aterial Properties a n d M anufacturing Processes. John W iley & Sons, Inc., N ew York, 1966, C hapter 4. [3] M etals H andbook. 9th ed.. Vol. 6. W elding, Brazing, and Soldering, A m erican Society for M etals, M etals
C olum nas en la zona de fusión
Interface de soldadura
Zona afectada por el calor (HAZ) Zona de metal b ase no afectado
G ranos gruesos en la afectada por el calor lejos de la interface d e soldadura G ranos m ás finos en la zona afectada por el calor lejos de la interface d e soldadura trabajados en frío originales
Park, O hio, 1983. [4] Welding H andbook, 8th ed.. Vol. 1, Am erican Welding Society. M iam i, Fia., 1987. [5] Wick, C., and Veilleux. R. F.. Tool and M anufacturing Engineers H andbook, 4th ed., Vol. FV. Q uality Control and Assem bly, C hapter 9.
PREGUNTAS
Sección transversal de una junta soldada por fusión común: (a) zonas principales en la unión
Zona de fusión
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28.1. ¿Cuáles son las ventajas y desventajas de la soldadura en comparación con otros tipos de operaciones de ensamble? 28.2. ¿Cuáles fueron los dos descubrimientos de Sir Humphrey Davy que condujeron al desarrollo de la tec nología de soldadura moderna? 28.3. ¿Qué significa el término superficie empalmante? 28.4. Defina el término soldadura por fusión. 28.5. ¿Cuál es la diferencia fundamental entre una soldadura por fusión y una soldadura de estado sólido? 28.6. ¿Qué es una soldadura autógenal 28.7. Analice las razones por las cuales casi todas las operaciones de soldadura son inherentemente peli grosas. 28.8. ¿Cuál es la diferencia entre la soldadura con máquina y la soldadura automática? 28.9. Nombre y haga un esquema de los cinco tipos de uniones. 28.10. Defina y haga un esquema de una soldadura de filete. 28.11. Defina y haga un esquema de una soldadura con surco o ranura. 28.12. ¿Qué es una soldadura de apoyo? 28.13. ¿Por qué es diferente una soldadura de superficie a otros tipos de soldadura? 28.14. ¿Cuál es la diferencia entre una soldadura continua y una soldadura intermitente, conforme a los tér minos que se aplican a una soldadura de filete para una unión sobrepuesta? 28.15. ¿Por qué es deseable usar en soldadura fuentes de energía que tengan densidades caloríficas altas? 28.16. ¿Qué es la energía de fusión unitaria en la soldadura y cuáles son los factores de los que depende? 28.17. Defina y distinga los términos eficiencia de transferencia de calor y eficiencia de fusión en la solda dura. 28.18. ¿Qué es un crecimiento de grano epitaxiai y en qué es diferente esta forma de solidificación de la que ocurre en la fundición común? 28.19. ¿Cuál es la zona afectada por el calor (HAZ) en una soldadura por fusión?
726
Capítulo 28 / Fundamentos de soldadura
Problemas
CUESTIONARIO DE OPCIÓN MÚLTIPLE Hay un total de 11 respuestas correctas en el siguiente cuestionario. La calificación porcentual de la 28.6.
prueba debe basarse en este total. 28.1. Sólo puede ejecutarse una soldadura sobre metales que tienen el mismo punto de fusión; de lo contrario, el metal con la temperatura de fusión más baja siempre se derrite mientras que el otro perm anece sóli
28.7.
do: a) cierto o b) falso. 28.2. Una soldadura de filete puede usarse para ¿cuál de los siguientes tipos de unión? a) empalmada, b) de esquina, c) superpuesta, d) en T. 28.3. Una soldadura de filete tiene una forma de sección transversal que es aproximadam ente: a) redonda, b) cuadrada, c) rectangular, d) triangular. 28.4. Las soldaduras con surco se asocian más estrecham ente con ¿cuál de los siguientes tipos de unión?: a) empalmada, b) de esquina, c) superpuesta, d) en T, e) de borde. 28.5. Una soldadura de flanco se asocia más estrechamente con ¿cuál de los siguientes tipos de unión? a) empalmada, b) de esquina, c) sobrepuesta, d) en T, e) de borde. 28.6. Por razones metalúrgicas, es conveniente fundir el metal de soldadura con el mínimo ingreso de energía ¿Cuál de las siguientes fuentes de calor es la más consistente con este objetivo?: a) energía alta, b) den sidad de energía alta, c) energía baja, o d) densidad de energía baja. 28.7. La cantidad de calor requerido para fundir un volumen determinado de metal depende mucho de ¿cuál de las siguientes propiedades? (Puede ser más de una.) a) coeficiente de expansión térmica, b) calor de fusión, c) conductividad térmica, d) temperatura de fusión, e) módulo de elasticidad. 28.8. En una soldadura ocurren fallas en la zona de fusión de la unión soldada, dado que es la parte de la
28.8.
28.9.
truir la cuadrícula: 500 °F (260 °C), 1000 °F (540 °C), 1500 °F (820 °C), 2000 °F (1100 °C), 2500 °F (1370 °C). 3000 °F (1650 °C) y 3500 °F (1930 °C). En la cuadrícula, marque las posiciones de algunos de los metales para soldadura de la tabla 28.2. Cierta soldadura de surco tiene un área de sección transversal A w = 0.045 pulg2 y una longitud de 10 pulg. a) ¿Qué cantidad de calor (en Btu) se requiere para conseguir la soldadura si el metal que se va a soldar es acero medio carbono? b) ¿Cuánto calor debe generarse en la fuente de soldadura si la eficien cia de transferencia de calor = 0.9 y la eficiencia de fusión = 0.7? Solucione el problema 28.6. excepto que el metal que se va a soldar sea elaluminio y la eficiencia de fusión correspondiente sea la mitad del valor para el acero. Una soldadura de filete tiene un área de sección transversal ,4„. = 20.0 mm- y una longitud de 200 mm. a) ¿Qué cantidad de calor (en joules) se requiere para conseguir la soldadura si el metal que se va a sol dar es acero inoxidable austenitico? b) ¿Cuánto calor debe generarse en la fuente de soldadura si la eficiencia de transferencia de calor = 0.8 y la eficiencia de fusión = 0.6? Calcule la unidad de energía de fusión para a) el aluminio y b) el acero, como la sum a de:l) el c requerido para elevar la temperatura del metal desde la temperatura ambiente a su punto de fusión, lo cual es el producto del calor especifico volumétrico y el aumento de temperatura; y 2) la fusión de calor, por lo que este valor puede com pararse con la unidad de energía de fusión calculada mediante la ecuación (28.2). Use las unidades normales de Estados Unidos o el Sistema Internacional. Encuentre los valores necesarios de las propiedades en estos cálculos ya sea en este texto u en otras referencias. ¿Están los valores lo suficientemente cerca para validar la ecuación (28.2)?
Equilibrio de energía en la soldadura
unión que se ha fundido: a) cierto o b) falso.
PROBLEMAS Diseño de uniones 28.1. Prepare diagramas que muestren cóm o se prepararían y alinearían los bordes de partes uno con otro y también muestre la sección transversal de soldadura para los siguientes procesos: a) soldadura cuadra da con surco, de ambos lados, para una soldadura empalmada: b) soldadura con filete único para una unión superpuesta; c) soldadura con surco en V único para una unión de esquina; d) soldadura de filete único para una unión en T, y e) soldadura con surco en U doble para una soldadura empalmada.
Densidad de energía 28.2. Una fuente de calor para soldadura es capaz de transferir 150 Btu/min a la superficie de una parte de metal El área calentada es aproximadamente circular y la intensidad calorífica disminuye conforme aumenta el radio. El 50% de la energía se transfiere dentro de un círculo de diámetro = 0 .1 pulg y el 75% se transfiere dentro de un círculo concéntrico con un diámetro = 0.25 pulg. ¿Cuál es la densidad de energía en: a) el círculo interno con diámetro de 0.1 pulg y b) el anillo con diámetro de 0.25 pulg que se encuentra alrede dor del círculo interno?, c) ¿son suficientes estas densidades de energía para fundir el metal? 28.3. Una fuente de calor puede transferir 3000 J/seg a una superficie metálica de una parte. El área calenta da es circular y la intensidad del calor disminuye conforme aumenta el radio. El 60% del calor se con centra en un área circular que tiene 3 milímetros de diámetro. ¿Es suficiente la densidad de energía resultante para fundir metales?
Unidad de energía de fusión 28.4 Compare la unidad de energía para la fusión de los siguientes metales: a) aluminio, b) carbono acero bajo simple, c) cobre y d) titanio. 28.5. Realice los cálculos y trace sobre ejes con escalas lineales la relación para la energía de fusión unitaria ^ como una función de la temperatura, (use °F o °C). Utilice temperaturas com o las siguientes para cons ,
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28.10. La fuente de energía en una operación de soldadura particular genera 125 Btu/min. lo cual se transfiere a la superficie de trabajo con una eficiencia/ , = 0.8. El punto de fusión para el metal que se va a sol dar 9m = 1800 °F y su eficiencia de fusión J\ = 0.5. Se realizará una soldadura de filete continua con un área de sección transversal = 0.04 pulg: . Determine el nivel de velocidad de viaje en la que puede conseguirse la operación de soldadura. 28.11. En cierta operación para hacer una soldadura de filete. A*. = 0.025 pulg- y r = 15 pulg/min. Si f\ = 0.95. f i = 0.5 y Q„ = 2000 °F para el metal que se va a soldar, determine la velocidad de generación de calor requerida en la fuente de soldadura para realizar el proceso. 28.12. La corriente generada en cierta operación de soldadura con arco eléctrico = 3000 W. Esto se transfiere a la superficie de trabajo con una eficiencia de calor de transferencia / , = 0.9. El metal que se va a sol dar es cobre, cuyo punto de fusión se proporciona en la tabla 28.2. Suponga que la eficiencia de fusión f i = 0.25. Se realizará una soldadura de filete continua con un área de sección transversal = 15.0 mm-. Determine la velocidad de viaje a la cual se llevará a cabo la operación de soldadura. 28.13. Solucione el problema 28.12, excepto que el metal que se va a soldar sea acero al alto carbono, el área de sección transversal de la soldadura = 25.0 mm2, y la eficiencia de soldadura¡ \ = 0.6. 28.14. En cierta operación para hacer una soldadura con surco, A w = 22.0 mm2 y v = 5 mm/seg. S i/ , = 0.95, f i = 0.5 y Q„ = 1000 °C para el material que se va a soldar, determine la velocidad de generación de calor requerida en la fuente de soldadura para realizar esta operación. 28.15. Se llevará a cabo una soldadura de puntos usando una operación de soldadura con arco eléctrico. El vo lumen total de metal “fundido” que forma la soldadura = 0.005 pulg-5, y la operación requiere que el arco eléctrico sea para 4 seg. S i/, = 0.85, / 2 = 0.5 y el metal que se va a soldar es aluminio, determine la razón de generación de calor que se requiere en la fuente para efectuar esta soldadura. 28.16. Se aplicará una soldadura de superficie a una placa de acero bajo carbono de 200 x 350 mm. El metal que se aplicará es de un grado de acero más duro (una aleación), cuyo punto de fusión se supone es el mismo. Se añadirá un espesor de 2.0 mm a la placa, pero con la penetración en el metal base, el espe sor total fusionado durante la soldadura = 6.0 mm, en promedio. Se aplicará a la superficie haciendo una serie de gotas de soldadura paralelas sobrepuestas que corren a lo largo de la placa. La operación se realizará en forma automática con las gotas dispersas en una operación continua grande a una veloci dad de viaje v = 7.0 mm/seg. usando pases de soldadura separados por 5 mm. Ignore las complicaciones menores de los cambios de dirección en los extremos de la placa. Suponiendo una eficiencia de trans ferencia de calor = 0.8 y una eficiencia de fusión = 0.6, determine: a) la razón de calor que debe gene rarse en la fuente de soldadura y b) cuánto tiempo se requerirá para terminar la operación de superficie.
Sección 29.1 / Soldadura con arco eléctrico
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La soldadura por fusión es la categoría más importante e incluye: 1) la soldadura con arco eléctrico, 2) la soldadura por resistencia, 3) la soldadura con oxígeno y gas com bustible y 4) otros procesos de soldadura por fusión (los que no pueden clasificarse en alguno de los prim eros tres tipos). Los procesos de soldadura por fusión se analizan en las prim eras cuatro secciones de este capítulo. La sección 29.5 cubre las operaciones de soldadura de estado sólido. Y en las tres sec ciones finales del capítulo, exam inam os temas relacionados con todas las operaciones de soldadu ra: calidad de la soldadura, soldabilidad y diseño para soldadura.
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29.1
SO LDADURA CON ARCO ELECTRICO
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La soldadura con arco eléctrico, SA C (are welding en inglés, AW), es un proceso de soldadura por fusión en el cual la unificación de los m etales se obtiene mediante el calor de un arco eléctrico entre un electrodo y el trabajo. Se usa el m ism o proceso básico en el corte con arco eléctrico (sección 27.3.4). Un proceso de AW general se muestra en la figura 29.1. Un arco eléctrico es una descarga de corriente eléctrica a través de una separación en un circuito. Se sostiene por la presencia de una colum na de gas térm icam ente ionizada (denom inada plasma) a través de la cual fluye la corriente. En un proceso de AW, el arco eléctrico se inicia al acercar el electrodo a la pieza de trabajo, después del contacto el electrodo se separa rápidam ente de la pieza a una distancia corta. La energía eléc trica del arco eléctrico así form ado produce temperaturas de 10 000 °F (5500 °C) o m ayores, que son lo suficientem ente calientes para fundir cualquier metal. Se forma un pozo de m etal fundido, que consiste en m etal(es) base y m etal de aporte (si se usa uno), cerca de la punta del electrodo. En la m ayoría de los procesos de soldadura con arco eléctrico, se agrega un metal de aporte durante la operación para aum entar el volum en y fortalecer la unión soldada. C onform e el electrodo se mueve a lo largo de la unión, el pozo de metal fundido se solidifica de inmediato. El m ovim iento que dirige al electrodo hacia el trabajo se consigue ya sea m ediante una per sona que sóida (soldadura m anual) o por medios mecánicos (soldadura con m áquina, soldadura autom ática o soldadura robótica). Un aspecto problemático de la soldadura manual con arco eléc trico es que la calidad de la unión fundida depende de la habilidad y ética de trabajo del soldador. La productividad tam bién es un aspecto de la soldadura con arco eléctrico. Con frecuencia se mide la productividad com o tiem po de arco eléctrico, que es la proporción de las horas trabajadas en las que se obtiene una soldadura con arco eléctrico. Esto es,
PROCESOS DE SOLDADURA C O N T EN ID O D EL C A P ÍTU LO 29.1
Soldadura con arco eléctrico 29.1.1 Tecnología general de la soldadura con arco eléctrico 29.1.2 Procesos de soldadura con arco eléctrico que usan electrodos consumibles 29.1.3 Procesos de soldadura con arco eléctrico que usan electrodos no
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29.7 29.8
consumibles Soldadura por resistencia 29.2.1 Fuente de energía en la soldadura por resistencia 29.2.2 Procesos de soldadura por resistencia Soldadura con oxígeno y gas combustible 29.3.1 Soldadura con oxiacetilénica 29.3.2 Gases alternativos para la soldadura con oxígeno y gas combustible Otros procesos de soldadura por fusión 29.4.1 Soldadura con haz de electrones 29.4.2 Soldadura con rayo láser 29.4.3 Soldadura con electroescoria 29.4.4 Soldadura de termita Soldadura de estado sólido 29.5.1 Consideraciones generales en la soldadura de estado sólido 29.5.2 Procesos de soldadura de estado sólido Calidad de la soldadura 29.6.1 Tensiones residuales y distorsión 29.6.2 Defectos de la soldadura 29.6.3 Métodos de inspección y prueba Soldabilidad Consideraciones de diseño en soldadura
_ .. , , tiem po en que el arco electnco está encendido D uración del arco = -------- -------- -— --------------- — ------------------------horas trabajadas
(29.1)
Esta definición de productividad puede aplicarse a un soldador individual o a una estación de trabajo mecanizada. Para la soldadura manual, el tiempo de arco eléctrico es por lo general de un 20%. Se requieren periodos de descanso frecuentes para que el soldador supere la fatiga en la soldadura manual con arco eléctrico. la cual establece condiciones de tensión en la coordinación manual-visual. La duración del arco eléctrico aumenta alrededor del 50% (más o menos, dependiendo de la operación) para la soldadura con máquina, automática y robótica. FIGURA 29.1 Configuración básica y circuito eléctrico de un proceso de soldadura con arco eléctrico.
Los procesos de soldadura se dividen en dos categorías principales: 1) soldadura por fusión, en la cual se obtiene una fusión derritiendo las dos superficies que se van a unir, y en algunos casos añadiendo un metal de aporte a la unión; y 2 ) soldadura de estado sólido, en la cual se usa calor o presión o am bas para obtener la fusión, pero los metales base no se funden ni se agrega un m etal de aporte.
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Soporte de electrodo Electrodo (consumible o no consumible) Dirección del soldado Arco ____ eléctrico TrabajoMetal soldado fundido
Cable de electrodo Máquina para soldadura
L Transformador de corriente alterna o directa Cable d e trabajo
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29.1.1
Capítulo 29 / Procesos de soldadura
Sección 29.1 / Soldadura con arco eléctrico
Tecnología general de la soldadura con arco eléctrico
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TABLA 29.1 Eficiencias d e tra n sfere n cia d e ca lo r p ara v arios p ro c e so s d e so ld a d u ra c o n a rc o eléctrico .
Antes de describir los procesos individuales de soldadura con arco eléctrico, es conveniente exa minar algunos de los aspectos térm icos que se aplican a estos procesos. Electrodos Los electrodos que se usan en los procesos de AW se clasifican com o consu mibles y no consumibles. Los electrodos consum ibles involucran el metal de aporte en la soldadu ra con arco eléctrico; están disponibles en dos formas principales: varillas (tam bién llamados bastones) y alambres. Las varillas para soldadura norm alm ente tienen una longitud de 9 a 18 pulg (de 225 a 450 mm) y un diám etro de 3/8 de pulg (9.5 mm) o menos. El problem a con las varillas de soldadura consumibles, al menos en las operaciones de producción, es que deben cam biarse en forma periódica, reduciendo el tiem po de arco eléctrico del soldador. El alambre para soldadura consumible tiene la ventaja de que puede alim entarse en forma continua al pozo de soldadura desde bobinas que contienen cable en grandes cantidades, con esto se evitan las interrupciones frecuentes que ocurren cuando se usan las varillas para soldadura. Tanto en form a de varilla com o de alambre, el arco eléctrico consum e el electrodo durante el proceso de soldadura y éste se añade a la unión fundida como metal de relleno. Los electrodos no consum ibles están hechos de tungsteno (o algunas veces de carbono), los cuales resisten la fusión m ediante el arco eléctrico. A pesar de su nombre, un electrodo no con sumible se desgasta gradualm ente durante el proceso de soldadura (la vaporización es el m ecanis mo principal) y ocurre en form a sim ilar al desgaste gradual de una herram ienta de co n e en una operación de maquinado. Para los procesos de AW que utilizan electrodos no consum ibles, cual quier metal de relleno usado en la operación debe proporcionarse m ediante un alambre separado que se alimenta dentro del pozo de soldadura. Protección del arco eléctrico En la soldadura con arco eléctrico, las altas temperaturas provocan que los metales que se unen reaccionen intensamente al oxígeno, nitrógeno e hidrógeno del aire. Las propiedades mecánicas de la unión soldada pueden degradarse seriamente por estas reac ciones. Para proteger la operación de soldadura de este resultado no deseado, casi todos los procesos de soldadura con arco eléctrico proporcionan algún medio para proteger el arco del aire en el am biente. Esto se logra cubriendo la punta del electrodo, el arco eléctrico y el pozo de soldadura fundi da con un manto de gas o fundente o ambos, lo que inhibe la exposición del metal soldado al aire. Los gases de protección com unes incluyen el argón y el helio, pues ambos son inertes. En la soldadura de metales ferrosos con ciertos procesos de AW se usan oxígeno y dióxido de carbono, por lo general en com binación con argón o helio, para producir una atm ósfera oxidante o para con trolar la forma de la soldadura. Un fundente es una sustancia usada para evitar la formación de óxidos y otros contaminantes no deseados o para disolverlos y facilitar su remoción. Durante la soldadura, el fundente se derrite y convierte en una escoria líquida, que cubre la operación y protege el metal de soldadura fundido. La escoria se endurece después del enfriamiento y debe removerse con cincel o cepillo. Por lo general, un fundente está formulado para cum plir con varias funciones adicionales que incluyen: 1) proporcionar una atmósfera protectora para la soldadura. 2) estabilizar el arco eléctrico y 3) reducir las salpicaduras. El método de aplicación del fundente es diferente para cada proceso. Entre las técnicas de incorporación se encuentran: 1) vaciando el fundente granular en la operación de soldadura, 2) usando un electrodo de varilla cubierto con material fundente, en el cual el recubrim iento se derrite durante la soldadura para cubrir la operación y 3) usando electrodos tubulares que contienen fun dente en el núcleo, el cual se libera conform e se consume el electrodo. Estas técnicas se analizan mejor en las descripciones particulares de los procesos de AW. Fuente de energía en la soldadura con arco eléctrico En la soldadura con arco eléctri co se usan tanto la corriente directa (dc) com o la corriente alterna (ac). Las máquinas de ac son menos costosas de adquirir y operar, pero por lo general están limitadas a la soldadura de metales
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Proceso de soldadura con arco eléctrico3 Soldadura Soldadura Soldadura Soldadura Soldadura
Eficiencia de transferencia de calor f i típica
metálica con arco protegido metálica con arco eléctrico y gas con núcleo de fundente con arco sumergido de tungsteno con arco eléctrico y gas
0.9 0.9 0.9 0.95 0.7
Recopilado de [4|. J Los procesos de soldadura con arco eléctrico se describen en la sección 29.1.2.
ferrosos. El equipo dc puede usarse en todos los m etales con buenos resultados y generalm ente destaca por un m ejor control del arco eléctrico. En todos los procesos de soldadura con arco eléctrico, la energía para conducir la operación es el producto de la corriente I que pasa por el arco eléctrico y el voltaje £ a través de éste. Esta energía se convierte en calor, pero no todo el calor se transfiere a la superficie del trabajo. La convección, la conducción, la radiación y las salpicaduras representan pérdidas que reducen la cantidad de calor utilizable. El efecto de las pérdidas se expresa mediante la eficiencia de transferencia de calor / , (sección 28.3). A lgunos valores representativos d e / , para varios procesos de soldadura con arco eléc trico se proporcionan en la tabla 29.1. La eficiencia de transferencia de calor es m ayor para los pro cesos de soldadura con arco eléctrico que usan electrodos consum ibles, debido a que gran parte del calor consum ido para fundir el electrodo se transfiere subsecuentemente al trabajo com o metal fun dido. El proceso con el v alor/! más bajo en la tabla 29.1 es la soldadura de tungsteno con arco eléc trico y gas. que usa un electrodo no consum ible. La eficiencia de fusión /> (sección 28.3) reduce más el calor disponible para la soldadura. El equilibrio de energía resultante en la soldadura con arco eléc trico se define mediante: H R W = f i f i l E - Um A w v
(29.2)
donde £ = voltaje, en V; / = corriente, en A; y los otros térm inos se definen igual que en la sección 28.3. Las unidades de H R Wque son el resultado de los am peres x voltaje son watts, que son iguales a joules/segundo. Esto puede convertirse a Btu/seg, recordando que 1 Btu = 1055 J.
EJEMPLO 29.1
Energía en la soldadura con arco eléctrico
Una operación de soldadura de tungsteno con arco eléctrico y gas se realiza a una corriente de 300 A y un voltaje de 20 V. La eficiencia de fusión f 2 = 0.5 y la unidad de energía de fusión para el metal Um = 150 Btu/ pulg3. Determine: a) la energía en la operación, b) la rapidez de generación de calor en la soldadura y c) la rapidez de volum en de metal fundido. Solución:
a) La energía en esta operación de soldadura con arco eléctrico es P = I E = (300 A) x (20 V) = 6000 W
b) C onsiderando la tabla 29.1, la eficiencia de transferencia de calor f = 0.7. La rapidez de calor que entra a la soldadura se proporciona m ediante: H R W = / , / 2 / £ = (0.7) (0.5) (6000) = 2100 W Un Btu/seg equivale a 1055 J/seg, por lo que 2100 W se convierten en: H R W = 1.99 B tu/seg c) La rapidez volum étrica del metal fundido es:
^
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Capítulo 29 / Procesos de soldadura
Sección 29.1 / Soldadura con arco eléctrico
29.1.2 Procesos de soldadura con arco eléctrico que usan electrodos consumibles En esta sección se analizarán varios procesos importantes de soldadura con arco eléctrico que uti lizan electrodos consumibles. Soldadura metálica con arco protegido La soldadura m etálica con arco protegido, SM AP (en inglés shielded m etal are welding, SMAW), es un proceso de soldadura con arco eléc trico que usa un electrodo consum ible y consiste en una varilla de metal de aporte recubierta con materiales químicos que proporcionan un fundente y protección. El proceso se ilustra en las figuras 29.2 y 29.3. En ocasiones, el proceso de denom ina soldadura de varilla. La varilla de soldadura normalmente tiene una longitud entre 9 y 18 pulg (de 230 a 460 mm) y un diám etro de 3/32 a 3/8 de pulg (de 2.5 a 9.5 mm). El metal de aporte usado en la varilla debe ser com patible con el metal que se va a soldar y, por tanto, la com posición debe ser m uy parecida a la del metal base. El recubri miento consiste en celulosa pulverizada (polvos de algodón y m adera) mezclados con óxidos, carbonatos y otros ingredientes integrados m ediante un aglutinante de silicato. En ocasiones se incluyen en el recubrimiento polvos metálicos para aum entar la cantidad de metal de aporte y agre gar elementos de aleación. El calor del proceso de soldadura funde el recubrim iento y proporciona
FIGURA 29.2 Soldadura metálica con arco protegido (soldadura de varilla) ejecutada por un soldador (fotografía cortesía de Hobart Brothers Company).
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una atm ósfera protectora y escoria para la operación de soldadura. También ayuda a estabilizar el arco eléctrico y regula la velocidad a la que se funde el electrodo. Durante la operación, el extrem o de metal descubierto de la varilla de soldadura (que está en la otra punta de la soldadura) se sujeta en un soporte de electrodos conectado a la fuente de energía. El soporte tiene una m anija aislada para que lo tom e y m anipule el soldador. Las c o rrientes que se usan regularm ente en la SM AW varían entre 30 y 300 A y 15 a 45 V. La selección de los parám etros de energía adecuados depende de los m etales que se van a soldar, del tipo y longitud del electrodo, así com o de la profundidad de penetración de la soldadura requerida. El transform ador de corriente, los cables de conexión y el soporte del electrodo pueden adquirirse en algunos m iles de dólares. Por lo general, la soldadura m etálica con arco protegido se ejecuta en form a m anual y sus aplicaciones com unes incluyen la construcción, instalación de tuberías, estructuras de maquinaria, construcción de em barcaciones, tiendas de m anufactura y trabajos de reparación. Se prefiere sobre la soldadura con oxígeno y gas com bustible para secciones más gruesas que 3/16 pulg (4.8 mm) debido a su m ayor densidad de energía. El equipo es portátil y de bajo costo, lo que convierte a la SM AW en el proceso más versátil y de m ayor uso entre los procesos de AW. Los m etales base incluyen los aceros, los aceros inoxidables, los hierros fundidos y ciertas aleaciones no ferrosas. No se usa o se em plea rara vez en alum inio y sus aleaciones, al igual que en las aleaciones de cobre y titanio. La desventaja de la soldadura m etálica con arco protegido como operación de producción proviene del uso de varillas de electrodos consumibles, porque éstos deben cam biarse en forma pe riódica a causa del desgaste. Esto reduce el tiempo de arco eléctrico en este proceso de soldadura. Otra limitación es el nivel de corriente que puede usarse, porque la longitud del electrodo varía durante la operación y ésta afecta el calentam iento de la resistencia del electrodo, los niveles de co rriente deben mantenerse dentro de un rango seguro o el recubrimiento se sobrecalentará y fundirá prematuramente cuando se em piece a usar una nueva varilla de soldadura. Algunos de los otros pro cesos de soldadura con arco eléctrico superan las limitaciones de la longitud de la varilla de sol dadura en este proceso, usando un electrodo de alambre que se alimenta en forma continua. Soldadura metálica con arco eléctrico y gas La soldadura metálica con arco eléctrico y gas, SM AEG (en inglés gas m etal are welding, GMAW) es un proceso en el cual el electrodo es un alambre metálico desnudo consum ible y la protección se proporciona inundando el arco eléctrico con un gas. El alambre desnudo se alim enta en forma continua y automática desde una bobina a través de la pistola de soldadura, com o se ilustra en la figura 29.4. La figura 29.5 muestra una pistola de soldadura. En la GMAW se usan diám etros de alambre que van desde 1/32 hasta 1/4 de pulg (0.8 a 6.4 mm), el tamaño depende del grosor de las partes que se van a unir y la velocidad de deposición
FIGURA 29.4
Electrodo consumible
FIGURA 29.3 Soldadura metálica con arco protegido (SMAW).
Recubrimiento del electrodo G as protector del recubrimiento del electrodos
Escoria Metal soldado solidificado
Metal b ase
Metal de soldadura fundido
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Soldadura metálica con arco eléctrico y gas (GMAW).
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Capítulo 2 9 /Procesos de soldadura
Sección 29.1 / Soldadura con arco eléctrico
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S oldadura con núcleo d e fu n d e n te Este proceso de soldadura con arco eléctrico fue desa rrollado a principios de los años cincuenta como una adaptación de la soldadura metálica con arco pro tegido, con el propósito de superar las limitaciones impuestas por el uso de electrodos en varillas. La soldadura con núcleo de fundente. SNP (en inglés flux-cored are welding. FCAW ), es un proceso en el cual el electrodo es un tubo consumible continuo que contiene fundente y otros ingredientes en su núcleo. Entre tales ingredientes se incluyen los desoxidantes y los elementos de aleaciones. El alam bre tubular con núcleo de fundente es flexible y, por tanto, se proporciona en forma de rollos que se alimenta continuamente a través de la pistola para soldadura con arco eléctrico. Hay dos versiones de la FCAW: 1) autoprotegida y 2) protegida con gas. En la primera versión de la FCAW . la protección se proporcionaba por medio de un núcleo de fundente, de allí deriva el nombre de soldadura con núcleo de fundente autoprotegida. El núcleo en esta forma del proceso no sólo incluye fundentes, sino también ingredientes que generan gases protectores para el arco eléctrico. La segunda versión, desarrollada principalm ente para soldar aceros, obtiene la protección del arco eléctrico mediante gases que se incorporan en forma extem a, igual que en la soldadura metálica con arco eléctrico y gas. Esta versión se denom ina soldadura con núcleo de fundente protegida por gas. D ebido a que utiliza un electrodo que contiene su propio fundente junto con gases protectores separados, podría considerarse una com binación de la soldadura con núcleo protegido (SM AW ) y la soldadura metáli ca con arco eléctrico y gas (GM AW ). Los gases protectores que se emplean comúnmente son el dióxi do de carbono para aceros suaves, o mezclas de argón y dióxido de carbono para aceros inoxidables. La figura 29.6 ilustra el proceso de FCAW , en la cual se distingue el gas (opcional) entre los dos tipos. La soldadura con núcleo de fundente tiene ventajas similares a la G M A W debido a la ali mentación continua del electrodo. Se usa principalmente para soldar aceros y aceros inoxidables en un amplio rango de espesores de materias primas. Es notable su capacidad para producir uniones soldadas de m uy alta calidad que son lisas y uniformes. FIGURA 29.5
Pistola para soldadura metálica con arco eléctrico y gas (cortesía de Lincoln Electric Company).
deseada. Para protección se usan gases inertes como el argón y el helio y también gases activos como el bióxido de carbono. La elección de los gases (y sus mezclas) dependen del metal que se va a sol dar. al igual que de otros factores. Se usan gases inertes para soldar aleaciones de alum inio y aceros inoxidables, en tanto que norm alm ente se usa C 0 2 para soldar aceros al bajo y mediano carbono. La combinación del alambre de electrodo desnudo y los gases protectores eliminan el recubrim iento de escoria en la gota de soldadura y. por tanto, evitan la necesidad del esmerilado y lim pieza manual de la escoria. Por tal razón, el proceso de GMWA y gas es ideal para hacer múltiples pasadas de soldadura en la misma unión. Los diferentes metales en los que se usa la soldadura GMAW y las propias variaciones del pro ceso han dado origen a diferentes nombres. La prim era vez que se introdujo el proceso a fines de los años cuarenta, se aplicó a la soldadura de aluminio usando un gas inerte (argón) para protección del arco eléctrico. Este proceso recibió el nombre de soldadura metálica con gas inerte. SM GI (en inglés MIG welding. metal inert gas welding). C uando este proceso de soldadura se aplicó al acero, se en contró que los gases inertes eran costosos y se usó C 0 2 como sustituto. Por tanto, se aplicó el térmi no de soldadura con C 0 2. A lgunos refinamientos en el proceso para la soldadura del acero condujeron al uso de mezclas de gases, incluyendo dióxido de carbono y argón, e incluso oxígeno y argón. La GMAW y gas se usa am pliam ente en operaciones de fabricación para soldar diversos m e tales ferrosos y no ferrosos. D ebido a que usa alambre de soldadura continuo en lugar de varillas de soldadura, tiene una ventaja importante sobre la SMAW en términos de tiempo de arco eléctrico, cuando se realiza en form a manual. Por la m ism a razón, también se presta a la autom atización del proceso. Los fragmentos de electrodos que quedan después de la soldadura con varillas también desperdician metal de aporte, por lo que la utilización del material del electrodo es m ayor con la GMAW y gas. Otras ventajas de este proceso radican en que no es necesario remover escoria (dado que no se usa un fundente), velocidades de deposición más altas que en la soldadura m etálica con arco protegido, y una buena versatilidad.
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S o ld a d u ra e le c tro g a s e o sa La soldadura electrogaseosa, SE (en inglés electrogas w eld ing, EGW ), es un proceso de soldadura con arco eléctrico que usa un electrodo consum ible conti nuo, ya sea de alam bre con núcleo de fundente o alambre desnudo con gases protectores que se pro porcionan en form a extem a y zapatas de m oldeado para contener el metal fundido. El proceso se aplica principalm ente a la soldadura em palm ada vertical, com o se m uestra en la figura 29.7. Cuando se em plea al alambre de electrodo con núcleo de fundente, no se proporcionan gases exter nos y el proceso puede considerarse una aplicación especial de la soldadura con núcleo de fundente autoprotegida. Cuando de usa un alam bre de electrodo desnudo con gases protectores de una fuente extem a, se considera un caso especial de la GMAW. Las zapatas para m oldeo se enfrían con agua para evitar su adición al pozo de soldadura. Junto con los bordes de las panes que se van a soldar, FIGURA 29.6 Soldadura con núcleo de fundente. La presencia o ausencia de gas protector incorporado en forma externa distingue los dos tipos: (1) autoprotegida, en la cual el núcleo proporciona los ingredientes protectores y (2) protegida con gas, en la cual se proporcionan gases protectores externos. Alimentación de la bobina Alambre del electrodo ,ubular
Núcleo de fundente
G as protector (opcional) Boquilla (opcional) Tubo guía
G as (opcional)
Escoria eléctrico Metal soldado solidificado Metal soldado fundido
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Sección 29.1 / Soldadura con arco eléctrico
Capitulo 29 / Procesos de soldadura
del fundente más cercana al arco se derrite y se mezcla con el metal de soldadura fundido para rem over impurezas, que después se solidifican en la pane superior de la unión soldada y forman una escoria con aspecto de vidrio. La escoria y los granos de fundente no derretidos en la parte superior proporcionan una buena protección de la atmósfera y un buen aislam iento térmico para el área de sol dadura. Esto produce un enfriamiento relativamente bajo y una unión de soldadura de alta calidad, cuyos parámetros de resistencia y ductilidad son notables. Como se aprecia en el esquema, el fundente no derretido que queda después de la soldadura puede recuperarse y reutilizarse. La escoria sólida que cubre la soldadura debe arrancarse, por lo general mediante medios manuales. La soldadura con arco sumergido se usa ampliamente en la fabricación de acero para formas estructurales (por ejemplo, vigas en forma de I soldadas); engargolados longitudinales y en forma de circunferencia para tubos de diámetro grande, tanques y recipientes de presión; y componentes solda dos para maquinaria pesada. En estos tipos de aplicaciones, se sueldan rutinariamente placas de acero con un espesor de 1 pulg (25 mm) y más pesadas. También aceros de bajo carbono, aleaciones bajas y aceros inoxidables; pero no aceros de alto carbono, aceros de herramientas y tampoco la mayoría de los metales no ferrosos. Debido a la alimentación mediante gravedad del fundente granular, las partes siem pre deben estar en una orientación horizontal y con frecuencia se requiere una placa de respaldo bajo la unión durante la operación de soldadura.
Alimentación de alam bre de electrodo con núcleo de fundente
C abeza de soldadura móvil (hacia arriba)
Z apata d e moldeo (en am bos lados) Entrada de ag u a enfriadora
-Escoria fundida Metal soldado fundido Metal soldado solidificado
Salida de ag u a
FIGURA 29.7 Soldadura electrogaseosa usando un alambre de electrodo con núcleo de fundente: (a) vista frontal sin zapata de moldeo para apreciar mejor el proceso y (b) vista lateral que muestra las zapatas de moldeo en ambos lados.
las zapatas forman un envase m uy parecido al de una cavidad m oldeada, dentro del cual se agrega gradualmente el metal fundido del electrodo y las partes base. El proceso se ejecuta en forma automática, con una cabeza de soldadura móvil que se desplaza en forma vertical hacia arriba para llenar la cavidad en una sola pasada. Las principales aplicaciones de la soldadura electrogaseosa son los aceros (de carbono bajo y mediano, aleaciones bajas y ciertos aceros inoxidables), en la construcción de tanques de alm a cenamiento grande y en la construcción de em barcaciones. Los grosores de la m ateria prim a, desde 0.5 hasta 3.0 pulg (12 a 75 m m ), están dentro de la capacidad de la soldadura electrogaseosa. Además de la soldadura em palm ada, también se usa para soldaduras de filete y de surco, siem pre en una orientación vertical. En ocasiones deben fabricarse zapatas de moldeo especialm ente di señadas para las formas que se van a unir.
29.1.3 Procesos de soldadura con arco eléctrico que usan electrodos no consumibles Todos los procesos AW analizados hasta aquí usan electrodos consum ibles: la soldadura de tungs teno con arco eléctrico y gas, la soldadura de plasma de arco eléctrico y varios procesos más. Soldadura de tungsteno con arco eléctrico y gas La soldadura de tungsteno con arco eléctrico y gas, STAEG (en inglés gas tungsten are welding, GTAW), es un proceso que usa un elec trodo de tungsteno no consumible y un gas inerte para proteger el arco eléctrico. Con frecuencia, este proceso se denom ina soldadura de tungsteno con gas inerte (en inglés tungsten inert gas welding, TIG welding); en Europa se le denom ina wolframio con gas inerte (W IG welding). El proceso de GTAW puede realizarse con o sin un metal de relleno. La figura 29.9 ilustra este último caso. Cuando se usa un metal de aporte, éste se agrega al pozo de soldadura desde una varilla separada, la cual se funde mediante el calor del arco eléctrico, en lugar de transferirse a través del arco eléctrico como un electrodo consumible en los procesos de soldadura con arco eléctrico. El tungsteno es un buen material para electrodo debido a su alto punto de fusión de 6170 °F (3410 °C). Los gases protectores que se usan norm alm ente incluyen el argón, el helio o una mezcla de ellos. La GTAW es aplicable a casi todos los metales en un amplio rango de espesores para la m ate ria prima. También se usa para unir diferentes combinaciones de metales distintos. Sus aplicaciones más comunes incuyen el aluminio y el acero inoxidable. El hierro colado, el hierro fundido, el plomo y el tungsteno son difíciles de soldar mediante este proceso. En las aplicaciones de soldadura de acero, la soldadura de GTAW generalmente es más lenta y más costosa que los procesos de soldadura con arco de electrodo consumible, excepto cuando se incluyen secciones delgadas y cuando se requieren soldaduras de muy alta calidad. Cuando se sueldan hojas delgadas con tungsteno y gas inerte a toleran-
Soldadura con arco sumergido Este proceso, desarrollado durante la década de los treinta, fue uno de los primeros de soldadura con arco eléctrico que se automatizaron. La soldadura con arco sumergido, SAS (en inglés submerged are welding, SAW), es un proceso que usa un electrodo de alambre desnudo consumible continuo, el arco eléctrico se protege mediante una cobertura de fun dente granular. El alambre del electrodo se alimenta automáticamente desde un rollo hacia dentro del arco eléctrico. El fundente se introduce a la unión ligeramente adelante del arco de soldadura, me diante gravedad, desde un tanque alimentador, como se muestra en la figura 29.8. El manto de fun dente granular cubre por completo la operación de soldadura con arco eléctrico, evitando chispas, salpicaduras y radiaciones que son muy peligrosas en otros procesos de soldadura con arco eléctrico. Por tanto, el operador de la soldadura no necesita usar la molesta máscara protectora que se requiere en otras operaciones (pero los anteojos de seguridad y guantes protectores sí son necesarios). La parte FIGURA 29.8 Soldadura con arco sumergido.
Fundente granular del tanque alimentador ^
S istem a de vacio para la recuperación del fundente granular
FIGURA 29.9 Soldadura de tungsteno con arco eléctrico y gas.
Escoria (fundente solidificado)
Electrodo de tungsteno (no consumible)
G as protector
Metal b ase Fundente fundido (o derretido)
G as protector Boquilla de gas
Metal fundido solidificado
Metal b ase
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Punta de electrodo Metal soldado solidificado
Metal soldado fundido
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Metal soldado fundido
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Capítulo 29 / Procesos de soldadura
Sección 29.2 / Soldadura por resistencia
cias muy reducidas no se agrega el metal de aporte. El proceso se ejecuta en forma manual o mediante métodos de máquina y automatizados para todos los tipos de uniones. Las ventajas de la GTAW son su alta calidad, no hay salpicaduras de soldadura debido a que no se transfiere un metal de aporte a través del arco eléctrico y no se requiere limpieza o ésta es muy reducida porque no se usa fundente. Soldadura por arco de plasma La soldadura p o r arco de plasm a, SPA (en inglés plasm a are welding, PAW), es una forma especial de la soldadura de tungsteno con arco eléctrico y gas en la cual se dirige un arco de plasma controlado al área de soldadura. En la PAW. se coloca un elec trodo de tungsteno dentro de una boquilla especialm ente diseñada, la cual concentra una corriente de gas inerte a alta velocidad (por ejemplo, argón o mezclas de argón e hidrógeno) dentro de la región del arco eléctrico, para formar una corriente de arco de plasm a intensamente caliente a alta veloci dad, como en la figura 29.10. También se usan el argón, el argón-hidrógeno y el helio com o gases protectores del arco eléctrico. Las temperaturas en la soldadura de plasm a de arco eléctrico son de 50 000 °F (28 000 °C) o mayores, y lo suficientemente altas para fundir cualquier metal conocido. La razón de estas altas temperaturas en PAW (mucho mayores que las de la GTAW) derivan de la estrechez del arco eléc trico. Aunque los niveles de energía normales usados en la soldadura de plasma de arco son menores que los usados en la soldadura de tungsteno con arco eléctrico y gas, la energía se concentra mucho para producir un chorro de plasma de un diám etro pequeño y una densidad de energía muy alta. La soldadura de plasm a de arco se introdujo alrededor de 1960, pero tardó en popularizarse. En años recientes se usa cada vez más com o sustituto de la GTAW en aplicaciones tales como subensambles de automóviles, gabinetes m etálicos, marcos para puertas y ventanas y aparatos para el hogar. Debido a las características especiales de la PAW, sus ventajas en estas aplicaciones incluyen una buena estabilidad de arco eléctrico, un control de penetración m ejor que en la mayoría de los otros procesos de soldadura con arco eléctrico, altas velocidades de viaje y una excelente calidad de soldadura. El proceso se usa para soldar casi cualquier metal, incluyendo el tungsteno. Sin embargo, hay metales difíciles de soldar con la PAW, entre éstos se incluyen el bronce, el hie rro colado, el plomo y el magnesio. Otras lim itaciones son el equipo costoso y un tamaño de soplete más grande que para las otras operaciones de soldadura con arco eléctrico, lo cual tiende a lim itar el acceso en algunas configuraciones de unión.
E sp árrag o .
¿ jf
-Férula cerám ica
Parte de trabajo Metal fundido (1)
(3)
La soldadura de espárragos, SE (en inglés stud welding, SW ), es un proceso especializado de soldadura con arco eléctrico para unir pernos o com ponentes similares a partes básicas. Las apli caciones incluyen sujetadores roscados para fijar manijas en utensilios de cocina, aletas de radiación de calor en m aquinaria y situaciones de ensam ble similares. En operaciones de alta pro ducción. la soldadura de espárragos generalm ente tiene ventajas sobre los remaches, las uniones soldadas con arco eléctrico en form a manual y las aberturas taladradas y enroscadas. La figura 29.11 ilustra una operación norm al SW, en la cual se obtiene protección por m edio del uso de una férula de cerám ica. Para empezar, el espárrago o tocón se sujeta en una pistola de soldadura espe cial que controla autom áticam ente los parám etros de tiempo y potencia de los pasos m ostrados en la secuencia. El trabajador sólo debe colocar la pistola en la posición correcta en contra de la parte de trabajo base, a la cual se unirá el espárrago, y jalar del gatillo.
29.2
SO LDADURA POR RESISTENCIA La soldadura por resistencia, SR (en inglés resistance welding, RW), es un grupo de procesos de soldadura por fusión que utiliza una com binación de calor y presión para obtener una coalescencia, el calor se genera m ediante una resistencia eléctrica dirigida hacia el flujo de corriente en la unión que se va a soldar. Los principales com ponentes en la soldadura por resistencia se m uestran en la figura 29.12 para una operación de soldadura de puntos por resistencia, proceso de uso m ás difunFuerza
G as de plasm a - G as protector
G as protector Corriente de plasm a Metal base
Metal soldado solidificado Metal soldado fundido
Metal soldado solidificado
FIGURA29.11 Soldadura de espárrago (SW): (1) se coloca el espárrago o perno; (2) fluye la corriente desde la pistola y se jala elespárrago desde la base para establecer un arco eléctrico y crear un pozo fundido; (3) se hunde el espárrago en el pozo fundido; y (4) se remueve la férula cerámica tras la solidificación.
Otros procesos de soldaduras con arco eléctrico y relacionados Los procesos ante riores de soldadura con arco eléctrico son los más im portantes en el aspecto comercial. D eben men cionarse varios más, que son casos especiales o variantes de los principales procesos de AW. La soldadura con electrodo de carbono, SEC (en inglés carbón are welding, CAW), se define como un proceso de soldadura con arco eléctrico que utiliza un electrodo de carbono (grafito) no consumible. Su importancia histórica radica en que fue el prim er proceso de soldadura con arco eléctrico en desarrollarse, pero su im portancia com ercial actual es prácticam ente nula. El proceso con arco eléctrico de carbono se usa com o una fuente de calor para soldadura fuerte y para reparar coladores de acero. También se aplica algunas veces para depositar materiales resistentes al des gaste sobre superficies. Sin em bargo, el tungsteno ha sustituido casi por com pleto a los electrodos de grafito (en la GTAW y en la PAW). FIGURA 29.10 Soldadura de arco de plasma (PAW).
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Fuerza
FIGURA 29.12 Soldadura por resistencia mostrando los componentes en la soldadura de puntos, el proceso predominante en el grupo de soldadura por resistencia.
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29.2.1
Sección 29.2 / Soldadura por resistencia
Capítulo 29 / Procesos de soldadura
741
dido en el grupo. Los com ponentes incluyen las partes de trabajo que se van a soldar (por lo gene ral partes de lámina metálica), dos electrodos opuestos, un medio para aplicar presión destinado a apretar las partes entre los electrodos y un transform ador de corriente alterna desde el cual se apli ca una corriente controlada. La operación produce una zona de fusión entre las dos partes, deno
que el calor convierte a 3.14 Btu. El volumen de la pepita de soldadura (se supone que tiene forma de disco) es
minada una pepita de soldadura en la soldadura de puntos. En comparación con la soldadura con arco eléctrico, la soldadura por resistencia no usa gases protectores, fundentes o metal de aporte y los electrodos que conducen la corriente eléctrica para el proceso son no consum ibles. La RW se clasifica com o un proceso de soldadura por fusión porque el calor aplicado provoca la fusión de las superficies empalmantes. Sin em bargo, hay excepciones. Algunas operaciones de soldadura basadas en el calentam iento de una resistencia usan temperaturas abajo del punto de fusión de los metales base, por lo que no ocurre una fusión.
El calor requerido para fundir este volumen de metal es
V
H m = 0.00491 (155) = 0.761 Btu
Las ventajas generales de la soldadura por resistencia son: 1) no se requiere un metal de re lleno, 2) son posibles altas tasas de producción, 3) se presta para la m ecanización y la autom ati zación, 4) el nivel de habilidad del operador es m enor al que se requiere para la soldadura con arco eléctrico y 5) es fácil de repetir y es confiable. Las desventajas son: 1) el costo inicial del equipo es alto, por lo general m ucho más costoso que la m ayoría de las operaciones de soldadu ra con arco eléctrico y 2) los tipos de uniones que pueden soldarse están lim itados a las uniones sobrepuestas para la m ayoría de los procesos de RW.
La energía calorífica aplicada a la operación de soldadura depende del flujo de corriente, la resisten cia del circuito y el intervalo del tiem po en que se aplica la corriente. Esto se expresa m ediante la ecuación: H = I2 R t
(29.3)
29.2.2
Procesos de soldadura por resistencia
operación de soldadura de puntos normal. Las razones por las que la corriente es tan alta en la soldadura por resistencia son: 1) el térm i no al cuadrado en la ecuación 29.3 am plifica el efecto de la corriente y 2) la resistencia es m uy baja (alrededor de 0.0001 £2). La resistencia en el circuito de soldadura es la suma de: 1) la resistencia de los electrodos, 2) la resistencia de las partes de trabajo, 3) las resistencias de contacto entre los elec trodos y las partes de trabajo y 4) la resistencia de contacto de las superficies empalmantes. La situación ideal es que las superficies em palm antes sean la resistencia más grande en la sum a, dado que ésta es la posición deseada para la soldadura. La resistencia de los electrodos se m inim iza usan do metales con resistividades muy bajas, tales como el cobre. La resistencia de las partes de trabajo es una función de las resistividades de los m etales base implícitos y los espesores de las partes. La resistencia de contacto entre los electrodos y las panes se determina mediante las áreas de contacto (tamaño y forma del electrodo) y la condición de las superficies (por ejemplo, la limpieza de las su perficies de trabajo y el óxido en el electrodo). Por último, la resistencia en las superficies em palm an tes depende del acabado de la superficie, la limpieza, el área de contacto y la presión. No debe exis tir pintura, grasa, suciedad u otros contam inantes que separen las superficies que hacen contacto.
EJEM P LO 2 9 .2
S o ld a d u ra p or re siste n cia
Se ejecuta una operación de soldadura de puntos por resistencia sobre dos piezas de lám inas de acero de 0.062 pulg de grosor, usando 12 000 A para una duración de 0.23 seg. Los electrodos tienen un diámetro de 0.25 pulg en las superficies que hacen contacto. Se supone que la resistencia es 0.0001 Í2, y que la pepita de soldadura resultante tiene un diámetro de 0.25 pulg y un espesor de 0.1 pulg. La unidad de energía de fusión para el metal Um = 155 Btu/ pulg3. ¿Qué parte del calor generado se usó para form ar la soldadura y que parte se disipó dentro del metal circundante? Solución:
La ecuación (29.3) proporciona el calor generado en la operación como: H = (12 0 0 0 )2 (0.0001) (0.23) = 3312 W -seg
(0.25)2 = 0.00491 pulg3
El calor restante. 3.14 - 0.761 = 2.38 Btu (76 % del total) lo absorbe el metal circundante. M El éxito en la soldadura por resistencia depende tanto de la presión como del calor. Las prin cipales funciones de la presión en la RW son: 1) obligar a que hagan contacto los electrodos y las partes de trabajo — al igual que las dos superficies de trabajo— antes de aplicar una corriente y 2) presionar las superficies em palm antes una contra otra para obtener una coalescencia cuando se alcance la tem peratura para soldadura correcta.
Fuente de energía en la soldadura por resistencia
donde H = calor generado, en W-s o J (para convertir a Btu, dividir por 1055); 1 = corriente, en A; R = resistencia eléctrica, en Í2; y t = tiem po, en segundos. La corriente usada en las operaciones de soldadura por resistencia es muy alta (por lo común de 5000 a 20 000 A), aunque el voltaje es relativamente bajo (normalmente menos de 10). La duración de la corriente es breve en la m ayoría de los procesos, tal vez de 0.1 a 0.4 seg en una
= 0.1 j
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Los procesos de soldadura por resistencia de m ayor importancia com ercial son la soldadura de pun tos, engargolada y por proyección. Soldadura de puntos por resistencia La soldadura de puntos por resistencia es por mucho el proceso predominante en este grupo. Se usa ampliamente en la producción masiva de automóviles, aparatos domésticos, m uebles metálicos y otros productos hechos a partir de láminas metálicas. Si se considera que la carrocería de un automóvil normal tiene aproximadamente 10 000 soldaduras de puntos individuales y que la producción anual de automóviles en todo el mundo se mide en decenas de millones de unidades, es posible apreciar la importancia económ ica de la soldadura de puntos. La soldadura de puntos po r resistencia, SPR (en inglés resistance spot welding, RSW ), es un proceso en el cual se obtiene la fusión en una posición de las superficies empalmantes de una unión superpuesta, mediante electrodos opuestos. El proceso se usa para unir partes de láminas metálicas con un grosor de 0.125 pulg (3 mm) o menos, usando una serie de soldaduras de puntos en situa ciones en donde no se requiere un ensam ble hermético. El tamaño y la forma del punto de soldadu ra se determinan por medio de la punta de electrodo, la forma de electrodo más común es redonda; pero también se usan formas hexagonales, cuadradas y otras. La pepita de soldadura resultante tiene normalmente un diám etro de 0.2 a 0.4 pulg (de 5 a 10 mm), con una zona afectada por el calor que se extiende un poco más allá de la pepita dentro de los metales base. Si la soldadura se hace correc tam ente, su resistencia es comparable con la del metal circundante. El ciclo en una operación de sol dadura de puntos se m uestra la figura 29.13. Los m ateriales usados para los electrodos en la SPR consisten en dos grupos principales: 1) aleaciones basadas en cobre y 2 ) com puestos de m etales refractarios, tales com o com bina ciones de cobre y tungsteno. El segundo grupo tiene una m ayor resistencia al desgaste. Igual que en la m ayoría de los procesos de m anufactura, las herram ientas para la soldadura de puntos se desgastan gradualm ente con el uso. C uando es posible llevarlo a cabo, los electrodos se diseñan con canales internos para enfriam iento con agua. D ebido a su extenso uso industrial, hay disponibles diversas m áquinas y m étodos para realizar las operaciones de soldadura de puntos. El equipo incluye m áquinas de soldadura de pun-
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Sección 29.2 / Soldadura por resistencia
Capitulo 29 / Procesos de soldadura (1)
Electrodo
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I' Pepita de soldadura
Metal - fundido
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Los soldadores de puntos tipo prensa están diseñados para un trabajo más grande. El elec trodo superior tiene un m ovim iento en línea recta proporcionado por una prensa vertical, que se opera en forma autom ática o hidráulica. La acción de la prensa permite que se apliquen fuerzas más grandes, y los controles generalm ente hacen posible la program ación de ciclos de soldadura com plejos. Los dos tipos de máquinas anteriores son soldadores de puntos estacionarios o estáticos, en los cuales el trabajo se coloca en la m áquina. Para trabajos pesados y grandes es difícil m over y (orientar) el trabajo hacia las m áquinas estacionarias. Para estos casos, se cuenta con pistolas portátiles de soldadura de puntos en diferentes tamaños y configuraciones. Estos aparatos consis ten en dos electrodos opuestos dentro de un m ecanism o de tenazas. Cada unidad es ligera, por lo que un trabajador o un robot industrial pueden sostenerla y m anipularla. La pistola está conectada a su propia fuente y control de energía, m ediante cables eléctricos flexibles y mangueras de aire. Si es necesario, también se proporciona enfriam iento de los electrodos mediante una m anguera con agua. Las pistolas portátiles para soldadura de puntos se usan ampliam ente en las plantas de ensam ble final de automóviles, para soldar las carrocerías de lám inas metálicas. A lgunas de estas pistolas son manejadas por trabajadores, pero los robots industriales se han convenido en la tecnología preferida. Véase placa 11, capítulo 1 y figura 37.10.
(5)
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S o ld a d u ra en g arg o la d a p o r re s iste n c ia En la soldadura engargolada p o r resistencia. SER (en inglés resistance seam w elding, RSEW ), los electrodos con forma de varilla de la soldadu ra de puntos se sustituyen con ruedas giratorias, com o se m uestran en la figura 29.15. y se hace una serie de soldaduras de puntos sobrepuestas a lo largo de la unión. El proceso produce uniones her méticas y sus aplicaciones industriales incluyen la producción de tanques de gasolina, silenciadores de automóviles y otros recipientes fabricados con láminas de metal. Técnicamente, la RSEW es igual que la soldadura de puntos, excepto que los electrodos en ruedas introducen ciertas complejidades. Dado que la operación generalmente se realiza en form a continua, y no separada, las formas engar goladas deben estar a lo largo de una línea recta o uniformemente curva. Las esquinas agudas e irre gularidades similares son difíciles de manejar. Asimismo, la deformación de las partes es el factor más significativo en la soldadura engargolada por resistencia, por esta causa se requieren soportes bien diseñados para sostener el trabajo en la posición correcta y así reducir la distorsión. El espaciam iento entre las pepitas de soldadura en la soldadura engargolada por resistencia depende del m ovim iento de las ruedas de electrodos relacionado con la aplicación de la corrien te de soldadura. En el método usual de operación, denom inado soldadura de m ovim iento continuo. la rueda gira en forma continua a una velocidad constante y la corriente se activa a intervalos de tiem po que coinciden con el espaciam iento deseado entre los puntos de soldadura a lo largo del engargolado. Normalmente, la frecuencia de las descargas de corriente se establece para que se pro duzcan puntos de soldadura sobrepuestos. Pero si se reduce bastante la frecuencia, habrá espacios
-(5)-
------------------------------- Ciclo de s o ld a d u ra ------------------------------------------- >Jde puntos FIGURA 29.13 (a) Pasos en un ciclo de soldadura de puntos, y (b) gráfica de la fuerza de presión y la corriente durante el ciclo. La secuencia es: (1) partes insertadas entre los electrodos abiertos. (2) los electrodos se cierran y se aplica una fuerza, (3) tiempo de soldadura (se activa la corriente'. '4) se desactiva la corriente, pero se mantiene o se aumenta la fuerza (en ocasiones se aplica una corriente reducida cerca del final de este paso para liberar la tensión en la región de la soldadura) y (5) se abren los electrodos y se remueve el ensamble soldado.
tos con balancín y tipo prensa, así como pistolas portátiles para soldadura. Los soldadores de pun tos con balancín, que m uestra la figura 29.14, tienen un electrodo inferior estacionario y un elec trodo superior móvil que sube y baja para cargar y descargar el trabajo. El electrodo superior se monta en un balancín, cuyo m ovim iento es controlado mediante un pedal operado por el trabaja dor. Las máquinas m odernas se pueden program ar para controlar la fuerza y la corriente durante el ciclo de soldadura. FIGURA 29.14 Máquina de soldadura de puntos con balancín.
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FIGURA 29.15 Soldadura de engargolado por resistencia (RSEW).
R ueda de electrodo
P artes de láminas metálicas
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Movimiento de las partes so b re la rueda
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Capítulo 29 / Procesos de soldadura
Sección 29.4 / Otros procesos de soldadura por fusión
751
y las corrientes del haz son bajas (medidas en miliamperes). La energía en la EBW no es excepcional, pero sí su densidad de energía . Una alta densidad de energía se obtiene concentrando el haz de elec trones sobre un área muy pequeña de la superficie de trabajo, de modo que la densidad de energía PD se basa en
Mezcla C2H2 + 0 2
PD =
(29.5) /I
donde PD = densidad de energía, en W /pulg2 (W / mm2); f \ = eficiencia de transferencia de calor — los valores norm ales para la soldadura con haz de electrones varían de 0.8 a 0.95 [9]— E = voltaje de aceleración, en V; I = corriente del haz. en A; y A - el área de la superficie de trabajo en la que se concentra el haz de electrones, en pulg2 (m m 2). Las áreas com unes para la soldadu ra con haz de electrones varían de 20 x 10-6 a 3000 x 10"6 pulg2 (13 x 10"3 a 2000 x 10-3 m m 2). L a densidad de energía se convierte a B tu/seg-pulg2 al dividirla por 1055. El proceso tiene sus orígenes en los años cincuenta en el campo de la energía atómica. La primera vez que se llevó a cabo tuvo que realizarse en una cámara de vacío para evitar que las m olécu las de aire trastornaran el haz de electrones. Este requerimiento es todavía es un serio inconveniente en la producción, debido al tiempo requerido para vaciar la cám ara antes de la soldadura. El tiempo de bombeo, com o se le denomina, puede requerir hasta una hora, dependiendo del tamaño de la cámara y del nivel de vacío requerido. Actualmente, la tecnología para EBW ha avanzado al punto que algunas operaciones se ejecutan sin vacío. Se distinguen tres categorías: 1) soldadura al alto vacío, SAV (en inglés high vacuum welding, EB W-HV), en la cual la soldadura se realiza en el mismo vacío que se usa para la generación del haz; 2) soldadura al medio vacío, SM V (en inglés médium vacuum welding, EB W -MV), en el cual la operación se ejecuta en una cámara separada, en donde sólo se obtiene un vacío parcial; y 3) soldadura sin vacio, SSV (en inglés non vacuum welding, EBW-NV), en la cual la soldadura se realiza a una presión atmosférica normal o casi normal. El tiempo de bombeo durante la carga y descarga de la parte de trabajo puede reducirse en la soldadura con haz de electrones al medio vacío y minimizarse en la soldadura con haz de electrones sin vacío, pero todavía se paga un precio por esta ventaja. En las dos últimas operaciones, el equipo debe incluir uno o más divisores de vacío (orificios muy pequeños que impiden el flujo del aire, pero permiten el paso de un haz de elec trones) para separar el generador del haz, el cual requiere un alto vacío, de la cám ara de trabajo. Asimismo, en la soldadura con haz de electrones sin vacío, el trabajo primero debe ubicarse cerca del orificio de la pistola de haz de electrones, aproximadamente a 1/2 pulg (13 mm) o menos. Por último, en los procesos con un vacío m enor no se puede obtener alta calidad en la soldadura, como tampoco la relación entre profundidad y anchura que se obtiene en la EBW-HV. Cualquier metal que pueda soldarse por EBW también puede recibir soldadura con haz de elec trones, al igual que ciertos metales refractarios difíciles de soldar que no son convenientes para la soldadura con arco eléctrico (AW). Los tamaños del trabajo de láminas metálicas varían de placa delgadas a gruesas. La soldadura con haz de electrones (EBW ) se aplica principalmente en las indus trias de automóviles, la aeronáutica, la aeroespacial y la nuclear. En la industria automotriz, el ensam ble mediante EBW incluye colectores de aluminio, convertidores de torque de acero, convertidores catalíticos y componentes de la transmisión. En estas y otras aplicaciones son notables las siguientes ventajas de la soldadura con haz de electrones: soldaduras de alta calidad con perfiles profundos o estrechos o ambos, zonas afectadas por el calor bien delimitadas y baja distorsión térmica. Las veloci dades de soldadura son altas en comparación con otras operaciones de soldadura continua. No se usa metal de relleno ni se necesitan fundentes ni gases protectores. Las desventajas de la EBW incluyen el equipo costoso, la necesidad de preparación y alineación precisas de la unión, y las limitaciones asociadas con la ejecución del proceso en el vacío, según hemos analizado. Además, existen cuestio nes de seguridad, debido a que la EBW genera rayos x de los que deben protegerse las personas.
FIGURA 29.23 Una aplicación de soldadura con gas a presión: (a) calentamiento de las dos partes y (b) aplicación de presión para formar la soldadura.
Cuando se quem a hidrógeno con oxígeno com o combustible, el proceso se denom ina sol dadura de oxihidrógeno, SO (en inglés oxyhidrogen w elding, OHW). Como se m uestra en la tabla 29.2, la temperatura de la O H W es m enor a la que se obtiene en la soldadura con oxiacetileno. Además, el color de la flama no se ve afectado p o r diferencias en la m ezcla de hidrógeno y oxígeno, por tanto es más difícil que el soldador ajuste el soplete. Otros combustibles utilizados en la O FW incluyen el propano y el gas natural. El propano (C3Hg) se asocia más estrecham ente con operaciones de soldadura fuerte, soldadura blanda y de corte que con la soldadura por fusión. El gas natural está formado principalm ente de etano (C2H6) y metano (CH4). C uando se m ezcla con oxígeno produce una flama de alta temperatura, por esa causa se ha vuelto más com ún en talleres pequeños para soldadura por fusión. S o ld ad u ra p o r gas a p re sió n Éste es un proceso especial de la soldadura con oxígeno y gas combustible (OFW ), se distingue más por el tipo de aplicación que por el gas com bustible. La soldadura con gas a presión, SG P (en inglés pressure gas welding, PGW ), es un proceso de sol dadura por fusión, mediante el cual se obtiene la coalescencia sobre todas las superficies de con tacto de las dos partes, calentándolas con una m ezcla de combustible apropiada (por lo general gas de oxiacetileno) y después aplicando presión para unir las superficies. La figura 29.23 m uestra una aplicación común. Las partes se calientan hasta que em pieza la fusión en las superficies. D espués se retira el soplete de calentam iento, se oprim en las partes una contra la otra y se sostienen a pre siones altas mientras ocurre la solidificación. En la PGW no se usa metal de relleno.
29.4
OTROS PROCESOS DE SO LD AD U RA POR FUSIÓN Algunos procesos de soldadura por fusión no pueden clasificarse com o soldadura con arco eléctri co, por resistencia o con oxígeno y gas com bustible. Todos estos procesos usan una tecnología sin gular con la que se desarrolla el calor para la fusión, y por lo regular las aplicaciones son únicas.
29.4.1 Soldadura con haz de electrones La soldadura con haz de electrones, SHE (en inglés electrón beam welding, EBW), es un proceso de soldadura por fusión en el cual el calentamiento para el proceso se proporciona mediante una corriente muy concentrada de electrones de alta intensidad que chocan contra la superficie de trabajo. El equipo es similar al que se usa para el maquinado con haz de electrones (sección 27.3.2). La pistola de haz de electrones opera a alto voltaje para acelerar los electrones (por ejemplo, lo común es de 10 a 150 kV)
29.4.2
Soldadura con rayo láser
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La soldadura con rayo láser, SRL (en inglés láser beam welding, LBW), es un proceso por fusión, en el cual se obtiene la coalescencia mediante la energía de un haz luminoso coherente altamente concen-
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Sección 29.5 / Soldadura de estado sólido
Capítulo 29 / Procesos de soldadura
trado y enfocado a la unión que se va a soldar. El término láser corresponde a las siglas en inglés de “amplificación luminosa mediante em isiones estimuladas de radiaciones” {light am plification by stimulated emmision o f radiation). Esta m ism a tecnología se usa para el m aquinado con rayo láser (sección 27.3.3). La soldadura con rayo láser normalmente se ejecuta con gases protectores (por ejemplo, helio, argón, nitrógeno y dióxido de carbono) para evitar la oxidación. Por lo regular no se agrega metal de aporte. La soldadura con láser produce acabados de alta calidad, profunda penetración y una estrecha zona afectada por el calor. Estas características son similares a las que se obtienen en la soldadura con haz de electrones y con frecuencia los dos procesos son comparables. Las ventajas de la LBW sobre la EBW incluyen que no se requiere una cám ara de vacío, no se emiten rayos X y los rayos láser pueden enfocarse y dirigirse m ediante lentes ópticos y espejos. Por otra parte, la LB W no posee la capacidad para realizar soldaduras profundas, com o tampoco la alta relación entre profun didad y anchura que posee la EBW. La profundidad máxima en la soldadura con láser es aproxi madamente de 3/4 de pulg (19 mm), m ientras que la EBW puede usarse para profundidades de 2 pulg (50 mm) o más; y la relación entre profundidad y anchura en la LBW norm alm ente está li mitada alrededor de 5:1. D ebido a la energía altam ente concentrada en un área pequeña del rayo láser, con frecuencia el proceso se usa para unir partes pequeñas.
29.4.3
Acero supercaliente d e la reacción de — la termita
sq (1)
29.4.4
El término Termita es el nombre de una marca com ercial para la termita, una mezcla de polvo de alum inio y óxido de hierro que produce una reacción exotérm ica cuando se enciende. Es una sus tancia usada en bom bas incendiarias y para soldadura. Como un proceso de soldadura, el uso de ter m ita data aproxim adam ente de 1900. La soldadura con term ita, ST (en inglés term it welding, TW ), es un proceso de fusión en el cual el calor para la coalescencia se produce mediante el metal fundido supercalentado de la reacción química de la termita. El metal de apone se obtiene a partir del metal líquido y, aunque el proceso se usa para unir, es más común en el colado que en la soldadura. Cuando los polvos de aluminio y óxido de hierro finam ente m ezclados se encienden a una tem peratura aproxim ada a los 2300 °F (1300 °C), en una proporción de 1:3, producen la siguiente reacción química: 8Al + 3Fe30 4 — > 9Fe + 4A120 3 + calor
Escoria fundida (mediante ■ calentam iento por resistencia)
Parte_ base
7777777777
(a)
Metal soldado fundido — Metal s o ld a d o -------soldificado
Jñl
que no se requiera un acabado posterior.
Zapata d e moldeo (am bos lados) Agua para enfriamiento
¥ •
29.5
SO LDAD URA DE ESTADO SÓLIDO
W v 777 T / 7/ / / / , (b)
(29.6)
La tem peratura aproxim ada de la reacción es de 4500 °F (2500 °C), durante la cual se produce un hierro fundido supercalentado más óxido de alum inio, que flota en la parte superior com o escoria y protege al hierro de la atmósfera. En la soldadura con term ita, el hierro supercalentado (o acero, si la mezcla de polvo se formula con tal propósito) se coloca en un crisol encim a de la unión que se va soltar, com o se aprecia en el diagram a del proceso de TW de la figura 29.25. Después de que term ina la reacción (alrededor de 30 segundos, sin tom ar en consideración la cantidad de termita que se use), el crisol se drena y el metal líquido fluye dentro de un m olde construido especialmente para rodear la unión soldada. Debido a que la entrada del metal es tan caliente, funde los bordes de las partes bases, produciendo coalescencia tras la solidificación. D espués de enfriarse, se rompe el m olde y se retiran las compuertas y tubos mediante soplete de oxiacetileno u otro método. La soldadura con termita tiene aplicaciones en la unión de rieles de ferrocarril (como se apre cia en el ejem plo), y en la reparación de grietas en colados y forjas de acero grandes tales como m oldes de lingotes, ejes de diámetro grande, armazones para m aquinaria y tim ones de em barca ciones. La superficie de la soldadura en estas aplicaciones con frecuencia es lo bastante lisa para
FIGURA 29.24 Soldadura con electroescoria (ESW): (a) vista frontal con zapatas de moldeo removidas para mayor claridad y (b) vista lateral que muestra un esquema de la zapata de moldeo. La preparación es similar a la soldadura electrogaseosa (figura 29.7), excepto que se usa el calentamiento por resistencia de la escoria fundida para derretir los metales base y de aporre.
i
(3)
Soldadura con termita
La soldadura con electroescoria, SEE (en inglés electroslag welding, ESW ), usa el m ism o equipo básico de algunos procesos de soldadura con arco eléctrico y utiliza un arco para iniciar la operación de soldadura. Sin embargo, no es un proceso de soldadura con arco eléctrico (AW) porque durante la soldadura no se usa el arco eléctrico. La soldadura con electroescoria (ESW ) es un proceso de sol dadura por fusión en el cual se obtiene la coalescencia mediante escoria fundida caliente y altamente conductiva, que actúa sobre las partes base y el metal de aporte. Como se aprecia en la figura 29.24, la configuración general de la soldadura con electroescoria es similar a la de la soldadura electrogaseosa. Se lleva a cabo en orientación vertical (la que se muestra aquí es para soldadura em pal mada), usando zapatas de moldeo enfriadas por agua para contener la escoria fundida y el metal soldado. Al principio del proceso, se coloca en la cavidad un fundente conductivo granulado. La punta de electrodo consumible se coloca cerca de la parte inferior de la cavidad y se genera un arco eléctrico por un momento para iniciar la fusión del fundente. Una vez creado el pozo de escoria, se extingue el arco eléctrico y la corriente pasa del electrodo al metal base a través de la escoria con ductiva, de modo que su resistencia eléctrica genera el calor neceario para m antener el proceso de soldadura. Dado que la densidad de la escoria es m enor que la del metal fundido, ésta perm anece en la parte superior para proteger el pozo de soldadura. La solidificación ocurre desde la parte inferior, en tanto que el electrodo y los bordes de las partes base proporcionan metal fundido adicional. El proceso continúa gradualmente hasta que llega a la parte superior de la unión.
Tubo guía consumible
(2)
FIGURA 29.25 Soldadura de termita: (1) termita encendida; (2) el metal supercalemado que se drena del crisol fluye dentro de un molde y (3) el metal se solidifica para producir una unión soldada.
Soldadura con electroescoria
Electrodo (consumible)
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En la soldadura de estado sólido, la coalescencia de las superficies de la parte se obtiene: 1) m e diante presión solam ente o 2) por calor y presión. Para algunos procesos de estado sólido, el tiem po también es un factor. Si se usan calor y presión, la cantidad de calor por sí m ism a no es sufi ciente para producir la fusión de la superficies de trabajo. En otras palabras, no ocurrirá la fusión
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Sección 29.5 / Soldadura de estado sólido
Capítulo 29 / Procesos de soldadura
lo de alambre inm ediatam ente antes de la unión. Asimism o, al menos uno de los metales que se van a soldar, y de preferencia ambos, deben de ser muy dúctiles y libres de endurecim iento por trabajo. Los metales com o el alum inio suave y el cobre pueden soldarse en frío con facilidad. Las fuerzas de compresión aplicadas en el proceso producen el trabajo en frío de las partes metálicas y reducen el grosor hasta en un 50%, pero tam bién producen deform ación plástica localizada en las superfi cies que hacen contacto, produciendo coalescencia. Para partes pequeñas, las fuerzas se aplican mediante herram ientas sencillas operadas en forma manual. Para trabajo más pesado se requieren prensas poderosas para ejercer la fuerza necesaria. En la CW no se aplica calor de fuentes externas, pero el proceso de deform ación eleva de alguna forma la tem peratura del trabajo. La aplicación de la soldadura en frío incluye la fabricación de conexiones eléctricas.
de las partes usando solam ente el calor que se aplica en form a extem a para estos procesos. En algunos casos, la com binación de calor y presión o el m odo particular en el que se aplica la presión sola, generan suficiente energía para producir una fusión localizada de las superficies empalmantes. No se añade metal de relleno en la soldadura de estado sólido.
29.5.1
Consideraciones generales en la soldadura de estado sólido En la m ayoría de los procesos de soldadura de estado sólido se crea una unión m etalúrgica con muy poca o ninguna fusión de los metales base. Para unir metalúrgicam ente dos metales sim ilares o diferentes, debe establecerse un contacto íntimo entre los dos metales para que sus fuerzas atómi cas cohesivas se atraigan una a la otra. En el contacto físico normal entre dos superficies, la pre sencia de películas quím icas, gases, aceites y similares prohíbe tal proxim idad. Para que tenga éxito la unión atómica, deben rem overse estas películas y dem ás sustancias. En la soldadura por fusión (al igual que en otros procesos de unión, tales como la soldadura fuerte y la soldadura blanda), las películas se disuelven o se queman mediante altas tem peraturas para establecer una unión atómica mediante la fusión y solidificación de los metales en estos procesos. Pero en la soldadura de esta do sólido, deben rem overse las películas y otros contam inantes mediante otros métodos para per mitir que ocurra la unión m etalúrgica. En algunos casos, se hace una com pleta lim pieza de las superficies justo antes del proceso de soldadura; en otros casos, la acción de lim pieza se realiza como un parte integral del acercam iento de las superficies de las partes. En resumen, los ingre dientes esenciales para una soldadura de estado sólido exitosa son que las dos superficies deben: 1) estar muy limpias y 2 ) ponerse en contacto estrecho una con la otra para perm itir la unión atómica. Los procesos de soldadura que no implican una fusión tienen varias ventajas sobre los pro cesos de soldadura por fusión. Si no ocurre la fusión, no hay una zona afectada por el calor, por lo que el metal que rodea la unión conserva sus propiedades originales. M uchos de estos procesos pro ducen uniones soldadas que incluyen toda la interfase de contacto entre las dos partes, y no sólo en puntos o engargolados señalados, como en la mayoría de las operaciones de soldadura por fusión. Asimismo, algunos de estos procesos son aplicables para unir metales distintos, sin tom ar en con sideración las expansiones térmicas relativas, las conductividades y otros problem as que surgen normalmente durante la fundición y solidificación de distintos metales.
29.5.2
Soldadura con rodillos La soldadura con rodillos es una variación de la soldadura por forja o de la soldadura en frío, dependiendo de si se obtiene o no el calentam iento extem o de las partes de trabajo antes del proceso. La soldadura con rodillos, SR(en inglés roll welding, ROW ), es un proceso en estado sólido en el cual se aplica una presión suficiente para producir coalescen cia mediante rodillos, ya sea con o sin aplicación externa de calor. El proceso se ilustra en la figu ra 29.26. Si no se proporciona calor extem o, el proceso se denom ina soldadura en frío con rodillos; si se proporciona calor, se usa el térm ino soldadura en caliente con rodillos. Las aplicaciones de la soldaduras con rodillos incluyen el revestim iento con acero inoxidable para aleaciones medias o bajas para conseguir resistencia a la corrosión, la fabricación de tiras bim etálicas para m edir la tem peratura y la producción de monedas acuñadas para la Casa de M oneda de Estados Unidos. Soldadura en caliente con presión La soldadura en caliente con presión. SCP (en inglés hot pressure welding, HPW ), es otra variable de la soldadura por forja, en el cual ocurre la coales cencia por la aplicación de calor y presión suficientes para producir una deform ación considerable de los metales base. La deform ación rom pe la película de óxido de la superficie y deja lim pio el metal para establecer una buena unión entre las dos partes. Debe perm itirse que pase un tiem po para que ocurra la difusión a través de las superficies empalmantes. Por lo general, la operación se reali za en una cám ara de vacío o en la presencia de un medio protector. Las aplicaciones principales de la HPW están en la industria de la aeronáutica y el espacio. Soldadura por difusión La soldadura por difusión, SD (en inglés diffusion welding, DFW), es un proceso en estado sólido resultado de la aplicación de calor y presión, por lo general en una atm ósfera controlada, el tiempo suficiente para que ocurran la difusión y la coalescencia. Las tem peraturas están bastante abajo de los puntos de fusión de los m etales (el máximo está en alrededor de 0.5 T J y la deform ación plástica en la superficie es mínima. El mecanism o principal de coales cencia se lleva a cabo mediante la difusión en estado sólido, que im plica la migración de átomos a través de la interfase entre las superficies que hacen contacto. Las aplicaciones de la DFW incluyen la unión de m etales refractarios y de alta resistencia en las industrias de la aeronáutica, la aeroespacial y la nuclear. El proceso se usa para unir metales sim ilares y diferentes y, en este últim o caso, con frecuencia se introduce entre los m etales distintos una capa de relleno para prom over la difusión de los dos metales base. Una limitación del proceso puede ser el tiempo requerido para que ocurra la difusión entre las superficies em palm antes; este tiempo puede variar de segundos a horas [ 10].
Procesos de soldadura de estado sólido El grupo de soldadura de estado sólido incluye el proceso de unión más antiguo, al igual que algunos de los más m odernos. Todos los procesos en este grupo tienen una form a singular de crear la unión en las superficies em palm antes. El análisis em pieza con el soldado por forja, el prim er pro ceso de soldado. Soldado por forja El soldado por forja tiene importancia histórica en el desarrollo de la tecnología de m anufactura. El proceso data de alrededor del año 1000 a.C., cuando los herreros del mundo antiguo aprendieron a unir dos piezas de metal (véase nota histórica 28.1). El soldado por forja es un proceso en el cual los com ponentes que se van a unir se calientan a altas temperaturas de trabajo y después se forjan juntos por m edio de un m artillo u otro medio. Se requiere bastante habilidad del artesano que lo realiza para obtener una buena soldadura bajo las norm as actuales. El proceso tiene interés histórico; sin em bargo, actualmente posee una im portancia com ercial menor, excepto por algunas de sus variantes que se analizan en los párrafos siguientes. Soldadura en frío La soldadura en frío , SF (en inglés coid welding, CW ), es un proceso en estado sólido que se realiza aplicando alta presión entre superficies en contacto lim pias a tem peratura ambiente. Las superficies em palm antes deben estar excepcionalm ente lim pias para que funcione la CW, y generalm ente esta lim pieza se hace mediante un desengrasado y pulido con cepil-
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FIGURA 29.26 Soldadura con rodillos (ROW).
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Rodillo
Soldadura P artes que s e van
P artes soldadas
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Capítulo 29 / Procesos de soldadura
Sección 2 9 .S / Soldadura de estado sólido
S o ld ad u ra explosiva La soldadura explosiva, SE (en inglés explosion welding, EW), es un proceso de estado sólido en el cual se produce una rápida coalescencia de dos superficies metálicas mediante la energía de un explosivo detonado. Por lo general se usa para unir dos metales distin tos, en particular para revestir un metal sobre una base m etálica en áreas grandes. Las aplicaciones incluyen la producción de m aterias primas de láminas y placas resistentes a la corrosión destinadas a la fabricación de equipo de procesam iento en las industrias quím ica y del petróleo. En este con texto se emplea el término revestimiento p o r explosión. En la EW no se usa un metal de relleno ni se aplica calor externo. A simism o, durante el proceso no ocurre difusión (el tiempo es muy corto). La naturaleza de la unión es metalúrgica, en m uchos casos com binada con un entrelazado m ecáni co producido por una interfase ondulada o rizada entre los metales. El proceso para revestir una placa de metal sobre otra puede describirse con la figura 29.27. En esta distribución, las dos placas están en una configuración paralela y a una cierta distancia de separación, con la carga explosiva encim a de la parte superior, denom inada la placa volátil. Con frecuencia se usa una capa am ortiguadora (por ejem plo, de hule o de plástico) entre el explosivo y la placa volátil para proteger su superficie. La placa inferior, denom inada m etal de soporte, des cansa en un yunque para apoyo. Cuando se inicia la detonación, la carga explosiva se propaga de un extremo de la placa volátil al otro, com o se aprecia en la vista de acción interrumpida que se muestra en la parte (2) de la figura. Una dificultad en la com prensión de lo que sucede en la EW es el concepto erróneo común de que ocurre al instante una explosión; en realidad es una reacción pro gresiva, aunque ciertamente muy rápida, que se propaga a velocidades hasta de 28000 pies/seg (8500 m/seg). La zona de alta presión resultante impulsa la placa volátil para que choque con el metal de soporte en forma progresiva a alta velocidad, por lo que tom a una form a angular conforme avanza la explosión, como se ilustra en el diagrama. La placa superior perm anece en su posición en la región donde el explosivo todavía no ha detonado. D ebido a que la colisión ocurre a alta velo cidad en una forma progresiva y angular, provoca que se vuelvan inestables las superficies en el punto de contacto y las películas de superficie son expelidas hacia adelante desde el vértice del ángulo. Por tanto, las superficies que chocan están quím icam ente limpias, y el comportamiento del fluido del metal, que im plica una cierta fusión interfacial, proporciona un contacto íntimo entre las superficies y conduce a la unión metalúrgica. Las variaciones en la velocidad de choque y el ángulo de impacto durante el proceso pueden provocar una interfase ondulada o rizada entre los dos metales. Este tipo de interfase fortalece la unión, debido a que aumenta el área de contacto y tiende a entrelazar mecánicamente las dos superficies. S o ld ad u ra p o r fricc ió n La soldadura por fricción es un proceso comercial muy difundido y es conveniente para los m étodos de producción automatizada. El proceso fue desarrollado en la ex Unión Soviética, e introducido en Estados Unidos alrededor de 1960. La soldadura po r fricción, SFR* (en inglés frictio n welding, FRW), es un proceso en estado sólido en el cual se obtiene la
coalescencia mediante una com binación de calor por fricción y presión. La fricción se induce m e diante el frotam iento mecánico entre las dos superficies, generalmente por la rotación de una parte con respecto a la otra, a fin de elevar la temperatura en la interfase de unión hasta un rango de tra bajo caliente para los metales involucrados. Enseguida, las partes se dirigen una hacia la otra con suficiente fuerza para formar una unión metalúrgica. La secuencia se ilustra en la figura 29.28 para soldar dos partes cilindricas, una aplicación común del proceso. Como muestra la ilustración, la fuerza de compresión axial recalca las partes y se produce un reborde por el m aterial desplazado. Las películas que se encuentran sobre las superficies de contacto son expulsadas durante el proce so. Después debe em parejarse el reborde (por ejemplo, por rotación) para proporcionar una super ficie lisa en la región soldada. Cuando se realiza en forma correcta, no ocurre una fusión en las superficies empalmantes. Normalmente no se usa metal de relleno, como tam poco fundentes o gases protectores. Casi todas las operaciones de FRW usan la rotación para desarrollar el calor necesario para el proceso. Hay dos sistemas de conducción principales que distinguen dos tipos de FRW: 1) sol dadura por fricción de conducción continua y 2) soldadura por fricción con inercia. En la soldadu ra por fricción de conducción continua se dirige una parte a una velocidad de rotación constante y se impone un contacto con la parte estacionaria a cierto nivel de fuerza, para que se genere calor por fricción en la interfase. Cuando se alcanza la temperatura de trabajo correcta, se frena la rotación en forma abrupta y al m ism o tiempo se juntan las partes a presiones de forja. En la sol dadura p o r fricción con inercia, la p an e rotatoria se conecta a un volante, el cual se acelera a una velocidad predeterminada. D espués, se desconecta el volante del m otor de conducción y se aprietan las partes. La energía cinética alm acenada en el volante se disipa en la forma de calor por fricción para producir la coalescencia en las superficies empalmantes. El ciclo total para estas operaciones dura alrededor de 20 segundos. Las máquinas usadas para la soldadura por fricción tienen el aspecto de un tom o de motor. Requieren que un m andril con corriente haga girar una parte a alta velocidad y un m edio para aplicar una fuerza axial entre la parte rotatoria y la no rotatoria. Con sus ciclos breves, el proceso se presta para la producción masiva. Se aplica en la soldadura de diversos ejes y partes tubulares en las industrias autom otriz, aeronáutica, de equipo agrícola, de petróleo y del gas natural. El proceso
FIGURA 29.28 Soldadura por fricción (FRW): (1) parte rotatoria, sin contacto; (2) establecimiento de contacto entre las partes para generar calor por fricción; (3) rotación detenida y presión axial aplicada; y (4) soldadura creada.
Porción rotatoria
Porción no rotatoria Axialmente móvil
Establecimiento de contacto entre las partes para desarrollar fricción
FIGURA 29.27 Soldadura explosiva (EXW): (1) disposición en la configuración paralela y (2) durante la detonación de la carga explosiva. Explosión
Explosivo D e to n a d o r - * - ^
Amortiguador
Espacio de^ f separación l
Placa volátil Placa de soporte -Y unque
Soldadura
77777777
(1)
(2 )
Expulsión de películas de la superficie
Rotación detenida mientras se aplica una fuerza
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• [Nota del corrector] Se usa SFR para diferenciar este método de la soldadura en frío (S F ).
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F Fuerza axial aplicada
Soldadura formada
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Capitulo 29 / Procesos de soldadura
Sección 29.6 / Calidad de la soldadura
29.6.1
Fuerza descen d en te
Punta de sonotrodo
FIGURA 29.29 Soldadura ultrasónica (USW): (a) disposición general para una unión sobrepuesta y (b) acercamiento del área soldada.
Tensiones residuales y distorsión El calentam iento y enfriamiento rápidos en regiones localizadas del trabajo durante la soldadura por fusión, especialmente la soldadura con arco eléctrico, producen expansiones y contracciones térm i cas, que a su vez provocan tensiones residuales en la soldadura y distorsión del ensam ble soldado. La situación en la soldadura se com plica porque: 1) el calentam iento está muy localizado. 2) la fusión de los metales base ocurre en estas regiones locales y 3) la ubicación del calentam iento y la fusión está en m ovim iento (al menos en la soldadura con arco eléctrico). Por ejem plo, considere la soldadura em palm ada de dos placas mediante una operación de soldadura con arco eléctrico com o se m uestra en la figura 29.30(a). La operación empieza en un extrem o y viaja al lado opuesto. Conform e avanza, se form a un pozo fundido del metal base (y de metal de aporte, si se usa uno), el cual se solidifica con rapidez detrás del arco en movimiento. Las partes del trabajo inm ediata mente adyacentes a la gota de soldadura se vuelven extrem adam ente calientes y se expanden, en tanto que las porciones rem ovidas de la soldadura permanecen relativam ente frías. El pozo de sol dadura se solidifica rápidamente en la cavidad entre las dos panes y, conform e el pozo y el metal circundante se enfrían y contraen, ocurre un encogim iento a través de lo ancho de la soldadura, como se aprecia en la figura 29.30(b). El engargolado de la soldadura queda en tensión residual y se acum ulan tensiones com presivas de reacción en las regiones de las panes lejanas a la soldadura. También ocurren tensiones residuales y encogim iento a lo largo de la gota de soldadura. Dado que las regiones exteriores de las panes base han perm anecido relativam ente frías y sin cam bios de dim ensión, mientras que la gota de soldadura se ha solidificado a tem peraturas muy altas y después se ha contraído, las tensiones residuales permanecen en forma longitudinal en la gota de soldadu ra. Estos patrones de tensión transversal y longitudinal se muestran en la figura 29.30(c). Es pro bable que el resultado neto de estas tensiones residuales, en form a transversal y longitudinal, pro duzca una deform ación en el ensam ble soldado, com o se aprecia en la figura 29.30(d).
Movimiento vibratorio
Punta de sonotrodo
P artes que se van a soldar Y unque
• Yunque (b)
produce una estrecha zona afectada por el calor y puede usarse para unir metales distintos. U na de sus limitaciones es que al menos una parte debe estar en rotación, otras desventajas son que por lo general deben removerse las rebabas y que el recalcado reduce la longitud de las partes (lo cual debe tomarse en consideración para el diseño de productos). S oldadura u ltra só n ic a La soldadura ultrasónica, SU (en inglés ultrasonic w elding, USW), es un proceso en estado sólido en el cual se integran dos com ponentes bajo fuerzas de sujeción modestas y se aplican intensas presiones oscilatorias de frecuencia ultrasónica a la interfase para producir la coalescencia. La operación se ilustra en la figura 29.29 para la soldadura sobrepuesta, que es una aplicación típica. El m ovim iento oscilatorio entre las dos partes deshace las películas de superficie para perm itir un contacto íntim o y una fuerte unión metalúrgica entre las superficies. Aunque ocurre un calentam iento de las superficies que hacen contacto debido a la fricción interfa cial y a la deformación plástica, las tem peraturas resultantes están bastante abajo del punto de fusión. En la USW no se requieren metales de relleno, fundentes ni gases protectores. El movimiento oscilatorio se trasm ite a la parte de trabajo superior m ediante un sonotrodo que está acoplado a un transductor ultrasónico. Este dispositivo convierte la energía eléctrica en un movimiento vibratorio de alta frecuencia. Las frecuencias comunes usadas en la USW son de 15 a 75 kHz. y las amplitudes varían de 0.007 a 0.005 pulg (0.18 a 0.13 mm). Las presiones de sujeción son mucho menores que las que se usan en la soldadura en frío y no producen una deform ación plás tica importante entre las superficies. Bajo estas condiciones, los tiempos de soldadura son menores a 1 segundo. Por lo general, las operaciones de USW se limitan a uniones superpuestas sobre materiales suaves, tales como el alum inio y el cobre. L a soldadura de materiales más duros provoca un rápi do desgaste del sonotrodo que hace contacto con la parte de trabajo superior. Las partes de trabajo deben ser relativamente pequeñas y la soldadura de grosores menores a 1/8 de pulg (3 mm) es el caso común. Las aplicaciones incluyen term inación y em palmado de cables en las industrias eléc trica y electrónica (lo cual elim ina la necesidad de soldadura blanda), el ensam ble de paneles de lámina metálica de alum inio, la soldadura de tubos para chapas en paneles solares, así com o diversas tareas de ensamble de otras partes pequeñas en la industria automotriz.
29.6
FIGURA 29.30 (a) Soldadura em palmada de dos placas; (b) encogimiento a través de la anchura del ensamble soldado; (c) patrón de tensiones residuales transversales y longitudinales y (d) deformación
g
CALIDAD DE LA SO LDAD URA El propósito de cualquier proceso de soldadura es unir dos o más com ponentes en una sola estruc tura. Por tanto, la integridad física de la estructura formada depende de la calidad de la soldadura. En esta sección analizam os algunos de los aspectos relacionados con la calidad de la soldadura. La revisión se enfoca principalm ente en la soldadura con arco eléctrico, el proceso más difundido y para el cual el aspecto de la calidad es el más importante y complejo.
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Patrón de tensión longitudinal Patrón de tensión transversal (C)
(d)
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Capítulo 29 / Procesos de soldadura
Sección 29.6 / Calidad de la soldadura
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La unión em palm ada soldada con arco eléctrico de nuestro ejem plo es sólo uno de los diver sos tipos de uniones y operaciones de soldadura. Las tensiones residuales inducidas en form a tér mica y la distorsión im plícita son un problem a potencial en casi todos los procesos de soldadura por fusión y en ciertas operaciones de soldadura de estado sólido, en las cuales ocurre un calentam ien to significativo. Se emplean varias técnicas para reducir la deformación en una soldadura. Estas técnicas incluyen las siguientes: >- Soportes o fija d o res de soldadura que limitan físicamente el m ovim iento de las partes durante el proceso. *- Inm ersiones en caliente que reducen rápidam ente el calor de las secciones de las partes sol dadas para reducir la distorsión. >- Soldado de tachuelas en diversos puntos a lo largo de la unión, para crear una estructura rígi da antes de una soldadura engargolada continua.
FIGURA 29.31
Diferentes formas de cuarteaduras en una soldadura.
» Selección de condiciones para la soldadura (velocidad, cantidad de metal de aporte usado, etc.) para reducir la deform ación. >- Precalentamiento de las partes base, lo cual reduce el nivel de tensión térm ica que experi mentan las panes. >- Un tratamiento térm ico para dism inuir la tensión del ensam ble soldado, ya sea en un homo para soldaduras pequeñas o usando métodos que puedan realizarse en el cam po para estruc turas grandes. *• Diseño apropiado de la soldadura m ism a (véase sección 29.8).
29.6.2
Defectos de la soldadura A pañe de las tensiones residuales y la distorsión en el ensamble final, pueden ocurrir otros defec tos en la soldadura. Enseguida se proporciona una breve descripción de cada una de las categorías importantes, basada en una clasificación de Cary [2], Cuarteaduras Las cuarteaduras son interrupciones tipo fractura en la soldadura m ism a o en el metal base adyacente a la soldadura. Este tipo es tal vez el defecto de soldadura más serio, debido a que constituye una discontinuidad en el metal, que produce una importante reducción en la resistencia de la soldadura. Se definen varias formas en la figura 29.31. La figura 29.32 presen ta una fotom icrografía que m uestra grietas en una soldadura de acero. Las grietas en la soldadura se originan porque la soldadura o el metal base o ambos son frágiles o tienen baja ductilidad, com binadas con una alta lim itación durante la contracción. En general, este defecto debe repararse. Cavidades Éstas incluyen diversos defectos de porosidad y contracción. La porosidad consiste en pequeños defectos en el metal de la soldadura, formados por gases atrapados durante la solidificación. Los defectos pueden tener form a esférica (huecos en form a de burbuja) o alarga da (huecos en forma de gusano). Por lo general la porosidad es resultado de la inclusión de gases atm osféricos, así com o de sulfuro en el m etal de soldadura o de contam inantes en la superficie. Los defectos de contracción son cavidades form adas por el encogim iento durante la solidificación. Estos dos tipos de defectos tipo cavidad son sem ejantes a los defectos que se encuentran en la fundición y ponen de m anifiesto la estrecha sim ilitud entre ésta y la soldadura. Inclusiones sólidas Las inclusiones sólidas son materiales sólidos no m etálicos atrapados en el metal de la soldadura. L a form a más com ún son las inclusiones de escoria generadas durante los diferentes procesos de soldadura con arco eléctrico que usan fundente. En lugar de flotar en la
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FIGURA 29.32 Microcuarteaduras en una gota de soldadura de metal producida mediante arco eléctrico con electrodo consumible (cortesía de R. D. Stout, Departamento de Ciencias Materiales e
parte superior del pozo de soldadura, los glóbulos de escoria quedan atrapados durante la solidifi cación del metal. O tra forma de inclusión son los óxidos m etálicos que se forman durante la sol dadura de ciertos m etales com o el alum inio, los cuales norm alm ente tienen un recubrim iento super ficial de A120 3. Fusión incompleta Varias form as de este defecto se ilustran en la figura 29.33. Un defec to conocido com o carencia de fusión es simplemente una gota de soldadura en la cual no ocurre la fusión a través de toda la sección transversal de la unión. Un defecto relacionado pero diferente es la carencia de penetración. El térm ino penetración hace referencia a la profundidad que alcanza la
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Capítulo 29 / Procesos de soldadura
Preguntas de repaso
Los factores que afectan la soldabilidad incluyen: 1) el proceso de soldadura, 2) las propiedades del metal base, 3) el metal de relleno y 4) las condiciones de la superficie. El proceso de soldadura es significativo. Algunos metales o com binaciones de m etales que se sueldan fácil mente mediante un proceso son difíciles de soldar con otros. Por ejem plo, el acero inoxidable se suelda fácilmente mediante la mayoría de los procesos de soldadura con arco eléctrico, pero se con sidera un metal difícil para los procesos de soldadura con oxígeno y gas combustible. Las propiedades del metal base afectan el rendim iento de la soldadura. Las propiedades importantes incluyen el punto de fusión, la conductividad térm ica y el coeficiente de expansión térmica. Podría pensarse que un punto de fusión más bajo significaría una soldadura más fácil. Sin embargo, algunos metales se funden con dem asiada facilidad para una buena soldadura, por ejem plo el aluminio. Los metales con alta conductividad térm ica tienden a transferir calor lejos de la zona de soldadura, lo cual los hacer difíciles de soldar, por ejem plo, el cobre. La alta expansión tér mica y la contracción en el metal provocan problem as de distorsión en el ensam ble soldado. Los metales distintos poseen problem as especiales en la soldadura cuando sus propiedades físicas o mecánicas o ambas son muy diferentes. Las diferencias en la tem peratura de fusión repre sentan un problema obvio. Las diferencias en la resistencia o el coeficiente de expansión térmica pueden provocar altas tensiones residuales que conducen a grietas. Si se usa un metal de aporte, éste debe ser compatible con el (los) m etal(es) base. En general, los elem entos mezclados en el estado líquido que forman una solución sólida tras la solidificación no provocarán problemas. Los metales en la unión soldada se vuelven quebradizos si se exceden los límites de solubilidad. Las condiciones de las superficies de los m etales base pueden afectar adversam ente la operación. Por ejemplo, la humedad puede provocar porosidad en la zona de fusión. Los óxidos y otras películas sólidas en la superficies m etálicas evitan un contacto adecuado e impiden la fusión.
29.8 CONSIDERACIONES DE DISEÑO EN LA SOLDADURA
(b)
(c)
(d)
FIGURA 29.36 Posiciones para soldadura (definidas aquí para soldaduras en ranuras): (a) plana, (b) horizontal (c) vertical y (d) sobre cabeza.
Las siguientes guías de diseño se aplican para la soldadura de puntos por resistencia: >• La lámina de acero de bajo carbono de hasta 0.125 pulg (3.25 mm) es el metal ideal para la soldadura de puntos por resistencia. >• La resistencia y rigidez adicionales en componentes de láminas metálicas planas se obtienen mediante: 1) partes de refuerzo de soldadura de puntos sobre ellas o 2 ) la form ación de rebor des y relieves dentro de ellas. >■ El ensam ble soldado de puntos debe proporcionar acceso para que los electrodos alcancen el área de soldadura. >• Se requiere una suficiente superposición de las partes de láminas metálicas para que la punta del electrodo haga un contacto adecuado en la soldadura de puntos. Por ejem plo, para lám i na de acero de bajo carbono, la distancia de sobreposición debe variar aproxim adam ente seis veces el grosor de la materia prim a para láminas con un grosor de 0.125 pulg (3.2 mm), y alrededor de 20 veces el espesor para láminas delgadas de 0.020 pulg (0.5 mm).
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Si se va a soldar permanentem ente un ensam ble, el diseñador debe recordar ciertas pautas. Algunos de los principios y consideraciones im portantes cuando se diseña un producto soldado se presentan en la siguiente lista (recopilada de [1], [2 ] y otras fuentes): >■ Diseño para la soldadura. La recom endación básica es que el producto debe diseñarse desde el principio com o un ensam ble soldado y no com o una fundición, forja u otra parte for mada. >
(a)
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Partes mínimas. Los ensam bles soldados deben consistir en la m enor cantidad de partes posibles. Por ejemplo, generalmente es más eficiente en costos realizar simples operaciones de doblado sobre una parte, que soldar un ensam ble a partir de placas y chapas planas.
Las pautas siguientes se aplican a la soldadura con arco eléctrico: >- Es importante que las partes que se van a soldar se ajusten bien, para m antener el control de las dimensiones y reducir la distorsión. En ocasiones se requiere aplicar un m aquinado para
[1] Bralla, J. G., Handbook o f Product Design fo r Manu facturing, McGraw-Hill Book Co., New York, 1986, Section 7. [2] Cary, H. B., Modern Welding Technology, Prentice Hall. Englewood Cliffs, N.J.. 1979. [3] Galyen, J„ Sear, G., and Tuttle, C. A., Welding, Funda mentáis and Procedures, Prendce Hall, Englewood Cliffs, N.J., 1985. [4] Metals Handbook, 9th ed., Vol. 6, Welding, Brazing, and Soldering, American Society for Metals, Metals Park, Ohio, 1983. [5] Principies o f Industrial Welding, James E Lincoln Are Welding Foundation, Cleveland, Ohio, 1978. [6] Rich, T., and Roberts, R., “The Forge Phase of Friction Welding," Welding Journal, March 1971.
[7] Schwartz, M. M., Metals Joining Manual, McGrawHill Book Co., New York. 1979. [8] Stout, R. D., and Doty, W. D., Weldability ofSteels, 3rd ed., Welding Research Council, New York, 1978. [9] Welding Handbook, 8th ed., Vol. 1, Welding Technol ogy, American Welding Society, Miami, Fl., 1987. [10] Welding Handbook, 8th ed., Vol. 2, Welding Processes, American Welding Society, Miami, Fl., 1991. [11] Wick, C., and Veilleux, R. F., Tool and Manufacturing Engineers Handbook, 4th ed., Vol. IV, Quality Control and Assembly, Society of Manufacturing.Engineers, Dearbom, Mi., 1987, Chapter 9.
obtener un ajuste satisfactorio. >• El ensamble debe proporcionar espacio de acceso, con el fin de perm itir que la pistola para
PREGUNTAS DE REPASO
soldadura alcance el área de trabajo. >
Cuando sea posible, el diseño del ensam ble debe perm itir que se realice una soldadura plana, dado que ésta es la posición de trabajo más conveniente y rápida. Las posiciones para soldadura posibles se definen en la figura 29.36. La posición de cabeza abajo es la más difícil.
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29.1. Nombre los grupos principales de los procesos incluidos en la soldadura por fusión. 29.2. ¿Cuál es la característica fundamental que distingue la soldadura por fusión de la soldadura de estado sólido? 29.3. Defina qué es un arco eléctrico. 29.4. ¿Qué significa el término tiempo de arco eléctrico?
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Capitulo 29 / Procesos de soldadura
Problemas
29.5. Los electrodos en la soldadura con arco eléctrico se dividen en dos categorías. Nombre y defina los dos tipos. 29.6. ¿Cuáles son los dos métodos básicos para proteger el arco? 29.7. ¿Por qué es mayor la eficiencia de transferencia de calor en los procesos de soldaduracon arco eléctri co que utilizan electrodos consumibles? 29.8. Describa el proceso de soldadura metálica con arco eléctrico protegido (SMAW). 29.9. ¿Por qué es difícil de automatizar el proceso de soldadura metálica con arcoeléctricoprotegido (SMAW)? 29.10. Describa la soldadura con arco sumergido (SMAW). 29.11. Describa el proceso de soldadura electrogaseosa (EGW) e identifique su aplicación principal. 29.12. ¿Por qué son mucho más altas las temperaturas en la soldadura con plasma de arco que en otros proce sos de soldadura con arco eléctrico? 29.13. Defina soldadura por resistencia. 29.14. ¿Cuáles son las propiedades deseables para que un metal proporcione buena soldabilidad para la sol dadura por resistencia? 29.15. Describa la secuencia de pasos en el ciclo de una operación de soldadura de puntos por resistencia. 29.16. ¿Qué es una soldadura de proyección por resistencia? 29.17. Describa la soldadura con alambre transversal. 29.18. Escriba las ecuaciones para las reacciones químicas en la combustión del acetileno con el oxígeno. 29.19. ¿Por qué se prefiere el proceso de soldadura con oxiacetileno sobre los otros procesos de soldadura con oxígeno y gas combustible? 29.20. Defina soldadura con gas a presión. 29.21. La soldadura con haz de electrones tiene una desventaja importante en las aplicaciones de alta produc ción. ¿Cuál es esa desventaja? 29.22. La soldadura con rayo láser y la soldadura con haz de electrones se comparan con frecuencia debido a que ambas producen densidades de energía muy altas. El maquinado con rayo láser (LBM) tiene cier tas ventajas sobre el maquinado con haz de electrones (EBM). ¿Cuáles son tales ventajas? 29.23. Hay varias diferencias actuales entre el soldado por forja y el proceso de soldadura original. Nombre las variaciones. 29.24. Describa y distinga los dos tipos básicos de soldadura por fricción. 29.25. ¿Qué es un sonotrodo en la soldadura ultrasónica? 29.26. La distorsión (deformación) es un problema serio en la soldadura por fusión, en particular de la sol dadura con arco eléctrico. ¿Cuáles son algunas de las medidas que pueden tomarse para reducir la inci dencia y el alcance de la distorsión? 29.27. ¿Cuáles son algunos de los defectos importantes de la soldadura por difusión? 29.28. Cuáles son las tres categorías básicas de técnica de inspección y prueba usadas para las soldaduras? Nombre algunas inspecciones o pruebas comunes en cada categoría. 29.29. Identifique los factores que afectan la soldabilidad. 29.30. ¿Cuáles son algunas de las pautas para soldaduras fabricadas mediante soldadura con arco eléctrico?
29.5. Cuál de los siguientes procesos se clasifica como soldadura de estado sólido? (Puede ser más de uno.) a) LBW. b) CW, c) HPW. d) OAW. 29.6. Un arco eléctrico es una descarga de corriente a través de una separación en un circuito eléctrico. El arco eléctrico se sostiene en los procesos de soldadura con arco eléctrico mediante la transferencia de metal fundido a través de la separación entre el electrodo y el trabajo: a) cierto o b) falso. 29.7. ¿Cuál de los siguientes procesos de soldadura con arco eléctrico u sa un electrodo no consum ible? a) SMAW, b) GMAW, c) FCAW. d) GTAW.
29.8. La soldadura con metal gas inerte es un término que se aplica en ocasiones cuando se hace referencia a cuál de los procesos siguientes? a) SMAW, b) GMAW, c) FCAW, d) GTAW.
29.9. ¿La soldadura de varilla es un término que se aplica en ocasiones cuando se hace referencia a cuál de los procesos siguientes? a) SMAW, b) GMAW, c) FCAW, d) GTAW. 29.10. ¿Cuál de los siguientes procesos de AW usa un electrodo que consiste en una tubería consum ible continua que contiene fundente y otros ingredientes en su núcleo? a) SMAW, b) GMAW, c) FCAW, d) GTAW. 29.11. ¿Cuál de los siguientes procesos de soldadura con arco eléctrico produce las temperaturas más altas? a) TIG, b) SAW. c) PAW. d) CAW. 29.12. Los gases protectores que se usan para soldadura no incluyen cuál de los siguientes? (Puede ser más de uno.) a) argón, b) monóxido de carbono, c) helio, d) nitrógeno, e) hidrógeno. 29. 13. Los procesos de soldadura por resistencia usan el calor generado mediante una resistencia eléctrica para obtener la fusión de las dos partes que se van a unir, no se usa presión en estos procesos y no se añade metal de relleno: a) cierto o b) falso. 29.14. Los metales más fáciles de soldar en la soldadura por resistencia son aquellos que tienen bajas resis tividades. dado que esto ayuda al flujo de la corriente eléctrica: a) cierto b) falso. 29.15. La soldadura con oxiacetileno es el proceso de soldadura con oxígeno y gas com bustible de mayor uso, debido a que el acetileno mezclado con un volumen igual de aire arde a una temperatura más alta que cualquier otro com bustible de uso comercial: a) cieno, b) falso. 29.16. El término láser significa “sistema representado por luz para una reflexión efectiva": a) cierto o b) falso. 29.17. ¿Cuál de los siguientes procesos de soldadura de estado sólido aplica calor desde una fuente externa? (Puede ser m ás de uno.) a) soldadura a forja, b) soldadura por difusión, c) soldadura por fricción, d) sol dadura ultrasónica. 29.18. El término soldabilidad toma en cuenta no sólo la facilidad con que se puede ejecutar una operación de soldadura, sino también la calidad de la soldadura resultante: a) cieno o b) falso. 29.19. El cobre es un metal relativam ente fácil de fundir debido a que tiene una alta conductividad térmica: a) cieno o b) falso.
PROBLEMAS Soldadura con arco eléctrico
CUESTIONARIO DE OPCION MULTIPLE Hay un total de 26 respuestas correctas en el siguiente cuestionario. La calificación porcentual de la prueba debe basarse en este total. 29.1. La característica que distingue los procesos de soldadura por fusión de la soldadura de estado sólido es que en la soldadura por fusión se funden las superficies empalmantes: a) cierto b) falso. 29.2. ¿Cuál de los siguientes procesos se clasifica com o soldadura por fusión? (Puede ser m ás de uno.) a) soldadura electrogaseosa, b) soldadura por percusión, c) soldadura por explosión, d) soldadura con haz de electrones. . 29.3. ¿Cuál de los siguientes procesos se clasifican com o soldadura por fusión? (Puede ser m ás de uno.) a) soldadura de puntos por resistencia, b) soldadura por difusión, c) soldadura con gas a presión, d) soldadura por fricción. 29.4. ¿Cuál de los siguientes procesos se clasifica como soldadura de estado sólido? (Puede ser más de uno.) a) soldadura por resistencia de puntos, b) soldadura con termita, c) soldadura con recalcado, d) sol dadura con rodillo.
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29.1. Una operación de SMAW se realiza en una sección de trabajo usando un ajustador y un soldador. El ajustador ocupa 5.5 minutos para colocar sus componentes sin soldar en el soporte para soldadura al ini cio del ciclo de trabajo, y 2.5 min para descargar la soldadura terminada al final del ciclo. La longitud total de los engargolados de soldadura que se van a hacer es de 75.0 pulg, y la velocidad de viaje que usa el soldador tiene un promedio de 15 pulg/min. Cada 30 pulg de longitud de soldadura, debe cam biarse la varilla de soldadura, lo cual ocupa 1.5 min. Mientras el ajustador está trabajando, el soldador descansa; y mientras el soldador trabaja, el ajustador está inactivo, a) Determ ine el tiempo de arco eléc trico promedio en este ciclo de soldadura, b) ¿Cuánto mejoramiento se produciría en el tiempo de arco eléctrico si el soldador usara FCAW (operada en forma manual)? El devanador de alambre para sol dadura con núcleo de fundente debe cam biarse cada 5 operaciones, y esta actividad ocupa 7.0 min. c) ¿Cuáles son las velocidades de producción para estos dos casos (soldaduras terminadas por hora)? 29.2. En el problema 29.1, suponga que se instalará una unidad con robot industrial para sustituir al soldador. La unidad consistiría en el robot (usando GMAW en lugar de SMAW o FCAW soldadura con núcleo de fundente), dos soportes para soldadura y el ajustador que carga y descarga las partes. Con dos soportes, el ajustador y el robot trabajan simultáneamente, el robot suelda en un soporte mientras el ajustador descarga y carga el otro. Al final de cada ciclo de trabajo, cam bian lugares. El devanador de
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Problemas
Capítulo 29 / Procesos de soldadura
29.3.
29.4.
29.5.
29.6.
29.7.
alambre de electrodo debe cambiarse cada cinco partes de trabajo, labor que requiere 7.0 min y que rea liza el ajustador. Determine: a) el tiempo de arco y b) la velocidad de producción para esta unidad de trabajo. Una operación de soldadura con arco protegido se ejecuta sobre acero. Sus parámetros son E = 30 V e / = 225 A. La eñciencia de transferencia de calor/j = 0.85 y la eficiencia de fusión/ 2 = 0.75. La unidad de energía de fusión para el acero = 153 Btu/pulg3. Obtenga: a) la rapidez de generación de calor en la soldadura y b) la rapidez de volumen del metal soldado. Una operación de soldadura de tungsteno con arco eléctrico y gas se ejecuta sobre acero inoxidable, cuya unidad de energía de fusión Um = 9.3 J/m m l Las condiciones son £ = 25 V, / = 125 A ,/i = 0.65, y / 2 = 0.70. Se añade un alambre de metal de aporte de 3.0 mm de diámetro a la operación y la gota de soldadura final está compuesta de volúmenes iguales de metales de relleno y base. Si la velocidad de viaje en la operación v = 5 mm/seg, determine: a) el área de sección transversal de la gota de soldadu ra y b) la velocidad de alimentación en mm/seg a la que debe incorporarse el alambre de apone. Se ejecuta una operación de soldadura con núcleo de fundente para empalmar dos placas de aluminio usando las condiciones siguientes: E = 20 V, / = 250 A. Se supone que el área de sección transversal del engargolado de soldadura = 80 mm2 y la eficiencia de fusión del aluminio / 2 = 0.5. Usando los datos tabulares y las ecuaciones proporcionadas en este capítulo y el anterior, determine el valor probable para la velocidad de viaje v en la operación. Se ejecuta una operación de soldadura metálica con arco eléctrico y gas para determinar el valor de la eficiencia de fusión / 2 en un metal y una operación determinados. Las condiciones para soldadura son E = 25 V e I = 125 A. y se supone que la eficiencia de transferencia de caior )\ = 0.90, un valor común para la GMAW. La velocidad a la que se añade el metal de relleno a la soldadura es de 0.50 pulg3/min, y las medidas indican que las gotas de soldadura finales consisten en 57% de metal de relleno y 43% de metal base. Se sabe que la unidad de energía de fusión para el metal es de 75 Btu/pulg3. a) Encuentre / 2. b) ¿Cuál es la velocidad de viaje si el área de sección transversal de la gota de soldadura = 0.5 pulg2? Se realizará una soldadura continua alrededor de la circunferencia de un tubo de acero redondo de diámetro = 6.0 pies, usando una operación de soldadura con arco sumergido bajo control automático a un voltaje de 25 V y una corriente de 300 A. Se hace rotar el tubo suavemente bajo una cabeza para sol dadura estacionaria. La eficiencia de transferencia de calor para la operación es f\ = 0.95 y se supone una eficiencia de fusión f2 = 0.7. El área de sección transversal de la gota de soldadura es 0.12 pulg2. Si la unidad de energía de fusión para el acero = 150 Btu/pulg3, determine: a) la velocidad de rotación del tubo y b) el tiempo requerido para completar la soldadura.
operación es 10 000 A. la duración de la soldadura i = 0.3 seg, y la resistencia en la interfase es 75 |ií2. Se usa soldadura de movimiento continuo, con ruedas de electrodo de 8 pulg de diámetro. Las pepitas de soldadura individuales formadas en esta operación de RSEW tienen un diámetro = 0.25 pulg y un grosor = 0.125 pulg (suponga que las pepitas de soldadura tienen forma de discos). Estas pepitas de sol dadura deben estar contiguas para formar un engargolado sellado. La unidad de energía que conduce el proceso requiere un tiempo de descanso entre soldaduras de puntos de 1.0 seg. Dadas estas condiciones, determine: a) la unidad de energía de fusión de acero inoxidable usando los métodos del capítulo 28, b) la proporción de energía generada que participa en la formación de cada pepita de soldadura y c) la velocidad de rotación de las ruedas del electrodo. 29.12. Suponga que en el problema 29.11 se ejecuta una operación de soldadura de puntos en rodillo en lugar de una soldadura engargolada. Las resistencias de interfase aumentan a 100 p ií, y la separación de cen tro a centro entre las pepitas de soldadura es 1.0 pulg. Dadas las condiciones del problema 29.12, y con los cambios señalados aquí, determine: a) la proporción de energía generada que participa en la forma ción de cada pepita de soldadura y b) la velocidad de rotación de las ruedas de electrodos, c) A esta mayor velocidad de rotación, ¿cuánto se mueve la rueda durante la corriente a tiempo y podría esto tener el efecto de alargar la pepita de soldadura (haciéndola elíptica en lugar de redonda)? 29.13. Se diseña una fuente de energía experimental para soldadura de puntos que ofrece una corriente como una función de elevación de tiempo: / = 100 000 i, en donde / = A y t = seg. Al final de la energía a tiempo, se detiene abruptamente la corriente. La lámina de metal que se suelda con puntos es de acero bajo carbono cuya unidad de energía de fusión = 10 J/mm3. La resistencia R = 85 p í l La pepita de soldadura deseada tiene un diámetro = 4 mm y un grosor de = 2 mm (suponga una pepita en forma de disco). Se supone que se usará un cuarto de la energía generada por la fuente para formar la pepi ta de soldadura. Determine la potencia justo en el tiempo en que debe aplicarse la corriente para realizar esta operación de soldadura de puntos.
Soldadura con haz de electrones
Soldadura por resistencia 29.8. Se ejecuta una operación de soldadura de puntos por resistencia sobre dos piezas de lámina de acero de 0.040 pulg de grosor (de bajo carbono). La unidad de energía de fusión para el acero = 150 Btu/pulg3. Los parámetros del proceso producen una pepita de soldadura con un diámetro = 0.19 pulg y un grosor = 0.060 pulg. Suponga que la resistencia = 100 |IÍ2. Determine: a) la densidad de energía promedio en el área de interfase definida mediante la pepita para soldadura, y b) la proporción de energía generada que se aplicó a la formación de la pepita de soldadura. 29.9. Se usa una operación de RSW para hacer una serie de soldaduras de puntos entre dos piezas de alu minio, cada una con un espesor de 2.0 mm. La unidad de energía de fusión para el aluminio Um = 2.90 J/mra3. La corriente de soldadura I = 6000 A y una duración = 0.15 seg. Suponga que la resistencia = 75 |i£l. La pepita de soldadura resultante mide 5.0 mm de diámetro por 2.5 mm de espesor. ¿Cuánto de la energía total generada se usó para formar la pepita de soldadura? 29.10. La unidad de energía de fusión para cierta lámina metálica que se va a soldar con puntos es Um = 10.0 J/mm3. El espesor de cada una de las láminas que se van soldar es de 3.0 mm. Para obtener la resisten cia requerida, se pretende formar una pepita de soldadura con un diámetro de 6.0 mm y un espesor de 4.5 mm. La duración de la soldadura se establecerá en 0.2 seg. Si se supone que la resistencia eléctrica entre las superficies es 125 |iíl, y que sólo un tercio de la energía eléctrica generada se usará para for mar la pepita de soldadura (y el resto se disipará dentro del trabajo), determine el nivel de corriente mí nimo requerido para esta operación. 29.11. Se ejecuta una operación de soldadura engargolada por resistencia sobre dos piezas de acero inoxidable austenítico de 3/32 de pulg de grosor para fabricar un recipiente. La corriente de soldadura en la
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29.14. Una operación de soldadura con haz de electrones usa los siguientes parámetros de proceso: voltaje de aceleración = 25 kV, corriente del haz = 100 mA, y el área circular en la que se concentra el haz tiene un diámetro = 0.020 pulg. Si la eficiencia de transferencia de calor/¡ = 90%. determine la densidad de energía promedio en el área en Btu/seg-pulg2. 29.15. El voltaje en una operación de soldadura con haz de electrones = 50 kV y la corriente del haz = 65 mA. El haz de electrones se concentra sobre un área circular con un diámetro de 0.3 mm. La eficiencia de transferencia de calor/j = 0.85. Calcule la densidad de energía promedio en el área en W/mm2. 29.16. Se va a realizar una operación de soldadura con haz de electrones para empalmar dos láminas metáli cas con un grosor de 3.0 mm. La unidad de energía de fusión = 5.0 J/mm3. La unión soldada va a tener una anchura de 0.35 mm, por lo que la sección transversa] del metal fundido es de 0.35 mm por 3.0 mm. Si el voltaje de aceleración = 25 kV, la corriente del haz = 30 mA, la eficiencia de transferencia de calor /i = 0.85, y la eficiencia de fusión / 2 = 0.75, determine la velocidad de viaje a la que puede hacerse esta soldadura a lo largo del engargolado.
Sección 30.1 / Soldadura tuerte
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El pegado com parte ciertas características con la soldadura fuerte y la soldadura blanda. U tiliza las fuerzas de atracción entre un metal de aporte y dos superficies más cercanas para unir las partes. Las diferencias son que el m aterial de aporte en el pegado no es m etálico y el proceso de unión se realiza a tem peratura am biente o sólo un poco más arriba.
30.1
SOLDADURA FUERTE (SOLDADURA CON LATÓN) La soldadura fuerte es un proceso de unión en el cual se funde un metal de aporte y se distribuye mediante acción capilar entre las superficies em palm antes de las partes m etálicas que se van a unir. En este tipo de soldadura no ocurre la fusión de los metales base; sólo se derrite el material aporte. En el proceso, el metal de aporte, tam bién llamado el m etal p ara soldadura fu e rte , tiene una tem peratura de fusión (líquida) superior a 840 °F (450 °C) pero m enor que el punto de fusión (sólido) de los metales base que se van a unir. Si la unión se diseña en form a correcta y la operación de sol dadura fuerte se ejecuta adecuadam ente, la unión con soldadura fuerte será más resistente que el metal de aporte del que se formó tras la solidificación. Este notable resultado se debe a los pequeños espacios libres entre las partes en la soldadura fuerte, a la unión metalúrgica que ocurre entre los m e tales base y de aporte y a las lim itaciones geom étricas que imponen a la unión las partes base. La soldadura fuerte tiene varias ventajas en comparación con la soldadura por fusión: 1) puede unirse cualquier metal, inclusive los que son distintos; 2) ciertos métodos para soldadura fuerte pueden realizarse en forma rápida y consistente, lo que permite altas velocidades de los ciclos y la producción automatizada: 3) algunos métodos permiten la soldadura simultánea de varias uniones; 4) la soldadura fuerte se aplica para unir partes de paredes delgadas que no pueden soldarse con arco eléctrico; 5) en genera], se requiere menos calor y energía que en la soldadura por fusión; ó) se reducen los problemas en la zona afectada por el calor en el metal base cerca de la unión,y 7) es posible soldar áreas de unión inaccesibles para muchos procesos de soldadura por fusión, dado que la acción capilar atrae el metal de aporte fundido dentro de la unión. Las desventajas y lim itaciones de la soldadura fuerte son que: 1) la resistencia de la unión por lo general es m enor que una unión por fusión; 2) aunque la resistencia de una buena unión con sol dadura fuerte es m ayor que la del m etal de aporte, es posible que sea m enor que la de los metales base; 3) las altas tem peraturas de servicio pueden debilitar una unión con soldadura fuerte, 4) el color del metal en una unión con soldadura fuerte puede no coincidir con el color de las partes metálicas base, lo cual produce una posible desventaja estética. La soldadura fuerte es un proceso de producción de amplio uso en diversas industrias, incluyendo la autom otriz (por ejem plo, para unir tubos y conductos), equipo eléctrico (por ejemplo, para unir alambres y cables), herram ientas de corte (por ejem plo, para unir insertos de carburo reforzado a partes finales) y la fabricación de joyería. A demás, la industria de procesam iento quím i co, al igual que los contratistas de plom ería y calefacción, unen conductos y tubos m etálicos m e diante soldadura fuerte. El proceso se usa extensam ente para reparación y trabajos de m anteni m iento en casi todas las industrias.
SOLDADURAS FUERTE, BLANDA Y PEGADO CON UNIONES ADHESIVAS C O N T EN ID O DEL CA PÍTU LO 30.1
30.2
30.3
Soldadura fuerte (soldadura con latón) 30.1.1 Uniones con soldadura fuerte 30.1.2 Metales de aporte y fundentes 30.1.3 Métodos de soldadura fuerte Soldadura blanda (soldadura con estaño) 30.2.1 Diseño de uniones en la soldadura blanda 30.2.2 Soldaduras y fundentes 30.2.3 Métodos para soldadura blanda Uniones adhesivas 30.3.1 Diseño de uniones 30.3.2 Tipos de adhesivos 30.3.3 Tecnología de aplicaciones
En este capítulo consideramos tres procesos de unión que son similares a la soldadura en cier tos aspectos: la soldadura fuerte, la soldadura blanda y uniones adhesivas. La soldadura fuerte y la soldadura blanda usan metales de aporte para juntar y unir dos (o más) partes metálicas con el fin de proporcionar una unión permanente. Es difícil, aunque no imposible, desensam blar las partes después de que se ha hecho una unión o soldadura fuerte o blanda. En el espectro de procesos de unión, la soldadura fuerte y la soldadura blan da se encuentran entre la soldadura por fusión y la soldadura de estado sólido. En ambas se añade un metal de aporte, com o en la m ayoría de las operaciones de soldadura por fusión; sin embargo, no ocurre la fusión de ios m etales base, en lo cual es sim ilar a la soldadura de esta do sólido. A pesar de estas incongruencias, la soldadura fuerte y la soldadura blanda gene ralmente se consideran distintas a la soldadura por fusión. La soldadura fuerte y la soldadu ra blanda son atractivas en com paración con la soldadura por fusión bajo circunstancias donde: 1) los metales tienen poca soldabilidad, 2) se unen m etales distintos, 3) el intenso calor de la soldadura por fusión puede dañar los com ponentes que se van a unir, 4) la geometría de la unión no se presta para ninguno de los métodos de soldadura por fusión y 5) no se requiere de una gran resistencia.
30.1.1
Uniones con soldadura fuerte
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Las uniones con soldadura fuerte son de dos tipos: em palm adas y sobrepuestas. Sin em bargo, los dos tipos se han adaptado para el proceso de soldadura fuerte en varias formas. La unión em pal mada convencional proporciona un área limitada para la soldadura fuerte, que pone en riesgo la resistencia de la unión. Para aum entar las áreas em palm antes en las uniones con soldadura fuerte, las partes que se van a aparear se biselan o escalonan o alteran de algún modo, com o se muestra en la figura 30.1. Por lo general, se requiere de un procesam iento adicional en la fabricación de las partes para estas uniones especiales. U na dificultad particular asociada con una unión biselada es el problem a de m antener la alineación de las partes antes y durante la soldadura.
Sección 30.1 / Soldadura fuerte
Capítulo 30 / Soldaduras fuerte, blanda y pegado con uniones adhesivas
773
FIGURA 30.1 (a) Unión em palmada convencional y adaptaciones de la unión em palm ada para soldadura fuerte: (b) unión con bisel, (c) unión empalm ada escalonada y (d) sección transversal aumentada de la parte en la unión.
Las uniones superpuestas se usan con m ayor frecuencia en la soldadura fuerte, porque pro porcionan un área de interfase relativam ente grande entre las panes. En general, se considera una buena práctica de diseño una sobreposición que posea al menos tres veces el grosor de la pane más delgada. Algunas adaptaciones de la unión sobrepuesta para la soldadura fuerte se ilustran en la figura 30.2. Una ventaja de la soldadura fuerte sobre la soldadura por fusión en las uniones sobre puestas es que el metal de aporte se une a las partes base en toda el área de interfase entre las partes, y no solamente en los bordes (como en las soldaduras de filete hechas con arco eléctrico) o en pun tos separados (como en la soldadura de puntos por resistencia). En la soldadura fuerte es im portante la separación entre las superficies de las partes base que se van a aparear. La separación debe ser suficientem ente grande para no lim itar el flujo del metal de aporte fundido en toda la interfase. Por otra parte, si la separación en la unión es dem asiado grande, la acción capilar se reducirá y habrá áreas entre las partes donde no haya metal de aporte. La resistencia de la unión se ve afectada por la separación, como se m uestra en la figura 30.3. Hay un valor de separación óptim o en el cual la resistencia de la unión se maxim iza. El asunto se com plica porque el valor óptim o depende de los metales base y de aporte, la configuración de la unión y las condiciones del procesam iento. En la práctica, las separaciones típicas para soldadura fuerte varían entre 0.001 y 0.010 pulg (0.025 y 0.25 mm). Estos valores representan la separación de la unión a la temperatura en la que se lleva a cabo la soldadura fuerte, los cuales pueden ser diferentes de la separación a la temperatura ambiente, dependiendo de la expansión térmica de los metales base.
FIGURA 30.3
Resistencia de la unión como una función de la separación de la unión.
También es im portante la limpieza de las superficies de la unión antes de la soldadura fuerte. Las superficies deben estar libres de óxidos, grasas y otros contaminantes para promover la humidificación y la atracción capilar durante el proceso, al igual que la unión a través de toda la interfase. Para limpiar las superficies se usan tratamientos químicos tales como la limpieza con solvente y el desen grasado a vapor (sección 32.1), así como tratamientos mecánicos que incluyen el uso de cepillo de alambres y la limpieza con chorro de arena (sección 32.2). Después de la limpieza y durante la ope ración de soldadura fuerte se usan fundentes que conservan la limpieza de la superficie y promueven la humidificación para apoyar la acción capilar en la separación entre las superficies empalmantes.
30.1.2
Metales de aporte y fundentes
FIGURA 30.2 (a) Unión sobrepuesta convencional y adaptación de la unión sobrepuesta para soldadura fuerte; (b) partes cilindricas; (c) partes intercaladas, y (d) uso de casquillo para convertir una unión empalmada en unión sobrepuesta.
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Los m etales de aporte com unes en la soldadura fuerte se enlistan en la tabla 30.1, junto con los m e tales base principales en los que se usan normalmente. Para que un m etal califique para soldadura fuerte se requieren las siguientes características: 1) la tem peratura de fusión debe ser com patible con la del metal base, 2 ) una baja tensión de superficie en la fase líquida para una buena humidificación, 3) una alta fluidez para penetración en la interfase, 4) la capacidad de usar soldadura fuerte en una unión de resistencia adecuada para la aplicación, y 5) no deben existir interacciones quím i cas ni físicas con el metal base (por ejemplo, una reacción galvánica). Los m etales de aporte se apli can a la operación de soldadura fuerte en diversas formas, entre las que incluyen alam bres, varillas, lám inas y tiras, polvos, pastas, partes preformadas hechas de metal latonado diseñado para adap tarse a una configuración de unión particular y al revestim iento en una de las superficies a las que se va a aplicar soldadura fuerte. Varias de estas técnicas se ilustran en las figuras 30.4 y 30.5. Las pastas metálicas para soldadura fuerte, que se muestran en la figura 30.5, consisten en polvos m etálicos de aporte m ezclados con fundentes fluidos y aglutinantes. Los fundentes para soldadura fuerte tienen el mismo propósito que en la soldadura por fusión: se disuelven, com binan e inhiben de alguna forma la form ación de óxidos y otros subpro ductos no deseados en el proceso. El uso de un fundente no sustituye los pasos de lim pieza descritos antes. Las características de un buen fundente son: 1) una tem peratura de fusión baja, 2) baja vis cosidad para que pueda ser desplazado por el metal de aporte, 3) facilita la hum idificación y 4) pro tege la unión hasta la solidificación del metal de aporte. El fundente tam bién debe ser fácil de rem over después de la soldadura fuerte. Los ingredientes com unes de fundentes para soldadura fuerte son el bórax, los boratos, los fluoruros y los cloruros. Las distintas formas incluyen los polvos, las pastas y las pastas fluidas. En la mezcla también se utilizan agentes de humidificación
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Sección 30.1 / Soldadura fuerte
Capítulo 30 / Soldaduras fuerte, blanda y pegado con uniones adhesivas
TABLA 30.1
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M etales d e a p o rte c o m u n e s usad o s e n la so ld ad u ra fuerte y los m etales b ase so b re
los q u e se usan.______________________________________________________________ ___________________
T em peratura aproxim ada para so ld ad u ra fuerte (°F) (°C)
M etal d e aporte
C o m p o sició n típica
Aluminio y silicio
90 A l, 10 Si
1100
(600)
Cobre
99.9 Cu
2050
(1120)
Cobre y fósforo
95 Cu, 5 P
1550
(850)
Cobre
Cobre y zinc
60 Cu, 40 Zn
1700
(926)
Aceros, hierros colados, níquel
Oro y plata
80 Au, 20 Cu
1750
(950)
Acero inoxidable, aleaciones de níquel
Aleaciones de níquel
Ni, Cr, otros
2050
(1120)
Acero inoxidable, • aleaciones de níquel
Aleaciones de plata
Ag, Cu, Zn, Cd
1350
(730)
M etales base Aluminio Níquel cobre
Titanio, monel, ¡nconel, acero para herramientas, níquel
Recopilado de [31, [41 y [81.
FIGURA 30.4 Varias técnicas para aplicar metal de aporte en la soldadura fuerte: (a) soplete y varilla de aporte, (b) anillo de metal de aporte a la entrada de la separación, y (c) hoja de metal de aporte entre superficies de partes planas. Secuencia: (1) antes y (2) después.
— Varilla de metal de aporte Soplete
Separación
Unión con soldadura fuerte FIGURA 30.5 Aplicación de pasta para soldadura fuerte a una unión mediante surtidor (cortesía de Fusión, Inc.).
P artes que se van a unir
para reducir la tensión de la superficie del metal de aporte fundido y facilitar la hum idificación. Una alternativa para el uso de un fundente es ejecutar la operación en vacío o en una atm ósfera que inhi ba la form ación de óxidos.
(2)
(1)
(a)
Métodos de soldadura fuerte P artes que s e van a unir
Unión con soldadura fuerte
/
Separación
Hoja de metal de aporte
Unión con soldadura fuerte
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En la soldadura fuerte se usan diversos m étodos denom inados procesos para soldadura fuerte, y la diferencia entre ellos es su fuente de calentam iento. S o ld a d u ra fu e rte con s o p le te En la soldadura fu e rte con soplete se aplica un fundente a las superficies de las partes y se usa un soplete para dirigir una flama contra el trabajo en la vecin dad de la unión. Norm alm ente se usa una flam a reducida para inhibir la oxidación. Después de que las áreas para unión de la parte de trabajo se calientan a una tem peratura adecuada, se agrega metal de aporte a la unión, generalm ente en form a de alambre o varilla. Los com bustibles usados en la soldadura fuerte con soplete incluyen el acetileno, el propano y otros gases, junto con aire u oxígeno. La selección de la m ezcla depende de los requerim ientos de calentam iento del trabajo. Con frecuencia, el proceso se ejecuta en form a manual y deben realizarlo trabajadores calificados para controlar la flama, m anipular los sopletes manuales y ju z g a r adecuadam ente las temperaturas; una aplicación com ún son los trabajos de reparación. El m étodo tam bién se usa en operaciones de producción m ecanizada, en la cual se cargan las partes y el metal para soldadura fuerte en una banda transportadora o mesa indicadora y se pasan bajo uno o más sopletes.
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Capítulo 30 / Soldaduras fuerte, blanda y pegado con uniones adhesivas
Sección 30.2 / Soldadura blanda
S o ld ad u ra fu e rte e n h o rn o La soldadura fu erte en horno usa un hom o para proporcionar calor a la soldadura fuerte y es más conveniente para la producción m edia y alta. En la producción alta, por lo general en lotes, se cargan las p an es com ponentes y el metal para soldadura fuerte en el hom o, éstas se calientan a tem peraturas para soldadura y después se enfrían y retiran. Las opera ciones de producción alta usan hornos de transporte, en los cuales se colocan las partes en una banda transportadora y son conducidas a las diferentes secciones de calentam iento y enfriamiento. El control de la tem peratura y la atm ósfera es im portante en la soldadura fuerte en hom o; la atm ós fera debe ser neutral o reductora. En ocasiones se usan hornos de vacío. D ependiendo de la at mósfera y los metales que se van a soldar, puede elim inarse la necesidad de un fundente.
FIGURA 30.6 Soldadura fuerte por fusión. La unión consiste en metal (de aporte) para soldadura fuerte; no se funde el metal base en la unión.
de soldadura por fusión convencional. La aplicación principal de la soldadura fuerte por fusión es el trabajo de reparación.
302
SOLDADURA BLANDA (SOLDADURA CON ESTAÑO)
S o ld ad u ra fu e rte p o r in d u c c ió n L a soldadura fu erte po r inducción utiliza calor de una resistencia eléctrica para una corriente de alta frecuencia inducida en el trabajo. Las partes se car gan previamente con metal de aporte y se colocan en un campo de corriente alterna (ac) de alta fre cuencia; las partes no hacen contacto directam ente con el rollo de inducción. Las frecuencias varían de 5 kHz a 5 MHz. Las fuentes de energía de alta frecuencia tienden a proporcionar calentam iento de superficies, en tanto que las frecuencias más bajas producen una penetración de calor más pro funda en el trabajo y son convenientes para secciones más pesadas. El proceso se usa para reque rimientos de baja a alta producción.
La soldadura blanda es sim ilar a la soldadura fuerte y se define com o un proceso de unión en el cual se funde un m etal de aporte con un punto de fusión (líquido) que no excede los 480 °F (450 °C), y se distribuye m ediante acción capilar entre las superficies em palm antes de los m e tales que se van a unir. Igual que la soldadura fuerte, no ocurre la fusión de los m etales base, pero el m etal de aporte se hum edece y com bina con el m etal base para form ar una unión m eta lúrgica. Los detalles de la soldadura blanda son sim ilares a los de la soldadura fuerte y m uchos de los m étodos de calentam iento son iguales. Las superficies que se van a soldar deben lim piarse con anticipación para que estén libres de óxidos, grasas, etc. D ebe aplicarse un fun dente apropiado a las superficies em palm antes y calentarse. Se añade a la unión un m etal de aporte, denom inado soldadura (soldante), y se distribuye entre las partes que se ajustan estrecham ente. En algunas aplicaciones, el soldante se calienta previamente en una o ambas superficies, en un proceso denom inado estañado, sin tom ar en cuenta si la soldadura contiene o no estaño. Las se paraciones com unes en la soldadura varían de 0.003 a 0.005 pulg (0.076 a 0.127 m m ), excepto cuando las superficies están estañadas, en cuyo caso de usa una separación de alrededor de 0.001 pulg (0.025 mm). Después de la solidificación, debe removerse el residuo de fundente. Como proceso industrial, la soldadura blanda se asocia más estrecham ente con el ensam ble electrónico (capítulo 35). También se usa para uniones m ecánicas, pero no para uniones sujetas a tensiones o tem peraturas elevadas. Las ventajas que se atribuyen a la soldadura blanda incluyen: 1) bajo ingreso de energía en com paración con la soldadura fuerte y la soldadura por fusión, 2 ) se cuenta con diversos métodos de calentam iento, 3) buena conductividad eléctrica y térm ica en la unión, 4) capacidad de hacer engargolados para envases herméticos al aire y los líquidos y 5) fácil de reparar y retrabajar.
Soldadura fu e rte p o r re siste n c ia En la soldadura fuerte p o r resistencia, el calor para fundir el metal de aporte se obtiene m ediante la resistencia al flujo de corriente eléctrica a través de las partes. A diferencia de la soldadura fuerte p or inducción, las partes se conectan directam ente al circuito eléctrico en la soldadura fuerte por resistencia. El equipo es sim ilar al que se usa en la sol dadura de fusión por resistencia, excepto que en la soldadura fuerte se requiere un nivel de energía más bajo. Las partes, a las que se aplica previam ente metal de aporte, se sostienen entre electrodos mientras se aplican presión y corriente. Tanto la soldadura fuerte por inducción como por resisten cia obtienen ciclos de calentam iento rápidos y se usan para partes relativam ente pequeñas. L a sol dadura fuerte por inducción parece ser el proceso de m ayor uso. S o ld ad u ra fu e rte p o r in m e rsió n En la soldadura fuerte po r inmersión, el calentam iento se consigue mediante un baño salino fundido o un baño metálico fundido. En ambos m étodos, las partes ensambladas se sum ergen en los baños dentro de un recipiente de calentamiento. La solidi ficación ocurre cuando las partes se rem ueven del baño. En el método de baño de sal, la mezcla fundida contiene ingredientes fundentes, y el metal de aporte se carga previamente en el ensamble. En el método de baño m etálico, el metal de aporte fundido es el m edio de calentamiento; se atrae hacia la unión mediante acción capilar durante la inmersión. Se mantiene una cubierta de fundente sobre la superficie del baño m etálico fundido. L a soldadura fuerte por inmersión obtiene ciclos de calentamiento rápidos y se usa para soldar m uchas uniones en una sola parte o sobre partes múlti ples al mismo tiempo.
Las desventajas más grandes de la soldadura blanda son: 1) baja resistencia de la unión, a menos que se refuerce m ediante m edios mecánicos y 2) posible debilitam iento o fusión de la unión en servicios de tem peratura elevada.
30.2.1
Diseños de uniones en la soldadura blanda
S o ld ad u ra fu e rte in fra rro ja La soldadura fu e rte infrarroja usa el calor de una lámpara infrarroja de alta intensidad. Algunas lám paras para soldadura fuerte infrarroja son capaces de generar hasta 5000 W de energía calorífica radiante, la cual se dirige a las partes de trabajo. El pro ceso es más lento que la m ayoría de los otros procesos analizados previam ente y por lo general se limita a secciones delgadas. S o ld ad u ra fu e rte p o r fu sió n Este proceso difiere de los otros procesos de soldadura fuerte en el tipo de unión a la que se aplica. C om o se aprecia en la figura 30.6, la soldadura fu e rte por fusión se usa para llenar una unión soldada por fusión más convencional, tal como la unión en V que se muestra. Se deposita una m ayor cantidad de metal de aporte que en la soldadura fuerte y no . ocurre acción capilar. En la soldadura fuerte por fusión, la unión consiste enteramente en metal de aporte; el metal base no se funde y por tanto no se derrite dentro de la unión, como en el proceso 1
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Igual que en la soldadura fuerte, las uniones de soldaduras blanda están limitadas a los tipos em pal mados y sobrepuestos, aunque no deben usarse uniones em palmadas en aplicaciones que soportan carga. También se aplican algunas adaptaciones de la soldadura fuerte a estas uniones para sol dadura blanda, alternativam ente la tecnología de la soldadura blanda ha agregado algunas variables propias para m anejar las geom etrías de partes especiales que ocurren en las conexiones eléctricas. En la uniones m ecánicas con soldadura blanda de partes de láminas metálicas, los bordes de las láminas frecuentem ente se doblan y entrelazan antes de soldar, para aum entar la resistencia de la unión, como se m uestra en la figura 30.7. Para aplicaciones electrónicas, la función principal de la unión con soldadura blanda es proporcionar una trayectoria eléctricam ente conductiva entre dos partes que se unen. O tras conside raciones de diseño en estos tipos de uniones soldadas incluyen la generación de calor (de la resisten cia eléctrica de la unión) y la vibración. La resistencia mecánica en una conexión eléctrica con
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■m
Capítulo 30 / Soldaduras fuerte, blanda y pegado con uniones adhesivas
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Sección 30.2 / Soldadura blanda
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S o ld ad u ras Casi todas las soldaduras son aleaciones de estaño y plomo, dado que ambos metales tienen bajos puntos de fusión (véase figura 7.3). Sus aleaciones poseen un rango de tem peraturas líquidas y sólidas para obtener un buen control del proceso de soldadura blanda para diversas aplicaciones. El plom o es venenoso y su porcentaje se m inim iza en la m ayoría de los com puestos para soldante. El estaño es quím icam ente activo a tem peraturas para soldadura blanda y prom ueve la acción de hum idificación requerida para una unión exitosa. En el cobre para soldadu ra blanda, que es com ún en las conexiones eléctricas, se forman com puestos intermetálicos de cobre y estaño que fortalecen la unión. En ocasiones también se usan plata y antimonio en las aleaciones para soldadura blanda. La tabla 30.2 enlista diversas com posiciones de aleaciones para soldadura blanda, e indica tam bién sus tem peraturas aproxim adas de soldado en las aplicaciones principales. TABLA 30.2
C om posiciones com unes de aleaciones para soldadura blanda con sus tem peraturas de fusión y aplicaciones. M etal de ap o rte
FIGURA 30.7 Entrelazado m ecánico en uniones soldadas en blando para aumentar la resistencia: (a) engargolado sellado plano; (b) unión con tornillo o remache; (c) ajustes en conductos de cobre (unión cilindrica sobrepuesta) y (d) apretado (formado) de conectores de unión cilindrica sobrepuesta.
C om posición ap roxim ada
T em peratura de fusión aproxim ada °F (°C)
Plomo-plata
96 Pb, 4 Ag
580
Estaño-antimonio
95 Sn, 5 Sb
Estaño-plomo
63 Sn, 37 Pb
A plicaciones principales
(350)
Uniones a temperatura elevada
460
(238)
Plomería y calefacción
361
(183)
Electrónica4
60 Sn, 40 Pb
370
(188)
Electrónica
SO Sn, 50 Pb
390
(199)
Propósito general
40 Sn, 60 Pb
405
(207)
Radiadores de automóviles
Estaño-plata
96 Sn, 4 Ag
430
(221)
Envases de alimentos
Estaño-zinc
91 Sn. 9 Zn
390
(199)
Uniones de aluminio
Recopilado de [11, (41, [7], [8]. * Composición eutéctica: el punto de fusión más bajo de las composiciones estaño-plomo.
(b)
(a)
Alambre U d lIlU IO Terminal
-------,
■S (°)
Unión de soldadura blanda
r - MIS! Aislamiento
p
Unión d e soldadura blanda
(d)
FIGURA 30.8 Técnicas para asegurar la unión mediante medios mecánicos antes de la soldadura blanda en conexiones eléctricas: (a) alambre de plomo apretado en tablero de PC , (b) orificio enchapado en tablero de PC para maximizar la superficie de contacto de la soldadura blanda, (c) alambre enganchado en terminal plana y (d) alambres trenzados.
soldadura blanda se obtiene frecuentem ente, mediante la deform ación de una o am bas partes 4 metálicas para conseguir una unión m ecánica entre ellas, o haciendo más grande el área de la super- 3 ficie para proporcionar el m áxim o soporte mediante la soldadura. En la figura 30.8 se representan ^ varias posibilidades.
30.2.2
Soldaduras y fundentes
■
Las soldaduras y los fundentes son los m ateriales usados en la soldadura blanda. A m bos son m u y j importantes en el proceso de unión. ■>
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F u n d e n te s p a r a s o ld a d u r a b la n d a L os fu n d e n te s p a r a s o ld a d u ra b la n d a deben: 1) fundirse a tem peraturas de soldadura blanda, 2) rem over películas de óxido y m anchas de las superficies de las partes base, 3) evitar la oxidación durante el calentam iento, 4) prom over la hum idificación de las superficies em palm antes, 5) ser fáciles de desplazar mediante la soldadura fundida durante el proceso y 6 ) dejar un residuo que no sea corrosivo ni conductivo. D e safortunadam ente, no hay un fundente único que cum pla todas estas funciones a la perfección para todas las com binaciones de soldadura y metales base. La form ulación del fundente debe selec cionarse para una aplicación determ inada. Los fundentes para soldadura blanda se clasifican com o: 1) orgánicos y 2) inorgánicos. Los fundentes orgánicos están hechos de resina (resina natural, com o m adera de árbol gom ífero, que no es soluble en agua) o ingredientes solubles en agua (por ejem plo, alcoholes, ácidos orgánicos y sales halogenadas). Los solubles en agua facilitan la lim pieza después de la soldadura blanda. Los fundentes orgánicos se usan con más regularidad para conexiones eléctricas y electrónicas. Tienden a ser quím icam ente reactivos a tem peraturas de soldadura blanda elevadas, pero relativam ente no corrosivos a tem peratura am biente. Los fundentes inorgánicos están form ados por ácidos inorgáni cos (por ejem plo, com binaciones de cloruros de zinc y am onio) y se usan para obtener un fundente rápido y activo donde las películas de ácido son un problema. Las sales se activan cuando se fusio nan, pero son menos corrosivas que los ácidos. Un alambre para soldadura blanda con un núcleo de ácido pertenece a esta categoría. . Tanto los fundentes orgánicos com o los inorgánicos deben removerse después de la soldadura blanda, pero esto es especialmente importante en el caso de los ácidos inorgánicos, para evitar una con tinua corrosión de las superficies metálicas. La remoción de fundente se consigue usando soluciones de
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Sección 30.3 / Uniones adhesivas
Capítulo 30 / Soldaduras fuerte, blanda y pegado con uniones adhesivas
agua, excepto en el caso de las resinas, que requieren solventes químicos. Las tendencias recientes en la industria se inclinan más por los fundentes solubles en agua que por las resinas, debido a que los sol ventes químicos usados en las resinas son dañinos para el ambiente y las personas.
30.2.3
S o ld a d u ra b la n d a p o r reflu jo Este proceso tam bién se usa extensam ente en electrónica para ensam blar com ponentes m ontados en superficies de tableros de circuitos im presos (sección 35.4.2). En el proceso, una pasta para soldadura, que consiste en polvos de soldadura en un agluti nante solvente, se aplica a puntos en el tablero donde se van a hacer contactos eléctricos entre los com ponentes m ontados en la superficie y el circuito de cobre. D espués, los com ponentes se colo can en los puntos de la pasta y el tablero se calienta para fundir el soldante, form ando uniones m ecánicas y eléctricas entre las puntas de los com ponentes y el cobre en el tablero de circuitos. Los m étodos de calentam iento para la soldadura blanda por reflujo incluyen el reflujo de fase de vapor y el reflujo infrarrojo. En la soldadura blanda con reflujo de fa se de vapor, un hidrocar buro líquido inerte fluorinado se vaporiza en un hom o m ediante calentamiento y después se con densa en la superficie del tablero, en donde transfiere su calor de vaporización para fundir la pasta para soldadura y form ar uniones soldadas en los tableros de circuitos impresos. En la soldadura blanda infrarroja p o r reflujo se usa el calor de una lámpara infrarroja para fundir la pasta de sol dante y form ar uniones entre las puntas de los com ponentes y las áreas de circuitos en el tablero. Los m étodos de calentam iento adicionales para refundir la pasta de soldante incluyen el uso de pla cas calientes, aire caliente y láseres.
Métodos para soldadura blanda Muchos de los métodos usados en la soldadura blanda son iguales a los que se emplean en la sol dadura fuerte, excepto que se requieren tem peraturas más bajas para la prim era. Estos m étodos incluyen la soldadura blanda con soplete, en hom o, por inducción, por resistencia, por inm ersión e infrarroja. Otros m étodos de soldadura blanda, que no se em plean en la soldadura fuerte y que se describirán aquí son la soldadura manual, la soldadura en olas y la soldadura por reflujo. S oldadura b la n d a m a n u a l La soldadura blanda manual se ejecuta en forma m anual usan do hierro caliente para soldadura blanda. U n punto, hecho de cobre, es el extremo de trabajo de un hierro para soldadura blanda. Sus funciones son: 1) aportar calor a las partes que se sueldan, 2) fundir la soldadura, 3) aportar soldadura fundida a la unión y 4) retirar el exceso de soldadura. Casi todos los hierros para soldadura m odernos se calientan mediante resistencia eléctrica. A lgunos están diseñados como pistolas para soldadura de calentam iento rápido, los cuales son populares en el ensamble electrónico para operación interm itente (encendido-apagado). Son capaces de hacer una unión de soldadura blanda en un segundo.
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30.3
UNIONES ADHESIVAS El uso de los adhesivos data de épocas antiguas (véase nota histórica 30.1), y el pegado fue proba blemente el prim ero de los m étodos de unión perm anente. A ctualm ente, los adhesivos tienen un am plio rango de aplicaciones de unión y sellado para integrar materiales similares y diferentes, com o metales, plásticos, cerám ica, m adera, papel y cartón. A unque bien establecido com o una téc nica de unión, el pegado se considera un área en crecim iento entre las tecnologías de ensam ble, debido a las tremendas oportunidades para aplicaciones cada vez mayores.
Soldadura b la n d a en olas La soldadura blanda en olas es una técnica mecanizada que per mite que se suelden múltiples alambres de plom o en un tablero de circuitos impresos, TCI (en inglés prínted circuit board, PCB), conforme pasa una ola de soldadura blanda fundida. La distribución común es en la que se carga un PCB, en donde los componentes electrónicos se han colocado con sus alambres de plomo que sobresalen por los orificios del tablero, sobre un transportador que lo conduce a través del equipo para soldadura blanda en olas. El transportador sujeta el tablero de circuitos impre sos por los lados, de m anera que la parte inferior quede expuesta a los siguientes pasos del procesa miento: 1) se aplica fundente usando alguno de los diferentes métodos, incluyendo la aplicación con espuma, por aspersión o por cepillado; 2) se usa un precalentamiento (mediante tubos de luz, rollos de calentamiento y dispositivos infrarrojos) con el fin de evaporar solventes, activar el fundente y ele var la temperatura del ensamble; y 3) se usa la soldadura blanda en olas para bombear soldante líqui do desde un baño fundido, a través de una ranura en la parte inferior del tablero, para hacer las conexiones de soldadura entre los alambres de plom o y el circuito metálico en el tablero. Este tercer paso se ilustra en la figura 30.9. Con frecuencia el tablero se inclina ligeramente y se mezcla un aceite estañante especial con el soldante fundido para dism inuir su tensión de superficie, como se aprecia en el diagrama. Estas dos m edidas ayudan a controlar la acumulación de excesos de soldadura y la for mación de carámbanos en la parte inferior del tablero. La soldadura blanda en olas se aplica extensa mente en la electrónica para producir ensambles de tableros con circuitos impresos (sección 35.3.2).
Nota histórica 30.1 Uniones adhesivas os adhesivos datan de épocas antiguas. Esculturas y grabados con 3 300 años de antigüedad muestran una vasija de pegamento y brocha para pegar chapas a planchas de madera. Los antiguos egipcios usaban goma del árbol de acacia para diversos propósitos de ensamble y sellado. El betún natural, un asfalto adhesivo, fue usado en épocas antiguas como cemento y mortero para la construcción en Asia Menor. Los romanos usaban alquitrán de madera de pino y cera de abejas para calafatear sus embarcaciones. En los primeros siglos después de Cristo se usaron pegamentos derivados de los peces, de los cuernos de ciervo y del queso para ensamblar componentes de madera. En épocas más recientes, los adhesivos se han convertido en un importante proceso de unión. La madera contrachapada fue desarrollada alrededor de 1900, y utiliza adhesivos para unir varias capas de madera. El fenol formaldehído fue el primer adhesivo sintético desarrollado alrededor de 1910, que se usó principalmente para unir productos tales como la madera contrachapada Durante la Segunda Guerra Mundial se desarrollaron resinas fenólicas para el pegado de ciertos componentes de aeronaves. En la década de 1950 se empezaron a formular epóxicos. Y a partir de los cincuenta, se han desarrollado una va riedad de adhesivos adicionales que incluyen los anaeróbicos, diversos polímeros nuevos y los acrflicos de segunda generación.
FIGURA 30.9 Soldadura blanda en olas, en la cual se aplica soldante fundido a través de un orificio estrecho sobre la parte inferior de un tablero de circuitos impresos para conectar los alambres de plomo componentes.
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La unión con adhesivos es un proceso de unión en el cual se usa un material de rellenador para m antener juntas dos (o m ás) partes muy cercanas m ediante la fijación de la superficie. El m ate rial rellenador que une las partes es el adhesivo. Es una sustancia no m etálica, generalm ente un
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Capítulo 30 / Soldaduras fuerte, blanda y pegado con uniones adhesivas
Sección 30.3 / Uniones adhesivas
polímero. Las piezas que se unen se denom inan pa rles adheridas. Los de m ayor interés en la inge niería son los adhesivos estructurales, que son capaces de form ar uniones fuertes y perm anentes entre partes adheridas fuertes y rígidas. H ay gran cantidad de adhesivos disponibles com ercial mente, que se galvanizan m ediante diversos m ecanism os y son convenientes para la unión de diver sos materiales. El curvado o galvanizado se refiere al proceso mediante el cual se m odifican las propiedades físicas del adhesivo de líquido a sólido, por lo general m ediante una reacción quím ica, para obtener la sujeción de las superficies de las partes. La reacción quím ica puede im plicar una polimerización, condensación o vulcanización. El vulcanizado se provoca frecuentemente m ediante calor o un catalizador, y en ocasiones se aplica presión entre las dos partes para activar el proceso de unión. Si se requiere calor, las tem peraturas de vulcanizado son relativam ente bajas (cuando mucho de pocos cientos de grados Fahrenheit) p or lo que generalm ente no se afectan los materiales que se unen, lo cual es una ventaja del pegado. El vulcanizado o endurecim iento de los adhesivos requiere un tiempo determ inado, al que se denom ina tiempo de vulcanizado (curado) o tiem po de estabilizado. En algunos casos este tiem po es im portante y, en general, es una desventaja en la m a nufactura. La resistencia de la unión en la sujeción adhesiva está determ inada por la fortaleza del adhe sivo mismo y la fortaleza de la sujeción entre el adhesivo y cada parte adherida. Un criterio que se usa con frecuencia para definir un pegado satisfactorio es que si ocurre una falla debido a las ten siones excesivas, debe producirse en una de las partes que se vayan a adherir y no en una interfase o dentro del adhesivo mismo. La resistencia de la adhesión proviene de varios mecanismos y todos ellos dependen del adhesivo y las partes adheridas particulares [3]: 1) unión química, en la cual el adhesivo se une a las partes y forma una unión quím ica prim aria tras el endurecimiento; 2) inter acciones físicas, en las cuales se producen fuerzas de unión secundarias entre los átomos de las superficies opuestas y 3) entrelazado m ecánico, en el cual la dureza de superficie de las partes adheridas provoca que el adhesivo endurecido se enrede o atrape en sus asperezas de superficie microscópicas.
783
, A dhesivo.
Adhesivo
(b)
(d)
FIGURA 30.10 Tipos de tensiones que deben considerarse en la unión adhesiva: (a) transversal, (b) de cizalla (corte), (c) de hendidura y (d) de desprendimiento.
(a)
}
n 1 —
L
(e)
í
r
A
r
n . D
(d)
(c)
(b)
L (g)
u (h)
Para que estos m ecanism os de adhesión operen con m ejores resultados, deben predom inar las siguientes condiciones: 1) las superficies de las partes adheridas deben estar limpias y libres de películas de suciedad, grasa y óxido que podrían interferir en la obtención del contacto íntim o entre el adhesivo y las partes adheridas, ésa es la causa de que frecuentem ente se requiera una preparación especial de las superficies; 2) el adhesivo en su forma líquida inicial debe conseguir una humidificación com pleta de la superficie de la parte adherida y 3) por lo general es útil que las superficies no estén perfectam ente lisas; una superficie ligeramente áspera aum enta el área de con tacto real y promueve el entrelazado m ecánico. Adem ás, la unión debe diseñarse para explotar las resistencias particulares del pegado y evitar sus limitaciones.
30.3.1
Diseño de uniones
FIGURA 30.11 Algunos diseños por uniones adhesivas: de la (a) a la (d), uniones empalmadas; (e) y (f), uniones en T; de la (g) a la (j), uniones de esquina.
Por lo general, las uniones con adhesivos no son tan fuertes como las que se hacen con soldadu ra por fusión, soldadura blanda o soldadura fuerte. Por tal razón, siem pre debe considerarse el dise ño de las uniones adhesivas. Los siguientes principios se aplican en el diseño de uniones [3]: 1)
Debe m axim izarse el área de contacto de la unión.
2)
Los pegados son más fuertes en cizalla y en tensión, como en las figuras 30.10(a) y (b), y las uniones deben diseñarse para que se apliquen tensiones de estos tipos
3)
Los pegados son más débiles en hendiduras o desprendim ientos, igual que en las figuras 30.10(c) y (d), y deben diseñarse para evitar estos tipos de tensiones.
Los diseños de unión com unes para el pegado que ilustran estos principios se presentan en la figura 30.11. A lgunos diseños de unión com binan el pegado con otros m étodos para aum entar ,
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la resistencia y proporcionar un sellado entre los dos com ponentes. A lgunas de las posibilidades se muestran en la figura 30.12. Por ejem plo, la combinación de pegado y soldadura de puntos se denom ina adhesivo soldado. Además de la configuración m ecánica de la unión, la aplicación debe seleccionarse para que las propiedades físicas y quím icas del adhesivo y las partes adheridas sean com patibles bajo las condiciones de servicio a las que está sujeto el ensam ble. Los m ateriales de los adherentes incluyen metales, cerám ica, vidrio, plástico, m adera, hule, cuero, tela, papel y cartón. O bserve que la lista incluye materiales rígidos y flexibles, porosos y no porosos, m etálicos y no m etálicos y que es posi ble unir sustancias similares o diferentes.
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Capítulo 30 / Soldaduras fuerte, blanda y pegado con uniones adhesivas
Sección 30.3 / Uniones adhesivas
TABLA 30.3
FIGURA 30.12 Uniones adhesivas com binadas con otros métodos: (a) adhesivo y soldado, con soldadura de puntos y pegado, (b) rem achado (o atornillado) y unión adhesiva y (c) formado más unión adhesiva.
30.3.2
Tipos de adhesivos
30.3.3
Adhesivos sintéticos importantes.
Adhesivo
D escripción
Anaeróbico
Adhesivo basado en acrílico termofijo de componente único. Se vulcaniza mediante un mecanismo de ra dicales libres a temperatura ambiente. Su resistencia al corte es de 2900 lb/pulg2 (20 MPa), su resistencia a la tensión es de 5800 Ib/ pulg2 (40 MPa). Aplicaciones: sellador para ensamble estructural.
Acrilicos modificados
Adhesivo termofijo de dos com ponentes que consiste en una resina basada en acrflico y un iniciador/endurecedor. Se vulcaniza a temperatura ambiente después de la mezcla. Su resistencia al corte es de 4900 Ib/ pulg2 (34 MPa), su resistencia a la tensión es de 3600 Ib/ pulg2 (25 MPa). Aplicaciones: fibra de vidrio en em barcaciones, láminas de metal en autos y aeronaves.
Cianoacrilato
Adhesivo basado en acrílico termofijo de componente único que se vulcaniza a temperatura am biente en superficies alcalinas. Su resistencia a la tensión es de 2500 Ib/ pulg2 (17 MPa). Aplicaciones: hule para plás tico, componentes electrónicos en tableros de circuitos, empaques de plástico y metálicos para cosméticos. Incluye diversos adhesivos de uso extenso formulados a partir de resinas epóxicas, agentes de vulcanizado y aportes/modificadores que se endurecen tras la mezcla. Algunos se vulcanizan cuando se calientan. Su resistencia al corte es de 5800 Ib/ pulg2 (40 MPa), su resistencia a la tensión es de 7200 Ib/ pulg2 (50 MPa). Aplicaciones: unión de aluminio y paneles alveolados para aeronaves, refuerzos de láminas metálicas para automóviles, laminado de vigas de madera, sellos en electrónica. Adhesivo termoplástico de com ponente único que endurece desde un estado de fusión cuando se enfría a elevadas temperaturas. Se formula a partir de polímeros termofraguables que incluyen: el acetato de viniletileno, el polietileno, el copolímero de bloque de estireno, el hule butílico, la poliamida, el poliure tano y el poliéster. Su resistencia al corte es de 1000 Ib/ pulg2 (7 MPa), su resistencia a la tensión es de 1300 Ib/ pulg2 (10 MPa). Aplicaciones: em paques (por ejemplo, cartones, rótulos), muebles, calzado, encuader nación de libros, instalación de alfombras y ensambles en artículos eléctricos y automóviles. Por lo general son adhesivos sensibles a la presión de un com ponente en forma sólida que posee alta viscosidad, lo cual produce una unión cuando se aplica presión. Se forman a partir de diversos polímeros de alto peso molecular. Pueden tener el adhesivo en uno o ambos lados. Su resistencia al corte es de 7100 Ib/ pulg2 (49 Mpa), su resistencia a la tensión es de 5800 Ib/ pulg2 (40 MPa). Aplicaciones: paneles solares, ensambles electrónicos, plásticos para madera y metales. Adhesivo líquido termofijo de uno o dos componentes basado en polímeros de silicio. Se vulcaniza a tem peratura ambiente para caucho sólido. Su resistencia al corte es de 450 Ib/ pulg2 (3 MPa), su resistencia a la tensión es de 725 Ib/ pulg2 (5 MPa). Aplicaciones: sellos en autos (por ejemplo, en parabrisas), sellos y aislamiento en electrónica, empaques, unión de plásticos.
Epóxico
Existe una gran cantidad de adhesivos com erciales disponibles. Se clasifican en tres categorías: 1) naturales. 2) inorgánicos y 3) sintéticos. Los adhesivos naturales son m ateriales derivados de fuentes naturales (plantas y anim ales), e incluyen las gomas, el alm idón, la dextrina, el flúor de soya y el colágeno. Esta categoría de adhe sivos por lo general se lim ita a aplicaciones de baja tensión, tales com o cartulinas, m uebles y encuademación de libros, o donde están im plícitas áreas de superficies grandes (por ejem plo, madera contrachapada). Los adhesivos inorgánicos se basan principalmente en el silicato de sodio y el oxicloruro de magnesio. Aunque su costo es relativam ente bajo, también lo es su resistencia, representa una sería lim itación en un adhesivo estructural. Los adhesivos sintéticos constituyen la categoría más importante en la m anufactura; incluyen diversos polímeros term oplásticos y duroplásticos, m uchos de los cuales se listan y describen brevemente en la tabla 30.3. Se vulcanizan m ediante diversos mecanismos, entre los que se encuen tran: 1) la mezcla de un catalizador o ingrediente reactivo con el polímero inm ediatam ente antes de aplicarlo; 2) el calentam iento para iniciar una reacción química; 3) la vulcanización con radiación, tal como luz ultravioleta y 4) la vulcanización mediante la evaporación del agua del adhesivo líqui do o en pasta. A demás, algunos adhesivos sintéticos se aplican como películas o com o recubrim ientos sensibles a la presión en la superficie de una de las partes adheridas.
Tecnología de aplicaciones
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De fusión caliente
Cintas y películas de presión sensible
Silicón
Uretano
Adhesivo termofijo de uno o dos componentes basado en polímeros de uretano. Su resistencia al corte es de 2800 Ib/ pulg2 (19 MPa), su resistencia a la tensión es de 7250 Ib/ pulg2 (50 MPa). Aplicaciones: unión de fibra de vidrio y plásticos.
Recopilado de [51, [61, [8) y [91.
Las aplicaciones industriales de las uniones adhesivas son extensas y están en desarrollo. Los usua rios principales son las industrias autom otriz, aeronaútica, de productos de la construcción y de empaques; otras industrias que las incluyen son del calzado, los m uebles, la encuadem ación de libros, la eléctrica y la construcción de em barcaciones [9]. La tabla 30.3 indica algunas de las aplicaciones específicas para las que se usan adhesivos sintéticos. En esta sección consideram os varios aspectos relacionados con la tecnología de aplicaciones adhesivas. P rep a ra c ió n d e la s u p e rfic ie Para que una unión adhesiva tenga éxito, las superficies de las partes deben estar extrem adam ente lim pias. La resistencia de la unión depende del grado de adhesión entre el adhesivo y las partes adheridas, y en consecuencia tam bién de la lim pieza de la superficie. En la m ayoría de los casos, se requieren pasos de procesam iento adicionales en la limpieza y preparación de las superficies, los m étodos varían de acuerdo con los distintos m ate riales de las partes adheridas. Para los m etales se usan con frecuencia el desengrasado con vapor o la limpieza con solventes y el desgaste de la superficie mediante el pulido u otros procesos, por lo general esto m ejora la adherencia. Para partes no m etálicas, generalm ente se usa algún tipo de limpiador solvente, y en ocasiones las superficies se desgastan en form a m ecánica o se atacan químicamente para aum entar la aspereza. Es deseable realizar el proceso de pegado lo m ás pronto posible después de estos tratam ientos, ya que m ientras transcurre el tiem po aum entan la oxi dación de las superficies y la acum ulación de impurezas.
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M éto d o s d e a p lic a c ió n L a aplicación-real del adhesivo en una o am bas superficies de las partes se obtiene en diversas formas. La lista siguiente, aunque incom pleta, proporciona una m ues tra de las técnicas usadas en la industria [7, 9]: »- Aplicación con brocha, esta técnica se ejecuta en forma m anual usando una brocha de cerdas duras. Los recubrim ientos resultantes con frecuencia no son uniformes. >• Rodillos m anuales, éstos son sim ilares a los rodillos de pintura para aplicar adhesivo de un contenedor plano. »- Serigrafía, este m étodo im plica aplicar el adhesivo para sólo cubrir las áreas seleccionadas de la superficie de la parte a través de áreas abiertas en la pantalla. »- Por flu jo , se utilizan pistolas de flujo alimentadas a presión de operación m anual para un con trol más consistente que con brocha. »
Por aspersión o atom ización, se usa una pistola de aspersión im pulsada para una aplicación rápida sobre áreas grandes o difíciles de alcanzar.
por aire (o sin aire)
>- Con aplicadores autom áticos, éstos incluyen diversos despachadores y boquillas autom áticas para usarse en aplicaciones de producción a velocidades m edias y altas. La figura 30.13 ilus tra el uso de un surtidor para ensamble.
784
Capítulo 30 / Soldaduras fuerte, blanda y pegado con uniones adhesivas
Sección 30.3 / Uniones adhesivas
TABLA 30.3 Pepita de soldadura —, de puntos <<
J J
Adhesivos sintéticos importantes.
A dhesivo
D escripción
Anaeróbico
Adhesivo basado en acrílico termofijo de componente único. Se vulcaniza mediante un mecanismo de ra dicales libres a temperatura ambiente. Su resistencia al corte es de 2900 lb/pulg2 (20 MPa), su resistencia a la tensión es de 5800 Ib/ pulg2 (40 MPa). Aplicaciones: sellador para ensamble estructural. Adhesivo termofijo de dos com ponentes que consiste en una resina basada en acrílico y un iniciador/endurecedor. Se vulcaniza a temperatura ambiente después de la mezcla. Su resistencia al corte es de 4900 Ib/ pulg2 (34 MPa), su resistencia a la tensión es de 3600 Ib/ pulg2 (25 MPa). Aplicaciones: fibra de vidrio en embarcaciones, láminas de metal en autos y aeronaves. Adhesivo basado en acrílico termofijo de componente único que se vulcaniza a temperatura am biente en superficies alcalinas. Su resistencia a la tensión es de 2500 Ib/ pulg2 (17 MPa). Aplicaciones: hule para plás tico, componentes electrónicos en tableros de circuitos, empaques de plástico y metálicos para cosméticos. Incluye diversos adhesivos de uso extenso formulados a partir de resinas epóxicas, agentes de vulcanizado y aportes/modificadores que se endurecen tras la mezcla. Algunos se vulcanizan cuando se calientan. Su resistencia al corte es d e 5800 Ib/ pulg2 (40 MPa), su resistencia a la tensión es de 7200 Ib/ pulg2 (50 MPa). Aplicaciones: unión de aluminio y paneles alveolados para aeronaves, refuerzos de láminas metálicas para automóviles, laminado de vigas de madera, sellos en electrónica.
i Acrílicos modificados
FIGURA 30.12 Uniones adhesivas com binadas con otros métodos: (a) adhesivo y soldado, con soldadura de puntos y pegado, (b) rem achado (o atornillado) y unión adhesiva y (c) formado más unión adhesiva.
30.3.2
Tipos de adhesivos
30.3.3
Cianoacrilato
Epóxico
Existe una gran cantidad de adhesivos com erciales disponibles. Se clasifican en tres categorías: 1) naturales, 2) inorgánicos y 3) sintéticos. Los adhesivos naturales son m ateriales derivados de fuentes naturales (plantas y anim ales), e incluyen las gomas, el alm idón, la dextrina, el flúor de soya y el colágeno. Esta categoría de adhe sivos por lo general se lim ita a aplicaciones de baja tensión, tales com o cartulinas, m uebles y encuademación de libros, o donde están im plícitas áreas de superficies grandes (por ejem plo, madera contrachapada). Los adhesivos inorgánicos se basan principalmente en el silicato de sodio y el oxicloruro de m agnesio. Aunque su costo es relativam ente bajo, también lo es su resistencia, representa una seria lim itación en un adhesivo estructural. Los adhesivos sintéticos constituyen la categoría más importante en la m anufactura; incluyen diversos polímeros term oplásticos y duroplásticos, m uchos de los cuales se listan y describen brevemente en la tabla 30.3. Se vulcanizan m ediante diversos mecanismos, entre los que se encuen tran: 1) la mezcla de un catalizador o ingrediente reactivo con el polímero inm ediatam ente antes de aplicarlo; 2) el calentam iento para iniciar una reacción química; 3) la vulcanización con radiación, tal como luz ultravioleta y 4) la vulcanización m ediante la evaporación del agua del adhesivo líqui do o en pasta. A demás, algunos adhesivos sintéticos se aplican como películas o com o recubrim ientos sensibles a la presión en la superficie de una de las partes adheridas.
Tecnología de aplicaciones
785
De fusión caliente
Cintas y películas de presión sensible
Silicón
Uretano
Adhesivo termoplástico de com ponente único que endurece desde un estado de fusión cuando se enfría a elevadas temperaturas. Se formula a partir de polímeros termofraguables que incluyen: el acetato de viniletileno, el polietileno, el copolímero de bloque de estireno, el hule butílico, la poliamida, el poliuretano y el poliéster. Su resistencia al corte es de 1000 Ib/ pulg2 (7 MPa), su resistencia a la tensión es de 1300 Ib/ pulg2 (10 MPa). Aplicaciones: em paques (por ejemplo, cartones, rótulos), muebles, calzado, encuader nación de libros, instalación de alfombras y ensambles en artículos eléctricos y automóviles. Por lo general son adhesivos sensibles a la presión de un com ponente en forma sólida que posee alta viscosidad, lo cual produce una unión cuando se aplica presión. Se forman a partir de diversos polímeros de alto peso molecular. Pueden tener el adhesivo en uno o ambos lados. Su resistencia al corte es de 7100 Ib/ pulg2 (49 Mpa), su resistencia a la tensión es de 5800 Ib/ pulg2 (40 MPa). Aplicaciones: paneles solares, ensambles electrónicos, plásticos para madera y metales. Adhesivo líquido termofijo de uno o dos componentes basado en polímeros de silicio. Se vulcaniza a tem peratura am biente para caucho sólido. Su resistencia al corte es de 450 Ib/ pulg2 (3 MPa), su resistencia a la tensión es de 725 Ib/ pulg2 (5 MPa). Aplicaciones: sellos en autos (por ejemplo, en parabrisas), sellos y aislamiento en electrónica, empaques, unión de plásticos. Adhesivo termofijo de uno o dos componentes basado en polímeros de uretano. Su resistencia al corte es de 2800 Ib/ pulg2 (19 MPa), su resistencia a la tensión es de 7250 Ib/ pulg2 (50 MPa). Aplicaciones: unión de fibra de vidrio y plásticos.
Recopilado de [5], [6], [8] y (9).
Las aplicaciones industriales de las uniones adhesivas son extensas y están en desarrollo. Los usua rios principales son las industrias autom otriz, aeronaútica, de productos de la construcción y de empaques; otras industrias que las incluyen son del calzado, los m uebles, la encuadem ación de libros, la eléctrica y la construcción de em barcaciones [9]. La tabla 30.3 indica algunas de las aplicaciones específicas para las que se usan adhesivos sintéticos. En esta sección consideram os varios aspectos relacionados con la tecnología de aplicaciones adhesivas. P re p a ra c ió n d e la s u p e rfic ie Para que una unión adhesiva tenga éxito, las superficies de las paites deben estar extrem adam ente limpias. La resistencia de la unión depende del grado de adhesión entre el adhesivo y las partes adheridas, y en consecuencia también de la lim pieza de la superficie. En la m ayoría de los casos, se requieren pasos de procesam iento adicionales en la limpieza y preparación de las superficies, los métodos varían de acuerdo con los distintos m ate riales de las partes adheridas. Para los m etales se usan con frecuencia el desengrasado con vapor o la limpieza con solventes y el desgaste de la superficie mediante el pulido u otros procesos, por lo general esto m ejora la adherencia. Para partes no metálicas, generalm ente se usa algún tipo de limpiador solvente, y en ocasiones las superficies se desgastan en forma m ecánica o se atacan químicamente para aum entar la aspereza. Es deseable realizar el proceso de pegado lo m ás pron to posible después de estos tratam ientos, y a que m ientras transcurre el tiem po aum entan la oxi dación de las superficies y la acum ulación de im purezas. '
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M éto d o s d e a p lic a c ió n L a aplicación-real del adhesivo en una o am bas superficies de las partes se obtiene en diversas formas. La lista siguiente, aunque incom pleta, proporciona una m ues tra de las técnicas usadas en la industria [7, 9]: »- Aplicación con brocha, esta técnica se ejecuta en forma m anual usando una brocha de cerdas duras. Los recubrim ientos resultantes con frecuencia no son uniformes. » Rodillos m anuales, éstos son sim ilares a los rodillos de pintura para aplicar adhesivo de un contenedor plano. >- Serigrafía, este m étodo im plica aplicar el adhesivo para sólo cubrir las de la superficie de la parte a través de áreas abiertas en la pantalla.
áreas seleccionada
»• P or flu jo , se utilizan pistolas de flujo alimentadas a presión de operación m anual para un con trol más consistente que con brocha. »
Por aspersión o atom ización, se usa una pistola de aspersión im pulsada para una aplicación rápida sobre áreas grandes o difíciles de alcanzar.
por aire (o sin aire)
>• Con aplicadores autom áticos, éstos incluyen diversos despachadores y boquillas autom áticas para usarse en aplicaciones de producción a velocidades m edias y altas. La figura 30.13 ilus tra el uso de un surtidor para ensamble.
786
Preguntas de repaso
Capitulo 30 / Soldaduras fuerte, blanda y pegado con uniones adhesivas
787
la expansión térm ica de las partes adheridas; 5) el vulcanizado a baja tem peratura evita daños a las partes que se unen; 6 ) es posible obtener un sellado al m ism o tiem po que la adhesión y 7) con fre cuencia se sim plifica el diseño de uniones; por ejem plo, se unen dos superficies planas sin incor porar características de partes especiales tales com o orificios para tom illos. Las principales lim itaciones de esta tecnología son: 1) las uniones generalm ente no son tan fuertes com o con otros m étodos; 2 ) el adhesivo debe ser com patible con los m ateriales que se van a unir; 3) las tem peraturas de servicio son lim itadas; (4) son im portantes la lim pieza y la preparación de las superficies antes de la aplicación del adhesivo; 5) los tiem pos de vu lcan i zación pueden im poner un lím ite sobre las velocidades de producción y 6) la inspección de la unión adherida es d ifícil de realizar.
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
FIGURA 30.13 El adhesivo se aplica mediante un surtidor controlado en forma manual a las partes de la unión durante el ensamble (cortesía de EFD, Inc.).
>- Recubrimiento m ediante rodillo, es una técnica m ecanizada en la cual se sumerge parcial mente un rodillo rotatorio en una vasija con adhesivo líquido y recoge un recubrim iento del adhesivo, el cual se transfiere después a la superficie de trabajo. La figura 30.14 m uestra una aplicación posible, en la cual el trabajo es un m aterial flexible delgado (por ejem plo, papel, tela, cuero o plástico). Se usan variables de este método para recubrir con adhesivo m adera, compuestos de m adera, cartones y m ateriales sim ilares en áreas con superficies grandes.
V entajas y lim itac io n e s Las ventajas de las uniones adhesivas son: 1) el proceso es apli cable a una amplia variedad de materiales; 2) es posible unir partes de tamaños diferentes y seccio nes transversales (las partes frágiles se pegan mediante uniones adhesivas); 3) la unión ocurre sobre el área completa de la unión, y no sólo en puntos separados o a lo largo de engargolados, com o en la soldadura por fusión; por tanto, las tensiones se distribuyen por com pleto en el área; 4) algunos adhesivos son flexibles después de la unión y por lo tanto toleran una carga cíclica y diferencias en
Material flexible Rodillo de apoyo
Rodillo para recubrimiento
FIGURA 30.14 Recubrimiento mediante rodillo con adhesivo sobre materiales flexibles y delgados, tales como papel, tela o polímeros flexibles.
[1] Bilotta, A. J., Connections in Electronic Assemhlies. Marcel Dekker. Inc., New York, 1985. [2] Bralla, J. G., Handbook o f Product Design fo r Manu facturing, McGraw-Hill Book Co., New York, 1986. Chapter 7. [3] Brazing Manual, American Welding Society, New York, 1963. [4] Cary, H. B., Modern Welding Technology, Prentice Hall. Englewood Cliffs, N.J., 1979, Chapters 6, 7. [5] Doyle, D. J„ “The Sticky Six— Steps for Selecting Adhesives." Manufacturing Engineering, June 1991, pp. 39-43. [6] Hartshom, S. R. (editor), Structural Adhesives, Chemistry and Technology, Plenum Press, New York, 1986. [7] Lamben. L. P., Soldering for Electronic Assemblies, Marcel Dekker, Inc., New York, 1988. [8] Lincoln, B., Gomes, K. J., and Braden, J. F., Mechani cal Fastening o f Plastics, Marcel Dekker, Inc., New York, 1984.
PREGUNTAS DE REPASO
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Adhesivo — ¡[ I
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[9] Minniti, A., “Adhesives in Manufacturing,” Project Report, Manufacturing Systems Engineering Program, Lehigh University, April 1990. [10] Obrien, R. L„ Welding Handbook, 8th ed.. Vol. 2. Welding Processes, American Welding Society, Miami, Fia., 1991, Chapters 12, 13. [11] Schneberger, G. L. (editor), Adhesives in .Manufactur ing, Marcel Dekker, Inc.. New York, 1983. [12] Shields, J., Adhesives Handbook, 3rd ed.. Butterworths & Co. Ltd., London. 1984. [13] Skeist, I. (editor), Handbook o f Adhesives, 2nd ed., Van Nostrand Reinhold Company, New York, 1977. [14] Soldering Manual, American Welding Society. New York. 1959. [15] Wick, C„ and Veilleux, R. F., Tool and Manufacturing Engineers Handbook, 4th ed., Vol. 4, Quality Control and Assembly, Society of Manufacturing Engineers, Dearbom, Mich., 1987, Chapters 10, 11.
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30.1. ¿En qué son diferentes la soldadura fuerte y la soldadura blanda de otros procesos de soldadura por fusión? 30.2. ¿En qué son diferentes la soldadura fuerte y la soldadura blanda de otros procesos de soldadura de esta do sólido? 30.3. ¿Cuál es la diferencia técnica entre la soldadura fuerte y la soldadura blanda? 30.4. ¿Bajo qué circunstancias se prefiere la soldadura fuerte o la soldadura blanda en lugar de la soldadura por fusión? 30.5. ¿Cuáles son los dos tipos de uniones que se usan con mayor frecuencia en la soldadura fuerte? 30.6. Por lo general se hacen ciertos cambios en la configuración de uniones para mejorar la resistencia de uniones hechas con soldadura fuerte. ¿Cuáles son algunos de estos cambios? 30.7. El metal de aporte fundido en la soldadura fuerte se distribuye por toda la unión mediante acción capi lar. ¿Qué es la acción capilar? 30.8. ¿Cuáles son las características deseables de un fundente para soldadura fuerte? 30.9. ¿Qué es soldadura fuerte por inmersiónl 30.10. Defina soldadura fuerte por fusión. 30.11. ¿Cuáles son algunas de las desventajas y limitaciones de la soldadura fuerte? 30.12. ¿Cuáles son los dos metales para aleación más comunes usados en las soldaduras blandas? 30.13. ¿Cuál es la causa de que la resinas y los fundentes no se utilicen con mucha frecuencia en la industria? 30.14. ¿Para qué sirve la punta de un hierro en la soldadura blanda manual?
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Capítulo 30 / Soldaduras fuerte, blanda y pegado con uniones adhesivas
30.15. 30.16. 30.17. 30.18. 30.19. 30.20. 30.21. 30.22. 30.23.
¿Qué es soldadura en olas! Enliste las ventajas que se atribuyen con frecuencia a la soldadura blanda como un proceso de unión industrial. ¿Cuáles son las desventajas de la soldadura blanda? ¿Qué significa el término adhesivo estructuran Un adhesivo debe vulcanizarse para unir. ¿Qué significa el término vulcanizar? ¿Cuáles son algunos de los métodos usados para vulcanizar un adhesivo? Nombre las tres categorías básicas de los adhesivos comerciales. ¿Cuál es una precondición importante para que tenga éxito una operación deunión adhesiva? ¿Cuáles son algunos de los métodos usados para aplicar adhesivos en las operacionesde producción in dustrial? 30.24. Identifique algunas de las ventajas del pegado en comparación con métodos de unión alternativos. 30.25. ¿Cuáles son algunas de las limitaciones de la unión adhesiva?
CUESTIONARIO DE OPCIÓN MÚLTIPLE Hay un total de 24 respuestas correctas en el siguiente cuestionario. La calificación porcentual de la prueba deberá basarse en este total. 30.1. En la soldadura fuerte, los metales base se funden a temperaturas superiores a 840 °F (450 °C), mien tras que en la soldadura blanda se funden a 840 °F (450 °C) o menos: a) cierto o b) falso. 30.2. En relación con el metal de aporte con la que se hace, ¿cómo es normalmente la resistencia de una unión hecha con soldadura fuerte?: a) igual a, b) más fuerte que o c) más débil que. 30.3. El biselado en la soldadura fuerte de una unión empalmada implica envolver con una chapa las dos partes que se van a unir, para que contenga el metal de aporte fundido durante el proceso de calentamiento: a) cier to o b) falso. 30.4. Las separaciones entre las superficies en la soldadura fuerte son: a) 0.0001 a 0.001 pulg (0.0025 a 0.025 mm), b) 0.001 a 0.010 pulg (0.025 a 0.250 mm), c) (0.010 a 0.100 pulg (0.250 a 2.50 mm) o d) 0.10 a 0.2 pulg (2.5 a 5.0 mm). 30.5. ¿Cuál de las siguientes opciones es una ventaja en la soldadura fuerte? (Puede ser más de una.) a) pueden unirse metales distintos, b) pueden hacerse varias uniones en forma simultánea, c) se requiere menos calor y energía que en la soldadura por fusión, d) la unión es más fuerte que en la soldadura por fusión. 30.6. ¿Cuál de los siguientes métodos de soldadura blanda no se usa para soldadura fuerte ? (Puede ser más de uno.) a) soldadura con soplete, b) soldadura por inmersión, c) hierro para soldadura, d) soldadura infrarroja y e) soldadura en olas. 30.7. ¿Cuál de las siguientes opciones no es una función de un fundente en la soldadura fuerte o la soldadura blan da? a) remover o inhibir la formación de películas de óxido, b) promover la humidificación de las superfi cies, c) atacar químicamente las superficies a fin de aumentar la aspereza para una mejor adhesión del metal de aporte, o d) proteger las superficies empalmantes durante el proceso. 30.8. ¿Qué tipo de fundentes de soldadura blanda se prefiere para conexiones eléctricas y electrónicas? a) fundentes de resina natural, b) fundentes orgánicos solubles al agua o c) fundentes inorgánicos tales como el cloruro de zinc. 30.9. ¿Cuál de los siguientes metales se usa en las aleaciones para soldadura blanda? (Puede ser más de uno.) a) plomo, b) plata, c) oro, d) antimonio o e) estaño. 30.10. Una pistola para soldadura blanda es capaz de inyectar metal soldante fundido en el área de unión: a) cierto, o b) falso. 30.11. En la unión adhesiva, ¿cuál de los siguientes es el término que se usa para las panes que se van a unir? a) partes adheridas, b) adherente, c) adhesivo, d) agregado, e) ad infinitum. 30.12. El adhesivo soldado es un método de pegado en el cual se usa calor para fundir el adhesivc. a) cierto o b) falso. 30.13. ¿Bajo cuál tipo de tensiones son más fuertes las uniones hechas con adhesivos? (Elija las dos mejores^ respuestas.): a) clivaje, b) de desprendimiento, c) de corte y d) de tensión. 30.14. ¿Cuáles de los siguientes son mecanismos que operan en las uniones adhesivas? a) unión química, en la cual se forma una unión química primaria entre el adhesivo y las partes que se unen, b) fuerzas de unión secundarias entre los átomos de superficies opuestas, c) entrelazado mecánico y d) tensión de superficie del adhesivo fluido. 1 30.15. La aspereza de las superficies empalmantes tiende: a) aumentar o b) reducir la resistencia de una unión_ hecha con adhesivo, debido a que inhibe la dispersión del adhesivo a través de toda el área de la unión, a
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ENSAMBLE MECÁNICO C O N T E N ID O DEL C A P ÍTU LO 31.1
31.2 31.3
31.4
31.5
31.6
Sujetadores roscados 31.1.1 Torn i Ilos, pernos y tuercas 31.1.2 Otros sujetadores roscados y equipo relacionado 31.1.3 Tensiones y resistencias en las uniones con pernos 31.1.4 Herramientas y métodos para emsamblar sujetadores roscados Remaches y ojillos Métodos de ensamble basados en ajustes por interferencia 31.3.1 Ajuste con prensa 31.3.2 Ajustes de contracción y por expansión 31.3.3 Ajuste de agarre automático y anillos de retención Otros métodos de ajuste por interferencia 30.4.1 Puntillado, engrapado y cosido 31.4.2 Chavetas de doble punta Insertos en moldeado y sujetadores integrales 31.5.1 Insertos en partes moldeadas y colados 31.5.2 Sujetadores integrales Diseño para ensambles 31.6.1 Principios generales del diseño para ensamble 31.6.2 Diseño para ensamble automatizado
El ensam ble mecánico im plica el uso de diferentes m étodos de sujeción para sostener juntas en forma mecánica dos (o m ás) partes. En la m ayoría de los casos, los m étodos de sujeción implican el uso de com ponentes de equipo separados, llam ados sujetadores, que se agregan a las partes durante el ensam blado. En otros casos, el m ecanism o de sujeción im plica el for m ado o reform ado de uno de los com ponentes que se van a ensam blar y no se requieren suje tadores separados. M uchos productos se ensam blan principalm ente (si no es que exclusiva m ente) mediante m étodos de sujeción m ecánica: autom óviles, aparatos eléctricos grandes y pequeños, teléfonos, muebles, utensilios e incluso vestidos se ensamblan por m edios m ecáni-
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Sección 31.1 / Sujetadores roscados
Capítulo 31 / Ensamble mecánico
Perno
cos. Además, los productos industriales, que van desde aparatos electrónicos hasta equipo de cons trucción, casi siempre im plican cierto ensam ble m ecánico. Los métodos de sujeción m ecánica se dividen en dos clases principales: 1) los que permiten un desensamble y 2) los que crean una unión perm anente. Los sujetadores roscados com o tom illos, pernos y tuercas son ejem plos de la prim era clase y los remaches ilustran la segunda. Hay buenas razones por las que se prefiere con frecuencia el ensamble m ecánico sobre otros procesos de unión
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Tomillo
P artes ensam bladas
M I I Tuerca
analizados en capítulos anteriores. Las principales son: (a) >• Facilidad de ensam ble. >- Facilidad de desensam ble (para los m étodos de sujeción que perm iten el desensam ble). Por lo general, el ensam ble m ecánico lo realizan con relativa facilidad trabajadores no califi cados, usando un m ínim o de herram ientas especiales y en un tiem po relativamente breve. La tec nología es simple (aunque hay más de la que se podría pensar) y los resultados se inspeccionan con facilidad. Estos factores representan ventajas no sólo en la fábrica, sino tam bién durante la insta lación en campo. Los productos que son dem asiado grandes y pesados para transportarse com ple tamente armados pueden enviarse en subensam bles más pequeños y después armarse en las insta laciones de los clientes. Por supuesto, la facilidad de desensam ble sólo se aplica a los m étodos de sujeción mecánica que lo permiten. Se requiere un desensam ble periódico para la mayoría de los productos en los que deben ejecutarse m antenim iento y reparaciones; por ejem plo, para sustituir com ponentes gastados o para hacer ajustes. Las técnicas de unión perm anente tales com o la soldadura no perm iten el desensamble. Los m étodos de en sam b le m ecán ico se han clasificado com o: 1) sujetadores roscados, 2) rem aches, 3) a ju stes de in terferen cia, 4 ) o tro s m étodos de sujeción m ecánica y 5) insertos en m oldeado y su jetad o res integrales. E stas categorías se describirán en las secciones de la 31.1 a la 31.5. En la sección 3 1.6, se a n alizará un tem a im portante: el diseño para ensam ble. El ensamble de productos electrónicos incluye técnicas mecánicas. Sin em bargo, el ensamble de productos electrónicos representa un cam po singular y especializado que se analizará en el capítulo 35.
31.1
SUJETADORES ROSCADOS Los sujetadores roscados son com ponentes separados del equipo que tienen roscas extem as o inter nas para el ensamble de partes. En casi todos los casos perm iten el desensamble. Los sujetadores roscados son la categoría más im portante del ensam ble mecánico; los tipos más com unes de suje
FIGURA 31.1
Ensambles típicos usando: (a) perno y tuerca y (b) tomillo.
textos de diseño y manuales com unes. Sin em bargo, resultan convenientes varios com entarios. Prim ero, a pesar de tanta variedad, hay extrem a estandarización en la industria de los sujetadores roscados, lo cual prom ueve la posibilidad de hacer intercambios, un aspecto im portante en el ensam ble. Al m om ento de escribir este texto, Estados Unidos está convirtiendo gradualm ente a tam años de sujetadores métricos, lo cual reducirá todavía más las variaciones entre las especifica ciones. Segundo, las diferencias entre los sujetadores roscados tienen im plicaciones en la fabri cación de herram ientas. Para usar un tipo particular de tom illo o perno, el operador de ensamble debe tener las herram ientas diseñadas para tal tipo. Por ejem plo, hay disponibles num erosos esti los de cabezas en pernos y tom illos, los más com unes se muestran en la figura 31.2. Las geom etrías de estas cabezas, al igual que los diversos tamaños disponibles, requieren herram ientas m anuales distintas (por ejem plo, destornilladores) para el operador. No es posible hacer girar un perno con cabeza hexagonal mediante un destornillador convencional de punta plana. Los tom illos se fabrican en una m ayor variedad y configuraciones que los pernos, dado que sus funciones son más variadas. Los tipos incluyen tom illos para máquina, tom illos de cabeza cua drada, tom illos prisioneros y tom illos autorroscantes. Los tornillos de m áquina son del tipo general, diseñados para ensam ble en huecos roscados. En ocasiones se ensam blan a tuercas, y en este uso coinciden con los pernos. Los tornillos de cabeza cuadrada tienen la misma geom etría que los tom illos de m áquina, pero están hechos de metales con m ayor resistencia y tolerancias más estre chas. Los tornillos prisioneros están endurecidos y diseñados para funciones de ensam ble tales com o collarines de sujeción, engranes y poleas para ejes, com o se muestra en la figura 31,3(a). Se fabrican en diversas geom etrías, algunas de las cuales se ilustran en la figura 31.3(b). Un tom illo opresor autorroscante (también denom inado tornillo roscante) está diseñado para form ar o cortar las roscas en un orificio que ya existe, dentro del cual se hace girar. La figura 31.4 m uestra dos de las geom etrías de rosca com unes para los tom illos autorroscantes.
tadores roscados son los tom illos, los pernos y las tuercas.
31.1.1
FIGURA 31.2 Diferentes estilos de cabeza disponibles en tornillos y pernos. Hay varios estilos de cabeza adicionales que no se muestran.
Tornillos, pernos y tuercas Los tomillos y los pernos son sujetadores con roscas extemas. Hay una diferencia técnica entre un tomillo y un perno, que con frecuencia se confunde en el uso popular. Un tornillo es un sujetador con rosca extema que. por lo general, se ensam bla en un orificio roscado ciego. A lgunos tipos, denominados tornillos autorroscantes, poseen geometrías que les permiten formar o cortar las roscas correspondientes en el orificio. Un perno es un sujetador con rosca extem a que se inserta a través de orificios en las partes y se asegura con una tuerca en el lado opuesto. Una tuerca es un sujetador con rosca interna que coincide con la de perno del mismo diámetro, paso y forma de rosca. Los ensam bles típicos que se producen con el uso de tom illos y pernos se ilustran en la figura 31.1. Los tom illos y los pernos vienen en diversos tamaños, roscas y formas. La explicación y enu meración de estas especificaciones va m ás allá del propósito de este texto y puede encontrarse en
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C ab eza plana
C abeza Phillips
C ab eza cilindrica ranurada
C ab eza de gota o segm entada
C ab eza hexagonal (interna)
C abeza hexagonal
C ab eza cuadrada (interna)
792
Capítulo 31 / Ensamble mecánico
Sección 31.1 / Sujetadores roscados
Ranurado sin cabeza, punta plana
^ e 031)023 cuadrada, punta ovalada
De cavidad hexagonal, punta de cono
Los insertos con tornillo de rosca son pernos sin cabeza con rosca interna o rollos de alam bre hechos para insertarse en un orificio sin rosca y para aceptar un sujetador con rosca extem a. Se ensam blan en materiales más débiles (por ejemplo, plástico, m adera y metales ligeros tales com o el m agnesio) para proporcionar roscas fuertes. Hay muchos diseños de insertos con tom illo de rosca, se ilustra un ejem plo en la figura 31.6. Tras el subsecuente ensam ble del tom illo dentro del inserto, el cañón del inserto se expande hacia los lados del orificio, asegurando el ensamble. Los sujetadores roscados prisioneros son sujetadores con rosca que se han preensam blado perm anentem ente a una de las partes que se van a unir. Los procesos de ensam blado posibles incluyen la soldadura por fusión, la soldadura fuerte, el ajuste en prensa o el form ado en frío. Dos tipos de sujetadores roscados prisioneros se ilustran en la figura 31.7.
De cavidad estriada, punta d e perro
(b) FIGURA 31.3 (a) Ensamble de collarín a eje usando un tornillo prisionero y (b) diversas geometrías de tomillos prisioneros (tipos de cabeza y puntas).
FIGURA 31.6 Insertos con tornillo de rosca: (a) antes de la inserción y (b) después de la inserción dentro de un orificio y de que se ha girado el tornillo dentro del inserto.
FIGURA 31.4 Tornillos autorroscantes: (a) para formado de rosca y (b) de corte de rosca.
La mayoría de los sujetadores roscados se produce mediante formado en frío (sección 21.1.4). Algunos son m aquinados (sección 25.1.1), pero generalm ente es un proceso más costoso para la elaboración de roscas. Se usan diversos materiales para hacer sujetadores roscados, y los aceros están entre los más com unes debido a su buena resistencia y bajo costo. Éstos incluyen acero bajo y medio carbono, así com o aleaciones de aceros. Por lo general los sujetadores hechos de acero se niquelan o recubren para que su superficie resista la corrosión. Para este propósito se usan recubrimientos de m'quel, crom o, zinc, óxido negro y similares. Cuando la corrosión u otros facto res impiden el uso de sujetadores de acero, deben usarse otros materiales que incluyen aceros ino xidables, aleaciones de alum inio, aleaciones de níquel y plásticos (sin em bargo, los plásticos sólo son convenientes para aplicaciones de baja tensión).
31.1.2
FIGURA 31.7
Otros sujetadores roscados y equipo relacionado
793
Además de los tom illos, los pernos y las tuercas, existen otros tipos de sujetadores roscados y equipo relacionado. Éstos incluyen los pernos sin cabeza o espárragos, los insertos con tom illos de rosca, los sujetadores roscados prisioneros y las arandelas. Un perno sin cabeza (en el contexto de los sujetadores) es un sujetador con rosca extem a, pero sin la cabeza norm al que posee un perno. Los pernos sin cabeza se usan para ensam blar dos partes mediante una tuerca, com o se m uestra en la figura 31.5(a). Están disponibles con roscas en un extrem o o en ambos, como en las figuras 3 1 .5 (b )y (c ).
Sujetadores roscados prisioneros: (a) tuerca soldada y (b) tuerca remachada.
Vista superior
Vista superior
isa FIGURA 31.5 (a) Perno sin cabeza y tuercas usadas para ensamble. Otros tipos de pernos sin cabeza: (b) con rosca en sólo un extremo y (c) con rosca en los dos extremos. Vista de sección transversal
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(a)
(b)
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Capítulo 31 / Ensamble mecánico
Sección 31.1 / Sujetadores roscados
795
*3
La resistencia de un sujetador roscado generalm ente se especifica m ediante dos medidas: 1) resistencia de tensión, que tiene la definición tradicional y 2) la resistencia de prueba. A grandes rasgos, la resistencia de p ru eb a equivale a la resistencia perm itida; en form a precisa, es la tensión m áxim a que perm ite un sujetador roscado externam ente sin una deform ación perm a nente. Los valores típicos de resistencias de tensión y de prueba para pem os de acero se propor cionan en la tabla 31.1.
Tabla 31.1 Valores típicos de esfuerzo de prueba y de tensión para pernos y tornillos de acero, el diám etro varía d e 1/4 de pulg (6.4 mm) a 1 1/2 pulg (38 mm). (a)
FIGURA 31.8 Tipos de arandelas: arandelas simples (planas); (b) arandelas de presión, usadas para amortiguar la vibración o compensar el desgaste; y (c) arandela de seguridad, diseñada para resistir el aflojamiento del perno o el tornillo.
Una arandela es un componente de equipo que se usa con frecuencia en los sujetadores roscados para asegurar la firm eza de la unión m ecánica; en su forma más simple, es un anillo delgado plano de chapa de metal. Las arandelas tienen varias funciones [11]: 1) distribuir las tensiones, que de otra forma se concentrarían en la cabeza del perno o tom illo y en la tuerca, 2 ) proporcionar apoyo para orificios de separación grandes en las partes ensam bladas, 3) aum entar la presión, 4) proteger las superficies de las partes, 5 ) sellar la unión y 6) resistir el aflojamiento inadvertido. Varios tipos de arandelas se ilustran en la figura 31.8.
31.1.3
M aterial
Esfuerzo d e prueba lb/p u lg 2 (MPa)
Acero bajo y medio carbono Aleación de acero
33000 120000
(c)
(280(830
Esfuerzo de tensión lb/pulg2 (MPa) 60000 150000
(414) (1030)
Fuente: [11), pp. 8-11.
í
' ;
Tensiones y resistencias en las uniones con pernos Los esfuerzos o tensiones com unes que actúan sobre una unión atornillada pueden ser tanto transversales como de cizalla, según se muestra en la figura 31.9. En el esquem a aparece un ensamble de perno y tuerca. Una vez apretado, el perno se carga bajo tensión y las panes se cargan en com- ; presión. Además, las fuerzas pueden actuar en direcciones opuestas en las partes, lo que produce un . esfuerzo de corte en la sección transversal del perno. Por último, se aplican tensiones en las roscas J a todo lo largo de la unión, con la tuerca en una dirección paralela al eje del perno. Los esfuerzos ■ de corte pueden hacer que se desgasten (que se b an an ) las roscas, esta falla también ocurre en las j
El problem a que puede surgir durante el ensamble es que los sujetadores roscados se aprieten en exceso, lo cual provoca tensiones que exceden la resistencia del m aterial del sujetador. Suponiendo un ensam ble de perno y tuerca como el que se muestra en la figura, la falla puede ocurrir en alguna de las siguientes form as: 1) desgaste de las roscas extem as (por ejem plo, el perno o el tom illo), 2) desgaste de las roscas internas (como la tuerca), o 3) ruptura del perno debido a una tensión excesiva en su área de sección transversal. El desgaste de la rosca representa las fallas 1) y 2), y es una falla de corte que ocurre cuando la longitud de la unión es muy corta (m enos del 60% del diámetro nominal del perno). Esto se evita proporcionando una unión de rosca adecuada en el diseño del sujetador. La falla de tensión transversal 3) es el problem a más com ún. El perno se rompe cuando llega al 85% de su resistencia de tensión, determ inada por la com binación de esfuer zos tensiles y de torsión al m om ento de apretarlo [2]. El esfuerzo de tensión al que está sujeto un perno se calcula como la carga tensil aplicada a la unión, dividida por el área aplicable: a = L
(31.1)
roscas internas de la tuerca.
FIGURA 31.9
en donde a = tensión, en Ib/ pulg2 (M Pa); F = carga, en Ib (N); y A s = área de tensión, en pulg2 (m m 2). Esta tensión se com para con los valores de resistencia del perno enlistados en la tabla 31.1. El área de esfuerzo de tensión para el sujetador roscado es el área de sección transversal de la sec ción roscada y se calcula directam ente de una de las siguientes ecuaciones [2 ], dependiendo de si el perno está en el estándar m étrico o en el estadounidense. Para el estándar norteam ericano (pul gadas). la fórmula es
Tensiones com unes que actúan sobre una unión atornillada.
A s = 0 .2 5 * ( d - 2 ^ 1 ^
(31.2)
donde D = tam año nominal (diám etro principal básico) del perno o el tom illo en pulg; y n = la can tidad de roscas por unidad de longitud, en roscas/pulg. Para elestándar métrico, la fórm ula es A s = 0 .2 5 n (D - 0.9382 p ) 2
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(31.3)
donde D = tamaño nominal (diám etro principal básico) del perno o tom illo, en mm ; y p = paso de la rosca, en mm.
796
Sección 31.2 / Remaches y ojillos
Capítulo 31 / Ensamble mecánico
31.1.4 Herramientas y métodos para ensamblar sujetadores roscados
Rem ache
La función básica de las h erram ientas y m étodos para ensam blar sujetadores roscados es propor cionar una rotación relativa entre las roscas externas e interna y aplicar suficiente torque para ase gurar el ensamble. Las h erram ientas disponibles van desde sim ples destornilladores o llaves de tuercas manuales hasta herram ientas propulsadas con sofisticados sensores eléctricos para ase gurar una presión conveniente. Es im portante que la herram ienta coincida en estilo y tam año con el tom illo, el perno o la tuerca, debido a que existen m uchos tipos de cabezas de pernos. Por lo general, las herram ientas m anuales se hacen con una sola punta u hoja, pero las herram ientas eléctricas están diseñadas para usar ju n tas intercam biables. Las herram ientas propulsadas operan m ediante energía neum ática, hidráulica o eléctrica. El buen funcionamiento de un sujetador roscado depende en gran parte de la cantidad de torque aplicado para apretarlo. U na vez que el perno o tom illo (o tuerca) se rota, hasta que se asien ta contra la superficie de la parte, la presión adicional que se aplique aum entará la cantidad de ten sión en el sujetador (y al m ism o tiem po la cantidad de com presión en las partes que se unen); y será posible resistir la presión m ediante un torque mayor. Por tanto, hay una correlación entre el torque requerido para apretar el sujetador y la tensión transversal que experim enta por su causa. Para ob tener la función deseada en la unión ensam blada (por ejem plo, para m ejorar la resistencia a la fati ga) y asegurar los sujetadores roscados, el diseñador de producto con frecuencia especificará la fuerza de tensión que debe aplicarse. Esta fuerza se denom ina la precarga. La siguiente relación se T = C,DF
31.2
REMACHES Y OJILLOS
o Unión Rem ache rem achada ,
FIGURA 31.10 Los cinco tipos básicos de remaches, también se muestran en configuración ensamblada: (a) sólido, (b) tubular, (c) semitubular, (d) bifurcado, (e) de compresión.
R em ache
Unión rem achada
¿ e x
HOfH
Negativo
Positivo
(e)
(d)
que afectan la m anera en que éste recalcará para form ar la segunda cabeza. Los cinco tipos bási cos son: (a) sólido, (b) tubular, (c) sem itubular, (d) bifurcado y (e) de com presión, los cuales se ilustran en la figura 31.10. Adem ás, hay rem aches especiales para aplicaciones determ inadas. Los remaches se usan principalmente para uniones sobrepuestas. El orificio de paso donde se inserta el remache debe tener un diámetro cercano al del remache. Si el orificio es demasiado pequeño, será difícil insertar el remache, lo que reducirá la velocidad de producción. Si el orificio es muy grande, el remache no llenará el orificio y puede doblarse durante la formación de la cabeza del lado contrario. Existen tablas de diseño para remaches en las que se especifican los tamaños de orificios óptimos. La habilitación de herram ientas y los m étodos usados en la aplicación de rem aches se divi den en las siguientes categorías: 1) por impacto, en el cual un martillo neum ático realiza golpes sucesivos para recalcar el remache; 2 ) de com presión uniforme, en el cual la herram ienta para aplicar el rem ache (rem achadora) proporciona una presión continua para recalcar el rem ache y 3) una com binación de impacto y com presión. Casi todo el equipo usado para aplicar rem aches es portátil y de operación manual. Existen máquinas automáticas que taladran y rem achan, las cuales preparan los orificios y después insertan y recalcan los remaches. Los ojetes u ojillos son sujetadores tubulares de paredes delgadas con un reborde en un extrem o, y generalm ente están hechos de chapas metálicas, com o en la figura 31.11 (a). Se usan para FIGURA 31.11 Sujeción con un ojillo: (a) el ojillo y (b) secuencia de ensamble: (1) inserción del ojillo a través del orificio y (2) operación de calcado.
Los remaches son sujetadores que se utilizan am pliam ente para obtener una unión perm anente suje tada en forma mecánica. La aplicación de rem aches es un método de sujeción que ofrece altas velocidades de producción, sim plicidad, confiabilidad y bajo costo. A pesar de estas aparentes ven tajas, su aplicación ha declinado en décadas recientes, dando paso a los sujetadores roscados, la sol dadura y el pegado. La aplicación de rem aches se usa com o uno de los procesos de sujeción prin cipales en las industrias aeronaútica y aéreoespacial para unir el fuselaje a canales y otras partes estructurales. Un remache es una punta con cabeza y sin rosca que se usa para unir dos (o m ás) partes, la punta pasa a través de orificio s en las partes y después form a (recalca) una segunda cabeza en la punta del lado opuesto. L a operación de deform ación se ejecuta en caliente o en frío (trabajo en caliente o trabajo en frío), y utiliza el m artilleo o presión regular. El rem ache, una vez deform ado, no puede removerse, a m enos que una de las cabezas se rom pa. Los rem aches se especifican por su longitud, diámetro, cabeza y tipo. El tipo de rem ache se refiere a las cinco geom etrías básicas
Unión Rem ache rem achada
Unión R em ache rem achada
(b)
(31.4)
usa para determinar el torque requerido con el propósito de obtener una precarga determ inada [ 11]. donde T = torque, en lb-pulg (N-m ); C, = el coeficiente de torque, cuyo valor com únm ente varía entre 0.15 y 0.25, dependiendo de las condiciones de la superficie de la rosca; D = diám etro prom e dio del perno o tom illo, en pulg (mm); y F = fuerza de tensión especificada, en Ib (N). Se emplean diversos m étodos para aplicar el torque requerido, que incluyen; 1) la sensibili dad del operador, lo cual no es m uy preciso, pero resulta adecuado para la mayoría de los ensam bles; 2) llaves de torque; 3) m otores de detención súbita, que son llaves de tuercas m otorizadas di señadas para detenerse repentinam ente cuando se alcanza el torque requerido; y 4) apretado por giro de torque, en donde el sujetador se aprieta al principio de la operación a un nivel de torque bajo y después se rota una cantidad adicional determ inada.
Unión rem achada
797
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Parles
(a)
(b)
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Capítulo 31 / Ensamble mecánico
Sección 31 .3 / Métodos de ensamble basados en ajustes por Interferencia
Collarín
producir una unión em palm ada permanente entre dos (o más) partes planas. Los ojetes u ojillos se sustituyen con rem aches en aplicaciones de baja tensión para ahorrar material y costos. D urante la sujeción, el ojete se inserta a través de orificios en las partes y el extrem o recto se dobla para ase gurar el ensamble. La operación de form ado se denomina calcado y se ejecuta m ediante her ramientas en lados opuestos, los cuales sostienen el ojete en posición y doblan la parte que sobre sale de su cañón. La figura 31.1 l(b ) ilustra la secuencia para el diseño de un ojete com ún. Las apli caciones de este método de sujeción se encuentran en los subensam bles autom otrices, com ponentes eléctricos, juguetes y ropa.
C haveta
FIGURA 31.12 Vista de la sección transversal de una chaveta o eje sólido ensamblados a un collarín mediante un
31.3 MÉTODOS DE ENSAMBLE BASADOS EN AJUSTES POR INTERFERENCIA
donde Max o é = la tensión máxima efectiva, en Ib/ pulg2 (M Pa); y p¡ es la presión de ajuste por interferencia calculada de la ecuación (31.5). En situaciones donde una chaveta o eje recto se oprim e dentro del orificio de una parte grande con una geom etría diferente a la del collarín, podemos alterar las ecuaciones anteriores si consi deram os el diám etro externo Dc com o infinito, por lo que se reduce la ecuación para la presión por interferencia a
Hay varios métodos de ensam ble que se basan en la interferencia m ecánica entre dos partes coin cidentes que se van a unir. Lo que sostiene juntas las partes es la interferencia, ya sea durante el ensamble o después de que se unen. Los métodos incluyen el ajuste de prensa, dispositivos de ajuste por contracción y expansión, dispositivos de amarre automático y anillos de retención.
31.3.1 Ajuste con prensa
Ei Pf = TT Un ensamble de ajuste con prensa es aquel donde los dos componentes tienen un dispositivo de ajuste por interferencia entre ellos. El caso típico es cuando una chaveta (por ejemplo, una chaveta cilindrica recta) de cierto diám etro se presiona dentro de un orificio de un diám etro ligeramente menor. Se fabrican chavetas estándar de distintos tamaños para realizar diversas funciones, tales como: 1) localizar y asegurar los com ponentes, se usan para aum entar los sujetadores roscados por medio de la sujeción de dos (o más) partes en alineaciones fijas una con la otra: 2) servir de puntos de pivote, para perm itir la rotación de un componente en relación con el otro; y 3) com o chavetas de cizalla. A excepción de éstas últimas, normalmente las chavetas se endurecen. Las chavetas de cizalla están hechas de m etales más suaves, de modo que se rompan bajo una carga de cizalla repentina o severa para salvar al resto del ensamble. Otras aplicaciones del ajuste de prensa incluyen el ensamble de collarines, engranes, poleas y componentes sim ilares en ejes.
£ i(p ,: - p ; )
y la tensión m áxim a efectiva correspondiente se convierte en M ax ct, = 2/ 7/
(31.8)
En la m ayoría de los casos, en particular para metales dúctiles, la tensión m áxim a efectiva debe com pararse con la resistencia en el punto de fluencia del m aterial, aplicando un factor de seguridad apropiado, com o en el ejem plo siguiente: M ax ct, < - ^ SF
(31.9)
en donde Y = resistencia en el punto de fluencia del material y SF es el factor de seguridad aplicable. Existen diferentes geom etrías de chavetas para los ajustes con dispositivos de interferencia. El tipo básico es una chaveta recta, generalm ente hecha de alambre o barras de acero carbono esti rado en frío que varía en diám etro de 1/16 a 1.0 pulg (1.6 a 25 mm). Están sin conexión a tierra, con extrem os biselados o cuadrados (los extrem os biselados facilitan el ajuste con prensa). Las chavetas en bisel se fabrican con especificaciones más precisas que las chavetas rectas y pueden conectarse a tierra y endurecerse. Se usan para fijar la aleación de com ponentes ensam blados en dados, instalaciones fijas y m aquinaria. Las chavetas ahusadas poseen un ahusam iento o incli nación de 0.25 pulg (6.4 mm) por pie y se introducen en elorificio para establecer una posición re lativa fija entre las partes. Su ventaja es que pueden retirarse del orificio con facilidad. Hay otras geom etrías adicionales de chavetas disponibles com ercialm ente, incluyendo las chavetas con surcos, rectas sólidas con tres surcos transversales en las cuales el metal se levanta en algún lado de cada surco para provocar interferencia cuando éstas se presionan dentro del orificio; chavetas m oleteadas, las cuales tienen un patrón m oleteado que produce interferencia en el orificio correspondiente; y chavetas enrolladas, tam bién llamadas chavetas espirales, que están hechas de m ateria prim a en tiras enroscadas dentro de un resorte enrollado.
(31.5)
Dr Dl
en donde P f= presión radial o de ajuste por interferencia, en Ib/ pulg2 (M Pa); E = m ódulo de elas ticidad para el material, en Ib/ pulg2 (M Pa); i = interferencia entre la chaveta (o eje) y el collarín; esto es, la diferencia inicial entre el diám etro interior del orificio del collarín y el diám etro exterior de la chaveta, en pulg (mm ); D c = diám etro extem o del collarín, en pulg (mm); y Dp = diám etro de la chaveta o eje, en pulg (m m ). La tensión m áxim a efectiva ocurre en el diámetro interno del collarín y se calcula mediante:
(31-7)
u p
A nálisis de p re s io n e s y te n sio n es En un dispositivo de interferencia, las presiones y ten siones se estiman m ediante varias fórmulas aplicables. Si el dispositivo de ajuste consiste en una chaveta o en un eje sólido y redondo dentro de un collarín (o un com ponente sim ilar), com o se muestra en la figura 31.12, y los com ponentes están hechos del m ism o material, la presión radial entre la chaveta y el collarín se determ ina por m edio de [ 11];
'
799
31.3.2
Ajustes por contracción y por expansión
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Estos térm inos hacen referencia al ensam ble de dos partes que tienen un ajuste por interferencia a tem peratura am biente. El caso com ún es una chaveta o eje cilindrico ensam blado dentro de un co-
800
Capítulo 31 / Ensamble mecánico
Sección 31.4 / Otros métodos de ajuste por interferencia
llarín. Durante el ensam blado de ajuste p o r co n tra cció n , se calienta la parte externa para agrandarla mediante expansión térm ica y la parte interna perm anece a tem peratura am biente o se enfría para contraer su tam año. Posteriorm ente se ensam blan las partes y se devuelven a la tem peratura ambiente para que la parte ex tem a se encoja, previo enfriam iento, y la parte interna se expanda para form ar un sólido ajuste por interferencia. El ajuste por expansión ocurre cuando sólo la parte interna se enfría y se contrae para un ensam ble; una vez que se inserta en el com ponente correspondiente, se calienta a tem peratura am biente, expandiéndola para crear el ensam ble por interferencia. Estos m étodos de ensam ble se usan para ajustar engranes, poleas, mangas
Surco en el eje
11
Anillo de retención
y otros com ponentes dentro d e ejes sólidos y huecos. Para obtener el calentam iento o enfriam iento de las partes se usan varios métodos. El equipo de calentamiento incluye sopletes, hornos, calentadores p o r resistencia eléctrica y calentadores por inducción eléctrica. Los métodos de enfriam iento incluyen la refrigeración convencional, el empacado, el hielo seco y la inm ersión en líquidos fríos, así com o el nitrógeno líquido. La modificación del diám etro producida por el calentam iento o enfriam iento de una pieza de trabajo cilindrica depende del coeficiente de expansión térm ica y de la diferencia de tem peratura que se aplica a la parte. Si suponem os que el calentam iento o enfriam iento se produjo a una tem peratura uniforme durante todo el trabajo, el cam bio en el diám etro se obtiene mediante D2-D , = a D , (r2- r , )
Un anillo de retención, tam bién conocido como anillo de mordaza, es un sujetador que se agarra a presión dentro de un surco que form a una circunferencia sobre un eje o tubo para estable cer un hom bro, com o se ilustra en la figura 31.14. El ensam ble se usa para ubicar o lim itar el m ovim iento de partes montadas en el eje. H ay anillos de retención para aplicaciones extem as (eje) e internas (barrenos). Están hechos de láminas metálicas o de alambres sometidos a tratam iento térmico para obtener dureza y rigidez. Para ensam blar un anillo de retención se usan unas pinzas especiales, cuyo fin es deform ar elásticam ente el anillo de m odo que se ajuste sobre el eje (o den tro del barreno) y después se libera dentro del surco.
(31.10)
contracción y expansión.
31.3.3
i
31.4
OTROS MÉTODOS DE AJUSTE POR INTERFERENCIA Además de las técnicas de ajuste por interferencia analizadas hasta aquí, hay varios m étodos adi cionales que im plican el uso de sujetadores. Éstos incluyen el puntillado, el engrapado, el cosido y las chavetas de dos puntas.
Ajustes de agarre automático y anillos de retención Los ajustes de agarre autom ático son una m odificación de los ajustes por interferencia. Un ajuste de agarre automático im plica la unión de dos partes, en las cuales los elem entos que coinciden poseen una interferencia tem poral mientras se oprim en juntos, pero una vez que se ensam blan se entrelazan para conservar el ensamble. Un caso com ún se muestra en la figura 31.13, a m edida que las partes se presionan juntas, los elem entos que coinciden se deform an elásticam ente para alojar la interferencia y después perm iten que las partes se am arren autom áticam ente. U na vez en posición, los elementos se conectan mecánicam ente de m odo que no se desensam blan con facilidad. Por lo general, las partes se diseñan para que sólo exista una ligera interferencia después del ensamble.
FIGURA 31.14 Anillo de retención ensam blado en un surco de un eje.
Las ventajas del ensam ble de agarre autom ático incluyen que: 1) las partes pueden diseñarse con características de autoalineación, 2) no se requieren herram ientas especiales y 3) el ensam ble se consigue con m ucha rapidez. O riginalm ente, el ajuste de agarre automático se concibió com o un m étodo que sería conveniente para aplicaciones robóticas industriales; sin em bargo, no es sorpren dente que las técnicas de ensam ble que resultan más fáciles para los robots también lo sean para las personas que trabajan en el ensam blado.
en donde a = el coeficiente de expansión térm ica lineal, en pulg/pulg-°F (m m /m m -°C) para el m ate rial (véase tabla 4 . 1); T 2 = la tem peratura a la cual se han calentado o enfriado las partes, en °F (°C); Tj = temperatura ambiente inicial; D 2 = diám etro de la parte en T2, en pulg (mm); y D x = diám etro de la parte en T\. Las ecuaciones de la (31.5) a la (31.9) se usan para calcular presiones de interferencia y ten siones efectivas con el propósito de determ inar los valores correspondientes para los ajustes por
31.4.1
Puntillado, engrapado y cosido
FIGURA 3.1.13 Ensamble de ajuste automático mostrando secciones transversales de dos partes que coinciden: (1) antes del ensamble y (2) partes entrelazadas.
El puntillado y el engrapado industriales son operaciones sim ilares que implican el uso de sujeta dores metálicos en form a de U. El puntillado es una operación de sujeción en la cual se usa una m áquina que produce (una por una) las puntillas en form a de U de alambre de acero, y de inm e diato las inserta a través de las dos partes que se van a unir. L a figura 31.5 ilustra varios tipos de puntillado de alambre. Las partes que se van a unir deben ser relativam ente delgadas y consistentes con el tamaño de la puntilla, el ensam ble puede im plicar varias com binaciones de m ateriales m etáli cos y no metálicos. Las aplicaciones del puntillado industrial incluyen el ensam ble de chapas metálicas ligeras, bisagras m etálicas, conexiones eléctricas, encuadem ación de revistas, de cartón corrugado y em paque final de productos. Las condiciones que hacen preferible el puntillado en estas aplicaciones son la alta velocidad de la operación, la elim inación de orificios prefabricados en las partes y sujetadores que rodeen las partes. FIGURA 31.15 Tipos com unes de puntillas de alambre: (a) sin amarre, (b) de lazo común, (c) de lazo traspasado y (d) de amarre plano.
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801
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(a)
(b)
(C)
(d)
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Sección 31.6 / Diseño para ensambles
Capítulo 31 / Ensamble mecánico
803
Material moldeado o colado
.ongitui
C uerdas externas
y | * - L .ongitud—► FIGURA 31.16 Chavetas de doble punta: (a) de cabeza ladeada, punta estándar, (b) de cabeza simétrica, asegurada; (c) de punta cuadrada; (d) de punta ovalada y (e) de punta en bisel.
Diámetro (b)
(a)
(a)
E (c)
«fl
FIGURA 31.17
(e)
En el engrapado se clavan grapas en form a de U a través de las dos partes que se van a unir. Las grapas se proporcionan en tiras convenientes. Las grapas individuales se pegan ligeramente juntas para formar la tira, pero la engrapadora las separa antes de colocarlas. Las grapas se fabrican con diferentes estilos de puntas para facilitar su entrada en el trabajo. Por lo general, las grapas se aplican mediante pistolas neum áticas portátiles que contienen tiras con varios cientos de grapas. Las aplicaciones del engrapado industrial incluyen los m uebles y la tapicería, el ensam ble de asien tos de automóviles y diversos trabajos de ensam ble con plásticos y chapas metálicas de calibre El cosido es un método de unión com ún para partes suaves y flexibles tales como telas y piel. El método implica el uso de un cordón o hilo largo entrelazado con las partes para producir una cos tura continua entre ellas. El proceso se usa extensam ente en la industria para ensam blar ropas.
31.5.2
Chavetas de doble punta
Ejemplos de insertos moldeados dentro: (a) cojinete roscado y (b) perno prisionero roscado.
partes m oldeadas o fundidas están los bujes y tuercas con cuerda interna, los pernos prisioneros, los cojinetes y los contactos eléctricos con cuerda externa. Algunos de ellos se ilustran en la figura 31.17. Los insertos con cuerda interna deben colocarse dentro del molde con chavetas roscadas para evitar que el m aterial de moldeo fluya dentro del orificio roscado. C olocar insertos dentro de un m olde tiene ciertas desventajas en la producción [8 ]: 1) el dise ño del m olde se vuelve más com plicado: 2) el manejo y la colocación del inserto dentro de la cavi dad requiere tiem po, lo que reduce la velocidad de producción; y 3) los insertos introducen un m ate rial ajeno a la fundición o m oldeado y, en el caso de un defecto, el metal colado o el plástico no puede recuperarse ni reciclarse con facilidad. A pesar de estas desventajas, el uso de insertos es fre cuentem ente el diseño más funcional y el método de producción de m enor costo.
ligero.
31.4.2
(b)
Sujetadores integrales Los sujetadores integrales implican la deform ación de partes de los com ponentes para que éstos se entrelacen y así crear una unión m ecánicam ente sujeta. Este método de ensam ble es más com ún para panes de láminas m etálicas. Las posibilidades que m uestra la figura 31.18 incluyen: (a) lengüetas perforadas para conectar alam bres o ejes a partes de chapas metálicas; (b) protuberan cias estam padas, en las cuales se form an protuberancias en una pane y se aplanan sobre la parte ensam blada correspondiente; (c) engargolado, en el cual los bordes de dos partes de lám inas m etáli cas separadas, o los bordes opuestos de la misma pane, se doblan para form ar el engargolado de sujeción (el metal debe ser dúctil para que sea factible el doblado); (d) form ación de m olduras, en la cual una parte con forma de tubo se conecta a un eje más pequeño (u otra parte redonda), y el diám etro exterior se deform a para producir una interferencia alrededor de toda la circunferencia, y (e) la form ación de depresiones o form ación de simples indentaciones redondas en una parte exter na para que retenga una parte interna. El apretado de conectores, en el cual los bordes de una parte se deform an sobre un com po nente que coincide, es otro ejem plo de ensam ble integral. Un ejem plo com ún im plica apretar el cañón de una terminal eléctrica sobre un alambre (sección 35.5.1).
Las chavetas de doble punta son sujetadores form ados de alambre con una mitad redonda en una chaveta única de dos cañas, igual que en la figura 31.16. Su diám etro varía entre 0.031 pulg (0.79 mm) y 0.75 pulg (19 mm), y tienen diversos estilos de punta, varios de los cuales se m uestran en la figura. Las chavetas de dos puntas se insertan en los huecos de las partes que coinciden y sus extremidades se separan para fijar el ensam ble. Se usan para asegurar partes en ejes y para aplica ciones similares.
31.5 INSERTOS EN M OLDEADO Y SUJETADORES INTEGRALES Estos métodos de ensam ble forman una unión perm anente entre las partes mediante el form ado o reformado de uno de los com ponentes a través de un proceso de manufactura tal como el colado, el moldeado o el formado de lám inas m etálicas.
31.5.1
Insertos en partes moldeadas y colados
31.6
Este método implica la colocación de un com ponente dentro de un molde antes del m oldeado en plástico o la fundición en m etales, para que se convierta en una parte permanente e integral del moldeado o de la fundición. Las razones para insertar un com ponente separado en lugar de mol dear su forma incluyen: 1) el inserto tiene ciertas propiedades (por ejemplo, resistencia) su p erio res a las del material m oldeado o fundido y 2 ) la geom etría obtenida mediante el uso del inserto es demasiado compleja o intrincada para incorporarla en el molde. Entre los ejemplos de insertos en
DISEÑO PARA ENSAMBLES
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El diseño para ensam bles, D E (en inglés DFA), ha recibido m ucha atención en años recientes, debido a que las operaciones de ensam ble constituyen un enorm e costo de m ano de obra para m uchas com pañías de m anufactura. L a clave para un diseño de ensam ble exitoso se plantea en térm inos sim ples [3]: 1) diseñar el producto con la m enor cantidad de partes posibles y 2) diseñar las partes restantes para que se ensam blen con facilidad. El costo del ensam ble se determ ina en
804
Capítulo 31 / Ensamble mecánico
Sección 31.6 / Diseño para ensambles
31.6.1
805
Principios generales del diseño para ensamble L a m ayoría de los principios generales se aplica tanto para el ensam ble manual com o para el auto matizado. Su propósito es obtener la función de diseño requerida mediante los m edios más senci llos y de m enor costo. Se han recopilado los siguientes principios y recom endaciones de diversas fuentes [1, 3, 4 y 6 ]: >• Usar la m enor cantidad de partes posible para reducir la cantidad de ensam bles requeridos. Este principio se realiza com binando funciones dentro de la misma parte, que de lo contrario se obtendrían m ediante com ponentes separados; por ejem plo, usar una parte m oldeada de plástico en lugar de un ensam ble de partes de láminas metálicas. *• Reducir la cantidad de sujetadores roscados requeridos. En lugar de usar sujetadores ros cados separados, diseñar los com ponentes para utilizar ajustes de agarre autom ático, anillos de retención, sujetadores integrales y mecanism os de sujeción sim ilares que se obtengan con mayor rapidez. Sólo usar sujetadores roscados cuando se justifiquen (por ejem plo, cuando se requiera desensam ble o ajuste).
1
(3) El engargolado se dobla y s e aplana
(c) Flanco de lámina metálica
>- Estandarizar los sujetadores. Con esto se pretende reducir la cantidad de tamaños y estilos de sujetadores requeridos en el producto. D ism inuyen los problem as de hacer pedidos y de inventario, el ensam blador no tiene que distinguir entre los diversos sujetadores distintos, la estación de trabajo se sim plifica y se dism inuye la diversidad de herram ientas para sujeción separada.
3
c (2) Un borde doblado sobre otro
(1) Bordes doblados en dos partes
Moldura, alrededor de toda la circunferencia
Formación de depresión en posiciones sep arad as
»■ Reducir dificultades de orientaciones de las partes. Por lo general los problem as de orien tación se reducen diseñando partes que sean sim étricas y m inim izando la cantidad de carac terísticas asim étricas. Esto permite un manejo e inserción fáciles durante el ensam ble. Este principio se ilustra en la figura 31.19. »• Evitar las partes que se enredan. Ciertas configuraciones de partes tienen m ayor probabi lidad de enredarse en secciones de partes, frustrando a los trabajadores de ensam ble o atoran do los alim entadores automáticos. Las partes con ganchos, orificios, ranuras y rizos exhiben más esta tendencia que las partes sin estas características. Véase figura 31.20.
(1) Antes de la formación de la moldura
^
(2) D espués de la formación d e la moldura
(e)
31.6.2
Diseño para ensamble automatizado
FIGURA 31.18 Sujetadores integrales: (a) lengüeta perforada para conectar alambres o ejes a chapas de metal, (b) protuberancias estampadas similares al remachado, (c) engargolado de agarre único, (d) formación de molduras y (e) formación de depresiones. Los números en paréntesis indican una secuencia en (b), (c) y (d).
gran parte durante el diseño de producción, debido a que en esta etapa se establece la cantidad de com ponentes separados en el producto y se tom an decisiones acerca de cóm o se ensam blarán los com ponentes. Una vez tom adas estas decisiones, se puede hacer m uy poco en la m anufactura para influir en los costos de ensam ble (excepto, por supuesto, adm inistrar bien las operaciones). En esta sección consideram os algunos de los principios que se aplican durante el diseño de productos para facilitar el ensam ble. La m ayoría de los productos se ha desarrollado en el contex* •] to del ensamble m ecánico, aunque algunos se aplican a otros procesos de ensam ble y unión. Gran parte de la investigación en el diseño para ensamble se debe al aum ento en el uso de sistemas automatizados de ensam ble en la industria. De acuerdo con esto, nuestro análisis se divide en dos partes, la primera se refiere a los principios generales del diseño para ensam ble y la segunda se reíaciona específicamente con el diseño para ensam ble automatizado.
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A dem ás de los m étodos de ensamble m anual, hay diversos sistem as autom atizados para realizar operaciones de ensam ble mecánico, entre ellos están: 1) m áquinas de propósito especial y 2 ) sis tem as program ables. Las m áquinas de propósito especial generalm ente consisten en una serie de
FIGURA 31.19 Por lo general las partes simétricas son fáciles de insertar y ensamblar: (a) sólo hay una orientación de rotación posible para la inserción, (b) dos orientaciones posibles, (c) cuatro orientaciones posibles y (d) infinitas orientaciones de rotación.
Capítulo 31 / Ensamble mecánico
Preguntas de repaso
807
>• C om ponentes de alta calidad. El rendim iento productivo de un sistem a de ensamble auto m atizado requiere que se añadan com ponentes de alta calidad en form a consistente a cada estación de trabajo. Los com ponentes de baja calidad producen atascam ientos en los m eca nism os de alim entación y ensam ble, por lo que provocan pérdidas de tiempo. >• Usar ajustes de agarre autom ático. Esto elim ina la necesidad de sujetadores roscados; el ensam ble se realiza mediante la inserción simple, por lo general desde arriba. Sólo requiere que las partes se diseñen con características positivas y negativas especiales para facilitar la inserción y la sujeción.
(a)
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS FIGURA 31.20
(a) Partes que tienden a enredarse y (b) partes diseñadas para evitar los enredos.
estaciones de trabajo, en las cuales se añaden partes y/o se ejecutan operaciones de unión. Las esta ciones de trabajo están ordenadas en línea o alrededor del perím etro de una m esa indicadora, que es una plataform a circu lar que gira una revolución parcial en cada ciclo para presentar partes en secuencia a las estaciones. Se usan para la producción m asiva de un solo tipo de producto de ensamble. Los sistem as de ensam ble program ables se utilizan para producir una variedad lim itada de ensambles diferentes. C on frecuencia em plean robots industriales, ya sea com o estaciones de tra bajo múltiples o com o un robot único en una estación. En cualquier caso, por lo general las tareas ejecutadas son más com plejas que las que realizan las máquinas de propósito especial y los robots pueden programarse para m anejar m últiples estilos de productos a fin de obtener un sistem a de pro ducción con modelos mixtos. Los m étodos convenientes para el ensam ble manual no son necesariam ente los m ejores para el ensamble autom atizado. A lgunas operaciones de ensamble, que realiza con facilidad una persona, son muy difíciles de autom atizar; por ejem plo, el ensamble usando pem os y tuercas. Para autom a tizar el proceso de ensam ble, deben especificarse los m étodos de sujeción de partes durante el di seño del producto que se presten para las técnicas de inserción en m áquina y de unión, y que no requieran los sentidos, la destreza y la inteligencia de trabajadores para el ensamble. Las siguientes son algunas recom endaciones y principios que se aplican en el diseño de productos para facilitar el ensamble autom atizado [6 , 10]:
[1] Andreasen, M., Kahler, S., and Lund, T., D esign fo r Assem bly, IFS (Publications) Ltd., U.K., and SpringerVerlag, Berlín, 1983. [2] Blake, A., W hat Every E ngineer Sh o u ld K now about Threaded Fasteners, Marcel Dekker, Inc., New York, 1986. [3] Boothroyd, G., and Dewhurst, P., D esign fo r Assem bly, Department of Mechanical Engineering, University of Massachusetts, Amherst, Mass., 1983. [4] Bralla, J. G., H andbook o f Product D esign fo r M anu facturing, McGraw-Hill Book Co., New York, 1986, Chapter 7. [5] Dewhurst, P„ and Boothroyd, G., “Design for Assem bly in Action,” Assem bly Engineering, January 1987, pp. 64-68. [6] Groover, M. P., Autom ation. Production Systems, and C om puter Integrated M anufacturing, Prentice Hall,
Englewood Cliffs, N.J., 1987, Chapter 7. [7] Groover, M. P., Weiss, M., Nagel, R. N., and Odrey, N. G., Industrial Robotics: Technology, Programming, and A pplications, McGraw-Hill Book Co., New York, 1986, Chapter 15. [8] Laughner, V. H., and Hargan, A. D., H andbook o f Fastening a n d Joining o f M etal Parts, McGraw-Hill Book Co., New York, 1956. [9] Parmley, R. O. (editor). S ta n d a rd H andbook o f Fastening a n d Joining, 2nd ed.. McGraw-Hill Book Co., New York, 1989. [10] Riley, F. J., Assem bly Autom ation, A M anagem ent H andbook, Industrial Press, New York, 1983. [11] Wick, C., and Veilleux, R. F., Tool a n d M anufacturing Engineers H andbook, 4th ed., Vol. IV, Quality Control and Assem bly, Society of Manufacturing Engineers, Dearbom, Mich., 1987, Chapter 8.
PREGUNTAS DE REPASO
>■ Usar la m odularidad en el diseño de productos. A um entar la cantidad de tareas separadas que se realizan m ediante un sistem a de ensam ble autom atizado reducirá la confiabilidad del sistema. Para solventar este problem a, Riley [10] sugiere que el diseño del producto sea mo dular, en donde cada m ódulo o subensam ble tenga un máximo de 12 o 13 partes que deben producirse en un sistem a de ensam ble único. Asimism o, el subensam ble debe diseñarse alrededor de una parte base a la cual se le agregan otros com ponentes. > Reducir la necesidad de que se m anejen varios componentes a la vez. La práctica preferi da para el ensam ble autom atizado es separar las operaciones en estaciones diferentes, en lugar de m anejar y sujetar sim ultáneam ente varios componentes en la misma estación de trabajo. >- Limitar las direcciones requeridas de acceso. Esto significa que debe reducirse la cantidad de direcciones en las cuales se añaden componentes nuevos en el subensam ble existente. Si todos los com ponentes se agregan en form a vertical desde arriba, ésta es la situación ideal.
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31.1. ¿En qué es diferente el ensamble mecánico de los otros métodos de ensamble analizados en capítulos anteriores? (Por ejemplo, la soldadura por fusión o la soldadura blanda.) 31.2. ¿Por qué en ocasiones los ensambles deben desarmarse? 31.3. ¿Cuál es la diferencia técnica entre un tomillo y un perno? 31.4. ¿En qué se distingue un tomillo de cabeza cuadrada de un tomillo de máquina? 31.5. ¿Qué es un tomillo sin cabeza? (En el contexto de los sujetadores roscados.) 31.6. ¿Qué es apretar p o r giro de torquel 31.7. Defina resistencia de prueba en relación con los sujetadores roscados. 31.8. ¿En qué tres formas puede fallar un sujetador roscado cuando se aprieta? 31.9. ¿Qué es un rem achel 31.10. ¿En qué principio se basan los métodos de ensamble por ajuste en prensa? 31.11. ¿Cuál es la diferencia entre un ajuste por compresión y un ajuste por expansión en elensamble? 31.12. ¿Cuáles son las ventajas del ajuste de agarre automático? 31.13. ¿Cuál es la diferencia entre el puntillado industrial y el engrapado? 31.14. Se usan los insertos moldeados dentro para proporcionar propiedades ocaracterísticas de partes económicas que no son posibles con las partes moldeadas en forma convencional. Sin embargo, la téc nica de ensamble tiene algunas desventajas. Identifíquelas.
808
Capítulo 31 / Ensamble mecánico
Problemas
31.15. ¿Qué son los sujetadores integrales? 31.16. Identifique algunos principios y pautas generales del diseño para ensamble. 31.17. Identifique algunos principios y pautas generales que se aplican específicamente al ensamble automa tizado.
PROBLEMAS Sujetadores roscados 31.1. Se va a precargar un tomillo de 1/2 pulg de diámetro a una fuerza de tensión F = 1000 Ib. El coeficiente de torque C = 0.22. Determine el torque que se debe usar para apretar el pemo. 31.2. Se va a apretar un pemo de 5 mm de diámetro para producir una precarga = 25 N. Si el coeficiente de torque C = 0.23, determine el torque que debe aplicarse. 31.3. Se usa una llave de torque en un tomillo de 3/4 10 UNC (3/4 de pulg de diámetro promedio, 10 roscas/pulgada) en una planta de ensamble final de automóviles. La llave genera un torque de 125 pulglb. Si el coeficiente de torque C = 0.20. determine la tensión en el pemo. 31.4. El diseñador ha especificado que en cierta aplicación debe tensarse un pemo de bajo carbono de 3/8-16 UNC (3/8 de pulg de diámetro promedio, 16 roscas/pulgada) para su tensión de prueba de 33 000 Ib/ pulg2 (véase tabla 31.1). Determine el torque máximo que debe usarse si C = 0.25. 31.5. Se va a girar un tomillo métrico de 10 x 1.5 (10 mm de diámetro, paso p = 1.5 mm) dentro de un ori ficio roscado y se apretará a 1/2 de su resistencia de prueba, la cual es 300 MPa. Determine el torque máximo que debe usarse si el coeficiente de torque C = 0.18. 31.6. Un pemo M 16 x 2 (16 mm de diámetro, paso p = 2 mm) está sujeto a un torque de 12 N-m durante el apretado. Si el coeficiente de torque C = 0.20, determine el esfuerzo de tensión en el pemo. 31.7. Se planea actualmente un pemo de acero bajo carbono de 1-8 UNC (con diámetro = 1.0 pulg, 8 roscas/pulgada) para cierta aplicación. Se va a cargar al 75% de su resistencia de prueba, la cual es 33 000 Ib/ pulg2. Sin embargo, este pemo es grande para el tamaño de los componentes implicados y sería preferible un pemo con mayor resistencia, pero más pequeño. Determine: a) el tamaño promedio más pequeño de un pemo de aleación de acero (con resistencia de prueba = 120 000 lb/pulg2) que podría usarse para obtener la misma precarga en los siguientes tamaños estándar UNC que usa la compañía: 1/4-20, 5/16-18, 3/8-16, 1/2-13, 5/8-11, o 3/4-10; y b) compare el torque requerido a fin de obtener la precarga para el pemo original de 1/pulg y el pemo de aleación de acero seleccionado en la parte a) si el coeficiente de torque en ambos casos = 0.20.
CUESTIONARIO DE OPCIÓN MÚLTIPLE Hay un total de 14 respuestas correctas en el siguiente cuestionario. La calificación porcentual de la prueba debe basarse en este total. 31.1. La diferencia principal entre los métodos de ajuste mecánico y los procesos de soldadura por fusión, soldadura fuerte y soldadura blanda es que los métodos mecánicos producen uniones para el desen samble, mientras que los otros métodos de unión proporcionan uniones permanentes: a) cierto o b) falso. 31.2. La mayoría de los sujetadores con rosca extema se producen mediante: a) maquinado o b) formado en frío. 31.3. ¿Cuál de los siguientes métodos no se usa para aplicar el torque requerido con el propósito de obtener una precaiga deseada de un sujetador roscado? (Una respuesta.) a) sensibilidad de un operador humano, b) llave para torque, c) llaves de motor de detención súbita, o d) ninguno de los anteriores. 31.4. La presión mediante giro de torque implica la aplicación de cierto torque especificado para apretar el perno (u otro sujetador roscado) y después avanzar el pemo un giro completo: a) cierto o b) falso. 31.5. ¿Cuáles de las siguientes son razones para usar un ensamble mecánico? (Pueden ser más de una.) a) que una zona no es afectada por el calor en las partes base, b) que sea fácil de ensamblar, c) fácil de desen samblar y d) en algunos casos implica la fusión de las partes base. 31.6. ¿Cuáles de las siguientes no son formas comunes en las que fallan los sujetadores roscados durante el apretado? a) desgaste de las roscas internas o extemas, b) esfuerzos de tensión excesivas, c) esfuerzos de corte excesivos en las roscas debido a longitud inadecuada de la unión, o d) presión excesiva apli cada a la cabeza del pemo o tomillo mediante la herramienta para apretar (por ejemplo, el destornil lador), lo cual produce una falla en la cabeza. 31.7. La diferencia entre un ajuste por contracción y un ajuste por expansión es que en el primero la parte interna se enfría a una temperatura lo suficientemente baja para reducir su tamaño de ensamblado, en tanto que en un ajuste por expansión la parte extema se calienta bastante para aumentar su tamaño para el ensamble. Cuando se devuelven las partes a la temperatura ambiente se forma un ajuste por interfe rencia: a) cierto, o b) falso. 31.8. ¿Cuál de las siguientes opciones no se incluye entre las ventajas del ajuste de agarre automático? a) el ensamble se consigue con rapidez, b) la unión resultante es más fuerte que con la mayoría de los demás métodos de ensamble, c) no se requieren herramientas especiales y d) los componentes se diseñan con características que facilitan el acoplamiento de las partes. 31.9. La diferencia entre el puntillado industrial y el engrapado es que los sujetadores en forma de U se for man durante el proceso del puntillado, en tanto que en el engrapado los sujetadores ya están formados: a) cierto o b) falso. 31.10. Desde el punto de vista del costo del ensamble, es más conveniente usar muchos sujetadores rosca dos pequeños en lugar de pocos sujetadores grandes para distribuir las tensiones con mayor uni formidad: a) cierto o b) falso. 31.11. ¿Cuáles de las siguientes se consideran buenas reglas de diseño de productos para el ensamble auto matizado? (Puede ser más de una.) a) diseñar el ensamble con la menor cantidad de componentes posi ble; b) diseñar productos que usen pernos y tuercas cuando sea posible para permitir el desensamble, c) diseñar con la mayor cantidad de tipos distintos de sujetadores para obtener la máxima flexibilidad en el diseño; y d) diseñar partes con características asimétricas para acoplarlas con otras partes que ten- t gan características correspondientes (pero invertidas) de modo que se minimice la cantidad de formas en las que se integran las partes. 31.12. El uso de robots industriales en operaciones de ensamble aumenta la flexibilidad que se obtiene en las ' operaciones de ensamble manual: a) cierto o b) falso.
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Ajustes por interferencia
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31.8. Una chaveta biselada hecha de acero se ajustará en una prensa (£ = 30 x 106 lb/pulg2) dentro de un co llarín de acero. La chaveta tiene un diámetro nominal de 0.500 pulg, y el collarín tiene un diámetro exter no = 1.000 pulg. a) Calcule la presión radial y la tensión máxima efectiva si la interferencia entre el diámetro extemo del eje y el diámetro interno del collarín es 0.001 pulg. b) Determine el efecto de aumen tar el diámetro extemo del collarín a 1.500 pulg en la presión radial y la tensión efectiva máxima. 31.9. Se ajusta en prensa un collarín de acero dentro de un eje de acero. El módulo de elasticidad del acero E = 30 x 106 lb/pulg2. El collarín tiene un diámetro interno = 0.998 pulg, y el eje tiene un diámetro extemo = 1.000 pulg. El diámetro extemo del collarín es 1.750 pulg. Determine: a) la presión radial (de interferencia) en el ensamble y b) la tensión efectiva máxima en el collarín en su diámetro interno. 31.10. Se va a ajustar en prensa un engrane hecho de aluminio (módulo de elasticidad E = 69000 MPa) en un eje de aluminio. El engrane tiene un diámetro de 55 mm en la base de sus dientes. El diámetro interno promedio del engrane = 30 mm y la interferencia = 0.10 mm. Calcule: a) la presión radial entre el eje y el engrane y b) la tensión efectiva máxima en el engrane en su diámetro interno. 31.11. La resistencia a punto de fluencia de cierto metal Y = 50 000 Ib/ pulg2 y su módulo de elasticidad E = 22 x 106 lb/pulg2. Se va a usar para el anillo extemo de un ensamble de ajuste en prensa con un eje de acoplamiento hecho del mismo metal. El diámetro interno promedio del anillo es 1.000 pulg y su diámetro extemo = 2.500 pulg. Usando un factor de seguridad SF = 2.0, determine la interferencia má xima que debe usarse con este ensamble. 31.12. Se va a calentar una chaveta de acero de 1 pulg de diámetro a partir de la temperatura ambiente (70 °F) hasta 700 °F. Si el coeficiente de expansión térmica de la chaveta es a = 6.7 x 10"* pulg/pulg por °F, determine el aumento en el diámetro de la chaveta. 31.13. Un eje hecho de aluminio tiene 40.0 mm de diámetro a la temperatura ambiente (21 °C). Su coeficiente de expansión térmica a = 24.8 x 10-6 mm/mm por °C. Si debe reducirse el tamaño en 0.20 mm para que la expansión se ajuste en el orificio, determine la temperatura a la cual debe enfriarse el eje.
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Capítulo 31 / Ensamble mecánico
31.14. Un anillo de acero tiene un diámetro interno = 30 mm y un diámetro externo = 50 mm, a temperatura ambiente (21 °C). Si el coeficiente de expansión térmica del acero a = 12.1 x 10'6 mm/mm por °C, determine el diámetro interno del anillo cuando se calienta a 500 °C. 31.15. Un collarín de acero, cuyo diámetro extemo = 3.000 pulg a temperatura ambiente, se va a ajustar por contracción dentro de un eje de acero, calentando el collarín a una temperatura elevada, mientras el eje permanece a temperatura ambiente. El diámetro del eje = 1.500 pulg. Para facilitar el ensamble, cuan do se caliente el collarín a una temperatura elevada de 1000 °F, la separación entre el eje y el collarín será de 0.007 pulg. Determine: a) el diámetro interno inicial del collarín a temperatura ambiente para satisfacer esta separación, b) la presión radial y c) la tensión efectiva máxima del ajuste por interferen cia resultante a temperatura ambiente (70 °F). Para el acero, E = 30 000 000 Ib/ pulg1 y a = 6.7 x 10-6 pulg/pulg por °F.
Parte VIII
Operaciones para el procesamiento de superficies
LIMPIEZA Y TRATAMIENTOS DE SUPERFICIES C O N T E N ID O D EL C A P ÍT U LO 32.1
32.2
32.3
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Limpieza química 32.1.1 Consideraciones generales en la limpieza 32.1.2 Procesos de limpieza química Limpieza m ecánica y preparación de superficies 32.2.1 Acabado a chorro y martillado con perdigones 32.2.2 Rotado en tambor y otros acabados masivos Difusión e implantación iónica 32.3.1 Difusión 32.3.2 Implantación iónica
En este capítulo revisarem os un conjunto de procesos industriales que se ejecutan sobre las superficies de las partes: 1) la lim pieza quím ica, 2) la limpieza m ecánica y los tratam ientos de superficie relacionados y 3) la difusión y la implantación de iones. Las partes de trabajo deben lim piarse una o más veces durante la secuencia de m anu factura. Se usan procesos quím icos y mecánicos para realizar esta limpieza. Los métodos de limpieza quím ica em plean productos para rem over sustancias no deseadas en las superficies de las partes de trabajo, tales com o grasas y suciedad. La lim pieza m ecánica im plica la rem o ción de sustancias de la superficie m ediante operaciones m ecánicas de diversos tipos. Estas operaciones con frecuencia tienen otras funciones, com o rem over rebabas, aum entar la lisura, agregar lustre y m ejorar las propiedades de las superficies. Otros procesos que m ejoran las propiedades de las superficies son la difusión y la im plantación de iones. Estos procesos impregnan las superficies de trabajo con átomos de un material ajeno para alterar la quím ica de las superficies y cam biar sus propiedades físicas. Por tanto, las funciones principales de los procesos que se analizan en este capítulo son la lim pieza de la superficie de trabajo y el m ejoram iento de sus propiedades de alguna forma. Estos procesos no alteran la geom etría de las partes.
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32J
Capitulo 32 / Limpieza y tratamientos de superficies
Sección 32.1 / Limpieza química
32.1.1
D ebe considerarse el propósito de la operación de limpieza. A lgunos métodos son conve nientes en la preparación de una superficie para pintura, en tanto que otros son m ejores para cha peado. La protección am biental y la seguridad del trabajador se vuelven cada vez más importantes en los procesos industriales. D eben seleccionarse los m étodos de lim pieza y los materiales quím i cos asociados para evitar la polución y los riesgos a la salud. Otros factores que deben considerarse son el tam año y la geom etría de partes, así como la econom ía del m étodo de lim pieza en la pro ducción.
LIMPIEZA QUÍM ICA Una superficie com ún está cubierta con diversas películas, grasas, suciedades y otros contam inantes (sección 5.2.1). M ientras que algunas de estas sustancias pueden operar en una form a benéfica (tal como la película de óxido en el alum inio), generalm ente es necesario rem over los contam inantes de las superficies. En esta sección, revisarem os algunas consideraciones generales relacionadas con la limpieza y los principales procesos de lim pieza quím ica usados en la industria. Algunas razones im portantes por las que deben limpiarse las partes (y productos) m anufac turados son: 1) preparar la superficie para un procesam iento industrial posterior, tal com o la apli cación de recubrim iento o el pegado; 2) m ejorar las condiciones de higiene para los trabajadores y los clientes; 3) rem over contam inantes que pudieran reaccionar quím icam ente con la superficie; y 4) mejorar el aspecto y el rendim iento del producto.
32.1.2
Procesos de limpieza química
Consideraciones generales en la limpieza No puede usarse un m étodo único para todas las tareas de limpieza. De la misma form a que en el hogar se requieren diferentes jabones y detergentes para distintas labores (lavado de ropa, de platos, pulimento de ollas, lim pieza de la bañera, etc.), también se requieren distintos m étodos para solu cionar diferentes problem as de lim pieza en la industria. Los factores importantes en la selección de un método de lim pieza son: 1) el contam inante que se va a remover, 2) el grado de lim pieza requeri do, 3) los materiales de sustratos que se van a limpiar, 4) el propósito de la limpieza, 5) factores ambientales y de seguridad, 6) el tam año y la geom etría de la parte y 7) los requerim ientos de pro ducción y de costos. En las superficies de las partes se acum ulan diversos tipos de contam inantes, ya sea de bido a un procesam iento anterior o al am biente de la fábrica. Para seleccionar el m ejor m étodo de limpieza, prim ero se debe id entificar el tipo de contam inante. Los contam inantes de superfi cies que se encuentran en la fábrica por lo general se dividen en una de las siguientes categorías: 1) grasa y aceite, entre los cuales están m uchos lubricantes usados en el procesado de m etales, 2) partículas sólidas tales com o briznas de m etal, pulim entos abrasivos, suciedad, polvo y m ate riales similares, 3) com puestos para abrillantado y pulim ento, y 4) películas o capas de óxidos y hem im bre. El grado de lim pieza se refiere a la cantidad de contaminante que queda después de una operación de lim pieza determ inada. Las partes que se preparan para aceptar un recubrim iento (por ejemplo, una película de pintura o m etálica) o adhesivo deben estar muy limpias, de lo contrario, se pone en riesgo la adhesión del m aterial de recubrimiento. En otros casos, puede ser conveniente que la operación de lim pieza deje un residuo en la superficie de la parte para protegerla contra la corrosión durante el alm acenam iento, es decir, se sustituye un contaminante en la superficie por otro que es benéfico. C on frecuencia es difícil m edir el grado de limpieza en una form a cuantificable. La prueba más sim ple es el m étodo de frotado, en el cual se frota la superficie con una tela limpia blanca y se observa la cantidad de m anchas que absorbe la tela. Es una prueba no cuantita tiva, pero sencilla. O tra técnica simple es la p rueba de disolución del agua, en la cual se vierte agua en la superficie y se observa la cantidad de gotas. Si una película continua de agua cubre la super ficie, esto indica que está libre de grasas y otra suciedad similar; si se forman gotas de agua, esto indica una superficie sucia. U na prueba más cuantitativa implica la aplicación a la m uestra de varias soluciones de diferentes tensiones de superficie. El nivel de tensión de superficie en el cual ocur ren las gotas es una m edida de la limpieza. La selección de un m étodo de lim pieza debe considerar el material de sustrato para no pro ducir reacciones dañinas m ediante productos químicos de limpieza. Por citar varios ejem plos, la mayoría de los ácidos y álcalis disuelven el aluminio, el m agnesio es atacado por m uchos ácidos, el cobre es atacado p o r los ácidos oxidantes (por ejemplo, el ácido nítrico), y los aceros son resistentes a los álcalis, pero reaccionan con prácticam ente todos los ácidos.
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La lim pieza quím ica usa diversos tipos de productos para realizar la rem oción de contam inantes de la superficie. Los principales métodos de limpieza química son: 1) lim pieza alcalina, 2) limpieza por em ulsión, 3) lim pieza con solventes, 4) limpieza ácida y 5) lim pieza ultrasónica. En algunos casos, la acción quím ica se aum enta mediante otras formas de energía; por ejem plo, la lim pieza ultrasónica usa vibraciones mecánicas de alta frecuencia com binadas con limpieza química. En los párrafos siguientes, analizam os estos métodos químicos. L im pieza a lc a lin a Éste es el m étodo de limpieza industrial de uso más difundido. Como lo indica su nom bre, la lim pieza alcalina em plea un álcali para rem over aceites, grasa, cera y diver sos tipos de partículas (residuos metálicos, silicio, carbono y capas ligeras de óxido) de una su perficie metálica. Las soluciones para limpieza alcalina constan de sales solubles en agua de bajo costo, tales com o el hidróxido de sodio y de potasio (NaOH, K O H ), el carbonato de sodio (N a2C 0 3 ), el bórax (Na2B40 7 ), y fosfatos y silicatos de sodio y potasio, com binados con disper santes y alisadores en agua. En general, la aplicación es mediante inm ersión o aspersión, a tem pe raturas de 120° a 200 °F (50 a 95 °C). Después de la aplicación de la solución alcalina, se usa un enjuague con agua para rem over los residuos de álcalis. Las superficies metálicas que se limpian mediante soluciones alcalinas norm alm ente están electrochapeadas o recubiertas por conversión. La lim pieza electrolítica, tam bién denominada electrolimpieza, es un proceso relacionado en el cual se aplica una corriente directa de 3 a 12 V a una solución de lim pieza alcalina. La acción electrolítica provoca la generación de burbujas de gas en la superficie de las partes, lo que produce una acción de frotación que ayuda a la remoción de películas de suciedad tenaces. H ay tres tipos de lim pieza electrolítica: 1) electrolim pieza anódica, en la cual la parte de trabajo se carga positiva m ente y la acción de frotación se produce por medio de la liberación de oxígeno en la superficie de la parte; 2) electrolim pieza catódica, en la cual la parte se carga negativam ente y se libera hidrógeno en la superficie de la parte; y 3) electrolim pieza periódica inversa, en la cual se invierte la polari dad varias veces durante la acción de limpieza. L im pieza co n e m u lsió n La lim pieza con emulsión utiliza solventes orgánicos (aceites) dispersos en una solución acuosa. El uso de emulsificantes convenientes (jabones) produce un flui do de lim pieza en dos fases (aceite en agua), que funciona m ediante la disolución o em ulsificación de la suciedad en la superficie de la parte. El proceso se usa sobre partes m etálicas o no metálicas. Después de la lim pieza con em ulsión debe hacerse una limpieza alcalina para elim inar todos los residuos del solvente orgánico antes de aplicar el chapeado. L im pieza c o n so lv en tes En la lim pieza con solventes, la suciedad orgánica, como el aceite y la grasa, se rem ueve de una superficie metálica mediante productos quím icos que la disuelven. Las técnicas de aplicación com unes incluyen la lim pieza manual, la inm ersión, la aspersión y el desengrasado con vapor. Un im portante proceso industrial, el desengrasado con vapor, usa vapores calientes de solventes de cloruro o de fluoruro para rem over aceites, grasas y otra suciedad de las partes. El equipo consiste en un tanque abierto que contiene un solvente calentado por la parte infe rior y una zona de enfriam iento cerca de la parte superior, com o en la figura 32.1. En la parte in-
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Sección 32.2 / Lim pieza m ecánica y preparación de superficies
Capítulo 32 / Limpieza y tratamientos de superficies
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lim pieza ultrasónica tiene tres com ponentes: 1) un generador que transform a la corriente eléctrica estándar de 50 a 60 Hz en una frecuencia ultrasónica deseada; 2) un transductor ultrasónico que cam bia la energía eléctrica a vibraciones mecánicas usando elem entos m agnetorrestrictivos o piezoeléctricos; y 3) un tanque que contiene el fluido para limpieza.
32.2 LIMPIEZA MECÁNICA Y PREPARACIÓN DE SUPERFICIES
FIGURA 32.1
La limpieza m ecánica implica la rem oción física de suciedad, capas de óxido ligeras o películas de la superficie de trabajo de la pieza, m ediante abrasivos o acciones mecánicas similares. Los proce sos usados para lim pieza mecánica tienen frecuentemente funciones adicionales a la limpieza, tales com o la rem oción de virutas y el m ejoram iento del acabado de la superficie.
Desengrasante con vapor.
ferior del tanque se hace hervir el solvente m ediante calor de vapor, los vapores que se generan durante la ebullición se condensan en la superficie fría de la parte, disolviendo el aceite y la grasa. Los condensadores en espiral alrededor del tanque evitan que el vapor escape del envase. La exposi ción al vapor caliente eleva la tem peratura de la parte hasta que terminan la condensación y la limpieza, cuando ésta term ina se rem ueve la parte del tanque y se deja secar. Los solventes principales usados en el desengrasado con vapor son el tricloroetileno (C2HCI3), el cloruro de m etileno (C H 2CI2), el percloroetileno (C2C14), y el 1,1,1-tricloroetano (C2H 3CI3). Todos estos productos quím icos tienen puntos de ebullición bajos, que van desde 104 °F (40 °C) para el CH2C12 hasta 250 °F (121 °C) para el C 2C14. Son potencialm ente peligrosos para las personas y el ambiente; por tanto, debe tenerse cuidado en su uso, m anejo y disposición. Lim pieza y b a ñ o q u ím ic o c o n á c id o La lim pieza con ácido remueve grasas y óxidos ligeros de las superficies de metal m ediante remojo, aspersión, aplicación con brocha o lim pieza manual. El proceso se realiza a tem peraturas ambiente o elevada. Los fluidos de lim pieza com unes son soluciones de ácidos com binadas con solventes mezclables en agua, agentes hum edecedores y emulsificantes. Los ácidos para lim pieza incluyen el clorhídrico (HC1), el nítrico (H N O 3), el fos fórico (H3PO4) y el sulfúrico (H2S 0 4), la selección depende del metal base y del propósito de la limpieza. Por ejem plo, el ácido fosfórico produce una ligera película de fosfato en la superficie metálica, la cual es una preparación útil para pintura. La diferencia entre la lim pieza con ácido y el baño quím ico con ácido es una cuestión de gra dos. El baño quím ico con ácido im plica un tratam iento más severo para rem over óxidos, herrum bre y capas ligeras de óxidos; generalm ente produce algún ataque quím ico de la superficie m etáli ca, que sirve para m ejorar la adhesión de la pintura orgánica.
32.2.1
Acabado a chorro y martillado con perdigones El acabado a chorro usa el impacto a alta velocidad de m edios con partículas para limpiar y dar un acabado a la superficie. El más conocido de estos métodos es la lim pieza con chorro de arena, que usa pulim entos de arena (S i0 2) com o m edio de limpieza; sin em bargo, también se utilizan otros medios que incluyen abrasivos duros com o el óxido de alum inio (A L O 3) y el carburo de silicio (SiC), y medios suaves tales como glóbulos de nylon y cáscaras de nuez trituradas. El medio se im pulsa a la superficie objetivo m ediante aire a presión o fuerza centrífuga. En algunas aplica ciones, el proceso se ejecuta en húm edo, en el cual se dirigen hacia la superficie partículas finas en una pasta fluida bajo presión hidráulica. En el m artillado con perdigones, una corriente a alta velocidad de pequeños pelets de acero fundido (denom inadas perdigones) se dirige hacia una superficie m etálica con el fin de trabajar en frío e inducir tensiones de com presión sobre las capas de la superficie. El m artillado con perdigones se usa principalm ente para m ejorar la resistencia a la fatiga de las partes metálicas. Por tanto, su propósito principal es diferente del acabado a chorro, aunque la lim pieza de la superficie se con sigue como un subproducto de la operación.
32.2.2
Rotado en tambor y otros acabados masivos
L im pieza u ltra s ó n ic a La lim pieza ultrasónica com bina la limpieza quím ica y la agitación mecánica del fluido de lim pieza con el propósito de proporcionar un método muy eficaz para la remoción de contam inantes de la superficie. Por lo general, el fluido de limpieza es una solución acuosa que contiene detergentes alcalinos. La agitación m ecánica se produce mediante vibraciones de alta frecuencia y am plitud suficiente para provocar la form ación de cavidades, originadas por burbujas de vapor a baja presión. C onform e las ondas vibratorias pasan un punto determ inado en el líquido, después de la región de baja presión se forma un frente de alta presión que im plosiona la cavidad, con lo cual produce una onda de choque capaz de penetrar las partículas contam inantes que se adhieren a las superficies de trabajo. Este rápido ciclo de formación de cavidades e implosión ocurre a través del m edio líquido, lo cual hace a la lim pieza ultrasónica eficaz incluso en form as internas complejas e intrincadas. El proceso de lim pieza se realiza en frecuencias de 20 a 45 kHz, y la solución de lim pieza está a una tem peratura elevada, que oscila entre 150° y 190 °F (65° a 85 °C). El equipo para
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El rotado en tambor, el acabado vibratorio y otras operaciones sim ilares com prenden un grupo de procesos de acabado que se han llegado a conocer como m étodos de acabado masivo. Los acaba dos m asivos im plican el acabado de partes en forma global m ediante una acción de m ezcla dentro de un contenedor, generalm ente en presencia de un m edio abrasivo. La mezcla provoca que las partes se froten contra el m edio y entre sí para obtener la acción de acabado deseada. Los métodos de acabado m asivo se usan para rem over virutas, quitar ligeras capas de óxido, retirar rebabas, pulir, uniform izar las curvaturas, bruñir y limpiar. Las partes incluyen troqueles, colados, forjados, extru siones y partes maquinadas. Algunas veces también se som eten plásticos y partes cerám icas a estas operaciones de acabado m asivo para obtener los resultados deseados. Por lo general, las partes procesadas m ediante estos m étodos son pequeñas y no es económ ico darles acabado en form a indi vidual. P rocesos y e q u ip o Los m étodos de acabado m asivo incluyen el rotado en tambor, el acabado vibratorio y varias técnicas que utilizan fuerza centrífuga. El rotado en tam bor (tumbling en inglés), tam bién denom inado acabado en barril, implica el uso de un tam bor orientado en forma horizontal con una sección transversal hexagonal u octagonal, en el cual se m ezclan las partes ro tándolo a velocidades de 10 a 50 rev/m in. El acabado se realiza m ediante una acción de des prendim iento del m edio abrasivo y las partes conform e gira el tambor. C om o se m uestra en la fi-
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Capítulo 32 / Lim pieza y tratamientos de superficies
Sección 32.3 / Difusión e implantación iónica
81 7
Tambor Cabeza deslizante de medios y partes Medios y partes Cilindro con corte en ángulo
Vista late
Triángulo
Diamante
Esfera
Rotación del tambor Estrella
FIGURA 32.2 Diagrama de la operación de rotado en tambor (acabado en barril) que muestra la acción de desprendimiento de las partes y los medios abrasivos para dar acabado.
Punta d e flecha
Cono
Pirámide
(a)
gura 32.2, el contenido se eleva en el tam bor debido a la rotación, a lo que le sigue un descenso en la capa superior causado por la gravedad. Este ciclo de ascenso y descenso ocurre en form a con tinua y, con un tiempo mayor, somete a todas las partes a la misma operación de acabado deseada. Sin embargo, debido a que sólo la capa superior de las partes recibe el acabado en cualquier momento, este proceso es relativam ente lento en com paración con otros métodos de acabado m asi vo. Con frecuencia se requieren varias horas de rotado en tam bor para term inar el proceso. Otras desventajas son los altos niveles de ruido y los grandes espacios que se requieren para realizarlo. El acabado vibratorio se introdujo a fines de los años cincuenta como una alternativa al rota do en tambor. El recipiente vibratorio som ete a todas las partes a la agitación con los m edios abra sivos y no sólo a la parte superior, com o el acabado en tambor. En consecuencia, los tiempos de procesamiento para el acabado vibratorio se reducen considerablemente. Los conductos abiertos que se usan en este método permiten la inspección de las panes durante el procesam iento y debido a esto se reduce el ruido. Existen técnicas que usan la fuerza centrífuga para aumentar la acción de acabado entre la paite y los medios. Una de esas técnicas es el acabado de disco centrífugo, que consiste en un disco girato rio situado en la parte inferior de un tazón abierto. La acción giratoria del disco y las paredes esta cionarias del tazón hacen que las partes y los medios se agiten con fuerzas diez veces superiores a la gravedad. Esto reduce los tiempos de procesamiento en comparación con el acabado vibratorio. M edios Los m edios son los abrasivos y otros tipos de materiales que realizan la acción de acabado sobre las partes. La m ayoría de los m ateriales son abrasivos; sin embargo, algunos realizan operaciones de acabado no abrasivas, tales com o la rem oción de virutas y el endurecim iento de las superficies. Los medios pueden ser m ateriales naturales o sintéticos. Los medios naturales incluyen e! corindón, el granito, la piedra caliza e incluso la m adera dura. El problem a con estos materiales es que, generalm ente, son más suaves (p o r tan to se d esg astan con m ayor rapidez) y su tam año no es uniforme (además, en ocasiones se atoran con las partes de trabajo). Los medios sintéticos pueden hacerse con m ayor consistencia, tanto en tam año com o en dureza. Estos materiales incluyen A120 3 y SiC, los cuales se com pactan en una form a y tam año deseados usando un m aterial adhesi vo tal como una resina de poliéster. Estos m edios tienen formas de esferas, conos, cilindros con corte en ángulo y otras formas geom étricas regulares, com o en la figura 32.3(a). También se usa el acero como un m edio de acabado masivo en form as, com o las que se muestran en la figura 32.3(b) para bruñido, endurecim iento de superficies y operaciones de remoción de virutas ligeras. Las for mas que se aprecian en la figura son de distintos tam años. La selección de los medios se basa en el tamaño y la form a de las partes, así com o en los requerim ientos de acabado. En la m ayoría d e los procesos de acabado m asivo se usa un com puesto con el medio. El com puesto de acabado m asivo es una com binación de productos químicos para funciones específicas tales como limpieza, enfriam iento, división de la oxidación (de partes y medios de acero) y mejo ramiento del brillo y el color de las partes (especialm ente en el bruñido).
FIGURA 32.3 Formas comunes de medios preformados que se usan en operaciones de acabado masivo: (a) medios abrasivos para acabado y (b) medios de acero para bruñido.
32.3
Pelota
Cono con pelota
Cono
Pelota ovalada
Perno
(b)
DIFUSIÓN E IMPLANTACIÓN IÓNICA En esta sección analizam os dos procesos en los cuales la superficie de un sustrato se im pregna con átomos ajenos que alteran sus propiedades.
32.3.1 Difusión
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La difusión im plica la alteración de las capas de superficie de un material m ediante átom os difu sores de un material diferente (por lo general, un elem ento) dentro de la superficie (sección 4.3). El proceso tiene im portantes aplicaciones en la m etalurgia y en la m anufactura de sem iconductores. El proceso de difusión impregna las capas de superficie del sustrato con el elem ento ajeno, pero la superficie todavía contiene una alta proporción del material del sustrato. En la figura 32.4 se ilus tra un perfil com ún de la com posición, com o una función de la profundidad bajo la superficie para una parte m etálica recubierta por difusión. La característica de una superficie im pregnada por difusión es que el elem ento difundido tiene un porcentaje m áxim o en la superficie y rápidam ente declina con la distancia bajo la superficie. A plicaciones m e ta lú rg ic a s del re c u b rim ie n to p o r difusión La difusión se usa para alterar la quím ica de superficie de los m etales en diversos procesos y tratamientos. U na aplicación importante es el endurecim iento de superficies, por lo com ún mediante los m étodos de carburación, nitruración, carbonitruración, crom ado y borizado (sección 8.4). En estos tratam ientos se difunden uno o más elem entos (C, y/o Ni, Cr, o Bo) dentro de las superficies de hierro o acero. El propósito principal de la quím ica de superficie alterada es aum entar la dureza y la resistencia al desgaste. Además del endurecim iento de superficies, el crom ado tam bién m ejora la resistencia a la co rrosión. Hay otros procesos por difusión en los cuales los objetivos principales son la resistencia a la corrosión y/o la resistencia a la oxidación a altas tem peraturas. Los dos ejem plos im portantes son el aluminizado y el siliconizado.
818
Preguntas de repaso
Capitulo 32 / Limpieza y tratamientos de superficies
Distancia bajo la superficie, en nm
Distancia bajo la superficie, en mm 0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
0
3.0
Distancia bajo la superficie, en pulg
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
FIGURA 32.4 Perfil de características de un elemento difundido como una función de la distancia bajo la superficie, en la difusión. La gráfica que se presenta es para carbono difundido dentro de hierro. Fuente: [2].
El aluminizado tam bién se conoce com o calorizing, e implica la difusión de alum inio dentro del carbono acero, aleaciones de aceros y aleaciones de níquel y cobalto. El tratamiento se obtiene mediante la difusión por em paque o un m étodo de pasta fluida. En la difusión p o r em paque, se rodean las partes de trabajo (se empacan) con polvo de aluminio, adem ás de otros ingredientes que promueven las reacciones por difusión. El alum inio mismo puede representar del 5 al 60% del empaque, dependiendo del metal base y de la concentración deseada en las capas de superficie. El recubrimiento por difusión se realiza a tem peraturas entre 1650° y 2200 °F (900° y 1200 °C). La temperatura es un factor im portante para determ inar el grosor de la capa difundida, la cual puede variar desde valores m enores de -0 .0 1 0 pulg (0.25 mm) hasta un máximo de 0.040 pulg (1.0 mm). La concentración es de alrededor del 25 % de alum inio en la superficie, dism inuyendo hasta 0 en la pane inferior de la capa. En el m étodo de pasta flu id a se mezclan polvos finos de alum inio con aglutinantes y otros ingredientes, en agua, y se aplican al trabajo m ediante hum idificación o asper sión. La pasta se seca y el trabajo se calienta para realizar la difusión. El siliconizado es un tratam iento de acero en el cual se difunde silicio dentro de la superficie de la parte a una profundidad de 0.015 a 0.030 pulg (0.4 a 0.8 mm); esto crea una capa con buena resistencia a la corrosión y al desgaste y m odera la resistencia al calor. El tratamiento se realiza mediante el trabajo de calentam iento de polvos de carburo de silicio (SiC) en una atm ósfera que contiene vapores de tetracloruro de silicio (S iC lJ. El siliconizado es menos com ún que el alu minizado. A plicaciones p a ra s e m ic o n d u c to re s En el procesam iento de sem iconductores se usa la difusión de un elem ento de im pureza dentro de la superficie de un chip de silicio para cam biar las propiedades eléctricas en la superficie, con el propósito de crear dispositivos tales com o transistores y diodos. En el capítulo 34 exam inam os cóm o se usa la difusión para realizar este revestim iento, conocido como dopaje, y otros procesos con semiconductores. i » rf” -i . * •
32.3.2
819
Implantación iónica
Distancia bajo la superficie, en pulg
FIGURA 32.5 Perfil de la química de superficie según recibe un tratamiento mediante implantación de iones. Fuente: [51. Aquí se muestra una gráfica común para boro implantado en silicio. O bsede la diferencia en la forma y profundidad del perfil de la capa alterada, en comparación con el recubrimiento por difusión de la figura 32.4.
Entre las ventajas de la implantación iónica están: 1) procesamiento a baja temperatura, 2) buen control y capacidad de reproducir la profundidad de penetración de las impurezas y 3) es posi ble exceder los límites de solubilidad sin precipitaciones de exceso de átomos. La implantación de iones es un buen sustituto en aplicaciones para cienos procesos de recubrimiento, en donde sus ven tajas incluyen: 4 ) no hay problem as con la disposición de residuos, como en el electrochapeado y muchos procesos de recubrim iento y 5) no hay discontinuidad entre el recubrimiento y el sustrato. Las aplicaciones principales de la implantación de iones son la modificación de superficies metáli cas para mejorar las propiedades y la fabricación de dispositivos semiconductores.
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS [1] Freeman, N. B„ “A New Look at Mass Finishing,” Special Repon 757, American Machinist, August 1983, pp. 93-104. [2] Hocking, M. G., Vasantasree, V., and Sidky, P. S„ Metallic and Ceramic Coatings, Longman Scientific & Technical, Essex, England (co-published in the United States by John Wiley & Sons. Inc.. New York), 1989. [3] Metal Finishing, Guidebook and Directory Issue, Metals and Plastics Publications, Inc., Hackensack,
N.J., 1991. [4] Metals Handbook. Vol. 5. Surface Cleaning. Finishing. and Coating, American Socien.' for Metals, Metals Park, Ohio, 1982. [5] Wick, C. and Veilleux, R. (editors), Tool and Manufacturing Engineers Handbook, 4th ed„ VoL ID, Materials, Finishes, and Coating, Sociecy of Man ufacturing Engineers, Dearbom, Mich.. 1985, Section 3.
PREGUNTAS DE REPASO
La implantación iónica es una alternativa para la difusión cuando este últim o m étodo no es factible. El proceso implica incorporar átomos de uno o más elementos ajenos en una superficie de sustra to, usando un haz de alta energía de partículas ionizadas. El resultado es una alteración de las propiedades químicas y físicas de las capas cerca de la superficie de sustrato. La penetración de áto mos produce una capa alterada mucho más delgada que la difusión, com o se señala en la com para ción de las figuras 32.4 y 32.5. Asim ism o, el perfil de concentración del elem ento im pregnado es diferente a la capa de difusión característica.
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32.1. ¿Cuáles son algunas razones importantes por las que deben limpiarse las partes manufacturadas? 32.2. Los tratamientos mecánicos de superficie con frecuencia se ejecutan por razones diferentes o adi cionales a la limpieza. ¿Cuáles son las razones? 32.3. ¿Cuáles son los tipos básicos de contaminantes que deben limpiarse de las superficies metálicas en la manufactura? 32.4. ¿Cuál es la prueba de dispersión de agua para verificar la limpieza de una superficie? 32.5. Identifique algunos de los métodos de limpieza mecánica.
820
Capítulo 32 / Limpieza y tratamientos de superficies
32.6. Además de la limpieza de superficie, ¿cuál es la función principal que se ejecuta mediante martillado con perdigones? 32.7. Nombre algunos métodos importantes de limpieza química. 32.8. ¿Qué significa el término ultrasónico? 32.9. ¿Qué quiere decir el término acabado masivo'1. 32.10. ¿Cuál es la diferencia entre la difusión y la implantación iónica? 32.11. Explique el proceso “calorizing”. 32.12. Describa la implantación iónica.
CUESTIONARIO DE OPCIÓN MÚLTIPLE
¡1
Hay un total de 17 respuestas correctas en el siguiente cuestionario. La calificación porcentual de la prueba debe basarse en este total. 32.1. ¿Entre las razones por las que deben limpiarse las partes de trabajo están algunas de las siguientes? (Puede ser más de una.) a) mejorar el aspecto, b) mejorar las propiedades mecánicas de la superficie, c) mejorar las condiciones de higiene del trabajador, d) preparar las superficies para procesamiento pos terior, o e) remover contaminantes que podrían atacar químicamente la superficie. 32.2. ¿Cuál de los siguientes productos químicos se asocia con el desengrasado con vapor? (Una respuesta.) a) bórax, b) hidróxido de sodio, c) ácido sulfúrico o d) tricloroetileno. 32.3. ¿Cuál de los siguientes productos químicos se asocia con la limpieza alcalina?: a) bórax, b) hidróxido de sodio, c) ácido sulfúrico, d) tricloretileno. 32.4. El martillado con perdigones es un método de limpieza mecánica que se usa principalmente para remover capas ligeras de óxido en la superficie de partes metálicas: a) cierto o b) falso. 32.5. ¿Cuál de los siguientes métodos abrasivos se usa en la limpieza con chorro de arena? (Una respuesta.) a) A120 3, b) cáscaras de nueces trituradas, c) glóbulos de nylon, d) SiC, o e) S i0 2. 32.6. ¿Cuáles de los siguientes se incluyen entre los medios abrasivos usados en el acabado masivo, tal como el rotado en tambor? (Puede ser más de una respuesta.) a) AI1O3, b) corindón, c) esmeril, d) piedra ca liza y e) SiC. 32.7. ¿Cuáles de los siguientes procesos producen generalmente una penetración más profunda de átomos en la superficie impregnada? a) difusión o b) implantación iónica. 32.8. ¿A cuál de los siguientes es igual el método “calorizing”? a) aluminizado, b) revestimiento, c) limpieza con chorro de arena en caliente o d) siliconizado. 39.9. ¿Cuál de las siguientes acciones implica el carburizado? (Una respuesta.) a) baño químico con ácidos, b) acabado a chorro, c) difusión, d) rotado en tambor o e) desengrasado con vapor.
3*3 33 •
PROCESOS DE RECUBRIMIENTO Y DEPOSICIÓN
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3 3 .6 3 3 .7
C h a p e a d o y p ro c e so s a fin es 33.1.1 E lectro d ep o sició rt 3 3 .1 .2 E lectro fo rm ad o 3 3 .1 .3 D e p o sic ió n sin e le c tric id a d 3 3 .1 .4 Inm ersión e n c a lie n te R ec u b rim ien to s p o r c o n v e rsió n 33.2.1 R ec u b rim ien to s p o r c o n v e rsió n q u ím ic a 3 3 .2 .2 A n o d iz a d o D e p o sic ió n física d e v a p o r 33.3.1 E v a p o ra c ió n al v a c ío 3 3 .3 .2 B o m b a rd e o c o n p a rtíc u la s a tó m ic a s (sputtering) 3 3 .3 .3 R ec u b rim ie n to ió n ic o D e p o sic ió n q u ím ic a d e v a p o r R ec u b rim ien to s o rg á n ic o s 33.5.1 M éto d o s d e a p lic a c ió n 3 3 .5 .2 R ec u b rim ie n to p u lv e riz a d o E sm altado en p o rc e la n a y o tro s re c u b rim ie n to s c e rá m ic o s P ro ce so s d e re c u b rim ie n to té rm ic o s y m e c á n ic o s 33.7.1 P ro ceso s d e re c u b rim ie n to té rm ic o 3 3 .7 .2 C h a p e a d o m e c á n ic o
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Los productos hechos de metal casi siem pre están recubiertos, con pintura, chapeado u otros procesos. Las razones principales para recubrir un metal son: 1) proporcionar protección con tra la corrosión del sustrato; 2) m ejorar el aspecto del producto, por ejem plo, para propor cionar un color 0 textura especificados; 3) aum entar la resistencia al desgaste y reducir la fricción de la superficie; 4) m ejorar la conductividad eléctrica; 5) aum entar la resistencia eléctrica; 6 ) preparar una superficie metálica para un procesam iento posterior y 7) reconstruir las superficies gastadas 0 erosionadas durante el servicio.
822
Capitulo 33 / Procesos de recubrimiento y deposición
Sección 33.1 / Chapeado y procesos afines
FIGURA 33.1 Vista del corte de un recubrimiento de grosor d en una superficie de sustrato, característica de los procesos en este capítulo.
metal recubierto. Se pasa corriente directa de un transform ador de corriente extem o entre el ánodo y el cátodo. El electrolito es una solución acuosa de ácidos, bases o sales que conduce corriente eléctrica mediante el m ovim iento de iones m etálicos del recubrim iento en solución. Para resultados óptimos, las partes deben pasar por una lim pieza química justo antes de la electrodeposición.
• Superficie de sustrato
En ocasiones los m ateriales no m etálicos también se recubren. Algunos ejemplos son: 1) partes plásticas recubiertas para darles un aspecto m etálico; 2) recubrim ientos antirreflejantes que se aplican com únm ente a lentes de cristales ópticos; y 3) ciertos procesos de recubrim iento y deposición se usan en la fabricación de chips sem iconductores (capítulo 34) y tableros de circuitos impresos (capítulo 35). En este capítulo se cubren los procesos de recubrim iento industrial más importantes (disculpe el juego de palabras). La característica com ún de estos procesos es que todos producen un recubri m iento separado sobre la superficie del m aterial de sustrato, com o en la figura 33.1. Se debe obte ner una buena adhesión entre el recubrim iento y el sustrato, y para que esto ocurra la superficie del sustrato debe estar muy limpia.
33.1
CHAPEADO Y PROCESOS AFINES El chapeado im plica el recubrim iento de una delgada capa metálica sobre la superficie de un m ate rial del sustrato. El sustrato por lo general es metálico, aunque existen métodos para recubrir partes plásticas y cerám icas. Las razones para chapear una parte incluyen: 1) la protección ante la co rrosión, 2) el aspecto atractivo, 3) la resistencia al desgaste, 4) una m ayor conductividad eléctrica, 5) m ejorar la soldabilidad y 6) m ejorar la lubricidad de la superficie. La tecnología más conocida y de m ayor uso es la electrodeposición.
33.1.1
Principios de la electrodeposición El recubrim iento electroquím ico se basa en dos leyes físicas de Faraday. En resum en y para nuestros propósitos, las leyes plantean que: 1) la m asa de una sustancia liberada en electrólisis es proporcional a la cantidad de electricidad que pasa por la celda, y 2) la m asa del m aterial liberado es proporcional a su equivalente electroquím ico (la razón de peso atómico a valencia). El efecto se resum e en la ecuación: V = C It
V = E C It
FIGURA 33.2
J V d = A
-
(33.3)
en donde d = grosor de chapeado, en pulg (cm); V = volumen de metal chapeado a partir de la ecuación (33.2); y A = área de superficie de la parte chapeada, en pulg2 (cm2).
EJEMPLO 33.1
Electrodeposición
Se va a recubrir con níquel una parte de acero cuya área de superficie A = 20.0 pulg2. ¿Qué grosor de chapeado prom edio se producirá si se aplican 12 A durante 15 minutos en un baño electrolítico con cianuro?
Disposición para la electrodeposición.
+
(33.2)
donde £ = eficiencia de cátodo y los otros térm inos son iguales a la definición anterior. Los valores típicos de la eficiencia de cátodo £ y la constante de recubrim iento C para diferentes m etales se pre sentan en la tabla 33.1. El grosor de chapeado prom edio se determ ina a partir de lo siguiente:
Electrodeposición La electrodeposición, también conocida com o recubrim iento electroquím ico, es un proceso elec trolítico (sección 4.5.) en el cual se depositan iones metálicos en una solución electrolítica dentro de una parte de trabajo que funciona com o cátodo. La disposición se m uestra en la figura 33.2. El ánodo está hecho generalm ente del metal que se recubre y, por tanto, funciona como fuente del
(33.1)
donde V = volumen de metal recubierto, en pulg3 (cm 3); C = constante de recubrim iento, que depende del equivalente electroquím ico y la densidad, en pulg3/A -m in (cm 3/A-s); / = corriente, en A; y t = tiempo durante el que se aplica la corriente, en min (seg). El producto It (corriente x tiem po) es la carga eléctrica depositada en la celda y el valor de C indica la cantidad de m aterial cha peado que se deposita en la parte de trabajo catódica. Para la mayoría de los m etales chapeados, no toda la energía eléctrica del proceso se usa para deposición; una parte se consum e en otras reacciones, tal como la liberación de hidrógeno en el cátodo. Esto reduce la cantidad de m etal chapeado. La cantidad real de metal depositado en el cáto do (parte de trabajo) dividida por la cantidad teórica, que proporciona la ecuación (33.1), se de nomina la eficiencia del cátodo. C onsiderando la eficiencia del cátodo, una ecuación más precisa para determ inar el volumen de m etal chapeado es:
Solución: De la tabla 33.1, la eficiencia de cátodo para el níquel es E = 0.95 y la constante de recubrim iento C = 1.25 x 10"4 pu!g3/A -m in. U sando la ecuación (33.2), la cantidad total de metal chapeado que se deposita en la superficie de la parte en diez minutos se proporciona mediante:
+
V = 0.95 (1.25 x 10"4) (12) (15) = 0.0214 pulg3.
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Esto se extiende a través de un área A = 20 pulg2, por lo que el espesor del recubrim iento o cha peado promedio es: * .' -i .. MOO .* < . \ • .i »’ :. ' •>! 0.0214 d = — — — = 0.0011 pulg. 20 H
Sección 33.1 / Chapeado y procesos afines
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Capítulo 33 / Procesos de recubrimiento y deposición
M etal para c h ap e a r3
Electrolito
Cadmio (2) Cromo (3) Cobre (1) Oro (1) Níquel (2) Plata (1) Estaño (4) Zinc (2)
Cianuro Cromo-sulfato ácido Cianuro Cianuro Sulfato ácido Cianuro Sulfato ácido Cloruro
Eficiencia d e c áto d o , % 90 15 98 80 95 90 95
El co b re tiene varias aplicaciones importantes como metal de recubrim iento. Se usa am plia mente com o recubrim iento decorativo en acero y zinc, ya sea solo o en aleaciones con zinc tal como la deposición de bronce. Tam bién tiene aplicaciones importantes en tableros de circuitos impresos (sección 35.2). Por últim o, con frecuencia el cobre se recubre sobre el acero com o una base, bajo una cubierta de níquel o crom o. El recu b rim ie n to con cro m o (conocido popularmente como “cro m ado”) se valora por su aspecto decorativo y se usa ampliamente en aplicaciones automotrices, de m uebles para oficina y de aparatos eléctricos para la cocina. También produce uno de los recubri mientos electrodepositados más duros, y por esta razón se usa am pliam ente para partes que requie ren resistencia al desgaste, por ejem plo, pistones hidráulicos y cilindros, anillos de pistones, com ponentes de motores de aeronaves, guías roscadas en m aquinaria textil y aplicaciones similares.
C onstante de c h a p e a d o C3 pulgV a-m in (cm 3/a-seg) 2.47 x 10-* 0.92 x 10-4 2.69 x 10“* 3.87 x ICT* 1.25 x 10“* 3.90 x 10“* 1.54 x 10^ 1.74 x 10-*
(6.73 x \0->) (2.50 x 10"5) ( 7 .3 5 x 1 0"5) (10.6 x 10"5) (3.42 x 10-5) (10.7 x 10"5) (4.21 x 1 0 - s) (4.75 x 10-5)
33.1.2
Electroformado Este proceso es virtualmente igual que la electrodepositación pero su propósito es muy distinto. El elec tro fo rm a d o implica la deposición electrolítica de metal en un patrón hasta obtener el grosor requerido; después se remueve el patrón para dejar la parte formada. Mientras que el grosor de una deposición común es de sólo aproximadamente 0.002 pulg (0.05 mm) o menos, con frecuencia, las partes electroformadas son mucho más gruesas, por lo que el ciclo de producción es proporcionalmente más largo. Los m odelos usados en el electroform ado son: 1) sólidos o 2) desechables. Los patrones sólidos tienen un ahusam iento u otra geom etría que perm ite la rem oción de la parte electro d ep o s ita d a . Los m odelos desechables se destruyen durante la rem oción de la pane, y se usan cuan do la form a de la parte im posibilita un patrón sólido. Los m odelos desechables son fusibles o solubles. Los de tipo fusible están hechos de aleaciones de baja fusión, plásticos, cera u otro m aterial que puede rem overse por fusión. Cuando se usan m ateriales no conductivos, el patrón o m odelo debe m etalizarse para aceptar el recubrim iento electrodepositado. Los de tipo soluble están hechos de un m aterial que puede disolverse con facilidad m ediante productos quím icos; por ejem plo, el alum inio se disuelve en hidróxido de sodio (NaOH). Por lo general, las partes electroform adas se fabrican de aleaciones de cobre, níquel y níquelcobalto. Las aplicaciones incluyen m oldes y dados finos; entre los ejem plos están los moldes para lentes, los discos fonográficos y las placas para estam par e imprimir. U na aplicación reciente con m ucha dem anda im plica la producción de moldes para discos com pactos de lectura mediante láser y discos de video. Los detalles de la superficie que deben imprimirse en un disco compacto se m iden en m icropulgadas o m icrones, 1 ¿im = 39.4 /¿pulg. Estos detalles se obtienen con facilidad
Recopilado de [12]. * La valencia más común se proporciona entre paréntesis (); éste es el valor supuesto para determinar la constante de recubrimiento C. Para una valencia diferente, calcular la nueva C multiplicando el valor de C en la tabla por la valencia más com ún y después dividir por la valencia nueva.
Métodos y aplicaciones Existen diversos equipos para la electrodeposición y su elección depende del tamaño y la geom etría de partes, los requisitos de resultados y el metal para recubrir. Los métodos principales son: 1) deposición en tambor,* 2) deposición en estantes y 3) deposición en tiras. La d ep o sic ió n e n ta m b o r se realiza en tam bores rotatorios orientados en form a horizontal o en un ángulo oblicuo (35°). El m étodo es conveniente para el recubrimiento de m uchas partes pequeñas en un lote. El contacto eléctrico se m antiene a través de la acción de frotado de las partes y mediante un conductor conectado externam ente que se proyecta dentro del tambor. Existen limitaciones para la deposición en tam bor; la acción de frotado inherente al proceso puede provo car daño en las partes de metal suave, en los com ponentes roscados, en las partes que requieren buenos acabados y en las partes pesadas con bordes afilados. La d eposición en e sta n tes se usa para partes que son demasiado grandes, pesadas o complejas para la deposición en tambores. Los estantes están hechos de alambre de cobre de calibre pesado con formas adecuadas para contener las partes y conducir la corriente a través de ellas. Los estantes se fabrican de modo que las partes de trabajo puedan colgarse en ganchos o sostenerse apretadas o car gadas en canastas. Para evitar la deposición del cobre mismo, los estantes se cubren con aislante, excepto en las partes donde existe contacto. El recubrim iento en tiras es un método de alta produc ción, en el cual el trabajo consiste en una tira continua que se jala a través de la solución para cha peado mediante un riel de alimentación. El alambre recubierto es un ejemplo adecuado de su apli cación. Mediante este m étodo también se recubren partes de láminas metálicas pequeñas sostenidas en una larga tira. El proceso puede prepararse de modo que sólo se involucren las regiones específi cas de las partes; por ejem plo, los puntos de contacto chapeados con oro en los conectores eléctricos. Los metales para recubrimiento más com unes en la electrodeposición incluyen el zinc, el níquel,
en el m oldeado m ediante electroform ado.
33.1.3
Deposición sin electricidad
el estaño, el cobre y el cromo. El acero es el metal de sustrato más común. También se chapean los me tales preciosos (oro, plata y platino) en joyería. El oro también se usa para contactos eléctricos. Los productos de acero recubiertos con z in c incluyen sujetadores, artículos con alambres, cajas de interruptores eléctricos y diferentes partes de láminas metálicas. El recubrimiento con zinc fun ciona como una barrera que se sacrifica para evitar la corrosión del metal que está debajo. Un proce so alternativo para recubrir acero con zinc es el galvanizado (sección 33.1.4). Se usa el r ecu b rim ien to con níquel para resistir la corrosión y con propósitos decorativos sobre acero, bronce, colados en zinc y otros metales. Las aplicaciones incluyen ajuste automotriz y otros bienes de consumo. El níquel también se usa como una cubierta base, bajo una lámina de cromo muy delgada. El recu b rim ie n to d e estaño se usa ampliamente, el cual protege contra la corrosión a las latas de estaño y otros envases para alimento. También se usa para m ejorar la soldabilidad de componentes eléctricos.
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♦Este método también se conoce como chapeado y se utiliza para el recubrimiento de oro en joyería. [N. del R. T.J
La d ep o sic ió n sin e le c tr ic id a d es el nom bre que se da al proceso de recubrimiento que se produce com pletam ente m ediante reacciones quím icas y no se requiere una fuente externa de corriente eléc trica. La deposición del metal en la superficie de una parte ocurre en una solución acuosa que con tiene los iones del metal para recubrim iento que se vaya a utilizar. El proceso usa un agente reductor y la superficie de la parte de trabajo actúa com o catalizador para la reacción. Son pocos los metales que se pueden emplear para la deposición sin electricidad, así como los que pueden procesarse mediante esta técnica, el costo es generalmente m ayor que en el recubrimiento electroquímico. El metal para deposición sin electricidad más común es el níquel y algunas de sus alea ciones (Ni-Co, N iP y Ni-B). También se usan el cobre y, en menor grado, el oro como metales para deposición mediante este proceso. La deposición con níquel se usa para aplicaciones que requieren al ta resistencia a la corrosión y al desgaste. La deposición con cobre sin electricidad se usa para recubrir a través de orificios de tableros de circuitos impresos (sección 35.2.4). El cobre también puede uti lizarse para recubrir partes plásticas con propósitos decorativos. Las ventajas de la deposición sin elec tricidad incluyen: 1) espesores de chapeado uniformes sobre geometrías de partes complejas (lo cual es un problema con la electrodeposición), 2) el proceso puede usarse en substratos metálicos y no metálicos y 3) no se necesita una provisión de corriente directa para realizar el proceso.
826
Capítulo 33 / Procesos de recubrimiento y deposición
Sección 33.2 / Recubrimiento por conversión
Los procesos de recubrim iento po r conversión se dividen en dos categorías: 1) tratam ien tos quím icos y 2) anodizado. La prim era categoría incluye procesos que im plican sólo una reac ción quím ica; los recubrim ientos por conversión con fosfato y crom ato son los tratam ientos com unes. La segunda categoría es el a n o d iz a d o , en la cual se produce un recubrim iento de óxido mediante una reacción electroquím ica (anodizado es la contracción castellanizada del inglés a n o d ic o x id iz e que se traduce com o o x id a c ió n a n ó d ic a ). Este proceso de recubrim iento se asocia frecuentem ente con el alum inio y sus aleaciones.
33.1.4 Inmersión en caliente La inm ersión en caliente es un proceso en el cual un sustrato metálico se sumerge en un baño fundido de un segundo metal; tras la remoción, el segundo metal recubre el primero. El prim er metal debe poseer una temperatura de fusión más alta que el segundo. Los metales de sustrato más comunes son el acero y el hierro. El zinc, el aluminio, el estaño y el plomo son los metales de recubrimiento más comunes. La inmersión en caliente funciona para formar capas de transición sobre compuestos de aleación variable. Junto al sustrato normalmente se encuentran compuestos intermetálicos de los dos metales; en el exterior hay aleaciones de solución sólida que consisten predominantemente en metal de recubrimiento. Las capas de transición proporcionan una excelente adhesión del recubrimiento. El propósito principal de la inm ersión en caliente es la protección ante la corrosión. N or malmente operan dos mecanism os para proporcionar esta protección: 1) protección de barrera, para la cual el recubrimiento sim plem ente funciona com o un escudo para el metal que está debajo, y 2) protección de sacrificio, en la cual el recubrim iento se corroe m ediante un proceso electro
33.2.1
Recubrimientos por conversión química Estos procesos operan exponiendo el metal base a ciertos productos quím icos que forman películas de superficie delgadas y no metálicas. En la naturaleza ocurren reacciones similares; algunos ejem plos son la oxidación del hierro y el alum inio. En tanto que la herrum bre destruye progresivamente el hierro, la formación de un recubrim iento delgado de A120 3 sobre el alum inio protege el metal base. El propósito de estos tratam ientos de conversión quím ica es conseguir este último efecto. Los dos procesos principales son recubrim ientos con fosfatos y crom atos. El re c u b rim ie n to con fo s fa to im plica la transform ación de la superficie del metal base en una película protectora de fosfato m ediante la exposición a soluciones de ciertas sales de fosfatos (por ejemplo, Zn, M g y Ca) junto con ácido fosfórico diluido (H 3P 0 4). El grosor del recubrimiento varía de 0.0001 a 0.002 pulg (0.0025 a 0.05 mm). Los metales base más com unes son el zinc y el acero, incluyendo el acero galvanizado. El recubrim iento con fosfato funciona com o una preparación útil para la pintura en las industrias autom otriz y de aparatos eléctricos pesados. El recu b rim ie n to co n cro m a to convierte el metal base en diversas formas de películas de cro matos, mediante soluciones acuosas de ácido cróm ico, sales de crom atos y otros productos quím i cos. Los metales tratados con este m étodo incluyen el alum inio, el cadm io, el cobre, el magnesio y el zinc (y sus aleaciones). La inm ersión de la parte base es el m étodo com ún de aplicación. Los recubrim ientos por conversión con crom atos son de alguna form a más delgados que con fosfatos, generalm ente menores de 0.0001 pulg (0.0025 mm). Las razones para un recubrim iento con cro matos son: 1) protección contra la corrosión, 2) base para pintura y 3) propósitos decorativos. Los recubrim ientos con cromatos pueden ser transparentes o de colores; los colores disponibles incluyen el pardo olivo, el bronce, el am arillo o el azul brillante.
químico para preservar ei sustrato. La inmersión en caliente recibe diferentes nombres, dependiendo del metal para recubri miento: en el g a lv a n iza d o , el metal para recubrim iento es el zinc sobre acero o hierro; el alum inizado se refiere al recubrim iento de alum inio (Al) sobre un sustrato; en el esta ñ a d o , el recubri miento es estaño (Sn), y el te rn e p la te con plom o y estaño describe el chapeado de una aleación de plomo y estaño sobre acero. El galvanizado es por m ucho el más importante de los procesos por inmersión en caliente, con una antigüedad de alrededor de 200 años. Se aplica para dar acabado a partes de acero y hierro en un proceso por lotes, así como a láminas, tiras, tuberías, conductos y alam bres en un proceso automatizado continuo. C om únm ente, el grosor del recubrim iento varía entre 0.0016 y 0.0035 pulg (0.04 y 0.09 mm). El espesor de capa se controla principalm ente m ediante el tiempo de inmersión. La temperatura del baño se mantiene alrededor de 850 °F (450 °C). El uso com ercial del aluminizado va en aum ento y cada vez com parte más el m ercado con el galvanizado. Los recu brimientos por inm ersión en aluminio caliente proporcionan una excelente protección contra la corrosión, en algunos casos cinco veces más eficaz que el galvanizado [12]. La deposición con estaño mediante inmersión en caliente proporciona una protección contra la corrosión no tóxica para el acero, en aplicaciones para envases de alim entos, equipos para lácteos y aplicaciones de soldadura blanda. La inmersión en caliente ha sido gradualm ente rebasada por la electrodeposición com o el m étodo com ercial preferido para el recubrim iento de estaño sobre acero. El te rn e p la tin g involucra la inm ersión en caliente de una aleación de plom o-estaño sobre acero, la aleación es predom inantem ente de plomo (sólo del 2 al 15% es Sn); sin em bargo, se requiere estaño para obtener la adhesión satisfactoria del recubrim iento. La deposición con plomo y estaño es el método de recubrim iento de m enor costo para el acero, pero su protección contra la
33.2.2
Anodizado
corrosión es limitada.
33.2
RECUBRIMIENTOS POR CONVERSIÓN Un recubrim iento p o r c o n v e rsió n se refiere a una familia de procesos en los cuales se form a una película delgada de óxido, fosfato o crom ato sobre una superficie m etálica m ediante reacción química o electroquímica. La inmersión y la aspersión son los dos m étodos com unes que exponen la superficie metálica a los productos quím icos reactivos. Los m etales com unes tratados m ediante recubrimiento por conversión son el acero (incluyendo el acero galvanizado), el zinc y el alum inio. Sin embargo, casi cualquier producto de metal puede aprovechar este tratam iento. Las razones importantes para usar los procesos de recubrim iento por conversión son [12]: 1) protección contra la corrosión, 2) preparación para pintura, 3) reducción del desgaste, 4) perm itir que la superficie contenga mejores lubricantes para procesos de formado metálico, 5) aum entar la resistencia eléc trica de la superficie, 6) acabado decorativo y 7) identificación de partes.
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M ientras que los procesos anteriores se ejecutan norm alm ente sin electrólisis, el a n o d iza d o es un tratam iento electrolítico que produce una capa de óxido estable sobre una superficie metálica. Sus aplicaciones más com unes son en alum inio y magnesio, pero tam bién se aplica en zinc, el titanio y otros metales menos comunes. Los recubrim ientos por anodizado se usan principalmente para propósitos decorativos; también proporcionan protección contra la corrosión. Resulta interesante com parar el anodizado con el electrochapeado, porque am bos son proce sos electrolíticos. Son evidentes dos diferencias: 1) en la deposición electroquím ica, la parte de tra bajo que se va a recubrir es el cátodo en la reacción. En contraste, en el anodizado el trabajo ocurre en el ánodo, mientras que el tanque de procesam iento es catódico. 2) En la electrodeposición, el recubrim iento se aum enta mediante la adhesión de iones de un segundo metal a la superficie metá lica base. En el anodizado, el recubrim iento de la superficie se form a m ediante una reacción quím i ca del metal de sustrato dentro de una capa de óxido. En los recubrimientos por anodizado el grosor varía generalm ente entre 0.0001 y 0.003 pulg (0.0025 y 0.075 mm). Se pueden incorporar tintes en el proceso de anodizado para crear una amplia variedad de colores; esto es muy com ún en el anodizado con alum inio. También se pueden lograr recubrim ientos muy gruesos sobre alum inio, mayores de 0.010 pulg (0.25 mm), mediante un pro ceso especia] denom inado a n o d iz a d o duro', estos recubrim ientos son notables por su alta resisten cia al desgaste y a la corrosión.
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Sección 33.3 f Deposición física de vapor
Capítulo 33 / Procesos de recubrimiento y deposición
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Cámara de vacío
33.3
DEPOSICIÓN FÍSICA DE VAPOR La deposición físic a de vapor, DFV (en inglés PV D ), se refiere a una fam ilia de procesos en los cuales se convierte un material a su fase de vapor en una cám ara de vacío y se condensa sobre una superficie de sustrato com o una película m uy delgada. L a PV D se usa para aplicar una am plia varie dad de materiales de recubrim iento: metales, aleaciones, cerám ica, com puestos inorgánicos e inclu so ciertos polímeros. Los sustratos posibles incluyen m etales, vidrio y plástico. Por tanto, la PVD representa una tecnología de recubrim iento m uy versátil aplicable a una com binación casi ilimita da de sustancias de recubrim iento y materiales de sustratos. Las aplicaciones de la PVD incluyen los recubrim ientos decorativos delgados sobre partes de plástico y metálicas, tales com o trofeos, juguetes, plum as y lápices, empaques para relojes y adornos para interiores de automóviles. Los recubrim ientos son películas delgadas de alum inio (de alrededor de 150 nm) aplicadas con laca transparente para proporcionar un aspecto de plata o cromo satinado. Otro uso de la PV D es la aplicación de recubrim ientos antirreflejantes de fluoruro de magnesio (M gF2) sobre lentes ópticos. La PV D se aplica en la fabricación de artículos electrónicos, principalmente para la deposición de metales que tiene el propósito de form ar conexiones eléctri cas en circuitos integrados (capítulo 34). Por últim o, la deposición física de vapor se usa am plia mente para recubrir herram ientas de corte y m oldes de inyección de plásticos con nitruro de titanio (TiN) para que resistan el desgaste. Todos los procesos de deposición física de vapor consisten en los siguientes pasos: 1) sín tesis del vapor de recubrim iento, 2) transporte del vapor al sustrato y 3) condensación de los vapores sobre la superficie del sustrato. Por lo general, la secuencia anterior se realiza dentro de una cám ara de vacío, p o r esta razón se debe ev acu ar la cám ara antes del proceso de deposición física de vapor real. La síntesis del vapor del recubrim iento se obtiene m ediante diversos m étodos, tales com o el calentamiento por resistencia eléctrica o el bom bardeo con iones para vaporizar un sólido (o líqui do) existente. Éstas y otras variables producen varios procesos de deposición física de vapor. Se agrupan en tres tipos principales: 1) evaporación en vacío, 2) bombardeo de partículas atóm icas y 3) recubrimiento iónico. La tabla 33.2 presenta un resum en de estos procesos. TABLA 33.2
Resumen de procesos por deposición física de vapor (PVD).
Proceso de d ep o sició n Evaporación al vacío
C aracterísticas y m ateriales d e recubrim iento Características: El equipo tiene un costo relativamente bajo y es sencillo; la deposición de com puestos es difícil; la adhesión del recubrimiento no es tan buena como para otros procesos de deposición física de vapor. Materiales com unes de recubrimiento: Ag, Al, Au, Cr, Cu, Mo, W.
Bombardeo de partículas atómicas (sputtering)
Características: Mejor descarga de energía y adhesión del recubrimiento que la evaporación al vacío, es posible recubrir compuestos, velocidades de deposición más lentas y un control de proceso más difícil que la evaporación al vacío.
Recubrimiento iónico
Características: La mejor cobertura y adhesión del recubrimiento entre los pro cesos de deposición física de vapor, control de proceso más complejo, veloci dades de deposición más altas que la deposición electrónica.
Materiales comunes de recubrimiento. AljOj, Au, Cr, Mo, S ¡02, Si3N4, TiC, TiN.
Materiales comunes de recubrimiento. Ag, Au, Cr, Mo, S¡3N4, TiC, TiN._______ Recopilado de (1).
33.3.1
Evaporación al vacío Es posible depositar ciertos materiales (principalm ente metales puros) sobre un sustrato, trans formándolos prim ero de estado sólido a vapor en una cám ara de vacío y después perm itiendo que se condensen en la superficie del sustrato. L a disposición del proceso de evaporación al vacío se
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Soporte del sustrato
m ....... . . . y ?
Átomos en forma de vapor
Sustrato Fuente Envase de la fuente
Corriente eléctrica para calentamiento Sistema de bombeo de vacío
FIGURA 33.3 Instalación para la deposición física de vapor por evaporación al vacío.
m uestra en la figura 33.3. El m aterial que se va a depositar, llam ado la fuente, se calienta a una tem peratura suficientem ente alta para evaporarse (o sublimarse). D ado que el calentam iento se obtiene en un vacío, la tem peratura requerida para la evaporización es significativam ente m enor que la tem peratura correspondiente requerida a presión atm osférica norm al. Asim ism o, la ausencia de aire en la cám ara evita la oxidación del m aterial fuente a las tem peraturas de calentam iento. La velocidad de transferencia masa de evaporación se gobierna mediante relaciones term o dinámicas, las cuales se resum en en la ecuación:
< 3 3 '4 )
donde dm/dt = la velocidad de transferencia de masa del m aterial fuente evaporado, P v = presión de vapor del material fuente a la tem peratura T, A = área de la fuente sólida, M - su peso m olecular y K = constante de proporcionalidad. Se usan varios métodos para calentar y vaporizar el material. Debe incluirse un envase para contener el m aterial de recubrim iento (el material fuente) antes de la vaporización. Entre los m éto dos de vaporización más im portantes están el calentam iento por resistencia y el bom bardeo con haz de electrones. El calentam iento p o r resistencia es la tecnología más sencilla. Se form a un metal refractario (por ejem plo, W o Mo) en un envase adecuado para contener al m aterial fuente. Se apli ca una corriente para calentar el envase, éste transmite calor al m aterial en contacto. Un problem a con el método de calentam iento es la aleación posible entre el envase y su contenido, de m odo que la película depositada se contam ina con el metal del envase de calentam iento por resistencia. En el bombardeo con haz de electrones, se dirige una corriente de electrones a alta velocidad para bom bardear la superficie del material fuente a fin de provocar la vaporización. En contraste con el calen tam iento por resistencia, actúa m uy poca energía para calentar el envase, por lo que se m inim iza la contaminación del m aterial del envase con el recubrim iento. Cualquiera que sea la técnica de evaporación, los átom os evaporados dejan la fuente y siguen trayectorias en línea recta hasta que chocan con otras m oléculas de gas o con una superficie sólida. El vacío dentro de la cám ara prácticam ente elim ina otras m oléculas de gas, por lo que reduce la probabilidad de choques con átom os del vapor de la fuente. L a superficie del sustrato que se va cubrir generalmente se coloca en relación con la fuente, de m odo que se asegure la depositación de los átomos en form a de vapor sobre la superficie sólida. En ocasiones se usa un m anipulador mecánico para rotar el sustrato de tal m anera que se recubran todas las superficies. Tras el contac to con la superficie del sustrato relativam ente fría, el nivel de energía de los átom os que chocan se reduce repentinam ente, hasta un punto donde ya no pueden perm anecer en estado de vapor; entonces, se condensan y se pegan a la superficie sólida, donde forman una película delgada.
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Sección 33.4 / Deposición quím ica de vapor
Capítulo 33 / Procesos de recubrimiento y deposición
831
33.3.3 Recubrimiento iónico El recubrimiento iónico usa una combinación de bombardeo con partículas atómicas y evaporación al vacío para depositar una película delgada sobre un sustrato. El proceso funciona de la siguiente manera. Se prepara el sustrato para que funcione como cátodo en la parte superior de la cámara y el material fuente se coloca debajo. Después se establece un vacío en la cámara. Se inyecta gas argón y se aplica un campo eléctrico para ionizar el gas (A r+) y establecer un plasma. Esto produce un bombardeo ióni co (sputtering) del sustrato, por lo que su superficie se frota hasta una condición de limpieza atómica (esto se interpreta com o “muy limpia”). Enseguida, se calienta el material fuente lo suficiente para generar vapores de recubrimiento. Los métodos de calentamiento usados aquí son similares a los que se emplean en la evaporación al vacío: calentamiento por resistencia, bombardeo con haz de electrones, etc. Las moléculas de vapor pasan a través del plasma y recubren el sustrato. El bombardeo de partícu las atómicas continúa durante el proceso, por lo que el bombardeo con iones consiste no sólo en los iones de argón originales, sino también iones del material fuente que se han energizado mientras han estado sujetos al mismo campo de energía que el argón. Los efectos de estas condiciones de proce samiento producen películas de espesor uniforme y una excelente adherencia al sustrato. El recubrim iento con iones es aplicable a partes que tienen geom etrías irregulares debido a los efectos de dispersión que existen en el campo del plasm a. Un ejem plo interesante es el recubrim iento con TiN de herram ientas de acero para corte de alta velocidad (por ejem plo, brocas de taladro). A dem ás de la uniform idad en el recubrimiento y una buena adherencia, otras ventajas del proceso son altas velocidades de deposición, altas densidades de la película y la capacidad de recubrir las paredes internas de orificios y otras formas huecas.
Soporte del sustrato (ánodo) - Sustrato - Plasm a (Ar+)
A,,t
Material objetivo que se va a evaporar (cátodo)
Fuente de energía ~
Válvula Provisión de argón
Sistem a d e bombeo de vacío FIGURA 33.4 Una instalación posible para el bombardeo de partículas atómicas, una forma de deposición física de vapor.
33.3.2
Bombardeo con partículas atómicas (sputtering) Si la superficie de un sólido (o líquido) se bom bardea m ediante panículas atóm icas de energía suficientem ente alta, los átom os individuales de la superficie pueden adquirir suficiente e n e r gía debido al choque, de m odo que se proyecten de la superficie m ediante transferencia de momentum. Este es el proceso conocido com o sputtering. La form a más conveniente de em plear partículas de alta energía es con un gas ionizado, com o el argón energizado m ediante un cam po eléctrico para form ar un plasm a. C om o proceso de PVD, el sputtering involucra el bom bardeo de material de recubrim iento catódico con los iones de argón. (A r+), y provoca que los átom os de la superficie escapen y se depositen en un sustrato, form ando una película delgada sobre él. El sustrato debe colocarse cerca del cátodo y, por lo general, se calienta para m ejorar la unión de los átomos del recubrim iento. Un arreglo com ún se m uestra en la figura 33.4. M ientras que la ev ap o ració n al vacío gen eralm en te se lim ita a m etales, el b o m b ard eo con partículas atóm icas se ap lica casi a c u alq u ier m aterial, tanto m etálicos com o no m etálicos, aleaciones, cerám ica y polím eros. Las p elícu las de aleaciones y com puestos pueden p rocesarse mediante deposición electró n ica sin cam b iar sus com posiciones quím icas. Las p elícu las de com puestos quím icos tam bién se dep o sitan m ediante el em pleo de gases reactivos que form an óxidos, carburos o n itru ro s con el m etal ch isporroteante. La velocidad a la que se rem ueve el m aterial del cátodo para la deposición en el sustrato se describe mediante la siguiente relación: ^ = C IY S (33.5) dt donde dm /dt = velocidad de transferencia de m asa del material de cátodo rem ovido. C = constante que depende de la configuración del equipo, / = corriente del ion, y Ys = el sputtering, definido como la cantidad de átom os lanzados a la superficie por bom bardeo con partículas de iones. El sputtering es bajo, p o r lo general puede oscilar desde valores menores del 1% hasta el 4% , depen diendo del material de recubrim iento y del nivel de energía de iones. Las producciones de sput tering para el Ag y el Au están en el extrem o superior del rango, en tanto que las producciones para Mo, Ta, Ti y W son bajas. G ran parte de la energía de las partículas que inciden se aprovecha en el calentamiento de la superficie objetivo. D ebido a la baja producción de sputtering, las veloci dades de deposición lentas son características de este proceso. O tra desventaja es que, com o los iones que bombardea la superficie son en form a de gas, por lo general se encuentran restos del gas en las películas de recubrim iento; en ocasiones, los gases atrapados afectan adversam ente las propiedades m ecánicas.
33.4
DEPOSICIÓN Q UÍM ICA DE VAPOR
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La PV D es estrictam ente un proceso físico que im plica la deposición de un recubrim iento me diante condensación sobre un sustrato, desde la fase de vapor. En com paración, la deposición quím ica de vapor, D Q V (en inglés CV D ), im plica la interacción entre una m ezcla de gases y la superficie de un sustrato calentado, provocando la descom posición quím ica de algunas de las partes del gas y la form ación de una película sólida en el sustrato. Las reacciones ocurren en una cám ara de reacción sellada. El producto de la reacción (ya sea un m etal o un com puesto) form a un núcleo y crece en la superficie del sustrato para form ar el recubrim iento. Casi todas las reac ciones de C V D requieren calor. Sin em bargo, dependiendo de los productos quím icos im plica dos, las reacciones pueden ser provocadas por otras fuentes de energía, tales com o la luz ultravio leta o un plasm a. La CV D incluye un am plio rango de presiones y tem peraturas; y se aplica a una gran variedad de m ateriales de recubrim iento y de sustrato. Los procesos m etalúrgicos industriales basados en la deposición quím ica de vapor datan de principios del siglo XIX; por ejem plo, el proceso de M ond en la tabla 33.3. El interés m oderno en la CV D se concentra en sus aplicaciones para recubrimiento, tales com o las herram ientas recubier tas con carburo reforzado, las celdas solares, el depósito de m etales refractarios en las hojas de turbinas de m otores a chorro y otras aplicaciones en donde son im portantes la resistencia al des gaste, la corrosión, la erosión y el choque térmico. A dem ás de estas aplicaciones, la deposición quím ica de vapor tam bién es una tecnología importante en la fabricación de circuitos integrados. Las ventajas que se citan com únm ente para la deposición quím ica de vapor incluyen [6]: 1) es posible depositar materiales refractarios a temperaturas abajo de sus puntos de fusión o sinteri zado. 2) es posible controlar el tam año del grano, 3) el proceso se realiza a presión del ambiente norm al (no requiere equipo de vacío) y 4) hay una buena unión del recubrim iento a la superficie del sustrato. Las desventajas incluyen que: 1) la naturaleza corrosiva y tóxica de los productos quím i cos, por lo general, requiere una cám ara cerrada al igual que equipo de bom beo y disposición espe cial, 2) ciertos ingredientes para la reacción son relativam ente costosos y 3) la utilización del m ate rial es baja.
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Sección 33 .4 / Deposición química de vapor
Capítulo 33 / Procesos de recubrimientos y deposición
TABLA 33.3
Ejem plos d e re a c c io n e s e n la d e p o s ic ió n q u ím ic a d e vapor._______________________
1. El proceso de Mond incluye un proceso de CVD para descom poner níquel a partir de níquel carbonilo
T iN p o r deposición
física de vapor
[NKCO)*], el cual es un com puesto intermedio que se forma al reducir el mineral de níquel:
K C 792M
TiC N p o r deposición qu ím ic a de vapor y
400 °F (200 °C Ni(CO)4 -------------------------* Ni + 4CO
833
TiN por deposición q uím ica de v apor
m ~ (33 6)
2. El recubrimiento de carburo de titanio (TiC) sobre un sustrato de carburo de tungsteno reforzado (WC-Co) para producir una herramienta de corte con alto rendimiento. 1800 °F (1000 °C TiCL» + CK, ------------- ------------excedente de H2
TiC + 4HCI
m T. (33 J >
3. El recubrimiento de nitruro de titanio (TiN) sobre un sustrato de carburo de tungsteno reforzado (WC-Co) para producir una herramienta de corte con alto rendimiento: 1650 °F (200 °C TiCL, + 0 JN 2 + 2H2 -------------------------- - TÍN + 4HQ
<33-8>
4 . El recubrimiento de óxido de aluminio (Al20 3) sobre un sustrato de carburo de tungsteno reforzado (WC-
Co) para producir una herramienta de corte con alto rendimiento. 900 °F (200 °C 2A1C13 + 3CC>2 + 3H2 -------------------------
m
q\
A12Oj + 3CO + 6HC1
5. El recubrimiento de nitruro de silicio (Si3N4) sobre silicio (Si), un proceso en la manufactura d e semicon ductores: 1800 °F (200 °C 3SiF* + 4NH 3 ----------------------------* S13N4 + 12HF
(33 . 10)
6 . El recubrimiento de dióxido de silicio (Si02) sobre silicio (Si), un proceso en la manufactura de semicon
FIGURA 33.5 Fotomicrografía de la sección transversal de una herramienta de corte recubierta con carburo (Kennametal Grade KC792M); se usó deposición química de vapor para recubrir con TiN y TiCN un sustrato de WC-Co, seguida por un recubrimiento de TiN aplicado mediante deposición física de vapor (fotografía cortesía de Kennametal, Inc.)
ductores: 1600 °F (200 °C
(33 1n
2S 1CI3 + 3H20 + 0 .5 0 ^ ------------------------- * 2SÍQ 2 + 6HC1
7. El recubrimiento del metal refractario tungsteno (W) sobre un sustrato, tal como una hoja de turbina de motor a chorro: 1100 °F (200 °C WF 6 + 3H 2 --------------------------
(33.12) W + 6HF
Recopilado de [4], [11] y (121.
yx se usa para equilibrar las valencias en el compuesto. En algunas de las reacciones se usan otros gases, tales com o el hidrógeno (H2), el nitrógeno (N2), el m etano (CH4), el dióxido de carbono (C 0 2) y el amoniaco (N H 3). La tabla 33.3 presenta algunos ejemplos de reacciones de deposición química de vapor que producen la deposición de un metal o recubrimiento cerám ico sobre un sustrato conve niente, también proporciona las tem peraturas comunes a las que se realizan estas reacciones. Equipo de procesamiento Los procesos de deposición quím ica de vapor se realizan en un reactor, que consiste en [4]: 1) sistem a de provisión de reactivos, 2) cám ara de deposición y 3) sis tema de reciclado/evacuación. A unque las configuraciones de reactores difieren dependiendo de la aplicación, en la figura 33.6 se presenta un diseño posible de reactor para CVD. El sistem a de pro visión de reactivos incorpora reactivos para la cám ara de deposición en las proporciones adecuadas. Se requieren distintos tipos de sistem as de provisión, dependiendo de si los reactivos se incorporan com o gas, líquido o sólido (por ejem plo, perdigones o polvos).
Materiales y reacciones en la CVD En general, los m etales que se electrodepositan con facilidad no son buenos candidatos para la CV D, debido a los productos quím icos peligrosos que deben usarse y a los costos de m edidas de seguridad para contrarrestar sus riesgos. Los m eta les convenientes para recubrim iento m ediante CV D incluyen el tungsteno, el m olibdeno, el titanio, el vanadio y el tantalio. La deposición quím ica de vapor es especialm ente adecuada para la deposición de com puestos, tales com o el óxido de alum inio ( A I 2 O 3 ) , el dióxido de silicio (S i0 2), el nitruro de silicio ( S Í 3 N 4 ) , el carburo de titanio (TiC), y el nitruro de titanio (TiN ). La figura 33.5 ilustra la ap licación tanto de la CV D com o de la PV D para proporcionar m últiples recubrim ientos resistentes al desgaste sobre una herram ienta de corte de carburo reforzado.
La cám ara de deposición contiene los sustratos y las reacciones quím icas que conducen a la deposición de los productos de reacción sobre las superficies del sustrato. La deposición ocurre a elevadas tem peraturas y el sustrato debe calentarse por inducción, por calor radiante u otros medios. Las tem peraturas de deposición para diferentes reacciones de CV D oscilan entre 500 y 3500 °F (250 y 1950 °C), por esta causa la cám ara debe diseñarse para cum plir con estas dem andas de tem peratura.
Véase tam bién la lám ina. 7, capítulo 1. Los gases o vapores reactivos que se utilizan normalmente son hidruros metálicos (M H J, cloruros (MCI*), fluoruros (M F J y carbonilos [M (C O )J, en donde Aí = el metal que se va a depositar
El tercer com ponente del reactor es el sistem a de reciclado/evacuación, cuya función es volver inofensivos los subproductos de la reacción de C V D . Esto incluye la recolección de m ate riales tóxicos, corrosivos y flam ables, seguida por una disposición y procesam iento adecuados.
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Sección 33.5 / Recubrimientos orgánicos
Capítulo 33 / Procesos de recubrimiento y deposición
FIGURA 33.6
33.5
Las form ulaciones de los recubrim ientos orgánicos contienen lo siguiente: 1) aglutinantes, los cuales le dan al recubrim iento sus propiedades; 2) tintes o pigm entos, que prestan color al recubri miento; 3) solventes para disolver los polím eros y resinas y agregar una fluidez conveniente al líquido y 4) aditivos. Los aglutinantes en los recubrim ientos orgánicos son polím eros y resinas que determ inan las propiedades del estado sólido del recubrim iento, tales como la resistencia, propiedades físicas y la adhesión a la superficie del substrato. El aglutinante contiene los pigmentos y otros ingredientes en el recubrim iento, durante y después de la aplicación a la superficie. Los aglutinantes más com unes en los recubrim ientos orgánicos son aceites naturales (usados para producir pinturas basadas en aceite), resinas de poliésteres, poliuretanos, epóxicos, acrílicos y celulósicos. Los tintes y pigm entos proporcionan color al recubrim iento. Los tintes son productos quím i cos solubles que dan color al recubrim iento líquido, pero no ocultan la superficie cuando se apli can. Por tanto, los recubrim ientos con color de tinte son generalmente transparentes o translúcidos. Los pigm entos son partículas sólidas de tam año uniforme y microscópico que se dispersan en el líquido de recubrim iento, pero no se disuelven en él. No sólo dan color al recubrim iento, sino tam bién ocultan la superficie que está debajo. D ebido a que los pigm entos son m ateria en panículas, también tienden a fortalecer el recubrim iento. Los solventes se usan para d isolver el aglutinante y otros ingredientes que constituyen el recubrim iento líquido. Los solventes com unes usados en recubrim ientos orgánicos son hidrocar buros alifáticos y arom áticos, alcoholes, ésteres, acetonas y solventes clorinados. Para cada aglu tinante existe un solvente específico. Los aditivos en los recubrim ientos orgánicos incluyen a los dispersantes (para facilitar la dispersión sobre la superficie), insecticidas y fungicidas, espe santes, estabilizadores de congelación/deshielo, estabilizadores para calor y luz, agentes coalescentes, plastificantes, desespum antes y catalizadores para prom over las cadenas transversales. Estos ingredientes se form ulan para ob ten er una am plia variedad de recubrim ientos, tales com o pinturas, lacas y barnices.
Un reactor común usado en la deposición química de vapor.
F orm as a lte rn a tiv a s d e la CVD Lo que hemos descrito en la sección anterior es la deposi ción quím ica de vapor a presión atm osférica, DQVPA (en inglés APC VD), en la cual las reacciones se realizan a una presión atmosférica normal o casi norma]. Para muchas reacciones, hay ventajas al realizar el proceso a presiones inferiores a la atm osférica. Esto se denom ina deposición química de vapor a baja presión, D QVBP (en inglés LPCV D ), en donde las reacciones ocurren en un vacío parcial. Las ventajas citadas para este últim o proceso incluyen [11]: 1) grosor uniforme, (2) buen control sobre la composición y la estructura, 3) baja tem peratura de procesam iento, 4) altas veloci dades de deposición, 5) rendim ientos altos y 6) bajos costos de procesam iento. El problem a técni co en la LPCVD es diseñar bombas de vacío para crear el vacío parcial cuando los productos de la reacción no sólo estén calientes sino tam bién sean corrosivos. Con frecuencia estas bombas deben incluir sistem as para enfriar y atrapar los gases corrosivos antes de que lleguen a la unidad de bombeo real. O tra variable en la CV D es la d eposición quím ica de vapor asistida con plasm a. DQVAP (en inglés PACVD), en la cual la deposición sobre un sustrato se consigue m ediante la reacción de los ingredientes en un gas que se ha ionizado m ediante una descarga eléctrica (esto es, un plas ma). En efecto, se usa la energía que contiene el plasm a, en lugar de energía térm ica para activar las reacciones quím icas. Las ventajas de la PACVD incluyen [4]: 1) m enores tem peraturas del sustrato, 2) m ejor energía de cobertura, 3) m ejor adhesión y 4) velocidades de deposición más altas. Entre sus aplicaciones se encuentran la deposición de nitruro de silicio (Si3N4) en el proce sam iento de sem iconductores, recubrim ientos de TiN y TiC para herram ientas y recubrim ientos de polím eros. El proceso tam bién se conoce com o deposición quím ica de vapor m ejorada con plasm a (en inglés PECV D ), deposición quím ica de vapor con plasm a (en inglés PC V D ) o sim plem ente deposición con plasm a.
33.5.1
Métodos de aplicación
RECUBRIMIENTOS ORGANICOS Los recubrim ientos orgánicos son polím eros y resinas producidos en form a natural o sintética, c g eneralm ente form ulados para aplicarse com o líquidos que se secan o endurecen com o pelícu las de superficie delgadas en m ateriales del sustrato. Estos recubrim ientos se aprecian por la va riedad de colores y texturas posibles, su capacidad de proteger la superficie del sustrato, su bajo | costo y la facilidad con que se aplican. En esta sección consideram os las com posiciones de los *'.•? recubrim ientos orgánicos y los m étodos para aplicarlos. A unque casi todos los recubrim ientos orgánicos se aplican en form a líquida, algunos se aplican com o polvos; consideram os esta alter- j nativa en la sección 33.5.2. '
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El método para aplicar un recubrim iento orgánico a una superficie depende de varios factores como la composición del líquido de recubrim iento, el espesor requerido, la velocidad de producción y consideraciones de costo, tam año de partes y requerim ientos ambientales. Para cualquiera de los métodos de aplicación, es de vital im portancia que la superficie se prepare en form a conveniente. Esto incluye la lim pieza y el posible tratam iento de la superficie, tal como un recubrim iento con fosfato. En algunos casos las superficies m etálicas se chapean antes de un recubrim iento orgánico para una m áxim a protección contra la corrosión. Con cualquier método de recubrim iento, la eficiencia de transferencia es una m edida de suma importancia. La eficiencia de transferencia es la proporción de pintura que se sum inistra para el pro ceso y se deposita sobre la superficie de trabajo. Algunos métodos producen una eficiencia de trans ferencia de sólo el 30 % (lo que significa que el 70% de la pintura se desperdicia y no se recupera). Los métodos disponibles para aplicar recubrim ientos orgánicos líquidos incluyen el uso de brochas y rodillos, la aspersión, la inm ersión y el recubrim iento con flujo. En algunos casos, se apli can varios recubrim ientos sucesivos a la superficie del sustrato para obtener el resultado deseado. U na carrocería de autom óvil es un ejem plo importante; la siguiente es una secuencia típica que se aplica a una carrocería de chapas m etálicas de un autom óvil en la producción m asiva: 1) se aplica un recubrimiento de fosfato por inm ersión, 2) se aplica un recubrimiento de sellador por inmersión, 3) se aplica un recubrim iento de pintura de color por aspersión y 4) se aplica un recubrim iento transparente (para alto brillo y m ejor protección) mediante aspersión. U so de b ro c h a s y rod illo s Éstos son los dos m étodos de aplicación más conocidos y tienen una alta eficiencia de transferencia, que se acerca al 100%. Los m étodos de brochas y rodi llos m anuales son convenientes para bajos volúm enes de producción, pero no para producción ma-
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Sección 33 .7 / Procesos de recubrimientos térmicos y mecánicos
Capítulo 33 / Procesos de recubrimientos y deposición
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Además de la porcelana, se usan otras cerám icas como recubrim iento para propósitos espe ciales. En general, estos recubrim ientos tienen un alto contenido de alúmina, que los hace más con venientes para aplicaciones refractarias. Las técnicas para aplicar los recubrim ientos son similares a las anteriores, excepto que las tem peraturas de quemado son más altas. Tanque contenedor
33.7
PROCESOS DE RECUBRIMIENTO TÉRMICOS Y MECÁNICOS
FIGURA 33.8 Lecho fluidizado para la aplicación de recubrimientos pulverizados.
Los procesos térm icos y mecánicos aplican recubrim ientos separados que, generalm ente, son más gruesos que los recubrim ientos depositados mediante los otros procesos considerados en este capí tulo. Se basan en energía térmica o m ecánica.
que se va a recubrir y se pasa por un lecho fluidizado que contiene polvos suspendidos (fluidizados) mediante una corriente de aire. Estos polvos se adhieren a la superficie de la parte para formar el recubrimiento. En algunas im plantaciones de este método, los polvos se cargan electrostática mente para aum entar la atracción hacia la superficie de la parte conectada a tierra.
33.7.1
Procesos de recubrimiento térmico
33.6 ESMALTADO EN PORCELANA Y OTROS RECUBRIMIENTOS CERÁMICOS La porcelana es una cerám ica hecha de caolín, feldespato y cuarzo (capítulo 9). Se aplica a metales de sustrato tales com o acero, hierro fundido y aluminio com o un esmalte vitreo. Los recubrim ien tos porcelanizados son valiosos por su belleza, color, tersura, facilidad de limpieza, inercia quím i ca y durabilidad general. El nombre que recibe esta tecnología de materiales de recubrim iento cerám ico es esmalte porcelanizado, así com o los procesos m ediante los cuales se aplica. El esmalte porcelanizado se usa en una amplia variedad de productos, incluyendo accesorios para baños (lavabos, tinas, retretes), artículos eléctricos para el hogar (cocinas, calentadores de agua, lavadoras, lavadoras de platos), artículos para cocinas, utensilios para hospitales, com po nentes de motores a chorro, silenciadores de automóviles y tableros de circuitos electrónicos. La composición de las porcelanas varía, dependiendo de los requisitos del producto. A lgunos esm altes se formulan por color y belleza, en tanto que otros se diseñan por funcionalidad. Entre las pro piedades funcionales, sobresalen la resistencia a los productos químicos y el clima, la capacidad de re sistir altas temperaturas de servicio, la dureza, la resistencia a la abrasión y la resistencia eléctrica. C om o proceso, el esm alte porcelanizado consiste en: 1) preparación del m aterial de recu brim iento, 2) ap licación sobre la superficie, 3) secado, si es necesario y 4) quem ado {/¡ring). La preparación im plica co n v ertir el esm alte vitreo en partículas finas, llam adas fr ita (en inglés frit), que se trituran a un tam año conveniente y consistente. Los m étodos para aplicar la frita son muy similares a los que se utilizan para recubrim ientos orgánicos, aunque el material inicial es m uy dis tinto. A lgunos m étodos de ap licación im plican m ezclar la frita con agua com o transporte (la m ezcla se denom ina la colada), en tanto que otros m étodos aplican el esm alte com o un polvo seco. Entre las técnicas están la aspersión, la aspersión electrostática, el recubrim iento por flujo, 13 inmersión y la electrodeposición. En el caso de los métodos de aplicación “a la colada , se requie re secar el recubrim iento para rem over la humedad antes del quem ado. Los secadores usan calen tamiento radiante o por convección. El quemado se realiza a tem peraturas de 1500 °F (800 °C). El nivel exacto depende de la com posición, las propiedades y los requerim ientos de producción. El quem ado es un proceso de sinterizado (sección 19.1.4), en el cual la frita se transform a en es malte vitreo no poroso. Los grosores de recubrim iento varían desde 0.003 pulg (0.075 m m ) hasta cerca de 0.075 pulg (2 m m ). La secuencia de procesam iento se repite varias veces para obtener el espesor deseado.
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Los métodos de recubrim iento térm ico usan energía térmica en diversas form as para aplicar un recubrim iento cuya función es proporcionar resistencia contra la corrosión, la erosión, el desgaste y la oxidación a altas temperaturas. A spersión té rm ic a En la aspersión térmica se aplican materiales de recubrim iento fundi dos y sem ifundidos sobre un sustrato, donde se solidifican y adhieren a la superficie. Se aplican una am plia variedad de materiales de recubrim iento; las categorías son metales puros y aleaciones metálicas; cerám ica (óxidos, carburos y ciertos vidrios); otros com puestos m etálicos (sulfuros. cilícicos); com puestos de cermet y ciertos plásticos (epóxicos, nylon, teflón y otros). Los sustratos incluyen m etales, cerám ica, vidrio, algunos plásticos, m adera y papel. No todos los recubrim ien tos pueden aplicarse a todos los sustratos. C uando el proceso se usa para aplicar un recubrim iento m etálico, se denom ina m etalización o aspersión metálica. Las tecnologías usadas para calentar el material de recubrimiento son la flama de oxígeno y gas combustible, el arco eléctrico y el arco de plasma. El material para recubrimiento inicial se encuentra en forma de alambre (o varilla) o polvos. Cuando se usa alambre (o varilla), la fuente de calentamien to funde el extremo conductor del alambre y lo separa de la materia prima sólida. Posteriormente, el material fundido se atomiza mediante una corriente de gas a alta velocidad (aire comprimido u otra fuente), y las gotas chocan contra la superficie de trabajo. Las velocidades de impacto varían entre 800 pies/seg (250 m/seg) para la combustión con oxígeno y gas combustible, y 1750 pies/seg (500 m/seg) para el arco de plasma a alta velocidad. C uando se usa materia prim a en polvo, un alim entador de polvos coloca las partículas finas dentro de una corriente de gas, la cual las transporta dentro de la flam a donde se funden, los gases que se expanden en la flama impulsan los polvos fundidos (o sem ifundidos) contra la pieza de tra bajo a velocidades aproximadas a 300 pies/seg (100 m/seg). La unión de los recubrim ientos aplicados con aspersión térm ica se hacen principalm en te m ediante el entrelazado m ecánico de las partículas atom izadas y la superficie del sustrato. Por tanto, para una m ejor adhesión, la superficie debe hacerse áspera com o uno de los pasos de preparación. U na vez que el recubrim iento tapa por com pleto la superficie del sustrato, el material del recubrim iento se adhiere a sí m ism o. Ciertos metales aplicados por aspersión forman uniones metalúrgicas con ciertos sustratos m etálicos. El grosor del recubrim iento en la aspersión térmica generalm ente es m ás grande que en otros procesos de deposición; el rango com ún va desde un m í nim o aproxim ado de 0.002 pulg (0.05 m m ) hasta 0.100 pulg (2.5 mm). Las prim eras aplicaciones del recubrim iento por aspersión térm ica fueron, para reconstruir áreas gastadas en componentes de m aquinaria usada y salvar partes de trabajo m aquinadas a un tam año m enor al necesario. El éxito de esta técnica ha conducido a su aplicación en la m anufactura com o un proceso de recubrim iento para diversas funciones: resistencia contra la corrosión, protec ción contra las altas temperaturas, resistencia al desgaste, conductividad eléctrica, resistencia eléc trica, recubrim iento ante la interferencia electrom agnética y otros.
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Sección 33.5 / Recubrimientos orgánicos
Capítulo 33 / Procesos de recubrimiento y deposición
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película duradera en la superficie del sustrato, es necesaria una conversión adicional, llam ada cura do. El curado im plica un cam bio quím ico en la resina orgánica en la cual ocurre una polim erización o formación de cadenas transversales para endurecer el recubrim iento. El tipo de resina determ ina la clase de reacción quím ica que ocurre en la vulcanización. Los m étodos principales de vulcanización en los recubrimientos orgánicos son los siguientes [12]: >- C urado a tem peratura am biente. Por lo general este m étodo im plica la evaporación del sol vente y la oxidación de la resina. Casi todas las lacas se vulcanizan con facilidad mediante este método. »- Curado a tem peratura elevada. Este tipo de vulcanización se denom ina en ocasiones coci do. Las tem peraturas elevadas aceleran la evaporación del solvente, así com o la polim eri zación y la form ación de cadenas transversales de la resina. » C urado p o r catalización. Los recubrim ientos del curado por este m étodo requieren agentes reactivos m ezclados con las resinas de arranque, originando la polim erización y la formación de cadenas transversales. A lgunos ejem plos son las pinturas epóxicas y de poliuretano. Frecuentem ente son sistem as de dos componentes que deben m ezclarse inm ediatam ente antes de la aplicación.
FIGURA 33.7 Método de recubrimiento con rodillo para aplicar recubrimientos orgánicos a tramos continuos de metal u otros materiales.
siva. Mientras el uso de brocha es versátil, el em pleo de rodillos se limita a superficies planas. Los rodillos se adaptan a la producción continua de superficies planas. El proceso, denom inado recubrimiento con rodillo, se ilustra en la figura 33.7 y es adecuado para recubrim ientos orgánicos de paneles y rollos de metal continuos, al igual que en tramos similares de plástico, papel o tela. Aplicación por aspersión (s p ra y in g ) El recubrim iento por aspersión es un m étodo de producción muy u tilizad o para ap licar recubrim ientos orgánicos. El proceso o b lig a al líquido de recubrim iento a atom izarse den tro de un vap o r fino inm ediatam ente antes de la deposición sobre la superficie de la parte. C uando las gotas chocan contra la superficie se e xtienden y flu yen ju n tas para fo rm ar un recu b rim ien to uniform e dentro de la región localizada de la asp er sión. Si se hace co rrectam en te, el recu b rim ien to de aspersión proporciona un recubrim iento uniform e sobre toda la su p erficie de trabajo. El recubrimiento por aspersión se realiza manualmente en cabinas para pintura por aspersión o también puede establecerse com o un proceso automatizado. La eficiencia de transferencia es re lativamente baja (de sólo un 30 % ), por estos métodos. La eficiencia m ejora m ediante la aspersión electrostática, en la cual la parte de trabajo se carga eléctricamente y las gotas atom izadas se car gan en forma electrostática. Esto hace que las superficies de la parte atraigan las gotas y aumenten las eficiencias de transferencia a valores que alcanzan hasta el 90% [12]. La aspersión se usa am pliamente en la industria autom otriz para aplicar recubrimientos de pintura extem a a las carrocerías. También se usa para recubrir aparatos eléctricos y otros productos de consumo.
>- C urado p o r radiación. C iertas resinas se vulcanizan m ediante diversas form as de radiación, com o m icroondas, luz ultravioleta y haz de electrones.
33.5.2
Recubrimiento pulverizado
Recubrimiento por inmersión y por flujo Estos métodos aplican grandes cantidades de recubrimiento líquido a la parte de trabajo y permiten drenar el exceso para reciclarlo. El método más simple es el recubrim iento p o r inm ersión, en el cual se sumerge la parte en un tanque abierto con material de recubrim iento líquido; cuando se retira la parte, el exceso de líquido se drena de vuelta al tanque. U na variante del recubrim iento por inmersión es el electrorrecubrim iento, en el cual la parte se carga en form a eléctrica y después se sumerge en un baño de pintura que ha recibido una carga opuesta. Esto m ejora la adhesión y permite el uso de pinturas en donde el solvente es agua (lo cual reduce los riesgos de incendio y contaminación). En el recubrimiento p o r flu jo , las partes de trabajo se mueven a través de una cabina cerrada para pintura en donde una serie de boquillas bañan las superficies de la parte con el líquido para re cubrimiento. El exceso de líquido se drena de regreso a un vertedero, lo cual permite que se reutilice. Secado y curado U na vez aplicado, el recubrimiento orgánico debe convertirse de líquido a sólido. Se usa el térm ino secado para describir este proceso de conversión. M uchos recubrim ien tos orgánicos se secan m ediante la evaporación de sus solventes. Sin em bargo, para form ar una
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Los recubrim ientos orgánicos analizados hasta aquí son sistem as líquidos que consisten en resinas solubles (o al m enos m ezclables) en un solvente conveniente. Los recubrim ientos pulverizados son diferentes. Se aplican com o partículas sólidas y secas y finam ente pulverizadas que se funden en la superficie para form ar una película líquida uniforme. D espués de la cual se resolidifican en un recubrim iento seco. Los sistem as de recubrimiento pulverizado han aum entado su im portancia com ercial entre los recubrim ientos orgánicos desde mediados de los años setenta. Los sistem as de recubrim ientos pulverizados incluyen varias resinas que no se usan en recubrim ientos orgánico líquidos. La razón de esta diferencia es que el material para recubrim ien to pulverizado es sólido a tem peratura ambiente. Los recubrim ientos pulverizados se clasifican com o term oplásticos o term ofijos. Los polvos term oplásticos com unes incluyen el cloruro de polivinilo, el nylon, el poliéster, el polietileno y el polipropileno. Por lo general se aplican como recubrim ientos relativam ente gruesos, en el rango de 0.003 a 0.012 pulg (0.08 a 0.30 mm). Los polvos para recubrim iento term ofijo com unes son epóxicos, poliésteres y acrílicos. Se aplican como resinas no curadas que se polim erizan y forman cadenas transversales cuando se calientan o reac cionan con otros ingredientes. Los grosores de recubrim iento están generalm ente en el rango de 0.001 a 0.003 pulg (0.025 a 0.075 mm). Éstos son los dos métodos de aplicación principales para los recubrim ientos pulverizados: 1) aspersión y 2) lecho fluidizado. En el m étodo por aspersión, se aplica una carga electrostática a cada partícula para atraerla a una superficie de la parte que form a una tierra eléctrica. Existen diver sos diseños de pistola para aspersión a fin de im partir la carga a los polvos. Las pistolas para as persión se operan en form a m anual o m ediante robots industriales. Se usa aire com prim ido para im pulsar los polvos a la boquilla. Los polvos están secos cuando se dispersan y es posible reciclar cualquier exceso de partículas que no se pega a la superficie (a m enos que se m ezclen m últiples co lores de pintura en la m ism a cabina para aspersión). Los polvos se aplican a tem peratura ambiente sobre la pieza, después ésta se calienta para fundir los polvos; tam bién pueden aplicarse sobre una parte que se ha calentado arriba del punto de fusión del polvo, con lo cual se obtiene un recubri m iento más grueso. El lecho fluid iza d o es una alternativa de uso menos frecuente que la aspersión electrostática. En este m étodo, que se muestra en la figura 33.8, se calienta con anticipación la parte de trabajo
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Sección 33 .7 / Procesos de recubrimientos térmicos y mecánicos
Capitulo 33 / Procesos de recubrimientos y deposición
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Adem ás de la porcelana, se usan otras cerám icas com o recubrim iento para propósitos espe ciales. En general, estos recubrim ientos tienen un alto contenido de alúmina, que los hace más con venientes para aplicaciones refractarias. Las técnicas para aplicar los recubrim ientos son similares a las anteriores, excepto que las tem peraturas de quemado son más altas.
33.7
PROCESOS DE RECUBRIMIENTO TÉRMICOS Y MECÁNICOS
FIGURA 33.8 Lecho fluidizado para la aplicación de recubrimientos pulverizados.
Los procesos térm icos y mecánicos aplican recubrim ientos separados que, generalm ente, son más gruesos que los recubrim ientos depositados mediante los otros procesos considerados en este capí tulo. Se basan en energía térmica o m ecánica.
que se va a recubrir y se pasa por un lecho fluidizado que contiene polvos suspendidos (fluidizados) mediante una corriente de aire. Estos polvos se adhieren a la superficie de la parte para formar el recubrimiento. En algunas im plantaciones de este método, los polvos se cargan electrostática mente para aumentar la atracción hacia la superficie de la pane conectada a tierra.
33.7.1
Procesos de recubrimiento térmico
33.6 ESMALTADO EN PORCELANA Y OTROS RECUBRIMIENTOS CERÁMICOS La porcelana es una cerám ica hecha de caolín, feldespato y cuarzo (capítulo 9). Se aplica a metales de sustrato tales com o acero, h ie n o fundido y aluminio com o un esm alte vitreo. Los recubrim ien tos porcelanizados son valiosos por su belleza, color, tersura, facilidad de limpieza, inercia quím i ca y durabilidad general. El nombre que recibe esta tecnología de materiales de recubrim iento cerámico es esmalte porcelanizado, así como los procesos m ediante los cuales se aplica. El esmalte porcelanizado se usa en una amplia variedad de productos, incluyendo accesorios para baños (lavabos, tinas, retretes), artículos eléctricos para el hogar (cocinas, calentadores de agua, lavadoras, lavadoras de platos), artículos para cocinas, utensilios para hospitales, com po nentes de motores a chorro, silenciadores de automóviles y tableros de circuitos electrónicos. La composición de las porcelanas varía, dependiendo de los requisitos del producto. A lgunos esm altes se formulan por color y belleza, en tanto que otros se diseñan por funcionalidad. Entre las pro piedades funcionales, sobresalen la resistencia a los productos químicos y el clima, la capacidad de re sistir altas temperaturas de servicio, la dureza, la resistencia a la abrasión y la resistencia eléctrica. Com o proceso, el esm alte porcelanizado consiste en: 1) preparación del m aterial de recu brim iento, 2) aplicación sobre la superficie, 3) secado, si es necesario y 4) quem ado (firing). La preparación im plica co n v ertir el esm alte vitreo en partículas finas, llam adas fr ita (en in g lé s /n i), que se trituran a un tam año conveniente y consistente. Los m étodos para aplicar la frita son muy similares a los que se utilizan para recubrim ientos orgánicos, aunque el material inicial es muy dis tinto. A lgunos m étodos de ap licación im plican m ezclar la frita con agua com o transporte (la mezcla se denom ina la colada), en tanto que otros m étodos aplican el esm alte com o un polvo seco. Entre las técnicas están la aspersión, la aspersión electrostática, el recubrim iento por flujo, la inmersión y la electrodeposición. En el caso de los métodos de aplicación "a la colada , se requie re secar el recubrim iento para rem over la humedad antes del quem ado. Los secadores usan calen tamiento radiante o por convección. El quemado se realiza a tem peraturas de 1500 °F (800 °C). El nivel exacto depende de la com posición, las propiedades y los requerim ientos de producción. El quem ado es un proceso de sinterizado (sección 19.1.4), en el cual la frita se transform a en es malte vitreo no poroso. Los grosores de recubrim iento varían desde 0.003 pulg (0.075 m m ) hasta cerca de 0.075 pulg (2 m m ). La secuencia de procesam iento se repite varias veces para obtener el espesor deseado.
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Los m étodos de recubrim iento térm ico usan energía térm ica en diversas form as para aplicar un recubrim iento cuya función es proporcionar resistencia contra la corrosión, la erosión, el desgaste y la oxidación a altas temperaturas. A sp ersió n té rm ic a En la aspersión térm ica se aplican materiales de recubrim iento fundi dos y sem ifundidos sobre un sustrato, donde se solidifican y adhieren a la superficie. Se aplican una am plia variedad de materiales de recubrim iento; las categorías son metales puros y aleaciones metálicas; cerám ica (óxidos, carburos y ciertos vidrios); otros com puestos m etálicos (sulfuras, cilícicos); com puestos de cermet y ciertos plásticos (epóxicos, nylon, teflón y otros). Los sustratos incluyen m etales, cerám ica, vidrio, algunos plásticos, m adera y papel. No todos los recubrim ien tos pueden aplicarse a todos los sustratos. Cuando el proceso se usa para aplicar un recubrim iento metálico, se denom ina metalización o aspersión metálica. Las tecnologías usadas para calentar el material de recubrimiento son la flama de oxígeno y gas combustible, el arco eléctrico y el arco de plasma. El material para recubrimiento inicial se encuentra en forma de alambre (o varilla) o polvos. Cuando se usa alambre (o varilla), la fuente de calentamien to funde el extremo conductor del alambre y lo separa de la materia prima sólida. Posteriormente, el material fundido se atomiza mediante una corriente de gas a alta velocidad (aire comprimido u otra fuente), y las gotas chocan contra la superficie de trabajo. Las velocidades de impacto varían entre 800 pies/seg (250 m/seg) para la combustión con oxígeno y gas combustible, y 1750 pies/seg (500 m/seg) para el arco de plasm a a alta velocidad. Cuando se usa materia prim a en polvo, un alim entador de polvos coloca las partículas finas dentro de una corriente de gas, la cual las transporta dentro de la flama donde se funden, los gases que se expanden en la flama impulsan los polvos fundidos (o sem ifundidos) contra la pieza de tra bajo a velocidades aproximadas a 300 pies/seg (100 m/seg). La unión de los recubrim ientos aplicados con aspersión térmica se hacen principalm en te mediante el entrelazado m ecánico de las partículas atom izadas y la superficie del sustrato. Por tanto, para una m ejor adhesión, la superficie debe hacerse áspera com o uno de los pasos de preparación. U na vez que el recubrim iento tapa por com pleto la superficie del sustrato, el material del recubrim iento se adhiere a sí m ism o. Ciertos metales aplicados por aspersión form an uniones metalúrgicas con ciertos sustratos m etálicos. El grosor del recubrim iento en la aspersión térmica generalm ente es m ás grande que en otros procesos de deposición; el rango com ún va desde un mí nim o aproxim ado de 0.002 pulg (0.05 m m ) hasta 0.100 pulg (2.5 mm). Las prim eras aplicaciones del recubrim iento por aspersión térm ica fueron, para reconstruir áreas gastadas en componentes de m aquinaria usada y salvar partes de trabajo m aquinadas a un tam año m enor al necesario. El éxito de esta técnica ha conducido a su aplicación en la m anufactura com o un proceso de recubrim iento para diversas funciones: resistencia contra la corrosión, protec ción contra las altas temperaturas, resistencia al desgaste, conductividad eléctrica, resistencia eléc trica, recubrim iento ante la interferencia electrom agnética y otros.
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Capítulo 33 / Procesos de recubrimiento y deposición
Tela de soldadura blanda Tela con polvo duro
Preguntas de repaso
Soldadura blanda -4— infiltrando tela de
1
I -
(2)
del tam bor rotatorio se trasm ite a través de las perlas de vidrio para golpear los polvos m etálicos contra la superficie de la parte, provocando una unión mecánica o metalúrgica. Los m etales deposi tados deben ser m aleables para obtener una unión satisfactoria con el sustrato. Entre los metales para chapeado están el zinc, el cadm io, el estaño y el plomo. El término galvanizado m ecánico se usa para las partes recubiertas con zinc. Se recubren con m ayor frecuencia los m etales ferrosos; otros metales a los que se aplica el proceso son el latón y el bronce. Las aplicaciones com unes incluyen sujetadores tales com o tom illos, pernos, tuercas y clavos. N orm alm ente, el grosor en el chapeado m ecánico varía de 0.0002 a 0.001 pulg (de 0.005 a 0.025 mm). El zinc se chapea en form a mecánica a un grosor aproxim ado a 0.003 pulg (0.075 mm).
Sustrato
Sustrato (1)
Recubrimiento de polvo duro de soldadura blanda
(3)
FIGURA 33.9 Proceso de revestimiento flexible: (1) aplicación de tela que contiene polvos duros y tela que contiene aleación de soldadura blanda, (2) soldadura blanda y (3) recubrimiento terminado.
R evestim iento d u ro El revestimiento duro es un técnica de recubrim iento en la cual se aplican aleaciones a los metales del sustrato, com o depósitos soldados. Lo que distingue al reves timiento duro es que ocurre una fusión entre el revestim iento y el sustrato, mientras que en la asper sión térmica sucede un entrelazado m ecánico, el cual no es resistente al desgaste abrasivo. Por tanto, el revestimiento duro es muy conveniente para aplicaciones que requieren buena resistencia contra el desgaste. Las aplicaciones incluyen el recubrim iento de partes nuevas y la reparación de superficies de partes usadas muy desgastadas, erosionadas o corroídas. Una ventaja del reves timiento duro que debe mencionarse es que se realiza con facilidad fuera del ambiente de fábrica, relativamente controlado mediante m uchos de los procesos de soldadura comunes. Como técnica para soldadura, el revestim iento duro usa cualquiera de los procesos siguientes (capítulo 29); soldadura con oxiacetileno, soldadura metálica con arco protegido, soldadura con arco sumergido, soldadura de tungsteno con arco eléctrico y gas, soldadura con plasm a de arco y soldadura con rayo láser. La selección del proceso depende del tamaño de la parte del trabajo, el metal del sustrato, el metal de recubrim iento, el grosor y el costo. Algunos m ateriales para recubrimiento comunes son el acero y las aleaciones de hierro, las aleaciones basadas en cobalto y las aleaciones basadas en níquel. En general, el grosor del recubrim iento está en el rango de 0.030 a 0.125 pulg (0.75 a 2.5 mm), aunque son posibles grosores tan grandes com o 3/8 de pulg (9 mm). Procesos d e re v e stim ie n to flex ib le El proceso de revestim iento flexible es capaz de depositar un material de recubrim iento m uy duro, tal com o el carburo de tungsteno (W C), en una superficie del sustrato. Ésta es una ventaja im portante del proceso en com paración con otros m éto dos, lo que permite una dureza en el recubrim iento de hasta 70, en la escala de Rockwell C. El pro ceso también se usa para aplicar recubrim ientos a regiones específicas en una pane de trabajo. En el proceso de revestimiento flexib le, se coloca una tela impregnada con polvos cerám icos o m etáli cos duros y otra tela im pregnada con una aleación de soldadura blanda sobre un sustrato, am bas se calientan para fundir los polvos sobre la superficie, com o en la figura 33.9. El grosor del recubri miento para el revestim iento generalm ente está en el rango de 0.010 a 0.100 pulg (0.25 a 2.5 mm). Además de los recubrim ientos de W C y W C-Co, también se aplican aleaciones basadas en cobalto y aleaciones basadas en níquel. Las aplicaciones incluyen los dientes de sierras de cadena, brocas de taladro para concreto, collarines de taladro en aceite, dados de extrusión y partes sim ilares que requieren buena resistencia contra el desgaste.
33.7.2
8 41
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] Budinski, K. G., Surface Engineering fo r Wear Resistance, Prentice Hall, Englewood Cliffs, N.J., 1988. [2] Dumey, L. J. (editors), Electroplating Engineering Handbook, 4th ed.. Van Nostrand Reinhold Co., Inc., New York, 1984. [3] George, J.. Preparation ofThin Films, Marcel Dekker, Inc., New York, 1992. [4] Hocking, M. G.. Vasantasree, V., and Sidky. P. S., Metallic and Ceramic Coatings, Longman Scientific & Technical, Essex. England (co-published in the United States by John Wiley & Sons, Inc., New York). 1989. [5] Metal Finishing, Guidebook and Directory Issue. Metals and Plastics Publications. Inc., Hackensack, N. J„ 1991. [6] Metals Handbook, Vol. 5, Surface Cleaning. Finishing. and Coating, American Society for Metals. Metals
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PREGUNTAS DE REPASO
Chapeado mecánico El chapeado mecánico es un proceso de recubrim iento que no usa calor, reacción quím ica ni energía electroquímica para realizar la deposición. En lugar de eso, se usa energía mecánica para construir un recubrimiento m etálico sobre la superficie. En el chapeado mecánico, se frotan en un tam bor las partes que se van a recubrir, junto con polvos m etálicos para chapeado, gotas de vidrio y productos químicos especiales para prom over la acción del recubrimiento. Los polvos metálicos son de un tamaño microscópico. 0.002 pulg (5 /¿m) de diám etro, en tanto que las perlas de vidrio son m ucho más grandes, 0.100 pulg (2.5 mm) de diám etro. C onform e se frota la mezcla, la energía m ecánica
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33.1. 33.2. 33.3. 33.4. 33.5. 33.6. 33.7. 33.8. 33.9. 33.10. 33.11. 33.12. 33.13. 33.14. 33.15. 33.16. 33.17.
¿Por qué se recubren los metales? Identifique los tipos más comunes de procesos de recubrimiento. ¿Cuáles son las razones por las que se chapea una superficie metálica? ¿Qué quiere decir el término eficiencia del cátodo en la electrodeposición? ¿Cuáles son los dos mecanismos básicos de protección contra la corrosión? ¿Cuál es el metal de sustrato más común para recubrimiento? Uno de los tipos en el electroformado es el mandril sólido. ¿Cómo se remueve la parte de un mandril sólido? ¿En qué son diferentes la deposición sin electricidad y la deposición electroquímica? ¿Qué es un recubrimiento por conversión? ¿En qué es diferente el anodizado de otros procesos de conversión? ¿Qué es la deposición física de vapor? ¿Cuál es la diferencia entre deposición física de vapor y deposición química de vapor? ¿Cuáles son algunas de las propiedades de la deposición física de vapor? Nombre los tres tipos básicos de deposición física de vapor? ¿Cuál es el material para recubrimiento de uso común que se deposita mediante la deposición física de vapor en las herramientas de corte? Defina lo que es sputtering ¿Cuáles son algunas de las ventajas de la deposición química de vapor?
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Problemas
Capitulo 33 / Procesos de recubrimiento y deposición
33.18. ¿Cuáles son los dos compuestos de titanio más comunes con los que se recubren las herramientas de corte mediante deposición química de vapor? 33.19. Identifique los cuatro ingredientes principales en los recubrimientos orgánicos. 33.20. ¿Qué quiere decir el término eficiencia de transferencia en la tecnología de recubrimiento orgánico? 33.21. Describa los métodos principales mediante los cuales se aplican recubrimientos orgánicos a una super ficie. 33.22. ¿Cómo funciona un lecho fluidizado? 33.23. Los términos secado y curado tienen un significado distinto; indique la diferencia. 33.24. En el esmalte porcelanizado, ¿qué es la frita'! 33.25. Describa el proceso de recubrimiento flexible. 33.26. ¿A qué hace referencia el término galvanizado mecánico?
PROBLEMAS Electrodeposición
CUESTIONARIO DE OPCIÓN MÚLTIPLE Hay un total de 18 respuestas correctas en el siguiente cuestionario. La calificación porcentual de la prueba debe basarse en este total. 33.1. ¿Cuál de los siguientes metales para recubrimiento tiene una eficiencia de cátodo más baja? a) el cad mio, b) el cromo, c) el oro, d) el níquel o e) el zinc. 33.2. ¿Cuál de los siguientes metales para recubrimiento produce la superficie más dura en un sustrato metáli co? a) el cadmio, b) el cromo, c) el oro. d) el níquel o e) el plomo. 33.3. ¿Cuál de los siguientes términos se usa respecto al recubrimiento por inmersión con plomo sobre un sustrato tal como la chapa de acero? a) aluminizado, b) anodizado, c) recubrimiento por conversión, d) galvanizado o e) chapeado con plomo y estaño. 33.4. ¿Qué metal para recubrimiento se asocia con el término galvanizado? a) hierro, b) plomo, c) acero, d) estaño o e) zinc. 33.5. ¿Cuál de los siguientes espesores es el más común en un recubrimiento porelectrodeposición? a) 0.0001 pulg. b) 0.001 pulg. c) 0.010 pulg d) 0.100 pulg. 33.6. ¿Cuál de los siguientes procesos implica reacciones electroquímicas? (Puede ser más de uno.) a) anodizado, b) recubrimientos cromados, c) deposición sin electricidad, d) electrodeposi ción, o e) recubrim ientos con fosfato. 33.7. ¿Cuál de los siguientes metales se asocia más frecuentemente con el anodizado? (Una respuesta.) a) aluminio, b) magnesio, c) acero, d) titanio, o e) zinc. 33.8. El bombardeo de partículas atómicas es una forma de ¿cuál de los siguientes procesos? a) deposi ción química de vapor, b) defecto en soldadura por arco eléctrico, c) difusión, d) implantación ióni ca o e) deposición física de vapor. 33.9. ¿Cuál de los siguientes gases es el que se usa con mayor frecuencia en el bombardeo con partículas atómicas y el recubrimiento iónico? a) argón, b) cloro, c) neón, d) nitrógeno o e) oxígeno. 33.10. ¿Cuál de las siguientes acciones usa el proceso de Mond? (Una respuesta.) a) deposición química de vapor de nitruro sobre silicio, b) un proceso de electrodeposición. c) deposición física de vapor para recubrir herramientas de corte con TiN o d) reducir carbonilo de níquel a Ni metálico. 33.11. ¿Cuál de los siguientes procesos de película delgada es el más común en el procesamiento de semicon ductores? a) deposición química de vapor o b) deposición física de vapor. 33.12. ¿Cuáles de los siguientes son los métodos principales para aplicar recubrimientos pulverizados? (Seleccione las dos mejores respuestas.) a) aplicación con brocha, b) aspersión electrostática, c) lecho fluidizado, d) inmersión o e) recubrimiento con rodillos. 33.13. ¿En cuál de las siguientes formas se aplica esmaltado a una superficie? a) emulsión líquida, b) solución líquida, c) líquido fundido o d) polvos. 33.14. ¿Cuáles de los siguientes son procesos alternativos para la aspersión térmica? (Puede haber más de una respuesta.) a) proceso de recubrimiento flexible, b) revestimiento duro, c) metalizado o d) aspersión metálica. 33.15. ¿Cuál de los siguientes procesos básicos se utiliza en el revestimiento duro? a) soldadura con arco eléc trico, b) soldadura fuerte, c) recubrimiento por inmersión, d) electrodeposición o e) deformación mecánica para endurecer la superficie de la pieza.
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33.1. ¿Qué volumen (pulg3) y qué peso (Ib) de zinc se depositará en una parte de trabajo (pieza) catódica si se aplican 10 A de corriente durante una hora? 33.2. Se recubrirá con cromo una pieza de lámina metálica de acero con un área superficial A = 15.0 pulg2. ¿Qué espesor de recubrimiento promedio se producirá si se aplican 15 A durante 10 minutos de un baño con sulfato de ácido crómico? 33.3. ¿Qué volumen (cm3) y qué peso (g) de estaño se depositará en una pane de trabajo si se aplican 15 A de corriente durante 1500 segundos? 33.4. Se recubrirá con plata una parte de chapa metálica de acero con un área superficial A = 300.0 cm2. ¿Qué espesor de recubrimiento promedio se producirá si se aplican 8 A durante 1000 seg en un baño de sulfa to ácido? 33.5. Se recubrirá con níquel una parte de chapa metálica de acero. La parte es una placa plana rectangular con un grosor de 0.031 pulg y cuya cara mide 5.5 por 7.5 pulg. La operación de recubrimiento se rea liza en un electrolito de sulfato ácido, usando una corriente / = 20 A con una duración t = 30 min. Determine el grosor promedio del metal chapeado que se produce con esta operación. 33.6. Una parte de lámina metálica de acero tiene un área de superficie total A = 36 pulg2. ¿Cuánto tiempo se requerirá para depositar un recubrimiento de cobre (suponiendo una valencia = +1) cuyo grosor = 0.001 pulg sobre la superficie, si se aplican 15 A de corriente? 33.7. Se aplica un incremento de corriente a la superficie de una pieza en un proceso de electrodeposición de acuerdo con la siguiente ecuación: I = 12.0 + 0.2r, en donde / = corriente, en A; y ; = tiempo, en min. El metal de recubrimiento es el cromo y la parte se sumerge en la solución para depositar durante 20 min. ¿Qué volumen de recubrimiento se aplicará en el proceso? 33.8. Se va a chapear con níquel un lote de 100 partes en una operación de recubrimiento en tambor. Las panes son idénticas, todas con un área de superficie A = 7.8 pulg2. El proceso de recubrimiento aplica una corriente I = 120 A, y el lote requiere 40 min para completarse. Determine el espesor del recubri miento promedio en las partes.
Procesamiento de circuitos integrados
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Nota histórica 34.1
Parte IX
T ecnología d e circuitos in tegrados
Tecnologías de manufactura en electrónica
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PROCESAMIENTO DE CIRCUITOS INTEGRADOS
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Panorama del procesamiento de circuitos integrados (Cl) 34.1.1 Secuencia del procesamiento 34.1.2 Salas estériles Procesamiento del silicio 34.2.1 Producción de silicio de grado electrónico 34.2.2 Crecimiento cristalino 34.2.3 Formación del silicio en obleas Litografía 34.3.1 Fotolitografía 34.3.2 Otras técnicas de litografía Procesos de formación de capas en la fabricación de circuitos integrados 34.4.1 Oxidación térmica 34.4.2 Deposición química de vapor 34.4.3 Introducción de impurezas en el silicio 34.4.4 Metalización 34.4.5 Ataque químico Integración de los pasos de fabricación Encapsulado de circuitos integrados 34.6.1 Diseño del encapsulado de circuitos integrados 34.6.2 Pasos de procesamiento en el encapsulado de circuitos integrados Rendimientos en el procesamiento de circuitos integrados
Un circuito integrado, CI (en inglés integrated circuit IC), es una serie de dispositivos elec trónicos. tales com o transistores, diodos y resistores, que se han fabricado e interconectado de manera eléctrica en una pequeña pastilla plana de material sem iconductor. El CI se inven tó en 1959 y ha sido objeto de desarrollo continuo desde entonces (véase la nota histórica 34.1). El silicio (Si) es el material sem iconductor que más se utiliza para los circuitos inte grados, debido a su com binación de propiedades y bajo costo. Es m enos común que se hagan pastillas sem iconductoras con germ anio (Ge) y arseniuro de galio (GaAs). Debido a que los circuitos se fabrican de una pieza única de material sólido, se utiliza el término m aterial elec trónico de estado sólido para hacer referencia a estos dispositivos.
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u a historia de los circuitos integrados incluye las invenciones de dispositivos electrónicos y los procesos para hacer estos dispositivos-, el desarrollo del radar, inm ediatam ente antes de la Segunda Guerra Mundial (1939-1945). identificó al germanio y al silicio com o elem entos sem iconductores im portantes para los diodos que se utilizaban en el sistem a de circuitos del radar. Debido a la im portancia de la tecnología del radar en la guerra se desarrollaron las fuentes comerciales de germ anio y silicio. En 1947,1. Bardeen y W. Brattain desarrollaron el transistor en Bell Telephone Laboratories. Posteriorm ente. W. Shockley, de Bell Labs, inventó una versión m ejorada en 1952. Estos tres inventores recibieron el Premio Nobel de física en 1956 por su investigación sobre los sem iconductores y el descubrim iento del transistor. El interés de los laboratorios Bell era desarrollar sistem as de conm utación electrónicos que fueran más confiables que los relevadores electrom ecánicos y las válvulas al vacío que se utilizaban en esa época. En febrero de 1959.1. Kilby, de Texas Instrum ents Inc., patentó la fabricación de dispositivos electrónicos m últiples y su interconexión para formar un circuito en una sola pieza de m aterial semiconductor. Kilby estaba describiendo un circuito integrado (CI). En mayo de 1959. J. Hoerni, de Fairchild Sem iconductor Corporation, patentó el proceso planar para la fabricación de transistores. El julio del m ism o año, R. Noyce tam bién de Fairchild, p atentó un dispositivo sim ilar al de Kilby, pero especificando el uso de la tecnología planar y de las term inales adherentes. Pese a que se formuló después que la de Kilby, la patente de Noyce se em itió primero, en 1961 (la patente de Kilby se emitió en 1964), Esta discrepancia en las fechas y similitud en la invención produjo una considerable controversia acerca de quién fue realm ente el inventor del CI. El tem a llegó a instancias legales y hasta a la Suprem a Corte de Estados Unidos. La Suprem a Corte se negó a escuchar el caso, dejando una pequeña ventaja que favorecía a las reclamaciones de Noyce. El resultado (bajo el riesgo de ser muy simplistas) es que Kilby generalm ente se lleva el crédito por el concepto del Cl monolítico, mientras que a Noyce se le acredita el método para fabricarlo. Los prim eros IC comerciales fueron introducidos en marzo de 1960 por la Texas Instrum ents. Los primeros circuitos integrados contenían cerca de diez dispositivos en una pequeña pastilla de silicio de aproxim adam ente 0.12 pulg cuadradas (3 mm). Para 1966, el silicio ya había sobrepasado al germ anio como el m aterial sem iconductor preferido. Desde aquel año, el silicio ha sido el material predom inante en la fabricación de circuitos integrados. Desde 1960. ha venido ocurriendo en la industria electrónica una tendencia continua hacia la miniaturización y a la integración de dispositivos múltiples en una sola pastilla (el progreso puede verse en la tabla 34.1), la cual conduce hasta los com ponentes de escala de integración muy grande que se describirán en este capítulo.
Los circuitos integrados se dividen en dos grandes tipos, analógicos y digitales. Los CI analógicos operan con voltajes continuos y variables. Entre los dispositivos com unes están los amplificadores, los osciladores y los reguladores de voltaje. Los circuitos integrales digitales ope ran con señales que tienen sólo dos niveles de voltaje, que indican generalm ente los valores para los bits 0 o 1. La segunda categoría está representada por los m icroprocesadores y dispositivos de m em oria para el almacenamiento de datos. El aspecto más fascinante de la tecnología microelectrónica es el gran número de dispositivos que pueden encapsularse en una sola y pequeña pastilla. Se han desarrollado varios términos para definir el nivel de integración y la densidad del encapsulado, tales como escala de integración gTande, EIG (en inglés LSI), y escala de integración muy grande, EIM G (en inglés VLSI). La tabla 34.1 enlista estos términos, sus definiciones (pese a que no se está totalmente de acuerdo sobre las líneas diviso rias entre los niveles) y el periodo durante el cual la tecnología se estaba o se está introduciendo.
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Sección 34.1 / Panorama del procesamiento de circuitos integrados (CI)
Capítulo 34 / Procesamiento de circuitos integrados
TABLA 34.1
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N iveles d e in tegración en la m ic ro electró n ica.
Nivel de integración Integración a pequeña escala (SSI) Integración a mediana escala (MSI) Integración a alta escala (LSI) Escala de integración muy grande (VLSI) Escala de integración grande (ULSI)
Cantidad de dispositivos en un pastilla
Fecha aproximada de introducción
10-S0 50-10 3 103- 10 < 105-1 0 6 10 7- 10 a
1959 1960s 1970s 1980s 1980s
~
En este capítulo, consideraremos el m odo en que se m anufacturan los circuitos. N uestra pre sentación se centrará casi exclusivam ente en el procesam iento del silicio, pese a que se utilizan téc nicas similares de procesam iento para los CI fabricados a partir de otros m ateriales sem icon ductores. Parte de la term inología utilizada en este capítulo puede resultar poco fam iliar para los lectores. En la tabla 34.2, presentam os un glosario de términos relacionado con los sem iconductores y la tecnología de los circuitos integrados.
FIGURA 34.1 Sección transversal de un transistor (específicamente un MOSFET) en un CI. Se muestra el tam año aproximado del dispositivo, los tamaños de las características dentro del dispositivo pueden ser tan pequeños como 1 fim o un poco menos con la
de la pastilla de silicio llam ada com únm ente dado. Un chip, también llamado die, es una lámina plana rectangular o cuadrada que tiene un espesor aproxim ado de 0.020 pulg (0.5 mm) y, por lo re gular, de 0.200 hasta 0.600 pulg (de 5 a 15 mm) por lado (véase lámina 2 en el capítulo 1). Cada dispositivo electrónico (transistor, diodo u otro) que se encuentra en la superficie del chip consiste en capas y regiones separadas con propiedades eléctricas diferentes, que se com binan para realizar la función particular del dispositivo. U na sección transversal común de un M OSFET se ilustra en la figura 34.1. Los dispositivos se conectan eléctricam ente uno con otro mediante líneas muy finas de material conductor, usualm ente alum inio, de m anera que los dispositivos interconectados (esto es, el CI) funcionen en la form a especificada. También se proporcionan líneas de conducción y term i naciones para conectar eléctricam ente el CI a las terminales, las cuales a su vez perm iten que el CI se conecte a circuitos externos. Para perm itir que el CI se conecte al m undo exterior y se proteja de daño, el chip se conecta a una estructura de term inales y se encapsula en forma adecuada, com o en la figura 34.2. El encapsulado generalm ente se hace de cerám ica o plástico, los cuales proporcionan protección mecánica y ambiental para el chip e incluye term inales mediante las cuales el CI se conecta eléctricam ente a circuitos externos. C om o se ve en la figura, las terminales se encuentran conectadas a las term ina ciones conductoras del chip, las cuales se conectan al CI.
Glosario de términos básicos en la tecnología de sem iconductores de silicio (las siglas corresponden al nom bre en inglés).______________________________________________________________
TABLA 34.2
Transistor de unión bipolar (BIT). Un transistor en el cual la corriente fluye entre un emisor y un colector a través de una delgada región base, el flujo lo controla el voltaje que se aplica a la base. Se denom ina bipolar debido a que los portadores de cargas positivas (tipo p) y negativas (tipo n) se utilizan para llevar la corriente. Diodo. Dispositivo electrónico con dos electrodos (ánodo y cátodo) que se utiliza como rectificador; también lo utilizan como detec tor los receptores de radio y televisión. Dopado. Elproceso de introducción de impurezas a un material semiconductor para alterar sus propiedades eléctricas, transforman do el materialen un semiconductor tipo n o tipo p. Transistor de efecto de campo (FET). Un transistor semiconductor en el cual la corriente fluye entre las regiones fuente y de drenado a través de un canal, el flujo depende de la aplicación de voltaje a la com puerta del canal. Los transistores de efecto de campo están disponibles en varios tipos, el más común de éstos es el transistor de efecto de campo a base de óxido metálico semicon ductor (MOSFET). Transistor de efecto de campo a base de óxido metálico semiconductor (MOSFET). Un transistor de efecto de campo en el cual se uti liza el dióxido de silicio (un aislante) para separar el canal y la com puerta de metalización en los semiconductores de silicio. Existen tres tipos de dispositivos MOS: 1) NMOS, 2) PMOS y 3) CMOS. Un dispositivo NM OS tiene un canal de tipo n. Un dispositivo PMOS tiene un canal de tipo p. CMOS significa semiconductor a base de óxido metálico complementario. Un dispo sitivo CMOS contiene ambos dispositivos NMOS y PMOS, lo cual tiene la ventaja de un consumo de energía reducido y una velocidad mayor durante la operación del circuito. Tipo n. Un material semiconductor que contiene un exceso de impurezas donantes, lo cual causa un aum ento de los electrones en su estructura atómica. Estos electrones poseen una carga negativa y sirven com o portadores de carga para conducir la corriente eléc trica. Tipo p. Un material semiconductor que contiene un exceso de impurezas aceptantes, que aumenta los huecos (electrones que faltan) en su estructura atómica; estos huecos poseen una carga positiva y sirven como portadores de carga en la conducción de la corriente eléctrica Rectificador. Un dispositivo que permite que la corriente eléctrica fluya únicamente en una dirección; de este modo es capaz de con vertir la corriente alterna en corriente directa. Semiconductor. Un material sólido cristalino con una conductividad eléctrica entre la de los conductores (metales) y la de los aislantes. Los materiales semiconductores más comunes son el silicio (Si), el germanio (Ce), y el arseniuro de galio (GaAs). Transistor. Un dispositivo semiconductor capaz de realizar varias funciones, tales como la amplificación, el control o la generación de señales eléctricas. Existen dos tipos: 1) transistor de unión bipolar y 2) transistor de efecto de campo (véanse las definiciones).
34.1.1
Secuencia del procesamiento La secuencia para fabricar las pastillas o chips de circuitos integrados basados en silicio com ienza con el procesam iento del silicio. En resum en, el silicio con una pureza muy alta se reduce mediante
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34.1 PANORAMA DEL PROCESAMIENTO DE CIRCUITOS INTEGRADOS (CI) Estructuralmente, un circuito integrado consiste en cientos, miles o millones de dispositivos elec- \ trónicos microscópicos que se han fabricado e interconectado eléctricamente dentro de la superficie ¡
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FIGURA 34.2 Encapsulado de un chip de un CI: (a) un corte que muestra el chip pegado a la estructura de las terminales y encapsulado en una envoltura plástica y (b) forma en que el encapsulado aparece frente al usuario. Este tipo se denom ina encapsulado dual en línea (DIP).
Sección 34.1 / Panorama del procesamiento de circuitos integrados (CI)
Capítulo 34 / Procesamiento de circuitos integrados
varios pasos a partir de arena, el dióxido de silicio (SÍO2). El silicio se acum ula a partir de un m ate rial fundido hasta obtener un m onocristal, sólido y grande, con una longitud com ún de 3 pies (1 m) y un diámetro de hasta 8 pulg (200 mm). Este monocristal, llamado en inglés boule,* se corta en delgadas obleas, las cuales son discos de un espesor igual a 0.020 pulg (0.5 mm) aproxim adam ente. Después de una lim pieza y acabado adecuados, las obleas están listas para la secuencia de procesos mediante las cuales se crearán en su superficie características m icroscópicas de diversas químicas para formar los dispositivos electrónicos y sus intraconexiones. La secuencia consiste en varios tipos de procesos, la m ayoría de ellos se repite muchas veces. Básicam ente, el objetivo de cada paso es agregar, alterar o rem over una capa de material en las regiones seleccionadas de la superficie de la oblea. A los pasos para form ar estas capas en la fabricación de un CI algunas veces se les denomina proceso planar, debido a que el procesamiento confía en que la form a geom étrica de la oblea de silicio sea un plano. Los procesos mediante los cuales se agregan las capas incluyen técnicas de deposición de películas finas tales com o la deposición física de vapor (sección 33.3) y la deposición química de vapor (sección 33.4), y las capas existentes se alteran m ediante la difusión e implantación iónica (sección 32.3). Tam bién se emplean técnicas adicionales para la form ación de capas, tales como la oxidación térmica. Las capas se remueven de las regiones seleccionadas a través de técnicas de ataque quím ico, utilizando solventes químicos (usualmente soluciones ácidas) y otras tecnologías más avanzadas tales com o el ataque químico con plasma. La adición, alteración o rem oción de capas debe hacerse de manera selectiva, esto es, única mente en algunas regiones extrem adam ente pequeñas de la superficie de la oblea para crear los detalles de los dispositivos, com o se m uestra en la figura 34.1. Para distinguir qué regiones se afec tarán con cada paso del procesam iento, se utiliza un procedimiento que im plica aplicar litografía. En este técnica, se form an m ascarillas en la superficie para proteger algunas áreas y perm itir que otras áreas queden expuestas al proceso particular (por ejemplo, la deposición de películas o el ataque químico). La repetición consecutiva de estos pasos promueve la exposición de diferentes áreas, la oblea inicial de silicio gradualm ente se transforma en muchos circuitos integrados. El procesamiento de la oblea se organiza de modo que se formen muchas superficies indi viduales de los chips en una sola oblea. D ebido a que la oblea es redonda y de aproxim adam ente 6 pulg (150 mm) de diám etro, mientras que el chip final es de sólo 0.20 pulg2 (5 mm), es posible pro ducir cientos de chips de una sola oblea. Al final del procesamiento planar, todos los circuitos inte grados en la oblea se prueban visual y funcionalm ente, la oblea se divide en chips individuales, y aquellos que pasan las pruebas de calidad se encapsulan como en la figura 34.2. Resumiendo el análisis anterior, la producción de los circuitos integrados basados en silicio consiste en las siguientes etapas: 1) Procesamiento d el silicio , en el cual la arena se reduce a silicio muy puro y después se forma como obleas. 2) La fabricación de circuitos integrados consiste en múltiples pasos de procesam iento que agregan, alteran y rem ueven capas delgadas en regiones seleccionadas para form ar los dis positivos electrónicos; se utiliza la litografía para definir las regiones que van a procesarse sobre la superficie de la oblea. 3) Encapsulado del C I, en el cual la oblea se prueba y se corta en m atrices individuales, y los
Fabricación del circuito integrado 1superficie de la oblea
O blea de silicio
Chip encapsulado
(2 )
(3)
FIGURA 34.3 Secuencia de los pasos de procesamiento en la producción de circuitos integrados: (1) el silicio puro se forma a partir del estado de fundición, se convierte en lingote y después se corta en obleas, (2) fabricación de los circuitos integrados en la superficie de las obleas y (3) la oblea se corta en chips y se encapsula.
el corte de los dados y el encapsulado de los chips. Y, finalm ente, la sección 34.7 cubre el análisis de fallas en la fabricación de circuitos integrados. Antes de com enzar nuestra cobertura de los detalles del procesam iento, es im portante obser var que las dim ensiones m icroscópicas de los dispositivos en los circuitos integrados imponen requerim ientos especiales en el am biente dentro del cual se lleva a cabo la fabricación de circuitos integrados.
34.1.2
Salas estériles Gran parte de la secuencia de procesam iento de los circuitos integrados debe realizarse en una sala estéril, un am biente que es más parecido a una sala de operaciones de un hospital que a una fábri ca de producción. Los tam años microscópicos característicos de un CI dictan la lim pieza, esta escala continúa dism inuyendo con cada año que pasa. La figura 34.4 muestra la tendencia en los tam años característicos de un dispositivo de CI; tam bién se m uestran en la m ism a figura las partícu-
FIGURA 34.4 Tendencia en el tamaño de las características de los dispositivos en la fabricación de circuitos integrados; también se muestra el tamaño de las partículas comunes del aire que pueden contaminar el ambiente de procesamiento.
dados se encapsulan en form a adecuada. Las etapas de procesam iento se ilustran en la figura 34.3. La presentación de las secciones sub secuentes de nuestro capítulo se relacionan con los detalles de estas etapas de procesam iento. La sección 34.2 trata el procesam iento del silicio. La 34.3 analiza la litografía y la sección 34.4 examina los procesos que se utilizan ju n to con la litografía para agregar, alterar o rem over capas. Consideramos un ejem plo para la fabricación de un CI en la sección 34.5. La sección 34.6 describe *E1 término boule se emplea para designar una masa de material que se forma mediante algún método. En ocasiones la forma es como la de una pera. [N. del R. T.J
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Año
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Sección 34.2 / Procesamiento del silicio
Capítulo 34 / Procesamiento de circuitos integrados
34.2.3
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Formación del silicio en obleas
Eje de la semilla (con movimiento vertical y de rotación) C ám ara del homo (atmósfera inerte) Portaherramienta Semilla cristalizada Silicio fundido Crisol con revestimiento no contaminante
---------- ► A la bom ba de vacío
1 3 = - Eje de soporte del crisol
c _ p (a) FIGURA 34.5 El proceso Czochralski para crecimiento de lingotes de un monocristal de silicio: (a) preparación inicial previa al comienzo de la extracción del cristal y (b) durante la extracción del cristal para formar el boule.
Se utilizan una serie de pasos de procesam iento para reducir el boule a obleas delgadas en form a de discos. Los pasos se agrupan en la siguiente forma: 1) preparación del lingote, 2) corte de las obleas y 3) preparación de la oblea. En la preparación del lingote, prim ero se cortan los extremos de lingote, así com o las por ciones que no cum plen con los estrictos requerim ientos de resistividad y los cristalográficos para el procesamiento subsecuente del CI. D espués, se usa una especie de esmeril cilindrico, com o se m uestra en la figura 34.6(a), para dar form a al lingote como un cilindro más perfecto, debido a que el proceso de crecim iento de cristales no consigue un control suficiente sobre los parám etros del diám etro y la redondez. Una o m ás superficies planas se pulen a lo largo de la longitud del lingote, como en la parte (b) de la figura. D espués que se han cortado las obleas del lingote, esas partes planas tienen varias funciones: 1) identificación, 2) determinar la orientación de los circuitos integra dos en relación con la estructura del cristal y 3) la ubicación mecánica durante el procesamiento. El lingote está listo para cortarse en obleas, mediante el proceso de corte abrasivo que se ilus tra en la figura 34.7. En esta técnica se usa una sierra de un filo muy delgado con un diamante incrustado en el diám etro interno que sirve com o filo de corte. La utilización del diám etro interno para hacer el corte, en lugar del diám etro externo de la sierra, proporciona un m ejor control sobre el nivel, el espesor, el paralelism o y las características de superficie de la oblea. Las obleas se cor tan aproximadamente a un espesor de 0.020 a 0.028 pulg (0.5 a 0.7 mm), dependiendo del diám etro (un mayor espesor para un diám etro superior de la oblea). Por cada corte de oblea, se desperdicia una cierta cantidad de silicio, debido al espesor de la sierra. Para m inim izar la pérdida debido a estas partículas, los filos se hacen lo más delgados posible, alrededor de 0.013 pulg (0.33 mm). Posteriormente, la oblea debe prepararse para los procesos subsecuentes y el manejo en la fa bricación del CI. Después de hacer los cortes, los extremos de las obleas se redondean utilizando una operación de esmerilado del contorno, com o se muestra en la figuras 34.8(a). Esto reduce la form a ción de astillas en los bordes de la oblea durante el manejo y minimiza la acumulación de soluciones FIGURA 34.6 O peraciones de esmerilado que se usan para dar forma al lingote de silicio: (a) una forma de esmerilado cilindrico que controla el diámetro y la redondez, y (b) una superficie plana en el cilindro.
de fusión. El silicio fundido se reviste (tabla 34.2) antes de la extracción del boule. para hacer al cristal ya sea de un tipo p o de un tipo n. Para iniciar el crecim iento cristalino, se introduce en el pozo una semilla cristalina de silicio y después se retira hacia arriba en condiciones cuidadosam ente controladas. Al principio, la veloci dad de extracción (la velocidad vertical del aparato de extracción) es relativamente alta, lo cual origina que un monocristal de silicio se solidifique contra la semilla, formando un cuello delgado. Después, se reduce la velocidad, y esto origina que el cuello crezca hasta el diámetro deseado del boule mientras que mantiene su estructura monocristalina. Además de la velocidad de extracción, se usan la rotación del crisol y otros parám etros del proceso para controlar el tamaño del boule. Por lo regular, se producen lingotes monocristalinos, cuyo diámetro = 6 pulg (150 mm) o más, y hasta 10 pies (3 m) de largo, para la fabricación subsecuente de los chips microelectrónicos. Es importante prevenir la contam inación del silicio durante el crecimiento de cristales, debido a que los contam inantes, aun en pequeñas cantidades, pueden alterar dram áticam ente las propiedades eléctricas del silicio. Para m inim izar las reacciones no deseadas con el silicio y la inser ción de contaminantes a las elevadas tem peraturas del crecimiento cristalino, el procedim iento se lleva a cabo ya sea en presencia de un gas inerte (argón o helio) o al vacío. La elección del m ate rial del crisol también es importante: el silicio fundido (SiO i), aunque no es perfecto para la aplica ción, representa el m ejor material disponible y se utiliza casi exclusivamente. La disolución gradual del crisol introduce oxígeno com o una im pureza no intencional en el boule de silicio. Desafortunadamente, el nivel de oxígeno en la fundición aumenta durante el proceso, lo cual conduce a una variación en la concentración de la impureza a través de todo el largo y el diámetro del lingote.
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Movimiento de avance
Movimiento de avance
Superficie Superficie original del boule
Esmeril de diam ante
Esmeril de diamante
Sección 34.3 / Litografía
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En el procesam iento de sem iconductores se utilizan varias tecnologías litográficas: 1) fotoli tografía, 2) litografía con electrones. 3) litografía con rayos x y 4) litografía con iones. Las dife rencias entre estas técnicas consisten en el tipo de radiación que se utiliza para transferir el patrón de la m ascarilla a la superficie m ediante la exposición del m aterial fotorresistente. La técnica tradi cional es la fotolitografía, y la m ayor parte de nuestro análisis se centrará en este tema. El lector recordará que este método se utiliza en algunos procesos de m aquinado quím ico (sección 27.4).
34.3.1
Fotolitografía
(a)
Soporte de la oblea O blea P asta fluida
B ase para esm erilado
(b) FIGURA 34.8 Dos de los pasos en la preparación de una oblea: (a) esmerilado del contorno para redondear las orillas de la oblea y (b) esmerilado de la superficie.
fotorresistentes en los extremos de las obleas. Enseguida, las obleas se llevan a un proceso de ataque químico para remover el daño que se haya producido en las superficies durante el corte. A conti nuación se lleva a cabo una operación de esmerilado plano para aceptar los procesos fotolitográficos que siguen. El paso de esmerilado, que se ve en la figura 34.8(b) utiliza una pasta fluida de partículas de sílice (S i0 2) muy finas en una solución acuosa de hidróxido de sodio (NaOH). El NaOH oxida la superficie de la oblea de silicio, y las partículas abrasivas remueven las capas oxidadas de la superfi cie, aproximadamente 0.001 pulg (0.025 mm) de cada lado durante el esmerilado. Por último, la oblea se limpia químicamente para remover los residuos y las películas orgánicas.
34.3
LITOGRAFÍA Un C I consiste en m uchas regiones m icroscópicas sobre la superficie de la oblea que constituyen los transistores, otros dispositivos y las interconexiones de acuerdo con la especificación en el diseño del circuito. En el proceso planar, las regiones se fabrican m ediante una secuencia de pasos, cada paso agrega o tra capa a las áreas seleccionadas de la superficie. La form a de cada capa se determ ina m ediante un patrón geom étrico que representa la inform ación acerca del di seño del circuito, el cual se transfiere a la superficie de la oblea a través de un procedim iento conocido como litografía, básicam ente es el m ism o procedim iento que han utilizado artistas e im presores durante siglos.
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La fotolitografía, también conocida com o litografía óptica, utiliza la radiación de la luz para expo ner una cubierta de material fotorresistente sobre la superficie de la oblea de silicio: una m ascarilla que contiene el patrón geom étrico requerido para cada capa separa la fuente de luz de la oblea, de m anera que únicam ente quedan expuestas las porciones del material fotorresistente que no están cubiertas por la mascarilla. La m ascarilla consiste en una lámina plana de cristal transparente, sobre la cual se ha depositado en algunas áreas una película delgada de una sustancia opaca para formar el patrón deseado. El espesor de la lám ina de cristal es de aproxim adam ente 0.080 pulg (2 mm), mientras que la película que se deposita m ide apenas algunos micróm etros; algunos materiales de la película tienen un espesor m enor a 1 mm. La m ascarilla se fabrica m ediante la litografía, el patrón se basa en los datos del diseño en circuito, usualm ente en form a de salida digital que se obtienen del sistem a gráfico com putarizado que usa el diseñador de circuitos. M ate riale s fo to rre sis te n te s Un m aterial fotorresistente es un polímero orgánico sensible a la radiación de la luz dentro de cierto rango de longitudes de onda: la sensibilidad provoca un incremento o una disminución en la solubilidad del polím ero, con respecto a ciertos productos quím icos. La práctica común en el procesam iento de sem iconductores es utilizar los materiales fotorresistentes sensibles a la luz ultravioleta. La luz UV tiene una longitud de onda más corta que la de la luz visible, y permite una im agen más fina de los detalles microscópicos del circuito sobre la superficie de la oblea. Tam bién perm ite que las áreas de fabricación y de fotorresistencia en la planta se ilum inen a niveles de luz bajos fuera de la banda UV. El rendim iento del m aterial fotorresistente se caracteriza por las siguientes m edidas [4]: 1) la adhesión a la superficie de la oblea, 2) la resistencia a los solventes quím icos, cuánto so p o r ta la resistencia en sí el efecto del ataque quím ico, 3) resolución, un térm ino que se utiliza para escribir la anchura m ínim a de las características y el espaciado que puede transferirse de la m as carilla a la superficie de la oblea y 4) la fotosensibilidad, la cual es una m edida de la respuesta a intensidades de luz que aum entan. Existen dos tipos de m ateriales fotorresistentes: positivos y negativos. U na resistencia p osi tiva se vuelve más soluble en soluciones de revelado después de exponerse a la luz. Una resisten cia negativa se vuelve menos soluble (el polím ero hace enlaces y se endurece) cuando se expone a la luz. La figura 34.9 ilustra la operación de los dos tipos de resistencias. La ventaja principal de la resistencia positiva es una m ejor resolución. Las ventajas de las resistencias negativas incluyen una m ejor adhesión a superficies de S i0 2 y a superficies metálicas, una buena resistencia a solventes quím icos, una alta sensibilidad y bajo costo. T é c n ic as d e exp o sició n Las resistencias se exponen a través de la m ascarilla por medio de alguna de las tres técnicas de exposición: a) im presión por contacto, b) impresión por pro xim idad y c) im presión por proyección, que se ilustran en la figura 34.10. En la impresión por con tacto, la m ascarilla se presiona contra el recubrim iento resistente durante la exposición. Esto tiene com o resultado una alta resolución del patrón en la superficie de la oblea; una desventaja impor tante es que el contacto físico con las obleas gasta gradualm ente la m ascarilla. En la impresión por proxim idad, la m ascarilla se separa del recubrim iento resistente a una distancia aproxim ada que va desde 0.4 hasta 1.0 //pulg (de 10 a 25 p.m). Esto elim ina el desgaste de la m ascarilla, pero la reso lución de la im agen se reduce ligeram ente. La impresión p o r proyección implica la utilización de un sistem a de lentes de alta calidad (o espejos) para proyectar la im agen a través de la mascari-
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857
Sección 34.3 / Litografía
Capítulo 34 / Procesamiento de circuitos integrados
Radiación de UV
M asca rilla34.11 Proceso fotolitográfico que se aplica a la oblea de silicio: (1) preparación de la superficie, (2) aplicación de material fotorresistente, (3) horneado suave, (4) alineación de la mascarilla y exposición, (5) revelado de la resistencia, (6) horneado fuerte, (7) ataque químico, y (8) eliminación de la resistencia. F IG U R A
-Dióxido de silicioSustrato de silicio
(1) La resistencia forma un negativo'"' del patrón de la mascarilla ¡
La resistencia forma un positivo del patrón d e la mascarilla
(b)
después del revelado.
ü-
Fuente de UV
Fuente de UV-
/1\ \W M ascarilla-
7
fe *
Lente Mascarilla Resistencia—►
SÍO2
^
S i----------►
R esistencia-
S i0 2 Si —
(a)
Solución de ataq u e químico
E E = = S |
p * . '- f g |
(5 )
(6)
0
Ci (7 )
p
j
(8 )
(3) H orneado suave. El propósito de este prehom eado es rem over solventes, prom over la adhesión y endurecer la resistencia. Las tem peraturas com unes para el horneado suave están alrededor de los 190 °F (90 °C) por un tiempo de 10 a 20 minutos.
Lente
Lentes -
(4)
(3 )
(2) Aplicar el m aterial fotorresistente. En el procesam iento de sem iconductores, los m ate riales fotorresistentes se aplican alim entando una cantidad m edida de una resistencia líqui da sobre el centro de la oblea y después haciendo girar la oblea para expandir el líquido y obtener un espesor uniform e del recubrimiento. El espesor deseado es aproxim adam ente 0.04 m pulg (1 ¿im), lo cual proporciona una buena resolución y m inim iza defectos de hen diduras pequeñas.
FIGURA 34.9 Aplicación de: (a) resistencia positiva y (b) resistencia negativa, en la fotolitografía; para ambos tipos, la secuencia muestra: (1) la exposición a través de la mascarilla y (2) la resistencia que queda
F I G U R A 34.10 Técnicas de exposición fotolitográfica: (a) impresión por contacto, (b) impresión por proximidad y (c) impresión por proyección.
(2)
(1) Preparar la superficie. La oblea se limpia de m anera adecuada para prom over un nivel de humedad y de adhesión de la resistencia.
(2 )
(a)
(1)
(b)
(c)
Ha y hasta la oblea. É sta se h a co n v ertid o en la técnica preferida debido a que no presenta ning contacto (de este m odo, la m ascarilla no se desgasta) y el patrón de la m ascarilla se reduc mediante proyección óptica para o b te n e r una alta resolución. Secuencia de procesamiento en la fotolitografía Exam inem os una secuencia de pro samiento típica para una oblea de silicio en la cual se utiliza la fotolitografía. La superficie de s ció se ha oxidado para form ar una película delgada de SiO j en la oblea. Se desea rem over la pelíco la de S iO j en algunas regiones com o lo define el patrón de la mascarilla. L a secuencia para un resistencia negativa procede del m odo ilustrado en la figura 34.11.
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(4) Alineación de la m ascarilla y exposición. En este paso, la m ascarilla patrón se alinea con la oblea, y la resistencia se expone a través de la m ascarilla m ediante uno de los métodos que se describieron antes. La alineación debe realizarse con alta precisión, utilizando equipo óptico m ecánico diseñado específicam ente para este propósito. Si la oblea se pro cesó anteriorm ente a través de litografía de m odo que un patrón ya se ha form ado en ella, las m ascarillas subsecuentes deben registrarse exactam ente en relación con el patrón exis tente. La exposición de la resistencia depende de la m ism a regla básica que en la fotografía: la exposición es una función de la intensidad de la luz por el tiem po. Se usa una lámpara de arco de m ercurio u otra fuente de luz ultravioleta. (5) Revelado de la resistencia. Enseguida, la oblea expuesta se sum erge en una solución de revelado, o la solución se esparce en la superficie de la oblea. Para la resistencia negativa en nuestro ejem plo, las áreas no expuestas se disuelven en la sustancia de revelado, de esta m anera dejan descubierta la superficie de S i0 2 en estas áreas. Por lo general, después del revelado se aplica un enjuague para detenerlo y para rem over los quím icos residuales. (6) H orneado fu erte. Durante el horneado se remueven las sustancias volátiles que quedan de la solución de revelado y se aum enta la adhesión de la resistencia, especialm ente en las ori llas recientem ente creadas de la película de resistencia. (7) Ataque quím ico. La exposición a ataques quím icos rem ueve la capa de S i0 2 en las re giones seleccionadas donde la resistencia se ha rem ovido. Dos tipos básicos de exposicio nes son el ataque quím ico con líquidos y el ataque quím ico con plasm a (sección 34.4.5).
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Chapítulo 34 / Procesamiento de circuitos integrados Sección 34.4 / Procesos de formación de capas en la fabricación de circuitos integrados
(8) Elim inación de la resistencia. D espués del ataque quím ico, debe rem overse el recubri m iento de resistencia que queda en la superficie. La elim inación se lleva a cabo utilizando técnicas con líquidos o en seco. La elim inación con líquidos utiliza líquidos quím icos; es común una m ezcla de ácido sulfúrico y peróxido de hidrógeno (H2S 0 4- H 20 2). La elim ina ción en seco utiliza el ataque quím ico con plasma e incluye el oxígeno como gas reactivo.
constituyen las áreas aislantes, sem iconductoras y conductoras que forman los dispositivos y sus interconexiones en los circuitos integrados. Las capas se fabrican una por una, paso por paso, cada capa tiene una configuración diferente y cada una requiere una m ascarilla fotolitográfica individual, hasta que todos los detalles m icroscópicos de los dispositivos electrónicos y de las pistas conduc toras se han construido sobre la superficie de la oblea.
Pese a que nuestro ejem plo describe el uso de la fotolitografía para rem over una película delgada de S i0 2 de un sustrato de silicio, se sigue el mismo procedim iento básico para otros pasos del procesamiento. El propósito de la fotolitografía en todos estos pasos es exponer regiones específi cas bajo la capa de material fotorresistente, de modo que el proceso se realice sobre las regiones expuestas. En el procesam iento de una oblea determinada, la fotolitografía se repite tantas veces com o sea necesario para producir el circuito integrado deseado y utiliza cada vez una m ascarilla diferente para definir el patrón adecuado.
34.3.2
En esta sección consideram os los procesos de la oblea que se utilizan para agregar, alterar y sustraer capas. Entre los procesos que agregan o alteran capas a la superficie están: 1) la oxidación térm ica, la cual se utiliza para acum ular una capa de dióxido de silicio sobre el sustrato de silicio; 2) la deposición quím ica de vapor, un proceso versátil utilizado para aplicar varios tipos de capas en la fabricación de circuitos integrados; 3) la difusión e im plantación de iones, utilizada para alterar la quím ica de una capa o sustrato existentes y 4) varios procesos de m etalización, los cuales agregan capas de metales para proporcionar regiones de conducción eléctrica a la oblea. Por últi mo, 5) se utilizan varios procesos de ataque quím ico para rem over porciones de capas que se han agregado a fin de obtener los detalles deseados en los circuitos integrados.
Otras técnicas de litografía Conforme el tamaño de los circuitos integrados continúe dism inuyendo y la fotolitografía UV se vuelva cada vez m enos adecuada, aum entarán en importancia otras técnicas de litografía que ofre cen una resolución más alta. Estas técnicas son la litografía con haz de electrones, la litografía con rayos x y la litografía con iones. En los siguientes párrafos proporcionam os breves descripciones de estas opciones. Para cada técnica se requieren materiales resistentes especiales que reaccionan al tipo de radiación particular . La litografía con haz de electrones (haz E) presenta la ventaja de una longitud de onda más corta com parada con la fotolitografía UV, de este m odo se elim ina virtualm ente la difracción durante la exposición de la resistencia y perm ite una resolución más alta de la im agen. O tra ven taja potencial es que un haz de electrones puede dirigirse para exponer sólo ciertas regiones de la su p erficie de la ob lea, y p o r tan to se elim in a la n ecesidad de una m ascarilla. D esafortunadam ente, los sistem as de haces de electrones de alta calidad son dem asiado costosos. A sim ism o, debido a una naturaleza secuencial que consum e m ucho tiem po por el m étodo de exposición, los rangos de producción son bajos com parados con las técnicas de m ascarilla de la litografía óptica. Por esta razón, la utilización de la litografía con haz de electrones tiende a estar lim itada a cantidades de producción pequeñas. Las técnicas con haz de electrones se utilizan am pliam ente en la elaboración de las m ascarillas para litografía UV. La litografía con rayos x ha venido desarrollándose desde 1972. Igual que en la litografía con haz de electrones, las longitudes de onda de los rayos x son m ucho más pequeñas que las de la luz UV; de este m odo, presentan la prom esa de una imagen más fina durante la exposición de la resistencia. Los rayos x son difíciles de enfocar durante la litografía. C om o consecuencia, se debe utilizar la im presión por proxim idad o contacto, y debe usarse una pequeña fuente de rayos x a una distancia relativam ente grande de la superficie de la oblea para obtener una buena resolución de la imagen a través de la mascarilla. Los sistemas de litografía con iones se dividen en dos categorías: 1) sistem as enfocados de haces de iones, cuya operación es sim ilar a los sistemas de haces de electrones y, adem ás, evita la necesidad de una m ascarilla; y 2) los sistem as con mascarilla de haces de iones, los cuales exponen la resistencia a través de una m ascarilla mediante impresión por proxim idad. C om o sucede con los sistemas de haces de electrones y rayos x, la litografía con iones produce una m ejor resolución en
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34.4.1
Oxidación térmica La oxidación de una oblea de silicio se lleva a cabo varias veces durante la fabricación de un CI. El dióxido de silicio (SÍO2) es un aislante, que contrasta con las propiedades sem iconductoras del sili cio. La facilidad para producir una película delgada de S i0 2 en la superficie de una oblea de silicio es una de las características atractivas del silicio com o un materia! semiconductor. El dióxido de silicio cum ple una serie de funciones im portantes en la fabricación de circuitos integrados [13]: 1) se utiliza com o una m ascarilla para prevenir la difusión o la implantación de iones de los materiales de revestim iento en el silicio; 2) se usa para aislar dispositivos en el circuito; 3) es un com ponente crítico en algunos tipos de dispositivos con sem iconductores con una base de óxido metálico (M O S) y 4) proporciona aislam iento eléctrico entre los niveles en sistemas de m eta lización de varios niveles. Durante la manufactura de semiconductores se utilizan varios procesos para formar el S i0 2, dependiendo del momento en el que debe agregarse el óxido durante la fabricación del chip. El proce so más común es la oxidación térmica, que es adecuada para la acumulación de las películas de SiO-> sobre sustratos de silicio. En la oxidación térmica, la oblea se expone a una atmósfera de oxidación a una temperatura elevada; se usan atmósferas de oxígeno o vapor, y se producen las siguientes reac ciones, respectivamente: Si + 0 2 - » S i 0 2
(34.3)
Si + 2H 20 —> S ¡ 0 2 + 2H 2
(34.4)
Las tem peraturas típicas que se utilizan en la oxidación térm ica del silicio varían entre 1650 y 2350 °F (900 y 1300 °C). Controlando la tem peratura y el tiempo, se obtienen películas de óxidos con espesores predecibles. Las películas producidas por la oxidación térm ica poseen una estructura am orfa, una buena uniformidad y una baja incidencia de fallas por hundim ientos y defectos sim i lares. Las ecuaciones m uestran que el silicio en la superficie de la oblea se consum e durante la reac ción, com o seobserva en la figura 34.12. Para acum ular una película de S i0 2de un espesor d se requiere una capa de silicio con un espesor de 0.44
la imagen que la fotolitografía con UV convencional.
C uando una película de dióxido de silicio debe aplicarse a superficies diferentes al silicio, la oxidación térm ica directa no es adecuada. Se debe u tilizar un proceso alternativo, tal com o la deposición quím ica de vapor.
34.4 PROCESOS DE FORMACIÓN DE CAPAS EN LA FABRICACIÓN DE CIRCUITOS INTEGRADOS
34.4.2
Los pasos para producir un circuito integrado involucran procesos quím icos y físicos para agregar, alterar o remover regiones de la oblea de silicio que ha sido definida por la litografía. Estas regiones
Deposición química de vapor
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La deposición quím ica de vapor (CV D , por sus siglas en inglés) im plica la acum ulación de una película fina sobre la superficie de un sustrato recalentado m ediante reacciones quím icas o me-
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Sección 34.4 / Procesos de formación de capas en la fabricación de circuitos integrados
Capítulo 34 / Procesamiento de circuitos integrados
(1)
D e p o sic ió n ep ita x ial U n proceso relacionado para acum ular una película en un sustrato se denomina deposición epitaxial, el cual se distingue porque la película tiene una estructura crista lina que es una extensión de la estructura del sustrato. Si el material de la película es el mismo que el del sustrato (por ejem plo, silicio sobre silicio), la rejilla del cristal será idéntica y será la conti nuación del cristal de la oblea. Existen varias técnicas para realizar la deposición epitaxial: 1) epitaxia de fase de vapor, 2) epitaxia de fase líquida y 3) epitaxia con haz molecular. La epitaxia de fa s e de vapor es la más importante en el proceso de sem iconductores y se basa en la deposición quím ica de vapor. El proceso para acum ular silicio sobre silicio se lleva a cabo bajo condiciones altam ente controladas a tem peraturas más altas que las de la CV D convencional del silicio, utilizando gases diluidos que reaccionan para hacer más lento el proceso, de manera que la capa epitaxial pueda form arse exitosam ente. Existen varias reacciones posibles, incluyendo la ecuación (34.7), pero el proceso industrial de m ayor uso im plica la reducción del hidrógeno desde el gas de tetracloruro de silicio (S iC l4) aproxim adam ente a 2000 °F (1100 °C) del m odo siguiente:
(2)
FIGURA 34.12 Acumulación de la película de S i0 2 sobre un sustrato de silicio mediante oxidación térmica mostrando los cambios que ocurren en los espesores: (1) antes de la oxidación y (2) después de la oxidación térmica.
diante la descomposición de gases (sección 33.4). La CV D se utiliza am pliam ente en el pro cesamiento de obleas de circuitos integrados para agregar capas de dióxido de silicio, nitruro de sili cio (Si3N4) y silicio. La deposición quím ica de vapor de plasm a se usa con frecuencia, porque per mite que las reacciones ocurran a tem peraturas m ás bajas.
S iC l4 + 2H 2 -> Si + 4HC1
del dióxido de silicio, si la superficie de la oblea es sólo silicio (por ejem plo, al principio de la fabri cación del IC, la oxidación térm ica es el proceso adecuado m ediante el cual se debe form ar una capa de S i0 2. Si se va a acum ular una capa de óxido sobre materiales diferentes al silicio, tal com o el aluminio o el nitruro de silicio, debe utilizarse una técnica alternativa, tal com o la CVD. L a deposi ción química de vapor del S i0 2 se lleva a cabo haciendo reaccionar con oxígeno un com puesto de silicio tal como el silano, sobre un sustrato que se calienta. La reacción se realiza a aproxim ada mente 800 °F (425 °C) y se resume del m odo siguiente: (34.5)
La densidad de la película de dióxido de silicio y su adherencia al sustrato generalm ente son más pobres que las que se obtienen m ediante la oxidación térmica. En consecuencia, la CV D sólo se uti liza cuando el proceso preferido no es factible: cuando la superficie del sustrato no es silicio o cuan do no pueden tolerarse las altas tem peraturas que se utilizan en la oxidación térmica. L a CV D se usa para hacer deposiciones de capas de S i0 2 revestido, tales com o el dióxido de silicio revestido con fósforo (denominado cristal P).
34.4.3
Introducción de impurezas en el silicio
El nitmro de silicio se utiliza com o la capa de mascarilla durante la oxidación del silicio. El tiene una tasa de oxidación más baja que la del silicio, de m anera que se utiliza una mascarilla de nitruro para prevenir la oxidación en las áreas cubiertas de la superficie del silicio. El nitruro de silicio también se utiliza como capa de atenuación (protectora contra la difusión de sodio y la hu medad). Un proceso convencional de la C V D para recubrir la oblea de silicio con Si3N 4 im plica la reacción del silano con el amoniaco (N H 3) aproxim adam ente a 1700 °F (800 °C) del m odo siguiente: S Í 3N 4
3SÍH4 + 4 N H 3 ->• S i3N 4 + 12H2
, ,
•-f-.'na.-..
(34.6)
La CVD mejorada con plasma también se utiliza para tener básicamente la misma reacción de reves timiento, la ventaja es que se realiza a temperaturas mucho más bajas, alrededor de 600 °F (300 °C). El silicio policristalino (denom inado polisilicio para distinguirlo del silicio que tiene una estructura de un monocristal tal com o la oblea y el boule) tiene una serie de usos en la fabricación de circuitos integrados, entre los que se incluyen [13]: com o material conductor para term inales, electrodos de compuerta en los dispositivos M OS y también como m aterial de contacto en los dis positivos de uniones poco profundas. La deposición quím ica de vapor para revestir con polisilicio una oblea implica la reducción del silano a tem peraturas de alrededor 1100 °F (600 °C), tal com o se expresa con la siguiente fórmula:
r
0
4 ■• .557 ¿o
SiH 4 —» Si + 2H 2
(34.8)
El punto de fusión del silicio es 2570 °F (1410 °C), de modo que la reacción anterior se lleva a cabo a tem peraturas por debajo del Tm del silicio, lo cual se considera una ventaja para la epita xia de fase de vapor. Si la película epitaxial se acum ula desde la fusión, en lugar de hacerlo desde la fase de vapor, la técnica se denomina epitaxia de fa se liquida. No es una técnica común en el proce samiento del silicio, pero se utiliza en la fabricación de circuitos integrados con arsenuro de galio. La epitaxia con haz m olecular utiliza un proceso de evaporación al vacío (sección 33.3.1), en el cual se vaporiza el silicio junto con otros materiales para revestim iento y se transporta a un sus trato en una cám ara al vacío. Su ventaja es que puede llevarse a cabo a tem peraturas menores que la CVD; las tem peraturas de procesam iento están en el rango de 750 a 1400 °F (400 a 800 °C). Sin embargo, la producción es relativam ente baja y el equipo es muy costoso.
Reacciones comunes de la CVD en la fabricación de circuitos integrados En el caso
SiH 4 + 0 2-> S iO z + 2H 2
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*
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La tecnología de los C I confía en la capacidad de alterar las propiedades eléctricas del silicio, al introducir im purezas en regiones seleccionadas de su superficie. La inserción de im purezas en la superficie del silicio se denom ina dopado. El revestim iento se aplica a las regiones donde se crean las uniones p-n que form an los transistores, diodos y otros dispositivos en el circuito. Se em plea una m ascarilla de dióxido de silicio, la cual se produce m ediante oxidación térm ica y fotolitografía, para definir las regiones de silicio que serán dopadas. Los elem entos com unes que se utilizan com o impurezas son el boro (B), el cual form a las regiones aceptoras de electrones en el sustrato del sili cio (regiones tipo p); y el fósforo (P), el arsénico (As) y el antim onio (Sb) forman las regiones do nadoras de electrones (regiones tipo n). Las técnicas m ediante las cuales se dopa el silicio con estos elementos son la difusión y la im plantación de iones. D ifusión té rm ic a La difusión es un proceso quím ico en el cual los átom os em igran de regiones de alta concentración a regiones de m enor concentración (sección 32.3.1). Las tem pera turas altas aceleran el proceso. En el procesam iento de sem iconductores, la difusión se lleva a cabo para dopar el sustrato de silicio con cantidades controladas de una im pureza deseada. G eneralm ente se realiza en dos pasos: 1) predeposición y 2) conducción. En la predeposición, la fuente de dopa do se deposita sobre la superficie de la oblea a una tem peratura c ercan a a 1800 °F (1000 °C ). El dopado entra a la estructura cristalina de sustrato y reem plaza átom os de silicio hasta que se alcanza un lím ite m áxim o de concentración para la tem peratura de procesam iento. El paso de conducción es básicam ente un tratamiento térmico en el cual se redistribuye el revestimiento que se introduce en la superficie durante la predeposición, para obtener la profundi dad y el perfil de concentración adecuados. Este paso se realiza en una atm ósfera oxidante para acu m ular una película protectora de SiO^ en la parte superior de la región dopada.
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Capítulo 34 / Procesamiento de circuitos integrados
Sección 34.4 / Procesos de formación de capas en la fabricación de circuitos integrados
vapor y electrodeposición. Entre los procesos de deposición física de vapor (PVD) pueden aplicarse la evaporación al vacío y el bom bardeo con partículas atómicas (sputtering). La evaporación al vacío (sección 33.3.1) se aplica para la m etalización del aluminio. La vaporización usualm ente se realiza m ediante el calentam iento de la resistencia o la evaporación de un haz de electrones. La evaporación es difícil o im posible para metales refractarios y sus com puestos. El sputtering (sec ción 33.3.2) puede utilizarse para depositar aluminio, así como m etales refractarios y algunos com puestos metalizantes. Tiene una m ejor cobertura del paso que la evaporación, esta característica es im portante después de m uchos ciclos de procesamiento, cuando el contom o de la superficie se ha hecho irregular. Sin em bargo, las tasas de deposición son inferiores y el equipo es más costoso. La deposición química de vapor (CVD) también se aplica como una técnica de metalización. Sus ventajas de procesamiento incluyen una excelente cobertura del paso y buena tasa de deposición. Los materiales adecuados para la CV D incluyen el tungsteno, el molibdeno y la mayoría de los siliciuros que se utilizan en la metalización de semiconductores. La CVD para la metalización en el procesamien to de semiconductores es menos común que la PVD. Por último, la electrodeposición (sección 33.1.1) se utiliza algunas veces en la fabricación de IC para aumentar el espesor de las películas delgadas.
Implantaciones de iones En la im plantación de iones, los iones vaporizados del elem en to de impureza se aceleran mediante un cam po eléctrico y se dirigen hacia la superficie del sustra to de silicio (sección 32.3.2). Los átom os que penetran en la superficie, pierden energía y finalmente se detienen en algún punto de profundidad dentro de la estructura de cristal, el punto de profundi dad promedio se determ ina m ediante la m asa del ion y el voltaje de aceleración. Los voltajes más elevados producen profundidades de penetración más altas, por lo general de varios cientos de angstroms. Las ventajas de la im plantación de iones están en que se realiza a tem peratura ambiente y proporciona una densidad de revestim iento exacta. El problema que existe con la implantación iónica es que los choques de iones dañan y corrom pen la estructura de rejilla de los cristales. Las condiciones de alto nivel energético pueden transfor mar el material inicial cristalino en una estructura amorfa. Este problema se soluciona recociendo a temperaturas entre 1000 y 1800 °F (500 y 900 °C), lo cual permite que la estructura de la rejilla se repare a sí misma y regrese a su estado cristalino. La implantación de iones tiene com o resultado penetraciones menores que las que se obtienen mediante difusión — aunque son adecuadas para nive les de una escala de integración muy alta, en los cuales los dispositivos tienen bajas profundidades de impureza. La facilidad para controlar y reproducir la implantación de iones es m ejor que en la difusión. Estas ventajas han traído com o resultado que la implantación iónica se haya convertido en el proceso preferido para revestimiento en la tecnología de semiconductores desde su introducción en los años setenta.
34.4.4
34.4.5
Ataque químico
Metalización Los materiales conductores deben depositarse sobre la oblea durante el procesam iento para que cumplan varias funciones: 1) form ar algunos com ponentes (por ejemplo, las com puertas) de los dispositivos en el CI, 2) proporcionar las trayectorias de conducción que interconectan los dispo sitivos dentro del chip y 3) conectar el chip con los circuitos extem os. Para satisfacer estas fun ciones, los m ateriales conductores deben form arse en patrones muy finos. El proceso para fabricar estos patrones se conoce com o m etalización, y com bina varias tecnologías de deposición de pelícu las finas con la fotolitografía. En esta sección estudiarem os los materiales y procesos que se utilizan en la metalización. L a conexión del chip con el sistem a de circuitos extem os tam bién im plica el encapsulado del CI, el cual se explora en la sección 34.6.
Materiales para metalización Es conveniente que los materiales que se utilizan en la me talización de los circuitos integrados basados en silicio tengan algunas propiedades relacionadas con su función eléctrica, mientras que otras se relacionan con el proceso de manufactura. Las propiedades convenientes en un m aterial de metalización son [4, 13]: 1) baja resistividad, 2) baja resistencia de contacto con el silicio, 3) buena adherencia al material que está debajo de él, por lo general silicio o S i0 2, 4) facilidad para deposición y compatibilidad con la fotolitografía, 5) estabili dad química, no corrosivo, no reactivo y no contaminante, 6) estabilidad física durante todas las tem peraturas que se encuentran en el procesam iento y 7) buena estabilidad de su tiempo de vida. Pese a que ningún m aterial cum ple todos estos requerimientos de m anera perfecta, el alu m inio satisface la m ayoría de ellos bastante bien o en form a adecuada y, por tanto, es el m aterial de metalización de m ayor uso. El alum inio generalm ente se mezcla con pequeñas cantidades de: 1) silicio, para reducir la reactividad con el silicio del sustrato, y 2) cobre, para inhibir la electrom igración de los átom os de alum inio que puede provocar el flujo de corriente cuando el C I está en servicio. Otros m ateriales que se usan para la m etalización en los circuitos integrados son el polisilicio (Si), el oro (A u), los m etales refractarios (por ejemplo, W y Mo); los siliciuros (por ejem plo, W Si2, M oSii, TaSÍ2), y nitruros (por ejem plo, TaN, TiN y ZrN). Estos materiales generalm ente se utilizan en aplicaciones tales com o las com puertas y los contactos. En general, se prefiere el alu- . minio para las interconexiones entre los dispositivos y los sistemas de circuitos extem os. Procesos de metalización E xisten una serie de procesos para llevar a cabo la m etaliza- : ción en la fabricación de circuitos integrados: deposición física de vapor, deposición quím ica de |
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Todos los procesos anteriores en esta sección incluyen la adición de un material a la superficie de la oblea, ya sea com o una película delgada o el dopado de la superficie con un elem ento de im pu reza. A lgunos pasos dentro de la m anufactura de circuitos integrados requieren que se rem ueva parte del m aterial de la superficie; esto se lleva a cabo mediante el ataque quím ico del m aterial no deseado. El ataque quím ico usualm ente se realiza de m anera selectiva, cubriendo las áreas de la superficie que deben protegerse y dejando las otras áreas expuestas para su ataque químico. El recubrim iento puede ser un m aterial resistente a la luz y al ataque quím ico, o puede ser una capa previamente aplicada de un m aterial tal com o el dióxido de silicio. M encionarem os brevemente el ataque quím ico en nuestro análisis sobre la fotolitografía. Este artículo proporciona algunos de los detalles técnicos en la fabricación de CI. Existen dos categorías principales del proceso de ataque quím ico en el procesam iento de semiconductores: ataque quím ico con líquidos y el ataque quím ico con plasm a. El ataque químico con líquidos es el m ás antiguo de los dos procesos y el más fácil de utilizar. Sin em bargo, se han evidenciado algunas desventajas ante el creciente uso del ataque quím ico con plasma.
Ataque químico por vía húmeda El ataque quím ico p o r vía húm eda im plica el uso de una solución acuosa, usualm ente un ácido, para diluir el material objetivo. El producto se selec ciona debido a que ataca quím icam ente al material específico que ha de rem overse y no a la capa protectora que se utiliza com o mascarilla. Algunos elem entos disolventes que se utilizan para rem over m ateriales en el proceso de las obleas se enlistan en la tabla 34.3. En su form a más simple, durante el proceso se sumergen las obleas con sus respectivas mas carillas en un disolvente adecuado por un tiempo específico, inmediatamente después se someten a un proceso com pleto de enjuague para detener el ataque químico. Las variables del proceso, tales
TABLA 34.3 Productos quím icos com unes utilizados en el procesam iento de sem iconductores. M aterial q u e se va a rem over
R eactivo de ataq u e qu ím ic o (usualm ente en solución acuosa)
Aluminio (Al)
Mezcla de ácido fosfórico (H3 PO4 ), ácido nítrico (HNOj) y ácido acético (CH3 COOH) Mezcla de ácido nítrico (HNO3 ) y ácido fluorhídrico (HF) Ácido fluorhídrico (HF) Ácido fosfórico caliente (H3 PO4 )
—
Silicio (Si) Dióxido de silicio (SÍO2 ) Nitruro de silicio (SÍ3 N4 )
--
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Sección 34.5 / Integración de los pasos de fabricación
Capítulo 34 / Procesamiento de circuitos integrados
FIGURA 34.15 (a) Un ataque químico totalmente anisotrópico y (b) un ataque químico parcialmente anisotrópico, con A = 1.3 aproximadamente.
como el tiempo de inmersión, la concentración del disolvente y la temperatura, son importantes para determinar la cantidad de material que se remueve. U na capa que se ha atacado adecuadamente tendrá el perfil que se muestra en la figura 34.13. Observe que la reacción del ataque químico es isotrópica (procede de igual modo en todas direcciones), produciendo un corte hacia abajo de la mas carilla protectora. En general, el ataque quím ico por vía húm eda es isotrópico; por esta causa el patrón de la mascarilla debe tener el tamaño adecuado para compensar este efecto.
En el ataque quím ico con p lasm a, la función del gas ionizado es generar átom os o m olécu las que sean quím icam ente muy reactivos, para que la superficie objetivo se diluya quím icam ente con la exposición. Los materiales del ataque quím ico con plasm a usualm ente se basan en los gases de flúor o de cloro. E n general, la selectividad de la disolución es más problem ática en el ataque quím ico con plasm a que en el ataque quím ico por vía húm eda. Por ejem plo, la selectividad de d i solución para el S i0 2 sobre el Si en un proceso de ataque quím ico con plasm a com ún es en los mejores casos 15 veces [5], com parado con lo ilimitado del ataque quím ico con HF. Una función alternativa del gas ionizado puede ser bom bardear físicam ente el m aterial obje tivo, causando que los átomos salgan expulsados de la superficie. Éste es el proceso de bom bardeo con partículas atóm icas (sputtering), una de las técnicas en la deposición de vapores físicos. C uando se utiliza para ataque quím ico, el proceso se denom ina ataque quím ico por bom bardeo o sputter ing. Pese a que esta form a de ataque quím ico se ha aplicado en el procesam iento de sem iconduc tores, es m ucho más com ún com binar el sputtering con el ataque quím ico con plasm a com o se describió antes, lo cual trae com o resultados el proceso que se conoce como ataque quím ico con iones reactivos. Éste produce tanto ataques químicos com o físicos sobre la superficie objetivo. La ventaja de los procesos de ataque químico con plasm a sobre los de ataque quím ico por vía húmeda es que los prim eros son muy anisotrópicos. Esta propiedad se define rápidam ente hacien do referencia a la figura 34.15. E n la parte (a), se m uestra un ataque quím ico totalm ente anisotrópi co; el corte hacia abajo de la superficie es cero. El grado en el cual un proceso de ataque quím ico
Observe también que el disolvente no ataca a la capa debajo del material objetivo de nuestra ilustración. En el caso ideal, se formula una solución disolvente para que sólo reaccione con el mate rial objetivo y no con otros materiales en contacto con él. En casos prácticos, los otros materiales expuestos al disolvente pueden ser atacados, pero en un menor grado que el material objetivo. La selectividad de ataque químico del disolvente es la relación del rango de disolución entre el material objetivo y algún otro material que se utiliza com o mascarilla o como el material de sustrato. Por ejem plo, la selectividad del ataque quím ico del ácido fluorhídrico para el S i0 2 sobre silicio es infinita. Si el control de proceso no es adecuado puede ocurrir que el ataque químico sea excesivo o muy débil, como se muestra en la figura 34.14. El ataque débil, en el cual la capa objetivo no se remueve completamente, se produce cuando el tiempo de disolución es demasiado corto o la solución de ataque es débil. El ataque excesivo implica una pérdida del material objetivo que ha de removerse, con lo cual se pierde la definición del patrón y es posible que se dañen las áreas que se encuentran debajo de la capa objetivo. El ataque excesivo se produce por una sobreexposición al disolvente. A taq u e q u ím ic o c o n p la sm a s e c o El ataque quím ico con plasm a seco utiliza un gas io nizado para disolver el material objetivo. El gas ionizado se crea introduciendo una m ezcla ade cuada de gases en una cám ara al vacío y utilizando energía eléctrica de radio frecuencia (RF) para ionizar una parte del gas, y de esta m anera crear un plasm a. El plasm a de alta energía reacciona con la superficie objetiva y vaporiza el m aterial que se va a remover. Existen varias form as en las cuales se usa un plasm a para disolver un m aterial; los dos procesos principales en la fabricación de CI son el ataque quím ico con plasm a y el ataque quím ico con iones reactivos.
FIGURA 34.14
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es anisotrópico se define como la relación: A = u
(34.9)
A = grado de anisotropía; d = profundidad del ataque químico, que en la mayoría de los casos será el espesor de la capa diluida y u = la dimensión del corte hacia abajo, com o se ilustra en la figura 34.15(b). El ataque químico por via húmeda usualmente tiene valores de A aproximados a 1.0, que indican un ataque químico isotrópico. Con la deposición electrónica, el bombardeo de iones de la superficie es casi perpendicular y provocan valores de A que se aproximan al infinito — casi totalmente anisotrópicos. El ataque químico con plasm a y el ataque químico con iones reactivos tienen altos niveles de anisotropía, pero inferiores a los que se consiguen con el ataque químico por sputtering. Conforme los tamaños de los CI continúan disminuyendo, la anisotropía se convierte cada vez más en un factor de importancia
Dos problemas en el ataque químico: (a) un ataque químico débil y (b) un ataque excesivo.
para conseguir los niveles requeridos de tolerancia de dimensiones. ? ''.-.v .
34.5
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INTEGRACIÓN DE LOS PASOS DE FABRICACIÓN i ~ n_ - . En la secciones 34.3 y 34.4 exam inam os las tecnologías de procesam iento individuales que se uti—----------- lizan en la fabricación de CI. E n esta sección, m ostram os la m anera en que estas tecnologías se
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combinan en una secuencia de pasos para producir un CI.
Sección 34.6 / Encapsulado de circuitos integrados
Capítulo 34 / Procesamiento de circuitos integrados
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La secuencia de procesam iento planar consiste en la fabricación de una serie de capas de materiales diversos en áreas seleccionadas de un sustrato de silicio. Las capas form an regiones aislantes, sem iconductoras o conductoras sobre el sustrato, para crear los dispositivos electrónicos particulares que requiere el CI. Las capas también pueden tener la función tem poral de m ascarilla para ciertas áreas, de modo que un proceso en particular sólo se aplique a las partes deseadas de la superficie. D espués, se remueve la mascarilla. Las capas se forman mediante oxidación térmica, acum ulación epitaxiai. deposición quím ica de vapor, deposición física de vapor, difusión e implantación de iones. En la tabla 34.4, resum im os los procesos que se utilizan com únm ente para agregar o alterar una capa de un tipo de m aterial determinado. El uso de la litografía para aplicar un proceso particular sólo a las regiones selec cionadas de una superficie se ilustra en la figura 34.16. A quí será de utilidad un ejem plo para m ostrar el proceso de integración en la fabricación de circuitos integrados. U tilizarem os un dispositivo lógico sem iconductor con una base de óxido m etá lico (NM OS) de n canales para ilustrar la secuencia de procesamiento. L a secuencia para los cir cuitos integrados N M O S es m enos com pleja que la que se requiere para las tecnologías bipolares o CMOS, pese a que los procesos para estas categorías de circuitos integrados son básicam ente sim i lares. El dispositivo que se va a fabricar se ilustra en la figura 34.1.
FIGURA 34.17 Secuencia en la fabricación de circuitos integrados: (1) la mascarilla de SI3N4 se deposita mediante CVD en el substrato de SI; (2) el SI02 crece m ediante oxidación térmica en las regiones sin mascarilla; (3) se remueve la mascarilla de SIjN4; (4) crece una delgada capa de S i0 2 por medio oxidación térmica; (5) se deposita el polisilicio mediante CVD y se dopa n+ utilizando la implantación iónica; (6) se ataca químíca y selectivamente con el polisilicio mediante fotolitografía para definir el electrodo de compuerta; (7) se forman las regiones fuente y de drenaje por dopado n + en el sustrato y (8) se deposita el cristal p sobre la superficie para protección.
El sustrato inicial es una oblea de silicio ligeramente dopada de tipo p . que form ará la base del transistor de n canales. Los pasos del procesam iento se ilustran en la figura 34.17 y se describen aquí (algunos detalles se sim plificaron y se om itió el proceso de metalización para los dispositivos de interconexión). (1) Se deposita una capa de Si3N4 mediante CVD sobre el sustrato de Si, uti lizando fotolitografía para definir las regiones. Esta capa de Si3N4 servirá com o m ascarilla para el proceso de oxidación térm ica en el siguiente paso. (2) Se acum ula el S i0 2 en las regiones expues tas de la superficie, m ediante oxidación térmica. Las regiones de S i0 2 se aíslan y serán los medios para que este dispositivo quede aislado de los otros en el circuito. (3) Se rem ueve el S i3N 4 m edi ante ataque quím ico. (4) Se realiza otra oxidación térm ica para agregar una puerta delgada de óxido a las superficies descubiertas previam ente y para aum entar el espesor de la capa anterior de S i0 2. (5) Se deposita polisilicio en la superficie m ediante CV D y después se dopa con una carga tipo n, utilizando implantación de iones. (6) El polisilicio se ataca en forma selectiva con m aterial quím i-
co, utilizando fotolitografía para dejar el electrodo de la puerta del transistor. (7) Se forman las regiones fuente y de drenaje (n+) m ediante la implantación de iones de arsénico (As) en el sustra to. Se selecciona el nivel de energía de implantación que penetrará la capa delgada de S i0 2, pero no la com puerta del polisilicio o la capa de aislamiento de S i0 2 m ás gruesa. (8) Se deposita sobre la superficie un cristal de fosfosilicato (cristal p) mediante C V D , para proteger a la circuitería de abajo.
TABLA 34.4 M ateriales de capas que se agregan o alteran en la fabricación de IC y en los procesos asociados. Material de la capa (función)
Proceso típico de fabricación
Si, polisilicio (semiconductor) Si, epitaxiai (semiconductor) Recubrimiento de Si (tipo n o p) S i02 (aislante, mascarilla) S¡jN (mascarilla) Al (conductor) Cristal P (protección)
(CVD) Epitaxia de tase de vapor Implantación iónica, difusión Oxidación térmica, CVD CVD (PVD), CVD CVD
4
34.6
ENCAPSULADO DE CIRCUITO S INTEGRADOS
FIGURA 34.16 Formación de las capas de manera selectiva mediante el uso de mascarillas: (a) oxidación térmica del silicio, (b) recubrimiento selectivo y (c) deposición de un material en un sustrato.
.K ‘i L¡ Mascarilla de Si3N4
-S ¡0 2
Si —
,
Región ^dopada
Resistencia—\
V _ , . Resis,encia- \
f
Capa depositada
(a)
M
•-
.1 3 .
(b)
(c) www.FreeLibros.com
Al finalizar todos los pasos del procesam iento de la oblea, debe llevarse a cabo una serie de opera ciones finales para transform ar la oblea en chips individuales, listos para conectarse a los circuitos extem os y preparadas para soportar el ambiente hostil que prevalece afuera de la sala estéril. Es tos pasos finales se conocen com o encapsulado del CI. C om o verem os en el siguiente capítulo, el encapsulado se extiende más allá de la preparación de los chips individuales para CI. El encapsulado de circuitos integrados tiene que ver con tem as de diseño tales como: 1) conexiones eléctricas hacia los circuitos extem os; 2) los m ateriales para encapsular los chips y pro tegerlos del m edio (la humedad, la corrosión, la temperatura, la vibración, los impactos m ecánicos); 3) la disipación del calor; 4) el rendim iento, la confiabilidad y vida de servicio y 5) los costos. También existen temas de m anufactura que se relacionan con el encapsulado, entre los cuales están: 1) la separación de los chips (el corte de la oblea en pastillas individuales), 2) la conexión del chip al encapsulado, 3) el encapsulado del chip y 4) la prueba del circuito. Los tem as de manu factura son los de m ayor interés en esta sección. Pese a que la m ayoría de los tem as de diseño se abarcan de m anera adecuada en otros textos [7, 9, 12], exam inarem os algunos de los aspectos de ingeniería del encapsulados de circuitos integrados y los tipos disponibles antes de describir los pasos del proceso para hacerlo.
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Sección 34.6 / Encapsulado de circuitos integrados
Capitulo 34 / Procesamiento de circuitos integrados
34.6.1
Tablero de circuito impreso
Diseño del encapsulado de circuitos integrados En esta sección considerarem os tres tem as relacionados con el diseño del encapsulado de circuitos integrados: 1) la cantidad de term inales de entrada/salida que requiere un CI de un tam año deter minado, 2) los m ateriales que se utilizan en los encapsulados de circuitos integrados y 3) los esti los de encapsulados. Determinación de la cantidad de terminales de entrada/salida El problem a básico de ingeniería en el encapsulado de circuitos integrados es conectar los diversos circuitos internos a las terminales de entrada/salida (E/S), para que puedan comunicarse las señales eléctricas adecuadas entre el CI y el m undo exterior. Conform e aumenta la cantidad de dispositivos en un CI, tam bién se incrementa el núm ero requerido de conexiones (term inales) de E/S. El problem a se agrava con las tendencias en la tecnología de sem iconductores que han llevado a dism inuciones en el tam año de los dispositivos y al aum ento en la cantidad de los dispositivos que pueden encapsularse en un CI. A fortunadamente, el núm ero de term inales de E/S no tiene que ser igual a la cantidad de dis positivos en el CI. La dependencia entre los dos valores se determ ina de acuerdo con la regla de Rent, bautizada en honor al ingeniero de IBM que definió la siguiente relación, alrededor de 1960: n io = C n ”
(34.10)
donde n,0 = cantidad de term inales de entrada/salida requeridas; nc = cantidad de circuitos en el CI, usualmente se tom a del número de puertas lógicas; y C y m son parám etros en la ecuación. Los va lores comúnmente aceptados para C y m son 4.5 y 0.5 para un circuito m icroprocesador m oderno VLSI [7, 13], Sin em bargo, los parám etros de la regla de Rent dependen del tipo de circuito. Los disposi tivos de memoria requieren menos term inales de E/S que los m icroprocesadores, debido a la estruc tura de columnas y renglones en las unidades de memoria. Los valores para un dispositivo de m e moria estática publicados en [ 1] son: C = 6 .0 y m = 0.12. Un cálculo alternativo del núm ero de terminales de entrada/salida en una m em oria estática supone que utiliza la codificación de direc ciones para diseñar el dispositivo [7]; esto perm ite que las celdas de m em oria en el dispositivo se configuren en un arreglo de dos dim ensiones y en una tabla de verdad binaria para obtener el acce so a cada celda. Basándose en esta suposición, el valor de nio se determ ina mediante: nio = 1.4427 ln(nc)
(34.11)
en donde nc = cantidad de celdas de m em oria; y la constante 1.4427 es l/ln (2 ). Puede m ostrarse que la configuración más eficiente de las celdas de memoria en un dispositivo es un arreglo c u a drado (2 dimensiones iguales) y el núm ero total de celdas debe ser una potencia entera de 2 , dado que el número de term inales de E/S nio debe ser un entero. Materiales para encapsulado de circuitos integrados El sellado del encapsulado im plica cubrir el chip del C I con un m aterial adecuado. Dos tipos de m ateriales dom inan la tecnolo gía de encapsulado actual: cerám icos y plásticos. El metal se utilizaba en los prim eros diseños de encapsulado, pero actualm ente ya no es de importancia, excepto para las estructuras de las ter minales.
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El material de encapsulado cerám ico com ún es la alúmina (AI2O 3). Las ventajas de un encap sulado cerámico incluyen un sellado herm ético del chip del CI y la capacidad para producir en capsulados de alta com plejidad. Las desventajas incluyen un deficiente control de las dim ensiones, debido a la contracción durante el quem ado y la alta constante dieléctrica de la alúmina. Los encapsulados plásticos de los CI no se sellan herméticamente, pero su costo es m enor que el de los cerámicos. G eneralm ente se utilizan para circuitos integrados producidos en form a m asi va, en donde no se requiere una alta confiabilidad. Los plásticos que se utilizan en el encapsulado de CI incluyen los epóxicos, las poliim idas y las siliconas.
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vmm\ (d) FIGURA 34.18 Tipos de unión de las terminales en un tablero de circuitos impresos: (a) de inserción y varios estilos de tecnología de montaje en superficie: (b) terminal empalmada, (c) terminal en J y (d) terminal en ala.
Estilos de encapsulados en CI Existe una alta variedad de estilos de encapsulados para circuitos integrados que cumplen con los requerimientos de entrada/salida que se indicaron antes. Virtualmente en todas las aplicaciones, el CI es un componente de un gran sistem a electrónico y en la mayoría de los sistem as electrónicos debe conectarse a un tablero de circuitos impresos (en inglés prinied circuit board, PCB). Existen dos grandes categorías para m ontar un com ponente a un PCB, como se m uestra en la figura 34.18: montaje de inserción y de superficie. En la tecnología de m on taje de inserción, también conocida com o tecnología de pin in hole (PIH, por sus siglas en inglés), el encapsulado del CI y otros com ponentes electrónicos (por ejem plo, resistores y capacitores sepa rados) tienen term inales que se insertan a través de las perforaciones en el tablero y se sueldan por la parte inferior. En la tecnología de m ontaje de superficie (en inglés surface m ount technology, SMT), los com ponentes se conectan a la superficie de la tarjeta (o en algunos casos a ambas super ficies de la tarjeta). En la categoría de montaje de superficie existen varias configuraciones de ter minales, como se ilustra en las partes (b), (c) y (d) de la figura. Entre los principales estilos de encapsulados de CI están: 1) el encapsulado dual en línea, 2) el encapsulado cuadrado y 3) el arreglo de rejilla de pines. Algunos de ellos están disponibles en los dos estilos de montaje, de inserción y de superficie, mientras que otros se diseñan especialm ente para un m étodo de m ontaje. El encapsulado dual en linea (en inglés dual in line package, D IP) es actualm ente la forma de encapsulado m ás com ún para circuitos integrados, y se encuentra disponible en las configura ciones de m ontaje de inserción y de superficie. Tiene dos hileras de term inales (conexiones) a cada lado de su cuerpo rectangular, como en la figura 34.19. En el D IP convencional de inserción, el espaciamiento entre las terminales (distancia de centro a centro) es de 0.1 pulg (2.54 mm), y la can tidad de terminales varía de 8 a 64. El espaciamiento de las perforaciones en el DIP de inserción está delimitado por la capacidad de hacer las perforaciones lo suficientem ente cercanas en un tablero de circuitos impresos. Esta limitación se reduce en la tecnología de montaje de superficie, debido a que las term inales no se insertan en la tarjeta; el espaciam iento estándar entre term inales para los DIP de montaje de superficie es de 0.05 pulgadas (1.27 mm). La cantidad de term inales en un DIP está limitada por su form a rectangular, en la cual las ter minales se proyectan únicam ente en dos lados; esto significa que el número de term inales en cualquier lado es n-J2. Para valores altos de nio (entre 48 y 64), las diferencias en las longitudes
FIGURA 34.19 El encapsulado dual en línea con 16 terminales se muestra aquí, en su configuración de inserción.
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Sección 34.6 / Encapsulado de circuitos integrados
Capítulo 34 / Procesamiento de circuitos integrados
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sondas para prueba, utilizando una tabla x -y de alta precisión para indexar la oblea desde el lugar de un chip hasta el siguiente. Separación de los chips El siguiente paso después de la prueba es cortar la oblea en chips individuales (en inglés dice)-, se utiliza una navaja delgada con punta de diam ante para realizar la operación de corte. La m áquina de corte es altamente autom ática y su alineación con los “trazos o canales", en inglés “streets”, entre los circuitos es muy exacta. La oblea se adhiere a un pedazo de tela adhesiva, el cual a su vez se m onta en un marco. La tela adhesiva sostiene los chips individuales en su lugar durante y después del proceso de corte; el m arco es un elem ento conveniente en los pasos subsecuentes para el m anejo de las pastillas. Los chips con puntos de tinta se descartan en este momento.
FIGURA 34.20 Portador de pastilla cuadrado de terminales (LCC) para el montaje en superficie con terminales en
de conducción entre las term inales del centro del D IP y las de los extrem os provocan problem as en las características eléctricas de alta velocidad. Algunos de estos problem as se reducen con un encapsulado cuadrado, en el cual las terminales se ordenan en la periferia, de modo que la cantidad de terminales en un lado es Un ejem plo com ún de un encapsulado cuadrado es el portador de chips. Los portadores de chips se utilizan para reducir los requerimientos de espacio del encapsu lado comparados con los del DIP y frecuentem ente se consideran cuando el número de terminales es m ayor de 48. El espaciam iento estándar entre term inales es de 0.05 pulg (1.26 mm) y la canti dad de terminales puede ser hasta de 124. Los portadores de chips vienen en varias form as, las dos principales categorías son el portador de chips con term inales (en inglés leaded chip carrier, LCC), diseñado para el montaje de inserción o de superficie; y el portador de chips sin term inales ( en inglés leadless chip carrier, LLCC), el cual no tiene terminales y se m onta sobre un com ponente base que se acopla a él. El LCC de montaje de superficie se ilustra en la figura 34.20. Los encapsulados cuádruples rectangulares (encapsulados cuádruples) son una versión reducida del portador de chips, diseñado únicamente para la tecnología de montaje en superficie. Su perfil es más delgado, y sus terminales (las cuales se proyectan hacia afuera en lugar de hacia abajo) tienen una distancia de centro a centro m enor que el portador de chips, hasta llegar a un nivel de 0.020 pulg (0.5 mm). Incluso con un encapsulado cuadrado de chips, existe un límite superior práctico de cantidad de terminales, determ inado por el modo en el que se colocan en forma lineal dentro del encapsula do. La cantidad de term inales del encapsulado se aum enta utilizando una matriz cuadrada de pines. Un arreglo en m atriz de pines (en inglés pin grid array, PGA) consiste en un arreglo bidim ensional en la parte inferior del encapsulado de un chip cuadrado. El PGA es un encapsulado de inser ción, con un espaciam iento entre pines de 0.100 pulg (2.54 mm). En condiciones ideales, toda la superficie inferior del encapsulado la ocupan los pines, de manera que la cantidad de term inales en cada dirección es la raíz cuadrada de nio. Sin em bargo, por consideraciones prácticas, el área cen tral del encapsulado no tiene pines debido a que esta región contiene el chip del circuito integrado.
34.6.2
Unión de chips (dado) Los chips individuales ahora deben unirse a sus encapsulados individuales, un procedim iento denom inado unión de chips. D ebido al tam año m iniatura de éstos, se utilizan sistem as de m anejo autom atizados para levantar los chips separados del marco de cinta y colocarlos para su unión. Se han desarrollado varias técnicas para unir el chip al sustrato del encapsulado; describim os dos m étodos que parecen ser los más im portantes en la actualidad. La unión eutéctica de chips (dies) y la unión epóxica de chips. La unión eutéctica de m atrices, uti lizada para los encapsulados de cerám ica, consiste en los siguientes pasos: 1) se deposita una película delgada de oro sobre la superficie inferior de la pastilla; 2) la base del encapsulado cerám ico se calienta a una tem peratura superior a los 698 °F (370 °C), la tem peratura eutéctica del sistem a Au-Si y 3) la pastilla o chip se une al patrón de m etalización de la base calentada. En la unión epóxica de chips, usada para los encapsulados plásticos de VLSI, se utiliza una pequeña can tidad de epóxico en la base del encapsulado (la estructura de las term inales), y el chip se coloca sobre el epóxico; éste se vulcaniza, uniendo el chip a la superficie. Unión de alambres D espués de que el chip (dado) se une al encapsulado, se hacen las cone xiones eléctricas entre los puntos de contacto en la superficie del chip y las terminales del encapsula do. Las conexiones se hacen generalm ente utilizando alambres de pequeño diámetro de aluminio u oro, como se ilustra en la figura 34.21. Los diámetros comunes de los alambres de aluminio son de 0.002 pulg (0.05 mm), y para los alambres de oro son de aproximadamente la mitad de ese diámetro (el Au tiene una conductividad eléctrica superior a la del Al, pero es más caro). Los alam bres de alum inio se unen mediante un procedim iento ultrasónico, m ientras que los alam bres de oro se unen m ediante term ocom presión, o m étodos term osónicos o ultrasónicos. La unión ultrasónica utiliza la energía ultrasónica para fundir el alam bre con el punto de conexión de la superficie. La unión con term ocom presión im plica el calentam iento de un extremo del alam bre para form ar una esfera fun dida, después la esfera se presiona contra el punto de conexión y forma la unión. La unión term osónica com bina las energías ultrasónica y térm ica para realizar la unión. Se utilizan máquinas autom áticas de unión con alam bre para llevar a cabo estas operaciones a velocidades de hasta 200 uniones por minuto.
Pasos del procesamiento en el encapsulado de circuitos integrados En manufactura, el encapsulado de un chip de circuitos integrados se divide en los siguientes pasos. 1) pruebas de la oblea, 2) separación de los chips, 3) unión de los "dies , 4) unión de los alambres y 5) sellado del encapsulado. Después del encapsulado, se realiza una prueba final funcional en
Sellado del encapsulado Los dos materiales com unes para el encapsulado son la cerám i ca y el plástico, y los métodos de procesam iento son diferentes para los dos materiales. Los encap sulados de cerám ica se hacen a partir de una dispersión de polvos de cerám ica (A120 3 es el más
cada CI encapsulado. Prueba de la oblea Las técnicas de procesam iento de sem iconductores actuales propor- J cionan varios cientos de CI individuales por oblea. Es conveniente realizar ciertas pruebas fun- J cionales en los circuitos integrados mientras todavía están juntos en la oblea, antes de la separación ^ de los dados. Las pruebas se realizan en equipos controlados por com putadoras, los cuales utilizan I un conjunto de sondeos de punta, configurados de manera que correspondan a los puntos de cone- ^ xión sobre la superficie del chip. Para este procedim iento de prueba se utiliza el térm ino m ultison-^ deo o m ultiprueba. C uando las sondas entran en contacto con los puntos de conexión, se realiza una j serie de pruebas de co rrien te d irecta para indicar cortos circuitos y otras fallas. A e sto le sigue 3 una prueba funcional del CI. Los chips que no pasan la prueba se m arcan con un punto de tin ta ,! estos defectos no se encapsulan. Uno por uno, todos los circuitos integrados se colocan bajo la s l
FIGURA 34.21 Conexión de alambres típico entre el punto de contacto del chip y las terminales.
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Capítulo 34 / Procesamiento de circuitos integrados Sección 34.7 / Rendimientos en el procesamiento de circuitos integrados
común) en un líquido de unión (por ejem plo, un polímero y un solvente). Prim ero, la m ezcla se forma com o hojas pequeñas y se seca y después se corta a la medida. Se hacen perforaciones para las interconexiones. Posteriorm ente se fabrican las trayectorias de alambrado que se requieran en cada una de las hojas, y el metal se introduce en las perforaciones. Enseguida, se lam inan las hojas mediante presión y sinterizado p ara fo rm ar un cuerpo monolítico (de una sola piedra). Un encapsulado cerám ico alternativo y de m enor costo im plica el sellado del chip de circuitos integrados entre dos láminas de cerám ica utilizando un cristal refractario, po r lo general cristal P b O -Z n O -B iO j, cuyo punto de fusión es alrededor de 750 °F (400 °C). Este m étodo da un sella do hermético, pero no proporciona la com plejidad de los encapsulados cerám icos m ás conven cionales. La técnica tiene el nombre de C E R D IP (que significa D IP de cerám ica de cristal sellado) y CERQUAD para el m ism o proceso aplicado a los encapsulados cuádruples. Existen dos tipos de encapsulados plásticos, postm oldeados y prem oldeados. En los encap sulados postm oldeados se moldea un plástico term oestable de epóxico alrededor de un chip ensam blado y su estructura de terminales (después de la unión de los alam bres), transform ando las piezas, de hecho, en un cuerpo sólido único. A l m om ento de escribir este documento, el postm oldeado re presentaba aproxim adam ente el 80% de todos los encapsulados de circuitos integrados [7]. Sin embargo, el proceso de moldeado resulta un tanto rudo para los alam bres delicados, y los encapsu lados prem oldeados son una alternativa sim ilar al uso del cristal refractario en el sellado del encap sulado cerám ico. En el encapsulado prem oldeado, antes del encapsulado se moldea una base de contención y después se conectan a ella el chip y la estructura de term inales, agregando una cubier ta sólida u otro material com o protección. Los pasos adicionales del ensam ble hacen que este méto do de producción sea más costoso que el d e postm oldeado. P ru eb a s fin ales Después de term inar la secuencia de encapsulado, cada CI debe som eterse a una prueba final para: 1) determ inar qué unidades se han dañado durante el encapsulado. si esto ha sucedido, y 2) m edir las características de rendim iento de cada dispositivo. Los procedim ientos de prueba de calentam iento algunas veces incluyen pruebas a tem pera turas elevadas, en las cuales el CI encapsulado se coloca en un hom o a tem peraturas aproxim adas a 250 °F (125 °C) durante 24 horas y se prueba. Es muy probable que un dispositivo que no pasa tal prueba pueda fallar en una etapa tem prana durante el servicio. Si se pretende que el dispositivo esté en ambientes donde ocurren am plias variaciones de temperatura, lo adecuado es una prueba de ciclo de temperaturas. Ésta somete a cada dispositivo a una serie de cam bios de tem peratura, entre valores que en su rango inferior van desde - 6 0 °F (-5 0 °C) hasta 250 °F (125 °C) en su rango supe rior. Entre los exám enes adicionales para dispositivos que requieren una alta confiabilidad se incluyen las pruebas de vibraciones m ecánicas y las pruebas de herm eticidad (filtraciones).
34.7 RENDIMIENTOS EN EL PROCESAMIENTO DE CIRCUITOS INTEGRADOS La fabricación de los circuitos integrados se realiza en muchos pasos de procesam iento en secuen cia. En el procesam iento de obleas en particular, puede haber docenas de operaciones distintas por las que pasa la oblea. En cada paso existe una posibilidad de que algo pueda fallar, y se tenga com o resultado la pérdida de la oblea o de porciones de ella que corresponden a chips individuales. Un modelo simple de probabilidad para predecir los rendim ientos finales de un buen producto es: Y = Y lY2 ... Y„
(34.12)
donde Y = rendim iento final; Y {, Y2, Kn son los rendim ientos en cada paso del procesam iento; y n = la cantidad total de pasos en la secuencia de procesam iento. De manera práctica, aunque este modelo es perfectamente válido es difícil de utilizar debido a la gran cantidad de pasos involucrados y a la variabilidad de los rendimientos en cada paso. Es más c on veniente dividir la secuencia de procesamiento en fases mayores, como hemos organizado nuestro
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análisis de la secuencia, y definir los rendimientos para cada fase [11]. La primera fase implica la acumulación del boule del monocristal. El término rendimiento del cristal Yc se refiere a la cantidad de material del monocristal en el boule comparada con la cantidad inicial de silicio de grado elec trónico. El rendimiento común de cristal es aproximado al 50%; con el reciclaje, esta cantidad aumenta hasta el 65%. Después del crecimiento del cristal, el boule se corta en obleas, el rendimien to para cada una se describe como el rendimiento Y¡ de cristal por corte de oblea. Esto depende de la cantidad del material que se pierde durante el esmerilado del boule, el espesor de la navaja en relación con el espesor de la oblea durante el corte, y otras pérdidas. Un valor común podría ser del 50%, aunque es reciclable gran parte del silicio perdido durante el esmerilado y el corte. La siguiente fase es el procesam iento de la oblea para fabricar los CI individuales. Desde el punto de vista de rendim iento, esto se divide en rendim iento de la oblea y de los multisondeos. El rendimiento de la oblea Yw se refiere al número de obleas que sobreviven al procesamiento, com parado con la cantidad inicial. A lgunas obleas se diseñan como piezas de prueba o tienen usos simi lares y, por tanto, provocan pérdidas y una reducción en el rendimiento; en otros casos, las obleas se rompen o las condiciones de procesam iento fallan. Los valores comunes de rendimiento en obleas son cercanas al 70% si se incluyen las pérdidas en las pruebas, y 90% o más si se excluyen. De las obleas que se someten al proceso y se prueban con el multisondeo, sólo una cierta parte de ellas pasa la prueba y se denom ina rendimiento Ym de multisondeo. El rendim iento Ym de m ulti sondeo es m uy variable y puede ir desde valores muy bajos (menores al 10%) hasta valores relati vamente altos (superiores al 90% ) dependiendo de la com plejidad del CI y de las habilidades de los obreros en las áreas de procesamiento. Después del encapsulado, se realiza la prueba final del CI. Esto producirá invariablemente pérdidas adicionales, que traerán com o resultado un rendim iento de prueba fin a l Y„ en el rango del 90 al 95%. Si se com binan los rendim ientos de las cinco fases como en la ecuación (34.12), el rendimiento final puede estim arse mediante: Y = YcYsYwYmY,
(34.13)
Dados los valores típicos en cada paso, es bastante bajo el rendimiento final com parado con la can tidad inicial de silicio. La parte m edular de la fabricación de los CI es el procesamiento de las obleas, el rendim ien to a partir del cual se mide en la prueba de multisondeo Ym. Los rendimientos en otras áreas son bastante predecibles, pero no en la fabricación de obleas. Se encuentran dos tipos de defectos en el procesamiento de obleas: 1) defectos superficiales y 2) defectos puntuales. Los defectos superfi ciales afectan grandes áreas de la oblea, posiblemente toda la superficie. Los originan las varia ciones o los niveles incorrectos en los parámetros del proceso. Algunos ejem plos son que las capas que se agregan están dem asiado delgadas o demasiado espesas, tienen profundidades de difusión insuficientes en el m om ento de revestirse y sufren la sobreexposición o subexposición al ataque químico. En general, estos defectos se corrigen mejorando el control de procesos o desarrollando procesos alternativos superiores. P or ejemplo, el revestim iento por implantación de iones ha reem plazado de m anera am plia la difusión, y el ataque químico con plasm a seco ha sido sustituido por el ataque quím ico líquido para obtener un m ejor control sobre las dimensiones. Los defectos puntuales ocurren en áreas muy específicas sobre la superficie de la oblea y afectan únicam ente un núm ero lim itado de circuitos integrados o a uno solo en un área en particu lar. Por lo com ún, los producen las partículas de polvo en la superficie de la oblea o las mascarillas para ataque quím ico. Los defectos puntuales también incluyen las dislocaciones en la estructura de la rejilla de la celda cristalina (sección 2.3.2). Estos defectos de punto se distribuyen de algún m odo sobre la superficie de la oblea, originando un rendimiento que es una función de la densidad de los defectos, su distribución sobre la superficie y el área procesada de la oblea. Si se supone que los defectos superficiales son poco importantes y los defectos puntuales se consideran uniform es a través de toda el área de la oblea, el rendim iento resultante se modela mediante la ecuación: Ym =
(34-14)
Capítulo 34 / Procesamiento de circuitos integrados
Cuestionario de opción múltiple
donde Ym = el rendim iento de los chips buenos, determ inado por el multisondeo; A = área procesa da, en pulg2 (cm2); y D = la densidad de los defectos puntuales, en defectos/pulg2 (defectos/cm 2). Este cálculo tam bién se conoce com o el estim ado de rendimiento de Poisson debido a que se basa en la distribución de Poisson para los defectos sobre un área. Tam bién se le conoce en la literatura como el rendimiento de Boltzm ann [11], se le ha criticado porque proporciona estim ados de ren dimiento muy pesim istas. Sin em bargo, conform e las tecnologías de fabricación de circuitos inte grados han m ejorado durante años y las áreas de las obleas han aum entado, los rendim ientos actua les son significativam ente mejores que los predichos por la ecuación de rendim iento de Boltzman. Una ecuación de predicción alternativa se basa en las estadísticas de Bose-Einstein [10], en la cual los defectos de punto no se pueden distinguir sobre la superficie de la oblea:
34.5. ¿Cuáles son las tres principales etapas en la producción de los CIs basados ensilicio? 34.6. ¿Qué es una sala estéril y explique el sistema de clasificación por medio delcual secalifican las salas 1 estériles? 34.7. ¿Cuáles son algunas de las fuentes significativas de contaminantes en el procesamiento de los circuitos integrados? 34.8. ¿Cómo se llama el proceso que se utiliza con más frecuencia para obtener el crecimiento de lingotes en monocrisiales de silicio para el procesamiento de semiconductores? 34.9. ¿Cuáles son las alternativas para la fotolitografía en el procesamiento de circuitos integrados? 34.10. ¿Qué es un material fotorre sisteme! 34.11. ¿Por qué se prefiere la luz ultravioleta a otra luz visible en la litografía? 34.12. Nombre las tres técnicas de exposición en la fotolitografía. 34.13. ¿Qué material de capas se produce mediante la oxidación térmica en la fabricación de circuitos inte grados? 34.14. Defina la deposición epitaxial. 34.15. ¿Cuáles son algunas de las funciones importantes del diseño en el encapsulado de circuitos integrados?
donde los sím bolos representan las m ism as cantidades que antes. Se ha encontrado que esta ecuación es un m ejor m étodo de predicción para el rendimiento del procesam iento de obleas que la fórmula de B oltzm ann, especialm ente para pastillas de VLSI muy grandes. El procesam iento de las obleas es la clave del éxito para la fabricación de circuitos inte grados. Para que un p ro d u cto r de circuitos integrados tenga utilidades, deben obtenerse altos niveles de rendim iento du ran te esta fase de m anufactura; esto se consigue utilizando los m ate riales iniciales m ás puros posibles, las tecnologías de equipos más recientes, un buen control sobre los procesos individuales, el m antenim iento de las condiciones de salas estériles y proce dim ientos de prueba e inspecciones eficientes.
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34.16. 34.17. 34.18. 34.19.
¿Cuál es la regla de Rent? Nombre dos categorías de montaje de componentes para una tarjeta de circuitos integrados. ¿Qué es un DIP? ¿Cuál es la diferencia entre el posmoldeado y el premoldeado en el encapsulado plástico de chips de circuitos integrados?
CUESTIONARIO DE OPCIÓN MÚLTIPLE Hay un total de 18 respuestas correctas en el siguiente cuestionario. La calificación porcentual de la prueba debe basarse en este total.
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS [1] Bakoglu, H. B., Circuits, Interconnections. and Pack aging fo r VLSI, Addison-Wesley Publishing Co., Readirg, Mass., 1990. [2] Colclaser, R. A., Microelectronics: Processing and Device Design, John Wiley & Sons, New York, 1980. [3] Edwards, P. R.. Manufacturing Technology in the Electronics Industry, Chapman & Hall, London, 1991. [4] Gise, R. and Blanchard, R„ Modern Semiconductor Fabrication Technology, A Reston Book, Prentice Hall, Englewood Cliffs, N J., 1986. [5] Kirk-Othmer, Encyclopedia o f Chemical Technology, 3rd ed., Vol. 13, John Wiley & Sons, Inc., New York, 1981. [6] Lee, H. H., Fundamentáis o f Microelectronics Process ing, McGraw-Hill Publishing Co., New York, 1990. [7] Manzione. L. T.. Plástic Packaging o f Microelectronic Devices, AT&T Bell Laboratories, published by Van Nostrand Reinhoid, New York, 1990. [8] Moreau, W. M., Semiconductor Lithography Prin
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ta, o e) rayo x. 34.6. Después de la exposición a la luz, ¿cómo se vuelve una resistencia positiva? a) menos soluble o b) más soluble al fluido de desarrollo químico. 34.7. ¿Cuál de los siguientes procesos se utiliza para agregar capas a los diferentes materiales en la fa bricación de CI? (Puede ser más de una respuesta.) a) deposición química de vapor, b) difusión, c) implantación iónica, d) deposición física de vapor, e) ataque químico con plasma, f) oxidación tér mica o g) ataque químico por vía húmeda. 34.8. En la fabricación de CI, ¿cuál de los siguientes procesos es para revestimiento? a) deposición química de vapor, b) difusión, c) implantación iónica, d) deposición física de vapor, e) ataque químico con plas ma, 0 oxidación térmica o g) ataque químico por vía húmeda. 34.9. ¿Cuál de los siguientes elementos de impurezas forma regiones aceptoras de electrones (de tipo p) en las obleas de silicio ? (Puede ser más de una respuesta.) a) antimonio, b) arsénico, c) boro, d) nitrógeno, e) fósforo o 0 potasio. 34.10. ¿Cuál de los siguientes es el metal más común para la interconexión de dispositivos en un CI de sili cio? (Dé la mejor respuesta.) a) aluminio, b) cobre, c) oro, d) níquel, e) silicio o 0 plata. . 34.11. ¿Qué proceso de ataque químico produce la fabricación de CI con el ataque químico más anisotrópico? a) ataque químico con plasma o b) ataque químico por vía húmeda. 34.12. ¿Cuáles de los siguientes son los dos principales materiales que se utilizan en el encapsulado de cir cuitos integrados? a) aluminio, b) óxido de aluminio, c) cobre, d) epóxicos o e) dióxido de silicio.
PREGUNTAS DE REPASO 34.1. 34.2. 34.3. 34.4.
34.1. ¿Cuántos dispositivos electrónicos debe contener una pastilla de circuitos integrados para que pueda clasificarse dentro de la categoría VLSI? a) 1000, b) 10 000, c) 1,000 000 o d) 100,000 000. 34.2. ¿Cuál de los siguientes es un nombre alternativo para un chip en el procesamiento de semiconductores? (Una respuesta.) a) componente, b) dispositivo, c) dado, d) encapsulado o e) oblea. 34.3. Una pastilla de VLSI común es cuadrada, ¿cuánto mide uno de sus lados? a) 0.002 pulg, (0.05 mm), b) 0.020 pulg (0.05 mm), c) 0.20 pulg (5 mm) o d) 1 pulg (25 mm). 34.4. ¿Cuál de lo siguientes es una fuente de silicio para el procesamiento de semiconductores? (Una respues ta.) a) el silicio puro en la naturaleza, b) SiC, c) Si3N4 o d) S¡02. 34.5. ¿Cuál de las siguientes es la forma más común de radiación que se utiliza en la fotolitografía? (Una respuesta.) a) radiación de un haz electrónico, b) luz incandescente, c) luz infrarroja, d) luz ultraviole
¿Qué es un circuito integrado? Nombre algunos de los materiales semiconductores importantes. ¿Cuáles son las dimensiones de un chip común de CI? Describa el proceso planar.
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Problemas
Capítulo 34 / Procesamiento de circuitos integrados
34.10. Un encapsulado dual en línea tiene un total de 48 terminales. Utilice la regla de Rent (C = 4.5 y m = 0.5) para determinar la cantidad aproximada de compuertas lógicas que podrían fabricarse en el chip del CI para este encapsulado. 34.11. Se pretende determinar el efecto del estilo de encapsulado sobre la cantidad de circuitos (compuertas lógicas) que pueden fabricarse en un chip de CI en la cual se ensambla el encapsulado. Utilizando la regla de Rent (C = 4.5 y m = 0.5), calcule la cantidad estimada de dispositivos (compuertas lógicas) que podrían colocarse en la pastilla en los siguientes casos: a) un DIP con 16 pines de E/S por lado, un total de 32 pines: b) un portador de chip cuadrado con 16 pines en un lado, un total de 64 pines de E/S; y c) un arreglo de rejilla con 16 x 16 pines, un total de 256 pines. 34.12. En la ecuación de la regla de Rent, con C = 4.5 y m = 0.5 determine el valor de ni0 y nc en las cuales la cantidad de compuertas lógicas es igual a la cantidad de terminales de E/S en el encapsulado. 34.13. Un dispositivo de memoria estática tendrá un arreglo de dos dimensiones con 64 x 64 celdas. Compare la cantidad de pines de entrada/salida que se requieren utilizando: a) la regla de Rent (C = 6.0 y m = 0.12) y b) el cálculo alternativo que se da en la ecuación (34.11). 34.14. Para producir un chip de un megabit de memoria ¿cuántos pines de E/S predice a) la regla de Rent (C = 6.0 y m = 0.12) y b) el cálculo alternativo proporcionado en la ecuación (34.11)? 34.15. Suponga que se pretende producir un dispositivo de memoria que estará dentro de un encapsulado dual en línea con 32 terminales de E/S. ¿Cuántas celdas de memoria puede contener el dispositivo? Según lo estiman: a) la regla de Rent (C = 6.0 y m = 0.12) y b) el cálculo alternativo que se da en el ecuación (34.11).
34.13. ¿Cuáles de los siguientes metales se utilizan comúnmente para unir mediante alambres los puntos de contacto de las pastillas a la estructura de las terminales? (Las dos mejores respuestas.) a) aluminio, b) cobre, c) oro, d) níquel, e) silicio o 0 plata.
PROBLEMAS Procesamiento del silicio y fabricación de circuitos integrados 34.1. Un boule de silicio crece mediante el proceso Czochralski a un diámetro de 5.25 pulg y una longitud de 5 pies. Se cortan los extremos, reduciendo la longitud efectiva hasta 48.00 pulg. Suponga que las porciones de los extremos tienen forma cónica. El diámetro se conecta a tierra a 4.921 pulg (125 mm). Una parte plana primaria con un ancho de 1.625 pulg se conecta a tierra sobre la superficie y en toda la longitud del lingote. Después se corta el lingote en obleas de 0.025 pulg de espesor, uti lizando una sierra abrasiva cuyo espesor = 0.0128 pulg. Determine: a) el volumen original del boule, en pulg3; b) ¿cuántas obleas se cortan de él?, suponiendo que se puede cortar la longitud total de 4 pies y c) ¿cuál es la proporción volumétrica del silicio en el boule inicial que se desperdició durante el proceso? 34.2. Un boule de un monocristal de silicio crece hasta un diámetro promedio de 110 milímetros, con una longitud = 1200 mm. Los extremos se eliminan, lo cual reduce la longitud hasta 950 mm. El diámetro se conecta a tierra a 100 mm. Se conecta a tierra un área plana de 30 mm de ancho sobre la superficie, la cual se extiende de un extremo a otro. Enseguida se corta el lingote en obleas de un espesor = 0.50 mm, utilizando una navaja abrasiva cuyo espesor = 0.33 mm. Suponiendo que los extremos que se cortaron del boule inicial tenían forma cónica, determíne: a) el volumen original del boule, en mmJ; b) ¿cuántas obleas se cortan de él, suponiendo que es posible cortar la longitud total de 950 mm? y c) ¿cuál es la proporción volumétrica de silicio de boule inicial que se des perdició durante el proceso? 34.3. Una oblea de 4.0 pulg tiene un área procesable que es únicamente de 3.65 pulg de diámetro. ¿Cuántas pastillas cuadradas de CI pueden fabricarse dentro de esta área si cada chip tiene 0.25 pulg por lado? Todas los chips deben estar completamente dentro del área procesable. Suponga que no es significati va la anchura de las líneas de corte (canales) entre los chips. 34.4. Solucione el problema 34.3, sólo que utilice un tamaño de oblea de 5.0 pulg cuya área procesable sea de 4.65 pulg de diámetro. ¿Cuál es el incremento en porcentaje en la cantidad de chips comparado con el incremento del 25% en el tamaño de la oblea? 34.5. El área procesable en una oblea de 125 mm de diámetro es un círculo de 110 mm de diámetro. ¿Cuántas pastillas cuadradas de CI pueden procesarse dentro de esta área, si cada chip tiene 5 mm por lado? Todos los chips deben estar completamente dentro del área procesable. Suponga que no es significati va la anchura de las líneas de corte (canales o “streets") entre los chips. 34.6. La superficie de una oblea de silicio se oxida térmicamente, obteniendo como resultado una película de SiO, que tiene un grosor de 3 /im. Si el espesor inicial de la oblea era de exactamente 0.400 mm de ancho, ¿cuál es el espesor final de la oblea? 34.7. Se desea hacer un ataque químico en una región de una película de dióxido de silicio sobre la superfi cie de una oblea de silicio. La película de Si02 tiene un espesor de 3 mm. El ancho del área que se va a afectar se especifica para que sea de 10 /jm. Si se conoce que el grado de anisotropía del disolvente en el proceso es de 0.8, ¿cuál debe ser el tamaño de la abertura de la mascarilla a través de la que fun cionará el disolvente? 34.8. En el problema 34.7, si se utiliza el ataque químico con plasma en lugar del ataque químico por vía húmeda, y el grado de anisotropía para el ataque químico con plasma es infinito, ¿cuál debe ser el tamaño de la abertura de la mascarilla?
Rendimientos en el procesamiento de los circuitos integrados
Encapsulado de circuitos integrados 34.9. Un circuito integrado que se utiliza en un microprocesador contendrá 1000 compuertas lógicas. Utilice la regla de Rent (C = 4.5 y m = 0.5) para determinar la cantidad apropiada de pines de entrada/salida que requiere el encapsulado. ,m,
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34.16. Dados los siguientes datos: rendimiento del cristal Yc = 50%, rendimiento del cristal al ser rebanado Y, = 50%. rendimiento de la oblea Yw = 70%, rendimiento del multisondeo Ym = 60% y rendimiento de la prueba final Y, = 90%. Si el boule inicial pesa 75 Ib, ¿cuál es el peso final del silicio que resulta después de la prueba final? 34.17. Una oblea de 5 pulg de diámetro se procesa sobre un área circular con un diámetro de 4.75 pulg. La densidad de los defectos puntuales en la superficie es de 0.32 defectos/ pulg2. Determine el rendimien to de multisondeo utilizando: a) la estimación del rendimiento de Boltzman, ecuación (34.14) y b) el estimado del rendimiento de Bose-Einstein, ecuación (34.15). 34.18. Una oblea de silicio con un diámetro nominal de 100 mm se procesa para fabricar chips cuadrados de 5 mm por lado. El área de los chips procesados ocupa 65.25% del área total de la oblea en un densidad de los defectos puntuales en el área es 0.027 defectos/cm2. Determine el número de chips buenos utilizando: a) la estimación de defecto de Boltzman, ecuación (34.14) y b) el estimado del rendimiento de Bose-Einstein, ecuación (34.15). 34.19. Una oblea de silicio tiene un área procesable de 20.0 pulg2. El rendimiento de chips buenos en la oblea es Ym = 75%. Si se supone que todos los defectos son puntuales y que se distribuyen uniformemente sobre la superficie (distribución de Poisson), ¿cuál es la densidad de los defectos de punto D? 34.20. El rendimiento de chips buenos en un multisondeo de cierto lote de obleas es del 83%. Las obleas tienen un diámetro nominal de 150 mm con un área procesable de 135 mm de diámetro. Si se supone que todos los defectos son puntuales y que se distribuyen uniformemente sobre la superficie (distribución de Poisson), ¿cuál es su densidad D ? 34.21. En el problema 34.20, determine la densidad de los defectos puntuales utilizando las estadísticas de Bose-Einstein, ecuación (34.15), como método para la estimación de rendimientos.
Sección 35.1 / Encapsulado de dispositivos electrónicos
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ENCAPSULADO DE DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS El encapsulado de dispositivos electrónicos es el medio físico mediante el cual se conectan eléctri cam ente entre sí los com ponentes de un sistem a y hacen interfaz con los dispositivos extem os; esto incluye la estructura m ecánica que sostiene y protege al sistem a de circuitos. Un encapsulado bien diseñado para un dispositivo electrónico tiene las siguientes funciones: 1) distribución de la energía e interconexión de las señales, 2) soporte estructural, 3) protección del circuito contra riesgos quím icos y físicos en el am biente, 4) disipación del calor que generan los circuitos y 5) que haya la menor cantidad posible de retrasos en la transm isión de las señales dentro del sistema. Para sistem as com plejos que contienen m uchos com ponentes e interconexiones, el encapsu lado de dispositivos electrónicos se organiza en dos niveles que com prenden una jerarquía encapsulado, com o se ilustra en la figura 35.1 y se resume en la tabla 35.1. El nivel más bajo es el nivel cero, el cual se refiere a las interconexiones en el chip semiconductor. El chip encapsulado. que consta de circuitos integrados en un paquete plástico o cerám ico, se conecta a las term inales del encapsulado y constituye el prim er nivel del encapsulado. Los chips encapsulados y otros com ponentes se ensam blan en un tablero de circuitos i m p r e ^ ^ sos, TCI (en inglés printed circuit board, PCB) utilizando una de dos tecnologías, sección 34.6. l ^ P 1) tecnología de inserción (en inglés Pin-in-holt. PIH) o 2) tecnología de m ontaje superficial ( e n ^ inglés surface m ount technology, SM T). Los estilos de encapsulado de los chips y las técnicas ensam ble son diferentes para la PIH y para la SMT. En la m ayoría de los casos, am bas t e c n o l o g í a ^ de ensamble se utilizan en el m ism a tablero. El ensamble de los tableros de circuitos impresos re presenta el segundo nivel de encapsulado. La figura 35.2 muestra una serie de ensam bles d < ^
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ENSAMBLE Y ENCAPSULADO DE DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS C O N T E N ID O DEL CA PÍTU LO
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35.5
Encapsulado de dispositivos electrónicos Tableros de circuitos impresos 35.2.1 Estructuras, tipos y materiales para los PCB 35.2.2 Producción de los tableros iniciales 35.2.3 Procesos usados en la fabricación de PCB 35.2.4 Secuencia en la fabricación de los PCB Ensamble de tableros de circuitos impresos 35.3.1 Inserción de los componentes 35.3.2 Soldado 35.3.3 Limpieza, prueba y reproceso Tecnología de montaje superficial 35.4.1 Unión adhesiva y soldado en olas 35.4.2 Pasta para soldar y soldadura por reflujo 35.4.3 Ensambles SMT-PIH combinados 35.4.4 Limpieza, inspección, prueba y reproceso Tecnología de conectores eléctricos 35.5.1 Conexiones permanentes 35.5.2 Conectores separables
tableros de circuitos impresos en los tipos PIH y SMT.
FIGURA 35.1 Jerarquía de encapsulado en un gran sistema electrónico.
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€ Los circuitos integrados constituyen el núcleo de cualquier sistem a electrónico, pero el sis tem a com pleto consiste en m ucho más que circuitos integrados encapsulados. Los circuitos integrados y otros com ponentes se ensam blan y conectan en tableros de circuitos impresos, los cuales a su vez se conectan entre sí y se alojan en un chasis o gabinete. El encapsulado de chips (sección 34.6) es únicam ente una parte del total del encapsulado de dispositivos elec trónicos. En este capítulo considerarem os los niveles restantes del encapsulado y la form a en que se fabrican y se ensam blan.
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Capítulo 35 / Ensamble y encapsulado de dispositivos electrónicos Sección 35.2 / Tableros de circuitos impresos
Tabla 35.1 Nivel 0 1 2 3 4
881
Jerarquía del encapsulado El cuarto nivel de encapsulado consiste en la instalación de alambres y cables dentro del gabinete que contiene al sistema electrónico. Para sistemas de complejidad relativam ente baja, el encapsulado puede no incluir todos los niveles posibles de la jerarquía.
D escrip ció n d e la interco n ex ió n Interconexiones en el chip Interconexiones del chip al encapsulado para formar el encapsulado de Cl Interconexiones del encapsulado del Cl al tablero de circuitos Del tablero de circuitos al estante; encapsulado de tarjeta en tablero Conexiones de alambrado y cableado en un gabinete
35.2
TABLEROS DE CIRCUITOS IMPRESOS Un tablero de circuitos impresos consiste en una o más capas de material aislante, con líneas del gadas de cobre en una o en ambas superficies que conectan entre sí los componentes que se fijan al tablero. En tableros que tienen más de una capa, las trayectorias conductoras de cobre se intercalan entre las capas. Los tableros de circuitos impresos se utilizan en los sistemas electrónicos para con tener a los com ponentes y proporcionar conexiones eléctricas entre ellos y los circuitos externos. Se han convertido en las partes estándar fundamentales de casi todos los sistemas electrónicos que contienen circuitos integrados encapsulados y otros componentes (véase nota histórica 35.1). Entre las razones por las cuales los tableros de circuitos impresos son importantes y se utilizan tan am pliamente están: 1) proporcionar una plataform a estructural adecuada para los com ponentes; 2) es posible producir en forma masiva un tablero con interconexiones adecuadamente direccionadas de manera consistente, sin la variabilidad que se asocia con la colocación del alam brado a mano;
Nota histórica 35.1 Tableros de circuitos impresos 111
FIGURA 35.2 Una serie de ensambles de tableros de circuitos impresos que muestran las tecnologías, así como el montaje superficial y el de inserción (fotografía cortesía de Phoenix Technologies, Inc.).
Los PCB ensam blados se conectan a su vez a un chasis o a otra estructura; éste es el tercer nivel de encapsulado. Este tercer nivel consiste en un estante que contiene los tableros, y utiliza cables de alambrado para establecer las interconexiones. En sistemas electrónicos m ayores, tales como grandes computadoras, los PCB com únm ente se montan en una tarjeta de circuitos integrados más grande, denominada backplane, que tiene trayectorias de conducción para perm itir la conexión entre los tableros más pequeños que se enlazan a ella. Esta últim a configuración se conoce com o encapsulado de tarjeta en tablero (COB, por card-on-board)\ los tableros de circuitos im presos más pequeños se denominan tarjetas y el backplane es el tablero.
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A . ntes de los tableros de circuitos impresos, los componentes eléctricos y electrónicos se sujetaban manualmente a un chasis metálico y después se alambraban a mano y se soldaban para formar el circuito deseado. El metal usual era el aluminio. A finales de los cincuenta, se distribuyeron comercialmente algunos tableros plásticos. Estos tableros, que proporcionaban aislamiento eléctrico, reemplazaron gradualmente a los chasises de aluminio. Los primeros plásticos eran fenol, seguidos de epóxicos de fibra de vidrio reforzada. Los tableros venían con orificios preestablecidos hechos a intervalos estándar en ambas direcciones. Esto inspiró la utilización de componentes electrónicos que fueran compatibles con los espaciam ientos entre orificios. El encapsulado dual en línea se desarrolló durante este periodo. Los componentes en estos tableros de circuitos se alambraban a mano, esto se convirtió en una dificultad creciente y tendía a que se cometieran errores humanos, conforme las densidades de los componentes aum entaba y los circuitos se hacían más complejos. Para solucionar estos problemas con el alambrado manual, se desarrolló el tablero de circuitos impresos, con una capa de cobre tratada con ataque químico en su superficie para formar las interconexiones de cableados. Las técnicas iniciales para formar las mascarillas de los circuitos implicaban un procedimiento de entintado manual, en el cual el diseñador trataba de formar las trayectorias de las pistas en una gran hoja de papel o de papel pergamino, a fin de proporcionar las conexiones requeridas y evitar cortos circuitos. Esto se hizo más difícil conforme el número de com ponentes en el tablero aum entaba y las líneas conductoras que interconectaban a los com ponentes se hacían más finas. Se desarrollaron programas de computadora para ayudar al diseñador a solucionar el problema de las trayectorias; sin embargo, en la mayoría de los casos era imposible encontrar una solución sin pistas que no se interceptaran (circuitos cortos). Para solucionar el problema, se soldaban alambres puentes en el tablero para hacer estas conexiones. Conforme aum entaba la cantidad de alambres puentes, apareció nuevam ente el error humano. Los tableros de capas múltiples o multicapas se introdujeron para evitar este problema de las trayectorias. La técnica inicial para la impresión del patrón de circuitos en el tablero revestido con cobre fue la serigrafía. Conforme los anchos de las pistas se hacían más finos, se introdujo la fotolitografía. — ~
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Sección 35.2 / Tableros de circuitos impresos
Capítulo 35 / Ensamble y encapsulado de dispositivos electrónicos
3) todas las conexiones de soldadura entre los componentes y el tablero de circuitos impresos se realizan en una operación m ecánica de un solo paso; 4) un tablero de circuitos impresos ensam bla do proporciona un rendim iento confiable y 5) en los sistemas electrónicos com plejos, es posible extraer cada tablero de circuitos impresos para servicio y reparación.
35.2.1
de las que se pueden colocar en una o dos capas de cobre. Los tableros de cuatro capas son la con figuración de tableros de multicapas más común, pero se producen tableros de hasta 24 capas conductoras.
35.2.2
Producción de los tableros iniciales
Estructuras, tipos y materiales para los PCB
Los tableros de un solo lado y de dos lados pueden adquirirse con los proveedores que se especializan en la producción m asiva de éstos en tamaños estándares. Enseguida, los tableros pasan a través de un proceso particular con un fabricante de circuitos para crear el patrón de circuito específico y el tamaño de tablero para una aplicación determinada. Los tableros de multicapas se fabrican a partir de tableros estándares de un solo lado y de dos lados. El fabricante del circuito procesa los tableros de manera separada para formar el patrón de circuitos requerido para cada capa de la estructura final, y después los tableros individuales se unen con capas adicionales de material epóxico. El procesamiento para tableros de multicapas requiere más pasos y es más costoso que el de otros tipos de tableros; la razón de utilizarlos es que proporcionan un mejor rendimiento en sistemas grandes que el uso de un gran número de tableros de baja densidad y de una construcción más sencilla. La capa de cobre que se utiliza para revestir los tableros iniciales se produce m ediante un pro ceso continuo de electroform ado (sección 33.1.2), en el cual un cilindro metálico suave giratorio se sumerge parcialm ente en un baño electrolítico que contiene iones de cobre. El cilindro es el cátodo del circuito, lo cual provoca que el cobre cubra su superficie. Conform e el cilindro gira y sale del baño, la delgada película de cobre se extrae de su superficie. El proceso es ideal para producir la delgada película de cobre que necesitan los tableros de circuitos impresos. La producción de los tableros iniciales consiste en un método que aplica presión a varias capas de fibra de vidrio entrelazadas e impregnadas con epóxico parcialmente curado (u otro polímero termoestable). El número de capas que se utilizan en el arreglo inicial determina el espesor del tablero final. Se coloca la película de cobre en uno u ambos lados del grupo de aislantes y vidrio epóxico, dependiendo si se van a producir tableros de un solo lado o de dos lados. En los tableros de un solo lado se utiliza una fina película de protección en un lado, en lugar de la capa de cobre, para evitar que el epóxico se pegue al momento de aplicarle presión. La presión se obtiene entre las dos capas calentadas al vapor de una prensa hidráulica. La combinación del calor y la presión compacta y cura las capas de cristal epóxico para unirlas y endurecerlas, formando un tablero de una sola pieza. Después, el tablero se enfría y se lima para remover los excesos de epóxico que hayan escurrido por las orillas. El tablero com pleto consiste en un panel de epóxico y un tejido de fibra de vidrio, con reves timiento de cobre sobre su superficie en uno u ambos lados. A hora está listo para el fabricante de circuitos. Los paneles usualm ente se producen con anchuras estándares, diseñados para ser com patibles con los sistem as de manejo de tableros en los equipos de soldado en olas, las m áquinas de inserción autom áticas y otros elementos para el procesamiento y ensam ble de tableros de circuitos impresos. Si el diseño electrónico requiere un tamaño más pequeño, pueden procesarse varias unidades juntas en el mismo tablero y después separarse.
Un tablero de circuitos im presos (PCB ), tam bién denom inado tablero de alam brado im preso (PW B), es un panel plano chapeado con m aterial aislante, diseñado para proporcionar conexiones eléctricas entre los com ponentes electrónicos que se encuentran en él. Las interconexiones se rea lizan a través de pistas d elgadas conductoras sobre la superficie del tablero o en capas alternas que se intercalan entre las capas del m aterial aislante. Las trayectorias conductoras se hacen de cobre y se denominan pistas. Tam bién se encuentran en la superficie del tablero otras áreas de co bre, denom inadas islas, para unir y conectar eléctricam ente los com ponentes. Los materiales aislantes en los PCB son usualm ente compuestos de polím eros reforzados con tramas de cristales o papel. Los polím eros incluyen los epóxicos (los más utilizados), los fenólicos y las poliimidas. El cristal E es la fibra usual para el reforzamiento del cristal, especialm ente en PCB de epóxicos; el papel es una capa com ún de reforzamiento para los tableros de fenol. El espe sor usual de la capa de sustrato está dentro del rango de 0.031 a 0.125 pulg (0.8 a 3.2 mm), y el espesor de las capas de cobre m ide alrededor de 0.0015 pulg (0.04 mm). Los materiales que forman la estructura del PCB deben encontrarse aislados eléctricamente, ser fuertes y rígidos, resistentes a las deformaciones, de dim ensiones estables, resistentes al calor y deben retardar la flama. Con fre cuencia se agregan productos quím icos al com puesto de polímeros para obtener las últimas dos ca racterísticas. Existen tres tipos especiales de tablero de circuitos impresos, com o se muestra en la figura 35.3: (a) tablero de un solo lado, en el cual la capa de cobre se encuentra únicam ente en un lado del sustrato aislante; (b) tablero de dos lados, en la cual la capa de cobre se encuentra en ambos lados del sustrato y (c) tablero de m ulticapas, que consiste en capas alternadas de elem ento conductor y aislante. En las tres estructuras, las capas aislantes se construyen con varias cubiertas de cristal epóxico (u otro compuesto) juntas, de m odo que formen una estructura fuerte y rígida. Los tableros de multicapas se utilizan para ensam bles de circuitos complejos en los cuales deben interconectarse un gran número de com ponentes con muchas pistas, por lo que se requieren más pistas conductoras
FIGURA 35.3 Tres tipos de estructura de tablero d e circuitos impresos: (a) de un solo lado, (b) de dos lados y (c) de multicapas.
Revestimiento d e cobre Revestimiento d e cobre
Sustrato aislante
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35.2.3
Procesos usados en la fabricación de PCB
S ustrato aislante Revestimiento de cobre
(a)
(b)
R evestimiento de cobre
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El fabricante de circuitos em plea una serie de operaciones de procesam iento para producir un tablero de circuitos impresos terminado, listo para el ensam ble de los com ponentes. Las opera ciones incluyen la limpieza, el corte con cizalla, el perforado o taladrado de orificios, el copiado de patrones, el ataque quím ico y la deposición electrolítica y no electrolítica. La m ayoría de estos pro cesos se han analizado en las secciones anteriores de este libro. En esta parte nos concentram os en los detalles de relevancia para la fabricación de PCB. N uestra revisión sigue aproxim adam ente el orden en el que los procesos se realizan sobre el tablero. Sin em bargo, existen diferencias en la se cuencia de procesam iento entre distintos tipos de tableros y exam inarem os esas diferencias en la sección 35.2.4. Algunas de las operaciones en la fabricación de PCB deben realizarse bajo condi ciones de una sala estéril para evitar defectos en los circuitos impresos, especialm ente en tableros con detalles y pistas finos. !■
Capítulo 35 / Ensamble y encapsulado de dispositivos electrónicos Sección 35.2-/ Tableros de circuitos impresos
Preparación del tablero La preparación inicial del tablero consiste en el corte, la gradua ción de los orificios y otras operaciones de form ado para crear rebordes, ranuras y características similares del tablero. Si es necesario, el panel inicial debe cortarse al tam año adecuado para obtener la compatibilidad con el equipo del fabricante de circuitos. Las perforaciones, denom inadas orificios para herramientas, se hacen mediante taladrado o perforado y se utilizan para posicionar el tablero durante el procesam iento subsecuente. La secuencia de pasos de fabricación requiere un alinea miento muy cercano de un proceso con el otro, y estas perforaciones se utilizan con term inales localizadoras en cada operación para obtener un registro exacto. Usualm ente son suficientes tres perfora ciones para herram ientas por tablero; el tamaño de la perforación es aproxim adam ente de 0.125 pulg (3.2 mm) más grande que las perforaciones para los circuitos que se harán después. Las característi cas de maquinado restantes están relacionadas con el manejo u otras razones de procesam iento que a menudo se vinculan con los tipos particulares de equipo que utiliza el fabricante. En general, durante la fase preparativa se aplica al tablero un código de barras para identifi carlo. Por último, se utiliza un proceso de lim pieza cuyo fin es rem over la suciedad y la grasa de la superficie del tablero. Pese a que los requerim ientos de limpieza no son tan estrictos com o en la fa bricación de circuitos integrados, las pequeñas partículas de suciedad o polvo pueden causar defec tos en el patrón de circuitos de un tablero de circuitos impresos, y las películas superficiales de grasa pueden inhibir el ataque quím ico u otros procesos. La lim pieza es esencial en la fabricación consistente y confiable de los PCB.
Taladrado de las perforaciones A dem ás de las p erforaciones para herram ientas, se requieren perforaciones funcionales p ara los circuitos en los tableros de circuitos im presos. Tienen varias funciones; 1) perfo ra cio n es de inserción para insertar las term inales de los com ponentes en los tab lero s con inserción; 2) perfo ra cio n es de g uía ( vía holes), las cuales están recubiertas con cobre y se utilizan com o trayectorias conductoras que van de un lado a otro del tablero; y 3) para aseg u rar ciertos com ponentes, com o los disipadores de c alo r y los conectores para el tablero. E stas p erforaciones se obtienen p o r ataque quím ico o se taladran, utilizando las herram ientas perfo rad o ras p a ra su ubicación. M ediante el taladrado se producen perforaciones más limpias, pero se o b tien e una m ay o r tasa de producción m ediante e l ataque quím ico. El re quisito de calidad parece d o m in ar la elección, y la m ayoría de las perforaciones en la fabrica ción de PCB se taladran. En la m ism a operación se taladra una pila de tres o cuatro paneles, uti lizando un taladro de pie co ntrolado num éricam ente por co m putadora (C N C ), el cual recibe instrucciones de p ro gram ación de la base de datos de diseño. Para trabajos de a lta producción, algunas veces se u tilizan taladros de ejes m últiples, perm itiendo que todas las perforaciones en el tablero se hagan con un so lo m ovim iento. Las perforaciones en la fabricación de los PCB se taladran utilizando brocas espirales están dar (25.2.1). La aplicación exige bastante de la broca y el equipo. Posiblem ente, el problem a más grande sea el pequeño tam año de la perforación en los tableros de los circuitos im presos; el diámetro es generalm ente m enor que 0.050 pulg (1.27 mm), pero algunas tableros de alta densidad requieren tamaños de perforaciones de 0.006 pulg (0.15 mm) o incluso m enores [7], Tales brocas carecen de fuerza y su capacidad para disipar el calor es baja. Otra dificultad es el material de trabajo singular. La broca debe pasar prim ero por una fina pelícu la metálica, y después a través de un compuesto de vidrio-epóxico abrasivo. N ormalmente se requieren brocas diferentes para estos materiales, pero en el caso del taladrado de tableros de circuitos impresos, una sola broca debe ser suficiente. El pequeño tamaño del orificio, combinado con el apilamiento de varios tableros o el taladrado de tableros de multicapa, trae como resultado una alta relación de pro fundidad a diámetro, y el problema se agrava cuando la broca se extrae del orificio. Otros requisitos que se aplican a la operación incluyen una alta exactitud en la ubicación de las perforaciones, paredes suaves en los orificios y ausencia de rebaba en las perforaciones. La rebaba usualmente se forma cuan do la broca perfora o sale de un orificio; frecuentemente se colocan cubiertas de algún material sobre la superficie y en la parte inferior de la pila de tableros para evitar la formación de rebabas en éstos.
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Por último, debe utilizarse cualquier herramienta de corte a una cierta velocidad de corte para operar con mayor eficiencia. Para una broca, la velocidad de corte se mide conforme el diámetro. Para brocas muy pequeñas, esto significa velocidades de rotación extremadamente altas, de hasta 100 000 rev/min en algunos casos. Para obtener estas velocidades se requieren soportes y motores especiales. Copia de un patrón de circuitos y ataque químico Existen dos métodos básicos por medio de los cuales el patrón del circuito se transfiere a la superficie de cobre en el tablero. A m bos m étodos im plican el uso de un recubrim iento resistente sobre la superficie del tablero, que determ ina en qué partes ocurrirá el ataque quím ico sobre el cobre, para crear las pistas e islas del circuito. Los dos m étodos son: 1) serigrafía y 2) fotolitografía. La serigrafía fue el prim er método que se utilizó para los tableros de circuitos impresos. De hecho es una técnica de impresión, y es posible que el término de tablero de circuitos impresos se deba a este método. En la serigrafía (también denom inada filtrado por malla), se coloca sobre el tablero un esténcil de malla o pantalla que contiene el patrón del circuito, y se presiona un líquido resistente a través de la trama de la malla hacia la superficie que se encuentra debajo de ella. El esténcil de malla generalm ente se denom ina malla de seda y data de cuando se utilizaba seda en la impresión com ercial para fabricar las mallas. Actualmente, se utilizan otros materiales que tienen esta misma función e incluyen a los poliésteres y alambres finos de acero inoxidable. Este método es simple y económ ico, pero su resolución es limitada. N ormalmente se utiliza para aplicaciones en las cuales los anchos de las pistas son m ayores que 0.010 pulg (0.25 mm) aproximadamente. El segundo método para la transferencia del patrón de un circuito es la fotolitografía, en la cual se expone un material resistente sensible a la luz a través de una mascarilla para transferir el patrón del circuito. El procedimiento es muy similar al procedimiento correspondiente en la fabricación de cir cuitos integrados (sección 34.3.1). Algunos de los detalles para el procesamiento de los PCB se describirán aquí. La m ayoría de los fabricantes utilizan materiales fotorresistentes negativos. La ausencia de m ateriales fotorresistentes positivos no es una limitación seria, porque se puede hacer cualquier patrón positivo o negativo para la mascarilla que se va a exponer. Los materiales resistentes están disponibles en dos formas, líquidos o en forma de película seca. Los materiales fotorresistentes líquidos se aplican mediante un rodillo o por aspersión. Las desventajas incluyen la variabilidad en el espesor del recubrim iento y largos periodos de exposición. Es más común que se usen materiales resistentes de película para la fabricación de tableros de circuitos impresos. Constan de tres capas, una película de un polím ero fotosensible que se encuentra entre una capa de soporte de poliéster en un lado y una capa plástica removible en el otro lado. La cubierta evita que el material fotosensible se pegue durante su almacenamiento y su manejo. Pese a que son más costosas que las resistencias líquidas, las resistencias de películas secas se aplican en capas de espesor uniforme, y su proce samiento en la fotolitografía es más simple. Para aplicarse, la cubierta se rem ueve y la película de material resistente se coloca sobre la superficie de cobre en la cual se adhiere. Se utilizan rodillos hirvientes para presionar y suavizar el m aterial resistente contra la superficie. El alineam iento de las mascarillas con el tablero confía en el uso de las perforaciones de re gistro en la m ascarilla, las cuales se alinean con las perforaciones de las herramientas en el tablero. La impresión por contacto se utiliza para exponer el m aterial resistente debajo de la mascarilla. Después, se revela la resistencia, lo cual im plica la elim inación de las regiones no expuestas por el negativo de la resistencia en la superficie. G eneralm ente se utiliza el revelado quím ico para m ate riales resistentes líquidos y en película seca. D espués del revelado de la resistencia, algunas áreas de la superficie de cobre permanecen cubiertas por el material resistente, mientras que otras están sin proteger. Las áreas cubiertas corres ponden a las pistas e islas del circuito, m ientras que las áreas sin proteger corresponden a las regiones abiertas del circuito. Se utiliza el ataque quím ico para rem over los revestimientos de cobre en las regiones no protegidas de la superficie del tablero, generalm ente por m edio de un m aterial de ataque quím ico (sección 34.4.5). El ataque quím ico es el paso de la secuencia que transform a la película de cobre sólido en interconexiones de un circuito eléctrico.
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Capítulo 35 / Ensamble y encapsulado de dispositivos electrónicos
Sección 35.2 / Tableros de circuitos impresos
R esistencia
El ataque quím ico se lleva a cabo en una cám ara, en la cual se rocía el m aterial de ataque quím ico sobre la superficie del tablero, que ahora está parcialm ente cubierta con el material resistente. Se utilizan varios m ateriales de ataque quím ico para rem over el cobre, incluyendo el persulfato de amonio [( N H ^ S jO ^ , el hidróxido de am onio (NH4O H), el cloruro de cobre (C uC li) y el cloruro fénico (FeCl3). C ada uno tiene ventajas y desventajas. Deben controlarse estrecham ente los parámetros del proceso (por ejem plo, la tem peratura, la concentración del material de ataque quím ico y la duración) para ev itar una ataque excesivo o débil, com o en la fabricación de los CI. D espués del ataque quím ico, el tablero debe enjuagarse y el material resistente que perm anece debe removerse de la superficie por m edios quím icos.
Revestimiento ' de cobre Sustrato
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(3)
(2 )
• Resistencia Recubrimiento untado -\
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C irc u itiz a ció n Se utilizan tres m étodos de circuitización para determ inar qué regiones del tablero se recubrirán con cobre [11]: 1) substractivo, 2) aditivo y 3) semiaditivo.
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(2)
C hapeado sin electricidad
Cobre plateado (pista o isla)
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En esta sección describirem os la secuencia de procesam iento para varios tipos de tableros. La secuencia tiene que ver con la transform ación de un tablero de un polím ero reforzado cubierto con cobre en un tablero de circuitos im presos, este proceso se denom ina circuitización. El resultado deseado, utilizando un tablero de dos lados com o ejem plo, se ilustra en la figura 35.4.
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(1)
Tablero inicial
Secuencia en la fabricación de los PCB
(3)
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(4)
FIGURA 35.6 El método aditivo d e circuitización en la fabricación de tableros de circuitos impresos: (1) se aplica a la superficie una película resistente utilizando la fotolitografía para exponer las áreas que se van a chapear con cobre, (2) la superficie expuesta debe activarse quím icamente para servir como catalizador para la deposición no eléctrica, (3) chapeado de cobre en las áreas expuestas y (4) eliminación de la resistencia.
En el m étodo substractivo se atacan con material químico las porciones abiertas del reves tim iento de cobre en la superficie inicial del tablero, para que perm anezcan las pistas e islas
FIGURA 35.4 Una sección de un tablero de circuitos impresos de dos lados, mostrando algunas de las características que se obtienen durante la fabricación: pistas e islas, y orificios guía y de inserción chapeadas con cobre.
deseadas del circuito. El proceso se llam a substractivo debido a que el cobre se rem ueve de la super ficie del tablero. Los pasos del m étodo substractivo se describen en la figura 35.5. El m étodo aditivo com ienza con una superficie de tablero que no está cubierta con cobre, tal como la superficie no revestida de un tablero de un solo lado. Sin embargo, la superficie no revesti da se trata con un quím ico, denom inado recubrim iento untado, el cual actúa com o catalizador para la deposición no eléctrica; los pasos de este m étodo se describen en la figura 35.6. El m étodo sem iaditivo utiliza una com binación de los pasos para el m étodo aditivo y subs tractivo. El tablero inicial tiene una película muy fina de cobre en su superficie, de 0.0002 pulg (5 /¿m) o m enos. El m étodo procede com o se describe en la figura 35.7. Procesamiento de diferentes tipos de tableros Los métodos de procesam iento difieren para cada uno de los tipos de PCB: de un solo lado, de dos lados y de multicapas. Estas diferencias
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Sustrato aislante
El oro es otro metal que algunas veces se chapea en los tableros de circuitos impresos. Se uti liza como un revestimiento muy fino en los conectores de las orillas de un PCB para proporcionar un contacto eléctrico superior. El espesor del revestimiento mide sólo alrededor de 0.0001 pulg (2.5 ¿um).
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Cobre restante (pista o isla)
Material de ataque químico
FIGURA 35.5 El método substractivo de circuitización en la fabricación de tableros de circuitos impresos: (1) aplicación de la resistencia a áreas que no se someten al ataque químico, utilizando la fotolitografía para exponer las áreas que se van a someter al ataque químico, (2) ataque químico y (3) eliminación de la resistencia.
Después de taladrar los orificios guía y los orificios para inserción, las paredes de las per foraciones consisten en un m aterial aislante de cristal epóxico, el cual no es conductor. De este modo, se debe utilizar la deposición no eléctrica al principio para proporcionar un revestim iento fino de cobre a las paredes de los orificios. Una vez que se aplica una delgada película de cobre, se utiliza la deposición electrolítica para aum entar el espesor de la película en las superficies de los orificios hasta 0.001 y 0.002 pulg (0.025 y 0.05 mm).
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Tablero inicial
C h ap e a d o (rev e stim ie n to ) En los tableros de circuitos im presos, se necesita el chapeado en las superficies de las perforaciones para proporcionar trayectorias de conducción de un lado del tablero al otro, en tableros de dos lados o entre las capas de los tableros de muldcapas. En la fabri cación de tableros de circuitos im presos se utilizan dos tipos de proceso de chapeado: electrode posición (sección 33.1.1) y deposición no eléctrica (sección 33.1.3). La electrodeposición tiene una razón de deposición m ayor que la deposición no eléctrica, pero requiere que la superficie de reves timiento sea m etálica (conductora); la deposición no eléctrica es más lenta, pero no requiere una superficie conductora.
35.2.4
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se detallan brevem ente en los siguientes párrafos. Un tablero de un solo lado comienza su fabricación como una lámina plana que se reviste con material aislante en un lado mediante una película de cobre. Se utiliza el método substractivo para
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Capítulo 35 / Ensamble y encapsulado de dispositivos electrónicos
Película de cobre muy delgada --------- Sustrato
Sección 35.2 / Tableros de circuitos impresos
Resistencia
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- Orificio parcialm ente insertado Orificio recubierto
.
Tablero inicial
Orificio guía insertado (1)
Cobre electrodepositado
C apa de estaño
Estaño
C ap as aislantes
Cobre
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FIGURA 35.8 Típico corte de una sección de un tablero de circuitos impresos de multicapas.
(4 )
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FIGURA 35.7 El método semiaditivo de circuitización en la fabricación de tableros de circuitos impresos: (1) se aplica la resistencia a las áreas que no se chapearán, (2) electrodeposición con cobre, utilizando la delgada película de cobre para conducción, (3) aplicación del estaño en la superficie del cobre depositado, (4) eliminación de la resistencia, (5) ataque químico de la película delgada de cobre que queda en la superficie, mientras que el estaño sirve como una resistencia para el cobre electrodepositado y (6) eliminación del estaño del cobre.
definir el patrón del circuito en el revestim iento de cobre. A continuación se describe una secuencia de procesamiento común: 1) el tablero se corta al tamaño adecuado, se hacen los orificios para herra mientas y se limpia el tablero; 2) se aplica la fotorresistencia a la superficie con el revestim iento de cobre; 3) la superficie se expone a la luz ultravioleta a través de una mascarilla del circuito; 4) el re velado de la resistencia expone las áreas abiertas entre las pistas de los circuitos y las islas del cobre; 5) las áreas expuestas se diluyen, dejando las pistas y las islas sobre el tablero; 6) la resistencia restante se desprende, y 7) se hacen y se limpian los orificios para las terminales de los dispositivos. Un tablero de doble lado implica una secuencia de procesamiento en cierto modo más compleja debido a que tiene pistas de circuitos en ambos lados que deben conectarse eléctricamente. La inter conexión se realiza por m edio de orificios guías chapeados con cobre que van de las islas de una superficie del tablero a las islas en la superficie opuesta, como se muestra en la figura 35.4. La si guiente es una secuencia de fabricación común para un tablero de doble lado, el proceso inicia con un tablero revestido de cobre en ambos lados y utiliza el método semiaditivo: 1) el tablero se corta al tamaño adecuado, se hacen los orificios para herramientas y se limpia el tablero; 2) se hacen los ori ficios guía, así como los de inserción de los componentes. 3) los orificios se recubren utilizando el método de deposición no eléctrica seguido de la electrodeposición; 4) se aplica la resistencia a las áreas de la superficie en ambos lados que no se recubrirán con cobre; 5) se electrodeposita una capa de estaño sobre las áreas expuestas, la cual cubrirá las áreas de cobre que han de convertirse en las pistas, islas y orificios guía en el siguiente paso de ataque químico; 6) se elim ina la resistencia para exponer las áreas que no se han chapeado con estaño, y 7) se diluyen las regiones de cobre expuestas que no forman parte del circuito. Un tablero de multicapas es estm cturalm ente el más complejo de los tres tipos, y esto se refle ja en su secuencia de manufactura. La construcción laminada se aprecia en la figura 35.8 y muestra una serie de características de un tablero de circuitos impresos de multicapas. Los pasos de fabricación para las capas individuales son básicamente los mismos que los que se utilizaron para los tableros de un solo lado y de doble lado. Lo que hace que la fabricación de tableros de m ulticapas sea más com-
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P istas d e señ ales internas y alimentación
plicada es que deben procesarse todas las capas, cada una con su propio diseño de circuito; después se unen para fcrm ar un tablero único; y por último, el tablero debe pasar por una secuencia de proce samiento. De este m odo, vemos que la fabricación de tableros de circuitos impresos de multicapas es un proceso que consiste en tres etapas principales: 1) fabricación de las capas individuales, 2) unión de las capas y 3) procesamiento del tablero de multicapas. Un tablero de multicapas está form ado por capas lógicas, que llevan las señales eléctricas entre com ponentes sobre el tablero, y capas de voltaje, las cuales se utilizan para distribuir la energía. Las capas lógicas generalm ente se fabrican a partir de tableros de doble lado, mientras que las capas de voltaje se construyen a partir de tableros de un solo lado. Pese a que existen variaciones en las operaciones y en la secuencia, dependiendo del diseño del circuito, los pasos de proce sam iento para estos tableros son sim ilares a los que se acaban de describir. En los tableros de m ul ticapas se utilizan sustratos aislantes más delgados que los que se emplean en sus contrapartes de un solo lado y de doble lado, para que el tablero final tenga un espesor adecuado. En la segunda etapa se ensamblan las capas individuales. El procedimiento inicia con un recubrimiento de cobre en la parte inferior y después se agregan las capas individuales, separando una de la otra por medio de una o más capas de vidrio “fabric” impregnadas con epóxico parcialmente cura do. Después de que todas las capas se han intercalado juntas, se coloca un último recubrimiento de cobre sobre la pila para formar la capa del extremo superior. El registro entre las capas es muy impor tante para obtener las interconexiones adecuadas. Esto se consigue utilizando puntas de ajuste preciso en los orificios para herramientas con el propósito de alinear las capas. Después, las capas se pegan en un solo tablero, calentando el ensamble bajo presión para curar el epóxico. Después del curado, se pule cualquier exceso de resina que se haya derramado por los extremos. Al inicio de la tercera etapa de fabricación, el tablero consiste en multicapas unidas, con un reves timiento de cobre sobre sus superficies extremas. Por tanto, su construcción se parece a la de un tablero de doble lado, y su procesamiento es de alguna manera similar. La secuencia consiste en taladrar orifi cios adicionales y chapear los orificios para establecer las trayectorias de conducción entre las dos películas exteriores de cobre, así como algunas capas internas de cobre y el uso de la fotolitografía y del ataque químico para formar el patrón del circuito sobre las superficies exteriores de cobre. P ru e b a s y o p e ra c io n e s fin ales D espués de que se ha fabricado un circuito sobre la super ficie en un tablero, debe inspeccionarse y probarse que funcione de acuerdo con las especifica ciones de diseño y que no contenga defectos de calidad. Dos procedimientos son comunes: 1) inspección visual y 2) prueba de continuidad. En la inspección visual, el tablero se exam ina visual mente para detectar circuitos abiertos y cortos circuitos, errores en las ubicaciones de los orificios y otras fallas que puedan observarse sin aplicar energía eléctrica al tablero. Las inspecciones visuales, que se realizan no sólo después de la fabricación sino también en varias etapas críticas durante el proceso de producción, se llevan a cabo mediante el ojo humano o aparatos de visión (sección 41.5.3). Una prueba de continuidad implica el uso de sondas de contacto que tocan de manera sim ultánea las pistas y las áreas de islas sobre la superficie del tablero. La distribución consiste en
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Capítulo 35 / Ensamble y encapsulado de dispositivos electrónicos
Sección 3S.3 / Ensamble de tableros de circuitos impresos
un arreglo de sondas (probes), que mediante una ligera presión se obligan a hacer contacto con pun tos específicos sobre la superficie del tablero. Con este procedim iento se verifican las conexiones eléctricas entre los puntos de contacto. Deben realizarse varios pasos adicionales de procesam iento sobre el tablero a fin de prepa rarlo para el ensam ble. La prim era de estas operaciones finales es la aplicación de una delgada capa de soldadura sobre las superficies de pistas e islas. Esta capa sirve para proteger al cobre de la oxidación y de la contam inación. Se lleva a cabo mediante electrodeposición o haciendo que el lado de cobre entre en contacto con los rodillos giratorios que se sum ergen parcialmente en soldadura derretida.
nentes separados (DIP, resistores y otros), los cuales necesitan insertarse en el tablero. En las plan tas m odernas de ensamble electrónico, la m ayoría de las operaciones de inserción de com ponentes las realizan m áquinas automáticas. U na pequeña proporción (posiblem ente del 5 al 10%) se realiza a mano para com ponentes no estándar que no pueden acom odarse en las m áquinas autom áticas. A lgunas veces se utilizan robots industriales para sustituir la mano de obra humana en tareas de inserción de componentes. M áq u in as d e inserción a u to m á tic a s Las máquinas de inserción automática son sem iautomáticas o totalm ente automáticas. El tipo semiautomático implica a la inserción de los com ponentes mediante un dispositivo de inserción m ecánico, cuya posición en relación con el tablero la controla un operador humano. Las máquinas de inserción autom ática son la categoría preferida, debido a que son más rápidas y su necesidad de atención hum ana se limita a la carga de componentes y a la elim i nación de atascamientos cuando ocurren. La lámina 4, en el capítulo 1, muestra el final del trabajo de una máquina de inserción de alta velocidad. Las máquinas de inserción automática se controlan mediante un program a que usualm ente se desarrolla directamente con los datos de diseño del circui to. Los com ponentes se cargan en estas máquinas en forma de carretes, cargadores u otros disposi tivos portadores que mantengan una orientación adecuada de los componentes hasta su inserción. La operación de inserción implica: 1) el preform ado de las term inales, 2) la inserción de las term inales en los orificios del tablero y 3) el corte y la fijación de las term inales en el otro lado del tablero. El preform ado sólo es necesario para algunos tipos de com ponentes e im plica el do blado en form a de U de las term inales que inicialm ente son rectas, para su inserción. M uchos com ponentes se fabrican con las term inales en form a adecuada y requieren muy poca o ninguna
Una segunda operación im plica la aplicación de un revestim iento de resistencia de soldadu ra a todas las áreas de la superficie del tablero: excepto a las islas, las cuales se soldarán posterior mente durante el ensam ble. El revestim iento resistente a la soldadura se formula quím icam ente para soportar la adhesión de la soldadura; de este modo, en los procesos de soldado subsecuentes (sec ción 35.3.2 y 35.4.2) la soldadura sólo se adhiere a las áreas de las islas, el material resistente a la soldadura se aplica por m edio de serigrafía. Por último, se imprime una leyenda de identificación sobre la superficie, una vez más me diante serigrafía. La leyenda indica en dónde se van a colocar los diferentes com ponentes sobre el tablero en el ensam ble final: en la práctica industrial moderna, tam bién se imprime un código de barras en el tablero para el control de la producción.
35.3
ENSAMBLE DE TABLEROS DE CIRCUITOS IMPRESOS El ensam ble d e tableros de circuitos im presos consiste en com ponentes electrónicos (por ejem plo, encapsulados de CI. resistencias y capacitores), así com o com ponentes m ecánicos (por ejem plo, sujetadores y disipadores de calor) m ontados sobre un tablero de circuitos im presos. Éste es el nivel 2 en el encapsulado electrónico (tabla 35.1). El ensam ble de tableros de circuitos impresos se basa en las tecnologías de inserción o de m ontaje en superficie. A lgunos ensam bles de tableros de circu ito s im presos incluyen am bos tipos de com ponentes o de inserción y de mon taje superficial. N uestro análisis en esta sección se refiere exclusivam ente a los ensam bles de tableros de circuitos im presos que utilizan com ponentes de inserción. En la sección 35.4, con sideram os la tecn o lo g ía de m ontaje superficial y com binaciones de los dos tipos. El horizonte del ensam ble electrónico incluye ensam bles de PCB, así com o niveles más altos de encapsulado, tal com o ensam bles de m últiples PCB ubicados en un chasis o gabinete, y conec tados en forma eléctrica y mecánica. En la sección 35.5 exploram os las tecnologías por medio de las cuales se hacen las conexiones eléctricas en los niveles más altos del encapsulado. En los ensam bles de circuitos impresos con com ponentes de inserción, las term inales deben insertarse en los orificios del tablero de circuitos. Hemos utilizado el término de tecnología de inserción (en inglés pin-in-hole, PIH) para identificar este m étodo de ensamble. U na vez insertadas, las terminales se sueldan en su lugar en los orificios del tablero. En los tableros de doble lado y de multicapas, las superficies de los orificios, dentro de las cuales se insertan las term inales, general mente están chapeadas con cobre, de aquí se deriva el nom bre de chapeado a través de perfora ciones (PTH) para estos casos. D espués del proceso de soldado, los tableros se limpian y prueban, y los que no pasan la prueba se reprocesan si es posible. De este m odo podemos dividir el proceso para ensamble de PCB con com ponentes de inserción en los siguientes pasos: 1) inserción de los componentes, 2) soldado, 3) limpieza, 4) prueba y 5) reelaboración. Estas etapas serán la base de nuestra revisión de la tecnología PIH.
35.3.1 Inserción de los componentes La inserción de las term inales de los com ponentes realiza en los orificios adecuados del tablero de circuitos impresos. Un solo tablero puede estar muy densam ente poblado con cientos de compo
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elaboración. La inserción se realiza mediante una cabeza de trabajo diseñada para el tipo de com ponente. Los com ponentes que insertan las m áquinas autom áticas se agrupan en tres categorías básicas: a) de term inales axiales, b) de term inales radiales y c) de encapsulado dual en línea. El encapsulado dual en línea (sección 34.6.1) es un encapsulado muy común para circuitos integrados. Los com ponentes com unes axiales y radiales se ilustran en la figura 35.9. Los componentes axiales tienen la form a de un cilindro, con las term inales proyectándose hacia cada extremo. Los com ponentes com unes de este tipo incluyen resistores, capacitores y diodos. Sus terminales deben doblarse, com o se sugiere en la figura, para poder insertarse (también véase la lám ina 4, capítulo l). Los com ponentes radiales tienen terminales paralelas y diversos cuerpos, uno de los cuales se m uestra en la • figura 35.9(b). Este tipo de com ponente se ejem plifica con los diodos em isores de luz, los poten cióm etros. las redes de resistencias y las bases para fusibles. Estas configuraciones son tan diferentes que deben utilizarse máquinas de inserción separadas con diseños apropiados de cabezas de trabajo para manejar cada categoría. El posicionamiento exacto { del tablero bajo la cabeza de trabajo previo a cada inserción se realiza mediante una tabla de posi cionamiento x - y de alta velocidad. Para una confiabilidad óptima en la operación de inserción lo s ' diámetros de los orificios en el tablero de circuitos impresos deben ser superiores a los diámetros de las , terminales de los componentes aproximadamente de 0.010 a 0.020 pulg (0.25 a 0.5 mm). Esto no sólo facilita la inserción, sino que también proporciona un espacio adecuado para el flujo de soldadura | durante la subsecuente operación de soldado. FIGURA 35.9 Dos de los tres tipos de componentes básicos utilizados con las máquinas de inserción automática: (a) de terminales axiales y (b) de terminales radiales. El tercer tipo, el encapsulado dual en línea (DIP) se . ilustra en la figura 34.19.
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Capítulo 35 / Ensamble y encapsulado de dispositivos electrónicos
FIGURA 35.10 Doblado y corte de las terminales Je los componentes: (1) al nomento de la inserción r (2) después del doblez y leí corte; las terminales )ueden doblarse ya sea a) hacia adentro o b) hacia afuera.
Sección 35.3 / Ensamble de tableros de circuitos impresos
3.2
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Soldado El segundo paso básico en el ensam ble de tableros de circuitos impresos es el soldado con m ate riales de bajo punto de fusión (soldadura blanda). Para los componentes de inserción, las técnicas de soldado más im portantes son: 1) soldado a mano y 2) soldado en olas. Estos métodos, así como otros aspectos del soldado, se analizan en la sección 30.2.
(1 )
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S o ld a d o a m a n o El soldado a mano implica un operador con habilidades que utilice un cautín para realizar las conexiones de los circuitos. Com parado con el soldado en olas, el soldado a mano es lento, debido a que las uniones de soldadura se hacen una por una. C om o m étodo de pro ducción se utiliza generalm ente para lotes pequeños de producción y reelaboración. C om o sucede con otras tareas manuales, el error hum ano puede provocar problemas de calidad. El soldado a mano algunas veces se utiliza después del soldado en olas para agregar com ponentes delicados que podrían dañarse en el am biente hostil de la cám ara de soldado en olas. Los m étodos manuales tienen ciertas ventajas en el ensam ble de PCB que deben señalarse: 1) el calor está localizado y puede diri girse a una pequeña área objetivo, 2) el equipo no es tan costoso com o el del soldado por olas y 3) el consum o de energía es considerablem ente menor.
Una vez insertadas las term inales a través de los orificios en el tablero, se ajustan y se cor tan. El ajuste im plica el doblez de las term inales, com o se m uestra en la figura 35.10, para asegu rar mecánicamente el com ponente con el tablero hasta que se suelde. Si no hay ajuste, el compo nente corre el riesgo de salirse de los orificios durante el m anejo del tablero. D urante el corte, las terminales se cortan a la longitud adecuada; de otra m anera, existe una posibilidad de que se doblen y causen algún corto circuito con las pistas de los com ponentes cercanos. La m áquina de inserción realiza estas operaciones de m anera autom ática en la parte inferior del tablero. Los tres tipos de m áquinas de inserción, correspondientes a las tres configuraciones básicas de componentes, pueden unirse para form ar una línea de ensam ble de tableros de circuitos integra dos. La integración se lleva a cabo por m edio de un sistem a de una banda transportadora que trans fiere los tableros de un tipo de m áquina al siguiente. Se utiliza un sistema de control com putariza do para dar seguim iento al progreso de cada tablero conform e se mueve por la celda y para descar gar los program as adecuados en cada estación de trabajo. Un problem a en el m anejo de una línea de ensamble integrada de este tipo es equilibrar las cargas de trabajo entre las estaciones. Algunas estaciones pueden tener asignadas una gran cantidad de inserciones para realizar, causando que las otras estaciones estén desocupadas. Éste es un problem a en la línea de ensam ble que se denomina el problema de balanceo de línea (sección 36.2.1). Inserción m a n u a l y ro b ó tic a La inserción manual se utiliza cuando el com ponente posee una configuración no estándar y, por tanto, no puede m anejarlo una m áquina estándar de inserción. Estos casos incluyen interruptores y conectores, así como resistores, capacitores y algunos otros componentes. Pese a que es m uy baja la proporción de inserción manual de com ponentes en la industria, su costo es alto debido a que tiene tasas de producción m ucho más bajas que las de inser ción automática. La inserción m anual generalm ente es de elementos de trabajo similares a los que se realizan en una máquina de inserción automática. Las terminales del componente deben pasar primero a través de un proceso, para alinearlos adecuadam ente con los orificios de inserción. Enseguida, el componente se inserta en el tablero y sus terminales se ajustan y se cortan. En la configuración más simple, el operador utiliza la leyenda im presa en el tablero del circuito para determ inar la posición donde cada componente se va a ubicar. Pueden ocurrir errores humanos, especialmente cuando hay muchos componentes para insertarse, cada uno en una ubicación diferente. A demás, el hecho de que los ensambles de tableros frecuentemente se hacen en bajas cantidades significa que el operador no puede aprender por com pleto la tarea, esto contribuye también al problema de los errores. Se han desarrollado varios esquem as para reducir los errores. Un diseño de estación de trabajo presenta los componentes al operador en un cierto orden, el cual se coordina mediante un haz de luz controlado por computadora y se dirige a la posición del tablero donde el componente debe insertarse. El uso de robots industriales (sección 37.2) es otro enfoque para la reducción del error humano en el ensam ble de los PCB. Dos atributos de un robot hacen que tal aplicación sea factible: 1) los robots pueden program arse para realizar tareas com plicadas y 2) pueden equiparse con dis positivos de sujeción para m anejar un serie de estilos de com ponentes. Los robots industriales no pueden utilizarse com o sustitutos de las m áquinas de inserción autom áticas, porque los robots son muy lentos. Trabajan a velocidades sim ilares a las del ser humano; se justifica su uso debido a que i reducen los costos del trabajo y los errores humanos durante el ensamble.
Soldado en olas El soldado en olas es una técnica mecanizada en la cual los tableros de cir cuitos impresos que contienen los componentes de iniciación se mueven a través de una banda de transporte sobre una ola de soldadura fundida (figura 30.10). La banda está posicionada de tal mane ra que sólo la parte inferior del tablero, con las terminales de los componentes proyectándose a través de los orificios, está en contacto con la soldadura. La combinación de la acción capilar y la fuerza que ejercen las olas hacia arriba originan que el líquido de la soldadura fluya en los espacios abiertos entre las terminales y los orificios para obtener un buen punto de soldadura. La gran ventaja de la soldadura por olas es que todos los puntos de soldadura en un tablero se hacen en un solo paso por el proceso.
3.3
Limpieza, prueba y reproceso
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Los pasos finales de procesam iento en el ensamble de tableros de circuitos impresos son la lim pieza, las pruebas y el reproceso. También se llevan a cabo inspecciones visuales en el tablero para detectar defectos obvios. Lim pieza D espués del soldado, están presentes contam inantes en el ensam ble del circuito impreso. Estas sustancias extrañas incluyen el fundente, aceite y grasa, sales y suciedad, algunos de los cuales pueden causar la degradación química del ensam ble o la interferencia de algunas de sus funciones electrónicas. Para rem over estos materiales no deseables, deben llevarse a cabo una o más operaciones de limpieza. Los métodos tradicionales de limpieza para los ensam bles de PCB incluyen la limpieza a mano con los solventes adecuados y la eliminación de grasa con vapor y solventes clorados, por ejem plo, el tricloroetileno (sección 32.1.2). El interés en los riesgos ambientales en los años recientes ha m otivado a la búsqueda de solventes basados en agua que sean efectivos para reem plazar a los quím i cos clorados y fluorizados que tradicionalmente se utilizan en el desengrasado con vapor. P ru eb a s La inspección visual se utiliza para detectar los daños de sustratos en el tablero, com ponentes faltantes o dañados, fallas de soldadura y defectos de calidad sim ilares que se apre cian a simple vista. Se están perfeccionando sistemas de visión en un núm ero creciente de instala ciones para que estas inspecciones se realicen de m anera automática. Los procedim ientos de prueba deben realizarse en el ensam ble com pleto para verificar su funcionalidad. El diseño del tablero debe perm itir estas pruebas, al incluir puntos de prueba en el diseño del circuito. Estos puntos son posiciones convenientes en el circuito para que las puntas de sondeo puedan hacer contacto durante las pruebas. Pueden realizarse varias pruebas. Los com po nentes individuales en el circuito se prueban estableciendo contacto con las term inales de los com -
Sección 35.4 / Tecnología de montaje superficial
Capítulo 35 / Ensamble y encapsulado de dispositivos electrónicos
ponentes, aplicando señales de entrada de prueba y m idiendo las señales de salida. Entre los pro cedimientos más sofisticados están las pruebas de funciones digitales, en la cuales se exam inan el circuito entero o los subcircuitos principales utilizando una secuencia program ada de señales de entrada y m idiendo las señales correspondientes de salida para sim ular las condiciones de opera ción. El equipo para la función de prueba digital es costoso, y se requiere m ucho tiem po de inge niería para diseñar y program ar los algoritm os de prueba adecuados.
Nota histórica 35.2 Tecnología de montaje superficial |4j L a te cn o lo g ía d e m o n ta je superficial (en in g lés surface mounl uchnology. SMT) tie n e s u s o ríg e n e s e n los s is te m a s electró n ico s d e ¡as in d u s tria s a e ro n á u tic a, a e ro e sp a cia l y m ilitar d e lo s se s e n ta . Los p rim ero s c o m p o n e n te s era n e n c a p su la d o s ce rá m ic o s p la n o s con te rm in a le s e n form a d e ala. Los p rim ero s e n c a p su la d o s eran atractiv o s, co m p a ra d o s co n los d e la te cn o lo g ía d e in serció n , p o rq u e p o d ían c o lo carse en a m b o s la d o s d e un ta b lero d e circu ito s im p reso s, d u p lic a n d o efectiv am en te la d e n s id a d d e lo s c o m p o n e n te s . A dem ás, el e n c a p su la d o SMT p o d ía s e r m ás p e q u e ñ o q u e un en c a p su la d o d e inserción sim ilar, a u m e n ta n d o aú n m á s las d e n s id a d e s d e c o m p o n e n te s en el ta b lero d e circu ito s im p reso s. A p rin c ip io s d e lo s a ñ o s se te n ta , se h icieron o tro s av an ces e n la SMT en la form a d e \ c o m p o n e n te s sin te rm in a le s (c o m p o n e n te s co n e n c a p su la d o s ce rá m ic o s q u e n o te n ía n te rm in a le s s e p a ra d a s) E sto p erm itió to d av ía m ay o res d e n s id a d e s d e circu ito s en la e le c tró n ic a m ilitar y a e ro e sp a c ia l. A fin a les d e lo s s e te n ta , ap a re cie ro n los e n c a p su la d o s SMT d e p lá stico , los c u a le s p erm itiero n el u so d e la te cn o lo g ía d e m o n ta je superficial L as in d u s tria s d e c o m p u ta c ió n y au to m o triz s e h an c o n v e rtid o e n u s u a rio s im p o rta n te s d e la SMT, y su d e m a n d a d e e s te tip o d e c o m p o n e n te s ha co n trib u id o a un crec im ien to
Otra prueba que se utiliza para los ensambles de tableros de circuitos im presos es la sustitu ción, en la cual una unidad de producción se conecta a un prototipo del sistem a de trabajo y se apli ca energía para que realice sus funciones. Si el ensamble funciona en form a satisfactoria, esto sig nifica que pasó la prueba. D espués, se desconecta y la siguiente unidad de producción se sustituye en el prototipo. Por últim o, se realiza una prueba de quemado en algunos tipos de ensam bles de tableros de circuitos im presos que puedan estar sujetos a una “mortalidad infantil”. Es decir, algunos tableros contienen defectos que no se revelan en las pruebas normales de funcionam iento, pero que pueden causar la falla del circuito durante periodos tempranos de servicio. En las pruebas de quem ado los ensam bles operan con corriente durante un cierto periodo de tiem po, tal com o 24 o 72 horas, algu nas veces a tem peraturas elevadas, tales com o 100 °F (40 °C), para obligar a que estos defectos manifiesten sus fallas durante el periodo de prueba. Los tableros a los que no afecta la mortalidad infantil sobrevivirán la prueba y proporcionarán una vida larga de servicio.
sig n ificativ o e n e s ta te cn o lo g ía.
R ep ro ceso C uando la inspección y las pruebas indican que uno o más tableros tienen fa llas o que algunas uniones de soldadura son defectuosas, usualm ente tiene sentido tratar de reparar el ensamble, en lugar de descartarlo todo ju n to con los com ponentes restantes que se encuentran en buenas condiciones. Este paso de reparación se denomina reproceso y es una parte integral en las operaciones de las plantas de ensam ble electrónico. Los procedim ientos de reelaboración comunes incluyen el retoque (la reparación de fallas de soldadura), la sustitución de com ponentes faltantes o defectuosos y la reparación de la película de cobre que se ha levantado del sustrato de la superficie. Estos procedim ientos son operaciones m anuales que requieren de trabajadores con habilidades en la utilización de cautines.
35.4
Pese a estas ventajas, la industria electrónica no ha adoptado totalm ente la SM T y ha exclui do la tecnología PIH. Existen varias razones: 1) debido a su menor tamaño, es más difícil para loJ trabajadores m anejar y ensam blar los componentes de montaje superficial; 2) los com ponentes d | SM T son generalm ente más caros que los com ponentes de terminales de inserción, aunque esra desventaja puede cam biar conform e se perfeccionan las técnicas de producción de c om ponen^j SMT; 3) la inspección, las pruebas y la reelaboración de los ensambles de circuito son generalmente más difíciles para dispositivos SMT, debido a la pequeña escala que se considera y 4) algunos t i ^ de com ponentes todavía no están disponibles en la form a de montaje superficial. Esta últim a restri& ción trae com o resultado que algunos ensam bles electrónicos contengan com ponentes de m o n d j superficial y de inserción. ^ Para la tecnología de inserción se requieren los m ism os pasos básicos que se efectúan™ el ensam ble de com ponentes de montaje superficial en PCB. Los com ponentes deben colocas* en el tablero y soldarse, después lim piarse, hacer las pruebas y el reproceso. Los m étodos para™ colocación y el soldado de los com ponentes, así com o algunos de los procedim ientos de p ru e " y reproceso, son diferentes en la tecnología de m ontaje superficial. La colocación de los com po nentes en SM T im plica la ubicación correcta del com ponente en el tablero de circuitos i m p r e ^ y la adherencia suficiente a la superficie hasta que la soldadura proporcione una conexión per m anente, tanto eléctrica com o m ecánica. Existen dos m étodos alternativos de colocación y dado: 1) unión adhesiva de los com ponentes y soldado en olas y 2) pasta para soldar y soldadu ra por flujo. Se ha descubierto que algunos tipos de com ponentes SM T son más adecuados p ® un m étodo, m ientras que otros tipos son más adecuados para otros. £
TECNO LO GÍA DE MONTAJE SUPERFICIAL Un efecto de la creciente com plejidad de los sistemas electrónicos ha sido la necesidad de densi dades de encapsulado m ayores en los ensam bles de circuitos impresos. Los ensam bles de PCB con vencionales que utilizan com ponentes con terminales insertados en los orificios tienen algunas lim i taciones inherentes, en térm inos de densidad del encapsulado. Estas lim itaciones son: 1) los com ponentes sólo pueden m ontarse de un lado del tablero y 2) la distancia de centro a centro entre las terminales de estos com ponentes debe ser de un mínimo de 0.04 pulg (1.0 mm), pero generalm ente es de 0.10 pulg (2.5 m m). La tecnología d e m o n ta je su p erficia l (SM T ) utiliza un m étodo de ensam ble en el cual las term inales de los c o m p o n en tes se sueldan a las islas sobre la superficie del tablero, en lugar de insertarse en los o rificio s q u e atraviesan el tablero (véase la nota histórica 35.2). A l e lim inar la necesidad de in sertar las term in ales en los orificios del tablero, se obtienen varias ventajas [6]: 1) se hacen co m p o n en tes m ás pequeños, con sus term inales más ju n ta s entre ellas; 2) aum entan las densidades del e n cap su lad o ; 3) los com ponentes se montan en am bos lados del tablero; 4) se utilizan tableros de circuitos impresos más pequeños para el mismo sistem a electrónico, 5) se eli mina el taladrado de m uchos orificios durante la fabricación del tablero, pero todavía se requieren los o rificio s g u ía para co n ectar entre sí las diferentes capas y 6) se reducen efectos eléctricos no d esead o s, tales com o las capacitancias e inductancias que se generan entre los dis positivos. Las áreas c o m u n e s de la su p erficie del tablero que ocupan los com ponentes S M T van desde el 20% h asta el 60% en com paración con los com ponentes de inserción.
35.4.1
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Unión adhesiva y soldado en olas
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Los pasos de este método se describen en la figura 35.11. Se utilizan algunos adhesivos (sección 30. para pegar los componentes a la superficie del tablero. Los más comunes son los epóxicos y los a ^ licos. El adhesivo se agrega mediante alguno de los tres métodos siguientes: 1) aplicando el líc ri do adhesivo con una brocha a través de un esténcil de malla; 2) con una máquina de distribucw automática que utiliza un sistema de posicionamiento x - y programable o 3) el método de transferí» cia de terminales, en el cual un aditamento que consiste en terminales ordenadas, de acuerdo con™ regiones donde debe aplicarse el adherente, se hace caer en el líquido adhesivo y después se posiciu* en la superficie del tablero para depositar el adhesivo en los puntos que se requieren. ^
Capítulo 35 / Ensamble y encapsulado de dispositivos electrónicos
Sección 35.4 / Tecnología de montaje superficial
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Terminal de componente (ala de gaviota)
FIGURA 35.12 M étodo de la pasta para soldar por flujo: (1) se aplica la pasta para soldar a las áreas de islas que la requieren, (2) se colocan los componentes sobre el tablero, (3) la pasta se calienta y (4) reflujo de soldadura.
Después de la aplicación de la pasta para soldar, los com ponentes se colocan sobre el tablero mediante el m ism o tipo de m áquinas de colocación que se utilizan en el método de unión adhesi va. Para secar la sustancia adherente se lleva a cabo una operación de cocción a baja temperatura; esto reduce el escape de gas durante el soldado. Por últim o, el proceso de soldadura por reflujo (sec ción 30.2.3) calienta la pasta para soldar en una m edida suficiente para que las partículas de sol dadura se derritan y formen una unión m ecánica y eléctrica de alta calidad, entre las terminales del
FIGURA 35.11 La unión adhesiva y el soldado en olas se muestran aquí para un com ponente discreto com o un capacitor o una resistencia: (1) se aplica adhesivo a las áreas sobre el tablero en donde se van a ubicar los componentes, (2) los componentes se colocan sobre las áreas cubiertas con adhesivo, (3) el adhesivo se cura y (4) las uniones de soldadura se hacen mediante soldado en olas.
Enseguida, las máquinas de colocación autom áticas que operan bajo control computarizado ponen los com ponentes sobre la superficie del tablero. Se utiliza el término de máquinas de colo cación (onserción) para estas unidades, para distinguirlas de las m áquinas de inserción que se uti lizan en la tecnología PIH. Las m áquinas de colocación (onserción) operan a velocidades de hasta cuatro componentes por segundo.
com ponente y las islas en el circuito del tablero. Al igual que en la tecnología “pin-in-hole”, para el ensam blado de los tableros de circuitos impresos en SM T se utilizan líneas de producción integradas para llevar a cabo las diferentes opera ciones, com o se muestra en la figura 35.13. U na de las operaciones de colocación de componentes a alta velocidad que se realiza en tal línea se ilustra en la figura 35.14.
Después de la colocación de los com ponentes, el adhesivo se cura. D ependiendo del tipo de adhesivo, el curado puede ser por calor, luz ultravioleta (UV) o una com binación de UV y radiación infrarroja (IR). Con los com ponentes de m ontaje superficial ahora adheridos a la superficie del tablero de circuitos impresos, el tablero se somete a un proceso de soldadura en olas. La operación difiere de su contraparte en PIH en que los componentes pasan por sí mismos la ola de soldadura fundida. Entre los problem as técnicos que algunas veces se encuentran en el soldado en olas en SMT están que los com ponentes se levantan del tablero, se mueven de su posición y que los más grandes crean espacios que inhiben la soldadura adecuada de sus componentes vecinos.
FIGURA 35.13 Una línea de producción de tecnología de montaje superficial (SMT), las estaciones incluyen el lanzamiento del tablero, la impresión por serigrafía de la pasta para soldar, algunas operaciones de ubicación de los componentes y el horno de reflujo de soldadura (fotografía cortesía de Universal Instruments Corp.).
* ejissav -• -Ifi. Se
.2 Pasta para soldar y soldadura por reflujo En este método, el cual parece ser más com ún en la industria, se utiliza una pasta para soldar con el propósito de adherir los com ponentes a la superficie del tablero de circuitos. La secuencia de pasos se ilustra en la figura 35.12. Una pasta pa ra soldar es una suspensión de polvos de soldadura en una sustancia adherente derretida. Tiene tres funciones: 1) es soldadura, com únm ente del 80 al 90% del volum en total de pasta, 2) es fúndente y 3) es adhesivo que asegura los com ponentes a la superficie del tablero. Los métodos para aplicar la pasta para soldar a la soldadura del tablero incluyen la serigrafía y la distribución con jeringa. Las propiedades de la pasta deben ser com patibles con estos m étodos de aplicación; la pasta debe fluir, pero no debe ser tan líquida que se pueda expandir más allá del área localizada donde se aplica. , „• ..
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Sección 35.5 / Tecnología de conectores eléctricos
Capítulo 35 / Ensamble y encapsulado de dispositivos electrónicos
sión que produce una unión óptima. El doblado se realiza mediante herram ientas m anuales o m áquinas para doblar. Las term inales se proporcionan com o piezas individuales o en tiras largas que pueden alim entar a una m áquina para doblado.
Para com enzar, existen dos métodos básicos para hacer conexiones eléctricas: 1) la soldadu ra y 2) las conexiones de presión. El proceso de soldadura se analizó en la sección 30.2 y en todo este capítulo. Es la tecnología más utilizada en la electrónica. Las conexiones a presión son co nexiones eléctricas en las cuales se utilizan fuerzas mecánicas para establecer la continuidad eléc trica entre los com ponentes. Algunas veces denominadas conexiones sin soldadura se dividen en dos tipos: perm anentes y separables. Nuestro análisis en esta sección se centrará en estos dos tipos.
Tecnología del ajuste a presión La conexión eléctrica de ajuste a presión es sim ilar a la de los ensam bles m ecánicos, pero las configuraciones de las partes son diferentes. L a tecnología del ajuste a presión se utiliza am pliam ente en la industria electrónica para ensam blar las terminales a través de los orificios chapeadas en tableros de circuitos impresos grandes. En ese contexto, un ajuste a presión im plica una parte de interferencia entre la terminal y la perforación chapeada en la cual se inserta. Existen dos categorías de term inales: (a) sólidas y (b) dúctiles, com o se m uestra en la figura 35.18. D entro de estas categorías, las term inales varían entre los fabricantes. La terminal sólida tiene una sección transversal rectangular y se diseña de m anera que sus esquinas presionen y corten el metal de la perforación chapeada para form ar una buena conexión eléctrica. La terminal dúctil se diseña com o un dispositivo de carga con resorte que se ajusta al contom o de la perforación, pero que presiona contra las paredes de la perforación para obtener el contacto eléctrico.
35.5. 1 Conexiones permanentes Una conexión perm anente implica un contacto de alta presión entre dos superficies m etálicas, en las cuales una o las dos partes se deform an mecánicamente durante el proceso del ensam ble. Los métodos de conexión perm anente incluyen el doblado de conectores, la envoltura de cables, la tec nología de ajuste a presión y el desplazam iento de un aislante.
Doblado de terminales conectoras Este método de conexión se utiliza para ensamblar los alambres a term inales eléctricas. Pese a que el ensamble de los alam bres con la terminal forma una unión perm anente, la terminal en sí m ism a se diseña para conectarse y desconectarse del com ponente con el que se une. Existe una diversa variedad de estilos de term inales, algunas de las cuales se m uestran en la figura 35.16, y están disponibles en diferentes tamaños. En todas ellas debe hacerse una conexión al alambre conductor, y el doblado es la operación para hacer esto. El dobla do implica la deform ación mecánica del cilindro de la terminal para form ar una conexión perm a nente con el extrem o desnudo de un alam bre que se inserta en él. Si se realiza de una m anera ade cuada, la unión tendrá una baja resistencia eléctrica y una alta fuerza mecánica. Existen dos tipos de cilindro: (a) cerrado y (b) abierto, com o se m uestra en la figura 35.17. El cilindro cerrado es un tubo hueco, mientras que el cilindro abierto tiene una sección transversal en forma de U. El cilindro frecuentem ente se recubre con una capa aislante. La operación de dobla do oprime y cierra el cilindro alrededor del alambre desnudo. Frecuentem ente se requiere una prue ba durante la producción para cada com binación de terminal y alam bre a fin de determ inar la pre-
Desplazamiento de aislante El desplazam iento de aislante es un m étodo para hacer una conexión eléctrica permanente en el cual un contacto con filos en form a de punta atraviesa el ais lante y se desliza contra el conductor de alambre para form ar la conexión eléctrica. Este método se ilustra en la figura 35.19 y se utiliza com únm ente para hacer conexiones sim ultáneas entre contac tos m últiples y un cable plano. El cable plano, llamado cable de listón, consiste en una serie de
FIGURA 35.18 Dos tipos de terminales electrónicas en la tecnología de ajuste a presión: (a) sólida y (b) dúctil.
FIGURA 35.16 Algunos estilos de terminales disponibles para hacer conexiones eléctricas separables: (a) en forma de lengüeta, (b) en forma de anillo y (c) con pestañas.
FIGURA 35.17
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Tablero de circuitos im presos
FIGURA 35.19 Método de desplazamiento de aislante para unir un contacto de un conector con un cable plano: (1) posición inicial, (2) los contactos atraviesan el aislante y (3) después de la conexión.
Dos tipos de cilindro para las terminales: (a) cerrado y (b) abierto.
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( 1)
Conductores (alambres)
Aislante
(2)
b
j (3)
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Capítulo 35 / Ensamble y encapsulado de dispositivos electrónicos
Sección 35.5 / Tecnología de conectores eléctricos 9 ^ P
sisten en contactos múltiples, que se encuentran dentro de un albergue plástico diseñado p a Í ser com patible con otro conector o con alam bres o term inales individuales. Se utilizan para h a d f l conexiones eléctricas entre varias com binaciones de cables, tableros de circuitos im presos, com po^ nentes y alam bres individuales. ^ Existe una amplia selección de conectores disponibles. Entre los aspectos de diseño para e l i ^ girlos están: 1) el nivel de energía (por ejem plo, si el conector se utiliza para alim entación o p a™ la transmisión de señales), 2) el costo, 3) el número de conductores individuales que el c o n e c t a implica, 4) los tipos de dispositivos y circuitos que se van a conectar, 5) las lim itaciones de esp ¿P ció, 6) la facilidad de unir el conector con sus term inales, 7) la facilidad de conexión con la t e r n ^ nal u el conector correspondiente y 8) la frecuencia de conexión y desconexión. A lgunos tipos priiv cipales de conectores incluyen los conectores de cables, los bloques de terminales, los c o n ta c to s ^
FIGURA 35.20 Envoltura de alambre, uno de los métodos de conexión eléctrica.a presión.
los conectores con una fuerza de inserción baja o cero. alambres paralelos que se sostienen en un arreglo fijo y a los que rodea un material aislante. G eneralm ente se term inan con conectores de term inales múltiples, los cuales se utilizan amplia mente en la electrónica para hacer conexiones eléctricas entre subensam bles mayores. En estas apli caciones, el m étodo de desplazam iento de aislante reduce los errores de alam brado y aumenta el proceso del ensam ble. Para hacer el ensamble, el cable se coloca sobre una base, y se utiliza una prensa para dirigir los contactos de los conectores y hacerlos pasar por el aislante hasta que lleguen a los alambres metálicos. E nvoltura d e a la m b re La envoltura de alambre es un método de term inación eléctrica en el cual el extrem o desnudo de un alambre aislado se envuelve firm em ente alrededor de un poste ter minal metálico con form a cuadrada. C om o se observa en la figura 35.20, se hace que el alambre forme una hélice alrededor del poste. La operación de envoltura trae com o resultado una alta pre sión entre el alam bre y las esquinas de la terminal a fin de que pueda penetrar cualquier película superficial y cause un buen contacto de metal a metal entre los com ponentes de la unión. El alam bre es cobre sólido (no son filamentos) o una aleación de cobre, recocido para que perm ita la defor mación m ecánica significativa que ocurre dentro de esta operación. El poste terminal se hace de una aleación de cobre, usualm ente revestida con oro o estaño; con el tiem po, la difusión en frío a través de la interfase de la unión trae com o resultado una unión fuerte y la envoltura de alam bre se con sidera com o uno de los métodos de conexión eléctrica más confiables. Como operación de producción, la envoltura de alam bre se utiliza m anualm ente utilizando una herram ienta tipo pistola, o con m áquinas autom áticas program adas para realizar una secuen cia de conexiones de alam bre entre term inales en tableros grandes. Los dos m étodos se basan en una lista “de a” que especifica qué alam bres se van a conectar a cuáles term inales. Conforme aumenta el núm ero de conexiones, el m étodo con m áquina ofrece más ventajas que el método manual en térm inos de costo, tasas de producción y confiabilidad. La técnica de envoltura de alambre se desarrolló a finales de los años cuarenta y se ha usado am pliam ente en la industria de las com putadoras p o r m uchos años. M ás recientem ente, su uso ha decaído a favor de otros méto dos de conexión. A sim ism o, el encapsulado de los dispositivos electrónicos ha evolucionado a densidades más altas, reduciendo así la necesidad de los tipos de conexiones que se hacen medi ante la envoltura de alam bre
35.5.2
Conectores separables Las conexiones separables se diseñan para perm itir el desensam ble y el ensam ble; están hechas para conectarse y desconectarse en múltiples ocasiones. C uando se conectan, deben proporcionar un buen contacto de metal a metal entre los com ponentes de la unión con una alta confiabilidad y una baja resistencia eléctrica. Los dispositivos de conexiones separables se denom inan conectores y se fabrican en una serie de estilos para diferentes aplicaciones. Los conectores com únm ente con-
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C o n e c to re s d e c ab les Los conectores de cables son dispositivos que están c o n e c ta d o ^ perm anentem ente a cables (en uno o dos extrem os) y se diseñan para conectarse y desconectarse un conector com patible. Un cable conector de energía que se conecta a un contacto en la pan es un ejem plo familiar. Otros estilos incluyen el tipo de conector con multiterm inales y el compi tibie que se muestran en la figura 35.21, los cuales se utilizan para proporcionar transm isión c t e señales entre subensambles electrónicos. O tros estilos de conectores m ultiterm inales se u tiliz a d para unir tableros de circuitos im presos a otros subensam bles en un sistema electrónico.
FIGURA 35.21 Conectores multiterminales con receptáculo compatible, ambos unidos a cables (fotografía cortesía de AMP, Inc.).
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Capítulo 35 / Ensamble y encapsulado de dispositivos electrónicos
Cuestionario de opción múltiple
Bloques de terminales Los bloques de term inales consisten en una serie de receptáculos espaciados uniform em ente que perm iten hacer conexiones entre term inales o alam bres individua les. En general, las term inales o alam bres se unen al bloque por m edio de tom illos u otros mecanis mos mecánicos de sujeción que perm itan un desensam ble. Un bloque de term inales convencional se ilustra en la figura 35.22. Contactos (sockets En electrónica, un contacto se refiere a un dispositivo de conexión que se monta sobre un tablero de circuitos impresos en el cual pueden insertarse los encapsulados de cir cuitos integrados y otros componentes. Los contactos se encuentran permanentemente unidos al tablero de circuitos impresos por medio de soldadura o de presión, pero proporcionan un método de conexión separable para los componentes, los cuales pueden ser conectados de manera conveniente, removidos o reem plazados en el ensamble del tablero de circuitos impresos. Por tanto, los contactos son una alternativa al soldado en el encapsulado de dispositivos electrónicos. Conectores con fuerza de inserción baja y cero Las fuerzas de inserción y de extrac ción pueden ser un problem a en la utilización de los conectores de terminales y de contactos en tableros de circuitos impresos. Estas fuerzas aumentan en proporción al número de term inales que se encuentran implícitas. Es posible que ocurra un daño cuando se ensamblan com ponentes con muchos contactos. Este problem a ha m otivado el desarrollo de conectores con fu e rza de inserción baja (LIF) o fu e rza de inserción cero (ZIF), en los cuales se han desarrollado m ecanism os espe ciales para reducir o elim inar las fuerzas que se requieren para presionar los conectores positivos y negativos al m om ento de su unión y para desconectarlos. FIGURA 35.22
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PREGUNTAS DE REPASO 35.1. 35.2. 35.3. 35.4. 35.5. 35.6. 35.7.
Bloque de terminales que utiliza tornillos para conectar las terminales (fotografía cortesía de AMP, Inc.).
35.8. 35.9. 35.10. 35.11. 35.12. 35.13. 35.14. 35.15. 35.16. 35.17. 35.18. 35.19. 35.20.
¿Cuáles son las funciones de un encapsulado electrónico bien diseñado? Identifique los niveles de jerarquía del encapsulado en la electrónica. ¿Cuál es la diferencia entre una pista y una isla en un tablero de circuitos impresos? Defina lo que es un tablero de circuitos impresos (PCB). Nombre los tres tipos principales de tableros de circuitos impresos. ¿Qué es una perforación guía en un tablero de circuitos impresos? ¿Cuáles son los dos métodos básicos de recubrimiento con resistencia para los tableros decircuitos impresos? ¿Para qué se utiliza el ataque químico en la fabricación de tableros de circuitos impresos? ¿Qué es la prueba de continuidad y cuándo se realiza en la secuencia de fabricación de tablerosde cir cuitos impresos? ¿Cuáles son las dos categorías principales de ensambles de tableros de circuitos impresos? Conforme al método de fijación de los componentes en el tablero? ¿Cuáles son algunas de las razones y los defectos que hacen que la reelaboración sea un paso integral en la secuencia de fabricación de tableros de circuitos impresos? Identifique algunas de las ventajas de la tecnología de montaje superficial sobre la tecnología de inser ción convencional. Identifique algunas de las restricciones y desventajas de la tecnología de montaje superficial. ¿Cuáles son los dos métodos de colocación de componentes y de soldado en la tecnología de montaje superficial? ¿Qué es una pasta para soldar? Identifique los dos métodos básicos para hacer conexiones eléctricas. Defina el doblado dentro del contexto de las conexiones eléctricas. ¿Qué es la tecnología de ajuste a presión en las conexiones eléctricas? Defina un bloque de terminales. ¿Qué es un conector de terminales?
CUESTIONARIO DE OPCIÓN MÚLTIPLE Hay un total de 17 respuestas correctas en el siguiente cuestionario. La calificación porcentual de la prueba debe basarse en este total. 35.1.
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¿A cuál de los siguientes se refiere al segundo nivel de encapsulado? a) Del componente al tablero de circuitos impresos, b) de la pastilla del circuitos integrados al paquete, c) las interconexiones del chip o b) las conexiones de alambrado y cableado.
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Capitulo 35 / Ensamble y encapsulado de dispositivos electrónicos
35.2. ¿Dentro de cuál de los siguientes niveles de encapsulado se incluye la tecnología de montaje superficial? a) cero, b) primero, c) segundo, d) tercero o e) cuarto.
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35.3. ¿A cuál de los siguientes niveles en la jerarquía de encapsulado electrónico se refiere el encapsulado de tarjeta en tablero (COB)? a) cero, b) primero, c) segundo, d) tercero o e) cuarto. 35.4. ¿Cuál de los siguientes materiales poliméricos se utiliza comúnmente como ingrediente para la capa de aislamiento de un tablero de circuitos impresos? (Puede ser más de una respuesta.) a) cobre, b) E-vidrio, c) epóxico, d) fenol, e) polietileno y f) polipropileno. 35.5. ¿Cuál de los siguientes es el espesor común de una capa de cobre en un tablero de circuitos impresos? a) 0.100 pulg, b) 0.010 pulg, c) 0.001 pulg, o d) 0.0001 pulg. 35.6. La fotolitografía se utiliza ampliamente en la fabricación de tableros de circuitos impresos. ¿Cuál de los siguientes es el tipo de resistencia que se usa con más frecuencia en el procesamiento de tableros de cir cuitos impresos? a) resistencias negativas, o b) resistencias positivas. 35.7. ¿Cuál de los siguientes procesos de deposición tiene la más alta tasa de deposición en la fabricación de tableros de circuitos impresos? a) chapeado no eléctrico o b) electrodeposición. 35.8. Además del cobre, ¿cuál de los siguientes es otro material común que se chapea en un tablero de cir cuitos impresos? a) aluminio, b) oro, c) níquel o d) estaño. 35.9. ¿Cuáles de los siguientes procesos de soldado se utilizan para unir componentes a los tableros de cir cuitos impresos en la tecnología de inserción? (Puede ser más de una respuesta.) a) soldadura manual, b) soldadura infrarroja, c) soldadura por reflujo, d) soldadura con soplete y e) soldadura en olas. 35.10. En general, ¿cuál de las siguientes tecnologías produce mayores problemas durante el reproceso? a) tecnología de montaje superficial o b) tecnología de inserción. 35.11. ¿Cuáles de los siguientes son métodos para formar conexiones eléctricas? (Puede ser más de una respuesta.) a) soldadura, b) desplazamiento de aislantes, c) aros de retención, o d) conexiones a presión. 35.12. Los siguientes métodos de conexión eléctrica proporcionan una conexión separable. (Puede ser más de una respuesta.) a) doblado de terminales, b) bloques de terminales, c) ajuste a presión, d) contactos y e) envoltura de alambre.
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Las líneas de producción son una clase importante en los sistem as de m anufactura cuando van a hacer grandes cantidades de productos idénticos o similares. Son convenientes p a n i realizar un trabajo en la parte o producto que requiere m uchos pasos separados. Entre la fl ejem plos están los productos ensam blados (los autom óviles y los aparatos eléctricos), a™ com o las partes m aquinadas que se producen en forma masiva, en las cuales se re q u ie re ^ múltiples operaciones de m aquinado (bloques de m otores y alojam iento de transmisiones). En una línea de producción, el trabajo total se divide en tareas pequeñas y se asignan t r ^ bajadores o máquinas para realizar estas actividades con gran eficiencia. Gran parte deL crédito para el desarrollo y refinam iento de la línea de producción se debe a Henry Ford y ^ equipo de ingeniería en la Ford M otor Com pany a principios del siglo (véase nota h is to rie ^ 36.1). * Por cuestiones de organización, las dividim os en dos tipos básicos: líneas de e n sa m b k j manual y líneas de producción autom atizadas, aunque son frecuentes las líneas híbridas co™ operaciones tanto manuales com o autom atizadas. A ntes de exam inar estos sistemas, consjÉj derem os algunos de los aspectos generales im plícitos en el diseño y operación de una línelr de producción. ^
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36.1
Capítulo 36 / Líneas de producción Sección 36.1 / Fundamentos de las líneas de producción
FUNDAMENTOS DE LAS LÍNEAS DE PRODUCCIÓ N
U na línea de m odelo m ixto tam bién produce varios modelos; sin em bargo, los modelos se entrem ezclan en la misma línea, en lugar de producirse por lotes. M ientras un m odelo particular se trabaja en una estación, se procesa un modelo distinto en la siguiente. Cada estación está equjpa_ da con las herram ientas necesarias y es capaz de realizar las tareas que se requieren para producir cualquier m odelo que se solicite. M uchos productos de consum o se ensam blan en líneas de mode lo mixto. Los ejem plos principales son los autom óviles y los aparatos eléctricos, que se caracteri zan por variaciones significativas entre m odelos y las opciones disponibles. Las ventajas de una línea de m odelo m ixto sobre una línea de modelo por lotes son: 1) se reduce el descenso de los tiem pos entre m odelos, 2) se evitan inventarios altos de algunos modelos cuando hay escasez de otros y 3) las velocidades de producción y las cantidades de los modeios aum entan y descienden de acuerdo con los cam bios en la demanda. Por otra parte, el proble ma de asignar tareas a las estaciones de trabajo para que todas compartan una carga de trabajo igual, es más com plejo en una línea de m odelo mixto. La program ación (determ inar la secuencia de mo delo) y la logística (asignar las partes correctas a cada estación de trabajo para el m odelo que se está procesando en esa estación) son más difíciles en este tipo de línea.
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Una línea de producción la forman una serie de estaciones de trabajo ordenadas para que los produc tos pasen de una estación a la siguiente y en cada posición se realice una parte del trabajo total (véase figura 36.1). La velocidad de producción de la línea se determina por medio de su estación más lenta. Las estaciones de trabajo con ritmos más rápidos, llegarán a verse limitados por la estación más lenta, que representa un cuello de botella. La transferencia del producto a lo largo de la línea por lo general se realiza mediante un dispositivo de transferencia mecánica o sistema de transporte, aunque algunas líneas manuales simplemente pasan el producto a mano entre las estaciones. Las líneas de pro ducción se asocian con la producción masiva. Si las cantidades del producto son m uy grandes y el tra bajo se va a dividir en tareas separadas que pueden asignarse a estaciones de trabajo individuales, una línea de producción es el sistema de manufactura más apropiado.
36.1.1
Variaciones de productos Las líneas de producción se diseñan para enfrentar las variaciones en los m odelos de los productos, siem pre y cuando las diferencias entre los m odelos no sean dem asiado grandes (una variedad de productos suave, com o se define en la sección 1.1.2). En térm inos de la capacidad de una línea de producción p ara enfrentar las variaciones de m odelos, se distinguen tres tipos de líneas: 1) línea de m odelo único, 2) línea de m odelo p o r lote y 3) línea de m odelo m ixto. U na línea de m odelo único produce sólo un m odelo y no hay variaciones en él. Por tanto, las tareas que se rea lizan en cada estación son iguales sobre todas las unidades de productos.
36.1.2
Métodos de transporte de trabajo
Las líneas de modelo por lotes y de m odelo m ixto se diseñan para producir dos o más mo delos del producto en la m ism a línea, pero usan diferentes enfoques para enfrentar las variaciones. Como sugiere su nom bre, una línea de m odelo p o r lotes produce cada modelo en grandes canti dades. Las estaciones de trabajo se preparan para producir la cantidad deseada del prim er modelo y después se reconfiguran para producir la cantidad requerida del m odelo siguiente, y así sucesiva mente. Con frecuencia los productos ensam blados usan este enfoque cuando la dem anda de cada producto es intermedia. En este caso el factor económ ico favorece el uso de una línea de produc ción para varios productos, en lugar de usar líneas separadas para cada modelo. La preparación de la estación se refiere a la asignación de tareas a una estación determinada de la línea, las herramientas especiales necesarias para ejecutar las tareas y la distribución física de la estación. En general, los modelos hechos en la línea son similares y por tanto, las tareas para hacerlos también son parecidas. Sin embargo, existen diferencias entre los modelos que requiere una secuencia de tareas distinta, y tal vez las herramientas usadas en una estación de trabajo para el último modelo no sean las mismas que se requieren para el siguiente. Un modelo puede requerir más tiempo total que otro, lo que obliga a la línea a funcionar a un ritmo más lento. Asimismo, puede requerirse capacitación adicional o nuevo equipo para la producción de un modelo novedoso. Por estas razones, se requieren cambios en la preparación de una estación de trabajo antes que empiece la producción de un modelo nuevo. Estas modificaciones producen descensos en los tiempos (tiempo de producción perdido) en una línea de modelos por lotes. FIGURA 36.1
Configuración general de una línea de producción.
Sistem a de transporte de partes de trabajo U nidades de trabajo parcialm ente term inadas Unidades de trabajo en bruto o o o o r
Estaciones:
ít
P artes o productos terminados D ooo
E staciones de trabajo
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H ay distintas form as de m over las unidades de trabajo de una estación a la siguiente. Las dos cate gorías básicas son m anual y mecanizada. M é to d o s m a n u a les d e tra n s p o rte d e tra b a jo Los m étodos manuales im plican pasar las unidades de trabajo entre las estaciones en form a manual. Estos métodos se asocian con las líneas de ensam ble m anual. En algunos casos, el producto de cada estación se recopila en una caja o una charola de carga, cuando la caja está llena, se m ueve a la siguiente estación. Esto puede producir una cantidad significativa de inventario dentro de los procesos, lo cual no es deseable. En otros casos, las unidades de trabajo se mueven en form a individual a lo largo de una tabla plana o un transportador sin energía (por ejem plo, un transportador de rodillos). C uando se term ina una tarea en cada estación, el trabajador simplemente empuja la unidad a la siguiente estación. En general se permite un espacio para recolectar una o más unidades entre las estaciones, con lo que se suaviza el requerimiento de que todos los trabajadores ejecuten sus respectivas tareas en form a sincronizada. Un problem a asociado con los m étodos m anuales de transporte de trabajo es la dificultad para controlar la velocidad de producción en la línea. Los trabajadores tienden a trabajar a un ritmo más lento, a menos que cuenten con un m edio m ecánico que les marque el ritmo. M étodos m ecan izad o s d e tra n s p o rte d e tra b a jo Por lo general, se usan sistemas mecáni cos sin energía para mover unidades de trabajo a lo largo de una línea de producción. Estos sistemas incluyen dispositivos para levantar y cargar, mecanismos para levantar y colocar, transportes con energía (por ejemplo, transportadores de cadena colgante, cintas transportadoras y transportadores de cadena al piso) y otro equipo de manejo de materiales, algunas veces se combinan varios tipos en la misma línea. Este libro no pretende describir los tipos de equipo para manejo del material disponibles, pero es conveniente identificar los tres tipos de sistemas de transferencia de partes de trabajo que se usan en las líneas de producción: a) transferencia continua, b) transferencia sincrónica y c) transferen cia asincrónica. Estos sistemas de transferencia se implantan mediante diversos tipos de equipo. Los sistemas de transferencia continua consisten en un transportador que se mueve continua mente y opera a una velocidad constante vc. El sistema de transferencia continua es más común en las líneas de ensamble manual. Se distinguen dos casos: 1) las partes se fijan al transportador o 2) las partes pueden retirarse del transportador. En el prim er caso, generalmente el producto es grande y pesado (por ejemplo, automóviles y lavadoras), y no puede removerse de la línea. Por tanto, el trabajador debe rodear el transportador móvil para completar la tarea asignada en tal unidad mientras está en la estación. En el segundo caso, el producto es lo bastante pequeño para removerse del transportador y facilitar el trabajo en cada estación. En este tipo de disposición, se pierden algunos de los beneficios del ritmo,
Sección 36.2 / Líneas de ensamble manual
dado que no se requiere que cada trabajador termine las tareas asignadas dentro de un periodo de tiem po fijo. Por otra parte, esta situación permite una mayor flexibilidad a cada trabajador para enfrentar los problemas técnicos que encuentre en una unidad de trabajo.
línea Tc se obtiene mediante:
_
Da 50 S H
1
wm ín=
entero m ínim o
j > — ■ Tc
™ ( 3 6 .4 ) ^ ^
Esta cantidad m ínim a debe interpretarse com o un valor ideal cuya obtención en la práctica e A improbable por las siguientes razones: 1) balance imperfecto-, es muy difícil dividir el tiem po d * contenido del trabajo en form a equitativa entre las estaciones: se asignará a algunas estaciones u n ^ cantidad de trabajo que requiera menos tiempo que Tc; 2) variabilidad del tiem po de tarea: hay una variabilidad inherente e inevitable en el tiempo que requiere un trabajador para realizar u n ® | tarea de ensam ble determ inada; 3) pérdidas en tiempos para reubicación: se perderá algún tiempo,. en cada estación debido a la reubicación del trabajo o el trabajador; por tanto, la cantidad de tie m W po disponible en cada estación será en realidad m enor que Tc; 4) nivel de dotación de personal^ algunas estaciones en las líneas de producción manual pueden tener más de un trabajador y 5 ™ problem as de calidad: los com ponentes defectuosos y otros problem as de calidad producirán r e t r a ^ sos y repetición de los trabajos que se agregarán a la carga de trabajo. Exploram os algunos de e s t o * aspectos en las secciones siguientes para los casos de las líneas manuales y autom atizadas. ^
36.2
LINEAS DE ENSAMBLE M ANUAL
(36.1)
en donde Rp = la velocidad prom edio real, en unidades/hr, Da = dem anda anual del producto, en unidades/año; S = cantidad de tum os/sem ana; y H = hr/tumo. Si la línea opera 52 sem anas en lugar de 50, Rp = Da /52 SH. El tiem po de producción prom edio correspondiente por unidad es el recípro co de Rp:
(36.2)
donde Tp = tiempo de producción prom edio real convertido a minutos. Desafortunadam ente, tal vez la línea no esté disponible para todo el tiem po proporcionado mediante 50SH, debido a que los problem as de confiabilidad provocan tiem po perdido. E stos pro blemas de confiabilidad incluyen fallas m ecánicas y eléctricas, desgaste de las herram ientas, inte rrupciones de corriente y desajustes del funcionam iento similares. De acuerdo con esto, la línea debe operar a un tiem po m ás rápido que Tp para com pensar estos problemas. Si £ = eficiencia de la línea, la cual es la proporción del tiem po de funcionamiento en la línea, el tiem po de ciclo de la
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~ «
La línea de ensam ble manual fue un descubrim iento importante en el crecim iento de la industria d e ^ Estados Unidos, en la prim era mitad del siglo xx (véase nota histórica 36.1). Todavía es im p o rta n t^ P en Estados U nidos y en todo el mundo en la m anufactura de productos ensam blados, incluyendo autom óviles y cam iones, productos electrónicos de consumo, aparatos para la cocina y lavandería, aparatos pequeños, herram ientas de corriente y otros productos hechos en grandes cantidades.
Nota histórica 36.1 Orígenes de las líneas de ensamble manual
V.
T - 60 lp ~ T
^
C ualquier producto posee cierto contenido de trabajo que representa todas las tareas que s ? van a realizar en la línea. Este contenido de trabajo requiere una cantidad de tiem po, d e n o m i n é da el tiem po de contenido de trabajo Twc. Éste es el tiem po total que se requiere para hacer e F producto en la línea. Si suponem os que eltiem po de contenido del trabajo se divide en fo r r r i^ equitativa entre las estaciones para que cada una tenga una carga de trabajo igual, cuyo tiempi para realizarla = Tc, la cantidad m ínim a posible de estaciones de trabajo nmm en la línea se dete: m ina com o ^
36.1.3 Determinación de la cantidad mínima de estaciones de trabajo requeridas
°
A ( 3 6 .3 *
Kp
La transferencia asincrónica perm ite que cada unidad de trabajo salga de la estación actual cuando se term ina el procesam iento. Cada unidad se mueve en form a independiente y no en forma sincrónica. Por tanto, en cualquier momento, algunas unidades en la línea se m ueven entre esta ciones, mientras q ue otras están colocadas en ellas. Este tipo de transferencia se denom ina en oca siones un sistem a de cargar y liberar. Con la operación de un sistem a de transferencia asincrónica, se asocia el uso táctico de colas entre las estaciones. Se perm ite que se form en colas pequeñas de unidades de trabajo enfrente de cada estación, de m odo que las variaciones en los tiem pos de tareas de los trabajadores se prom edien y las estaciones siem pre tengan trabajo pendiente para ellas. La transferencia asincrónica se usa tanto en sistem as de producción m anual com o autom atizada.
n
^ r*t* 60£ Tc = E T P = — —
En los sistem as d e transferencia sincrónica, las unidades de trabajo se mueven sim ultánea mente entre las estaciones con un m ovim iento rápido y discontinuo. Estos sistem as se conocen con el nombre de transferencia interm itente, el cual caracteriza el tipo de m ovim iento que experim en tan las unidades de trabajo. La transferencia sincrónica incluye la colocación del trabajo en las esta ciones, y es un requerim iento para las líneas automatizadas que usan este m odo de transferencia. La transferencia sincrónica no es com ún para líneas manuales debido al ritmo tan rígido que implica. La tarea en cada estación debe term inarse dentro del tiempo de ciclo perm itido o el producto saldrá de la estación com o a una unidad incompleta. E sta disciplina rítm ica rígida presiona a los traba jadores, lo cual no es conveniente. En contraste, este ritmo de trabajo se presta para una operación automatizada.
Las líneas de producción se usan para productos con alta demanda. Podem os desarrollar ecuaciones para determ inar la cantidad requerida de estaciones en una línea de producción, con el propósito de cum plir una dem anda anual determ inada. Suponga que nuestro problem a es diseñar una línea de m odelo único que satisfaga la dem anda anual de un producto. La adm inistración debe decidir cuántos tum os de trabajadores por sem ana operarán la línea y la cantidad de horas por tum o. Si suponem os 50 sem anas p o r año, entonces la velocidad de producción requerida por hora de la línea se determinará m ediante:
91^ 1
as líneas de ensam ble manual se basan principalm ente en dos principios de trabajo fundam entales. El prim ero es la división de trabajo, planteada por Adam Sm ith en Inglaterra en su libro Wealth ofNations (La riqueza de las naciones) publicado en 1776. Smith no inventó la división del trabajo, dado que se encuentran ejem plos de su uso en Europa varios siglos atrás. Pero fue el prim ero en señalar su importancia en la producción. El segundo principio es el de las partes intercambiables, basado en la obra de Eli Whitney y otros al principio del siglo xx (véase nota histórica I . l ). La alternativa de las partes intercam biables, que se practicaba antes de la época de Whitney. era el lim ado m anual de partes individuales para obtener los ajustes Se encuentran an tecedentes de las líneas de producción m odernas de sd e la industria de em paque de carnes en Chicago, Illinois y Cincinnati, Ohio, en donde se usaban transportadores (sin energía eléctrica) para mover reses de un trabajador al siguiente. Más
912
Sección 36.2 / Líneas de ensamble manual
Capítulo 36 / Líneas de producción
tarde fueron su stitu id o s por transportadores eléctricos de cadena para crear las "líneas de desensam ble" —an teceso ras de la línea d e ensamble. La organización de trabajo perm itió a quienes cortaban la carne concentrarse en tareas individuales (división del trabajo). El magnate de la industria autom otriz estadounidense Henry Ford, observó la industria de em paque de carnes, lunto con sus colegas, diseñó una línea de ensam ble en 1913 en Highland Park. Michigan, para producir volantes de generadores eléctricos. El resultado fue un aum ento cuadruplicado en la productividad. Estimulado por e ste éxito. Ford aplicó técnicas de líneas de ensam ble a la fabricación de chasises. Usando transportadores impulsados por cad en as y estaciones de trabajo diseñadas para conveniencia y com odidad (primeras aplicaciones de la ergonomía). se aum entó la productividad en un factor de 8. en comparación con m éto d o s de ensam ble anteriores de una sola estación. El éxito de la Ford M otor Company produjo reducciones drásticas en el precio del Ford modelo T, el principal producto d e la com pañía en esa época. El estadounidense com ún pudo adquirir su propio automóvil debido a los logros de Ford en la reducción de costos. Esto obligó a su s com petidores y proveedores a imitar sus m étodos y la línea de ensam ble manual se integró a la industria de Estados Unidos.
36.2.1
913
El problema del balance de línea
Una línea de ensam ble m anual consiste en múltiples estaciones de trabajo ordenadas en form a secuencial en las cuales trabajadores humanos ejecutan operaciones de ensam ble, com o en la figura 36.2 (véase tam bién la lám ina 12. en el capítulo 1). El procedim iento usual en una línea manual empieza con el lanzam iento de una parte base en el extrem o inicial de la línea. C on fre cuencia se requiere un transportador de trabajo que contenga la parte durante su m ovim iento a lo largo de la línea. La base viaja por cada estación, en donde los trabajadores realizan tareas que cons truyen el producto progresivam ente. En cada estación se añaden com ponentes a la parte base hasta que todo el contenido de trabajo se ha term inado cuando el producto sale de la estación final. Los procesos realizados en líneas de ensam ble manual incluyen operaciones de ajuste m ecánico (capí tulo 31), soldadura de puntos (sección 29.2), soldadura blanda m anual (sección 30.2) y juntas adhe sivas (sección 30.3). FIGURA 36.2 Parte de una línea de ensam ble manual. Cada trabajador ejecuta una tarea en su estación de trabajo. Un transportador mueve las partes en portadores de trabajo de una estación a la siguiente.
U no de los problem as técnicos más grandes en el diseño y operación de una línea de ensam ble m anual es el balance de la línea, en el cual se asignan tareas a trabajadores individuales para que todos tengan igual cantidad de trabajo. Recuerde que la totalidad del trabajo que se va a realizar en la línea se proporciona mediante el contenido de trabajo. Este contenido de trabajo total se divide en elem entos m ínim os de trabajo racional, en donde cada elem ento se relaciona al agregar un com ponente. unir varios o realizar alguna otra parte pequeña del contenido de trabajo total. La noción de un elem ento m ínim o de trabajo racional consiste en la cantidad de trabajo práctico más pequeño en la que puede dividirse el trabajo total. Elem entos de trabajos distintos requerirán tiem pos dife rentes, pero cuando se agrupan en tareas lógicas y se asignan a los trabajadores, los tiem pos de ta reas no son iguales. Por tanto, sencillamente por la naturaleza variable de los tiem pos de elem en tos, algunos trabajadores tendrán más trabajo, en tanto que otros tendrán menos. El tiem po por ciclo de la línea de ensam ble se determina mediante la estación que tiene el tiempo de tarea más largo. Se podría pensar que, aunque los tiem pos de los elem entos de trabajo son diferentes, debe ser posible encontrar grupos de elementos cuyas sum as (tiempos de tareas) sean casi iguales, o perfec tam ente iguales. Lo que dificulta encontrar grupos convenientes es que hay varias restricciones en este problem a de com binación. Primero, la línea debe diseñarse para obtener cierta velocidad de producción deseada, la cual se establece antes del tiem po por ciclo Pc , en el cual debe operar la línea, ecuación (36.3). Por tanto, la sum a de los tiem pos de los elem entos de trabajo asignados a cada estación debe ser < Tc. Segundo, hay restricciones en el orden en que deben ejecutarse los elementos de trabajo. Algunos elementos deben hacerse antes que otros. Por ejemplo, debe taladrarse un orificio antes de poder hacer una derivación a través de él. Un tomillo que va a usar el orificio para agregar un componente no puede ajustarse antes de que el orificio haya sido taladrado y roscado. Esta clase de requerimientos en la secuencia del trabajo se denominan restricciones de precedencia, y hacen más complicado el proble ma de balancear la línea. No puede añadirse cierto elemento que se asignaría a un trabajador para obtener un tiempo de tarea = Tc, debido a que viola esta restricción de precedencia. Éstas y otras limitaciones hacen virtualm ente imposible obtener un balance de la línea per fecto, lo que significa que algunos trabajadores necesitarán más tiem po para term inar sus tareas que otros. Los m étodos para solucionar el problem a de balancear la línea, esto es, de asignar elem entos de trabajo a las estaciones, se analizan en otras referencias — hay algunas excelentes, tales como [6]. La incapacidad de obtener un balance perfecto provoca cierta cantidad de tiem po ocioso en la m ayoría de las estaciones. D ebido a este tiem po, la cantidad real de trabajadores que se requieren en la línea será m ayor que la cantidad de estaciones de trabajo que proporciona la ecuación (36.4). U na m edida del tiempo ocioso total en una línea de ensam ble m anual se proporciona m e diante la eficiencia del balance Eh, definida com o el tiempo total de contenido de trabajo dividido entre el tiem po total de servicio disponible en la línea. El tiempo total de contenido de trabajo ya se ha definido: es la suma de todos los elem entos de trabajo que se realizan en la línea. El tiempo total de servicio disponible en la línea se define como: Tiem po total de servicio disponible en la línea = wTs donde w = cantidad de trabajadores en la línea y T¡ = el tiem po de servicio más largo en la línea; esto es, Ts = máx {T1,, }, para i = 1, 2,..., n
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donde Ts¡ = el tiem po de servicio (tiempo de tarea) en la estación i, en m inutos. El lector puede pre guntarse por qué usam os un nuevo periodo Tc en lugar del tiem po por ciclo Tc definido antes. La razón es que hay otra pérdida de tiempo en la operación de una línea de producción, adem ás del tiem po ocioso po r el balance imperfecto. Llam ém oslo el tiem po de reubicación Tr. Es el tiem po que se requiere en cada ciclo para que el trabajador, el trabajo o ambos se vuelvan a colocar. En una
914
Capítulo 36 / Líneas de producción
Sección 36.3 / Líneas de producción automatizadas
línea de transferencia continua en donde se conectan unidades de trabajo a la línea y ésta se mueve a una velocidad constante, Tr es el tiem po que necesita un trabajador para cam inar de la unidad que acaba de term inar a la siguiente unidad que llega a la estación. En todas las líneas de ensam ble m a nual habrá un tiempo perdido debido a la reubicación. Suponem os que Tr es igual para todos los trabajadores, aunque de hecho puede requerir tiem pos distintos en diferentes estaciones. R ela cionam os a T„ Tc y Tr del modo siguiente: TC = TS + Tr
91 ^
Los trabajadores que se requieren para operar la línea, mediante la ecuación 36.7, es igual a : 55 w = entero m ínim o > ^ 6 7 X 0 ^ = 52’% = 53 trabajadores
^
Suponiendo un trabajador por estación.
(36.5)
La definición de eficiencia del balance Eb ahora puede escribirse en forma de ecuación del modo siguiente:
^
n = 53 estaciones de trabajo
^
c) Esto se com para con el m ínim o ideal proporcionado por la ecuación (36.4): «mín = e ntero m ínim o > Un balance de línea perfecto produce un valor de Eh = 1.00. Las eficiencias de balance de línea comunes en la industria varían entre 0.90 y 0.95.
= 44 estaciones
La ecuación 36.6 puede reordenarse para obtener la cantidad de trabajadores que se requieren en una línea de ensam ble manual: w = entero m ínim o >
T
55 - __- - = 43.42 1.2667
Otros factores en el diseño de una línea de ensamble
36.2.2
La cantidad de estaciones de trabajo en una línea de ensam ble manual no es necesariam ente i g u á j | a la cantidad de trabajadores. Para productos grandes, es posible asignar a más de un trabajador p o ^ estación. Esta práctica es com ún en plantas de ensam ble final que construyen autom óviles PB cam iones. Por ejem plo, dos trabajadores en una estación pueden realizar tareas de ensam bles e ^ lados opuestos del vehículo. La cantidad de trabajadores en una estación determ inada se den o m in ™ nivel de dotación de personal M¡. Prom ediando los niveles de dotación de personal en toda la l í n e ^ se tiene:
( 3 6 .8 )^
« donde M = nivel de dotación personal prom edio para la línea de ensamble, w = cantidad de traba jadores en la línea, y n = cantidad de estaciones. Naturalm ente, w y n deben ser enteros. U n . ^ dotación de personal múltiple conserva el valioso espacio en la fábrica, debido a que reduce la can
Hay una línea de ensam ble manual para un producto cuya dem anda anual = 90 000 unidades. Se usará un transportador de m ovim iento continuo con unidades de trabajo conectadas. El tiem po de contenido del trabajo = 55 m inutos. La línea funcionará 50 sem anas/año, 5 tum os/sem ana y ocho horas/día. Con base en experiencias anteriores, supóngase que la eficiencia de línea es E = 0.95, la eficiencia de balance E b = 0.93 y el tiem po de colocación Tr = 9 seg. Determine a) la velocidad de producción por hora para cum plir la dem anda, b) la cantidad de trabajadores requeridos y c) el valor mínimo ideal, según se determ ina m ediante «min
tidad de estaciones requeridas. Otro factor que afecta el nivel de dotación de personal en una línea de ensam ble es la c a n t i l dad de estaciones autom atizadas en la línea, incluyendo estaciones que em plean robots industríale™ (sección 37.2). La autom atización reduce el personal requerido en la línea, aunque aum enta 1 ^ necesidad de personal técnico capacitado para dar servicio y m antener las estaciones automatizadas. La industria autom otriz utiliza am pliam ente estaciones de trabajo robóticas para ejecutar s o l d a d u ^ ra de puntos y pintura por aspersión en las carrocerías metálicas. Los robots realizan estas opera
Solución: a) La velocidad de producción requerida, p o r hora, para cubrir la dem anda anual se obtiene mediante la ecuación 36.1:
ciones sin cesar, lo que se traduce en una calidad de producción más alta. £ El uso de estaciones interm edias de inventario (colas de unidades de trabajo) en una línea de producción ya se ha analizado. Las estaciones intermedias de inventario ayudan a com pensar l a ^ variaciones en el tiempo de servicio dentro de una estación determinada. Se asocian p rin cip alm en te^
9 0 .0 0 0 .. . . . . R„ = ------------ = 45 um dades/hr ' 5 0 (5 )(8 ) b) Con una eficiencia de línea de 0.95, el tiem po de ciclo ideal es
36.3
con los sistem as de transferencia asincrónica.
™
LÍNEAS DE PRODUCCIÓN AUTOMATIZADAS
®
Dado el tiem po de reubicación Tr = 9 seg = 0.15 mín, el tiem po de servicio es 7 > 1.2667 — 0 .1 5 0 = 1.1167 mín
m M = -
Línea de ensamble manual
45
^
Es claro que el tiempo perdido debido a la reubicación y al balance de línea im perfecto da c o m ^ resultado una pérdida en el diseño y operación de una línea de ensamble manual.
La utilidad de esta relación se ve afectada porque la eficiencia del balance Eb depende de w (traba jo), según se define en la ecuación 36.6. D esafortunadam ente tenem os una ecuación en donde lo que se v a a determ inar depende de un parám etro, que a su vez depende de lo que se está calculan do. A pesar de esta desventaja, la ecuación 36.7 define la relación entre los parám etros en una línea de ensamble manual. U sando un valor com ún de Eb basado en líneas sim ilares anteriores, puede usarse para estim ar la cantidad de trabajadores que se requieren para producir un ensam ble deter minado.
_ 60(0 .9 5 ) _ 1 2 6 6 7 m ín
^
(36.7)
Ts Eb
EJEMPLO 36.1
Q
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Las líneas de ensamble manual utilizan normalmente un sistema de transferencia mecanizado p a r ^ mover las partes entre las estaciones de trabajo, pero las estaciones también son operadas por t r a b a ^ jadores. Una línea de producción automatizada consiste en estaciones de trabajo automatizadas c o n e c ^
930
Sección 37.1 / Control numérico
Capítulo 37 / Automatización programable
Solución: a) Reordenando la ecuación 37.3 para encontrar el ángulo A correspondiente a una dis tancia x = 3.0 pulg,
El ángulo a través del cual rota el tom illo guía, suponiendo una relación uno a uno en los engranes del motor y el tom illo guía, se proporciona mediante: A = npa
360.r 360(3.0) A = ------- = = 5400°
(37.2)
p
en donde A = ángulo de rotación del tom illo guía, en grados; np = cantidad de pulsos que recibe el motor; y a = ángulo de paso, definido aquí en grados/pulsos. Esta ecuación y las siguientes deben ajustarse para el caso en que una relación de engranes sea diferente de 1:1 El movimiento resultante de la mesa com o respuesta a la rotación del tom illo guía se deter
360 a = — - = 2.4° 150
13731
Por tanto, la cantidad de pulsos para m over la mesa 3 pulg es:
en donde x = posición del eje x en relación con la posición inicial, en pulg (mm); p = paso del tor nillo guía, en pulg/rev (mm/rev); y A/360 = la cantidad de revoluciones (y revoluciones parciales) del tomillo guía. Si com binam os las dos ecuaciones anteriores y hacemos un reordenam iento, la cantidad de pulsos requeridos para obtener un increm ento especificado de la posición .v en un sis tema punto a punto se encuentra mediante: np = — pa
5400 n P = —— = 2250 = pulsos 2 .4
b) Se usa la ecuación 37.6 para encontrar la velocidad de m otor correspondiente a la velocidad de la mesa de 16.0 pulg/m in: „ v, 16.0 N = — = ------— 80.0 rev/m in
(37.4)
p
16.0 x 150
' = “io T a T =
(37.5)
Sistem as d e p o sic io n a m ie n to d e ciclo c e rra d o Los sistem as de control numérico de ciclo cerrado [figura 37.4(b)] usan servom otores y mediciones de retroalim entación para asegurar que se obtiene la posición deseada. Un sensor de retroalim entación común en el control numérico (y también en robots industriales) es el codificador óptico, ilustrado en la figura 37.5. El codificador óptico consiste en una fuente de luz, un fotodetector y un disco que contiene una serie de ranuras a través de las cuales destella la fuente de luz para activar el fotodetector. Este disco se conecta, ya sea directamente o m ediante un tren de engranaje, a un eje rotatorio cuya posición y velocidad angulares se medirán. Conforme gira el eje, las ranuras provocan que la fotocelda capte la fuente de luz como una serie de destellos, los cuales se convierten en una serie equivalente de pulsos eléc tricos. Contando los pulsos y calculando la frecuencia del tren de pulsos, se determ inan la posición y velocidad de la mesa de trabajo.
en donde N = velocidad de rotación, en rev/min; f p = frecuencia del tren de pulsos, en Hz/ pulsos/seg); y n¡ = pasos/rev o pulsos/rev. Para una tabla de dos ejes con un control de trayectoria continuo, las velocidades relativas de los ejes se coordinan para obtener la dirección de viaje de seada. La velocidad de viaje en la mesa, en la dirección del eje del tom illo guía, se determ ina m e diante la velocidad de rotación del modo siguiente: v, = f r = Np
(37.6)
donde v, = velocidad de viaje de la mesa, en pulg/m in (mm /min); f r = velocidad de alim entación de la mesa, en pulg/min (m m /m in); N = velocidad de rotación según se define en la ecuación (37.5), en rev/min; y p = paso del tom illo guía, en pulg/rev (mm/rev). La frecuencia requerida del tren de pulsos para controlar la mesa a una velocidad de ali mentación especificada se obtiene mediante una com binación de las ecuaciones 37.5 y 37.6 y un reordenamiento para despejar f p: , _ Vtn , _ f r^ s Jp
EJEMPLO 37.1
~
^37 -j^
0 .2
y la razón de pulsos se obtiene mediante
Los pulsos se trasm iten a cierta frecuencia, la cual conduce la mesa de trabajo a una veloci dad correspondiente a la velocidad de alim entación del eje del tom illo guía. La velocidad de rotación del tom illo guía depende de la frecuencia del tren de pulsos, com o sigue: N = 6^ n,
0 .2 0
Con 150 ángulos de paso, cada ángulo de paso es:
mina a partir de:
1= &
931
FIGURA 37.5 Codificador óptico: (a) aparato y (b) serie de pulsos emitida para medir la rotación de un disco.
60 p ~ 60 p
Posicionamiento de ciclo abierto con NC
Un motor de engranes tiene 150 ángulos de paso. Su eje de salida está acoplado directam ente a un tom illo guía con un paso = 0.200 pulg. Un tom illo guía conduce la mesa de trabajo de un siste ma de posicionamiento. La m esa debe moverse una distancia de 3.00 pulg desde su posición actual a una velocidad de viaje de 16.0 pulg/min. Determine a) ¿cuántos puntos se requieren para mover la mesa a la distancia especificada y b) la velocidad del m otor y la razón de pulsos para obtener la velocidad deseada en la m esa?
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916
36.3.1
Sección 36.3 / Líneas de producción automatizadas
Capítulo 36 / Líneas de producción
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tadac a un sistema de transferencia de partes que las coordina. En una situación ideal, no hay traba jadores en la línea, excepto para realizar funciones auxiliares tales como cam biar herramientas, cargar y descargar partes y reparación y mantenimiento. Las líneas automatizadas modernas son sistemas inte grados que operan bajo el control de una computadora.
Lineas de transferencia |8|
Las operaciones que ejecutan las estaciones automatizadas tienden a ser más sim ples que las que ejecutan personas en líneas m anuales. L a razón es que las tareas más sencillas son m ás fáciles de automatizar. Las operaciones que son difíciles de autom atizar son las que requieren varios pasos, así como la aplicación de ju icio o capacidad sensorial humana. Las tareas fáciles de autom atizar consisten en elem entos de trabajo únicos, m ovim ientos de funcionam iento rápido y m ovim ientos de alimentación en línea recta, com o en el maquinado.
e hicieron in ten to s d e am p liar el principio d e líneas d e e n sa m b le m an u al co n stru y en d o lín eas ca p aces d e o p eració n au to m á tic a o sem iau to m ática. G ran p arte d el tra b ajo d e desarro llo fue m otivado p o r la crecien te industria au to m o triz en E stad o s U nidos y Europa. La prim era línea d e p roducción co m p letam en te au to m ática s e d eb ió a L. R. Sm ith en M ilwaukee. W isconsin, alred ed o r d e 1920. Esta línea producía carrocerías d e au to m ó v iles a partir d e lám inas m etálicas, u s a n d o cab ezas rem ach ad o ras p ro p u lsad a s p o r aire q u e ro tab an a una posición en ca d a esta ció n para u n ir la parte d e trabajo. La línea ejecu ta b a un to tal d e 550
Nota histórica 36.2
S,
o p eracio n es en cad a carrocería. La prim era línea con e sta c io n e s m ú ltip les para co rte en m etal fue d esarro llad a po r A rchdale C om pany en Inglaterra para Morris Engines. Ltd. en 1923 para m a q u in ar b lo q u e s d e m o to res d e au tom óviles. Tenía 53 esta cio n es, realizaba 224 m in u to s d e m a q u in ad o en cada p arte y te n ía u n a velocidad d e p roducción d e 15 b lo q u es/h o ra. No era u n a verdadera línea au to m ática p o rq u e requería la tran sferen cia m anual d e tra b ajo en tre las estacio n es. No o b stan te, se co n sid era un im p o rtan te a n te c e d e n te d e la línea d e transferencia au to m atizad a. La prim era línea d e m a q u in ad o en u sar la transferencia au to m ática del tra b ajo en tre esta cio n es fue co n stru id a p o r la A rchdale C om pany para M orris Engines en 1924. Las d o s co m p añ ías h ab ían o b te n id o beneficios obvios d e su co lab o ració n anterior. Esta línea ejecu ta b a 45 o p erac io n es d e m a q u in ad o en cajas d e velocidades. A lgunos p ro b lem as de confiabilidad hicieron q u e e s ta prim era línea d e transferencia no fuera co m p letam en te
Tipos de líneas automatizadas Las líneas de producción autom atizada se dividen en dos categorías básicas: 1) las que realizan operaciones de procesam iento tales com o el m aquinado, y 2) las que realizan operaciones de en samble. Un tipo im portante en la categoría de procesam iento es la línea de transferencia. Líneas de transferencia y sistemas de procesamiento similares Una línea de transferencia es una secuencia de estaciones de trabajo que ejecutan operaciones de procesamiento, con una trans ferencia automatizada de unidades de trabajo entre las estaciones. El maquinado es la operación de procesamiento más común, figura 36.3. Existen sistemas de transferencia automática para trabajo y ensambles para laminado metálico. En el maquinado, la pieza de trabajo empieza generalmente com o un fundido o foija metálicos, y se realizan una serie de operaciones de maquinado para obtener detalles de alta precisión (por ejemplo, orificios, roscas y superficies con acabado liso). El desarrollo de las líneas de transferencia fue una extensión natural de las líneas de produc ción manual (véase nota histórica 36.2). En general, las líneas de transferencia son partes de equipo costosas, que en ocasiones llegan a valer m illones de dólares; se diseñan para trabajos que requieren grandes cantidades de partes. Puede ser significativa la cantidad de m aquinado que se realiza en la parte de trabajo, pero dado que el trabajo se divide entre muchas estaciones, las velocidades de pro ducción son altas y los costos por unidad son bajos, en comparación con los m étodos de producción alternativos. G eneralm ente se usa transferencia sincrónica en líneas de maquinado automatizadas.
exitosa.
Una variante de la línea de transferencia autom atizada es la m áquina de carátula indicadora (figura 36.4), en la cual se ordenan las estaciones alrededor de una m esa de trabajo circular deno m inada carátula. En cada ciclo de trabajo se hace girar la mesa de trabajo m ediante un mecanism o que proporciona rotaciones parciales. La cantidad de posiciones de rotación está diseñada para coincidir con la cantidad de estaciones de trabajo en la periferia de la tabla. L a rotación angular de la carátula se proporciona mediante A = — n
(36.9)
donde A = ángulo rotación de la carátula, en grados; y n = la cantidad de estaciones de trabajo (o para ser más precisos, la cantidad de posiciones de detención) alrededor de la carátula. Aunque la configuración de una máquina indicadora de carátula es muy diferente a la de una línea de trans FIGURA 36.3 Una línea de transferencia de maquinado, un tipo importante de línea de producción automatizada.
Estaciones de trabajo autom atizadas
ferencia, su operación y aplicación son muy similares. Sistemas de ensamble automatizado Los sistem as de ensam ble autom atizado consisten en una o más estaciones de trabajo que ejecutan operaciones de ensam ble, com o agregar com po nentes y fijarlos a la unidad de trabajo. Los sistem as de ensam ble autom atizado se dividen en cel-
Portador d e trabajo
Partes de trabajo en bruto cargadas en la línea
FIGURA 36.4 Configuración de una máquina de carátula indicadora.
Parte de trabajo
S istem a d e transferencia sincrónica
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Entrada de parte en bruto
®
Capítulo 36 / Líneas de producción Sección 36.3 / Líneas de producción automatizadas
91 9
Transferencia en línea — ,
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□ □ □ □ □
□ □ □ □ □ □
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(a) \)>—
Estaciones de trabajo
C U
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/ — M esa d e transferencia ( rotatoria C arrusel
FIGURA 36.5 Tres configuraciones comunes en los sistemas de ensamble de estaciones múltiples: (a) en línea, (b) rotatorio y (c) de carrusel.
tomará prestados símbolos de las dos prim eras secciones: n = cantidad de estaciones de trabajo en la línea; Tc = tiempo de ciclo ideal en la línea; Tr = tiempo de reubicación, que aquí se llama el tierrá po de transferencia; y TSI = el tiempo de servicio en la estación i. El tiempo de ciclo ideal Tc es e i tiempo de servicio (tiempo de procesamiento) para la estación más lenta en la línea, más el tiem pS de transferencia esto es, ^ Tc = 7V + máx (TJ(}
(36.10)
En la operación de una línea de transferencia, las averías periódicas producen pérdida de tiempo en toda la línea. Suponga que F = frecuencia con la que ocurren averías y producen u n ^ detención de la línea, y Td = tiem po prom edio que se detiene la línea cuando ocurre una avería. El tiempo muerto incluye el tiempo para que el equipo de preparaciones realice su trabajo, diagnos^ tique la causa de la falla, la arregle y restablezca la línea. Con base en estas definiciones, podemos formular la siguiente expresión para el tiempo d ¿ | producción prom edio real Tp. ^ Tp = Tc + F Td
das de estación única y sistem as de estaciones múltiples. Las celdas de ensam ble de estación única con frecuencia se organizan alrededor de un robot industrial program ado para realizar una secuen cia de pasos de ensam ble. Un solo robot no puede trabajar tan rápido com o una serie de estaciones automáticas especializadas, por lo que las celdas de estación únicas se usan para trabajos en un rango interm edio de producción. Los sistem as de ensam ble d e estaciones m últiples son convenientes para producción alta. Se usan am pliam ente para la producción m asiva de partes pequeñas tales com o bolígrafos de punta rodante, encendedores, lám paras m anuales y artículos sim ilares con una cantidad lim itada de com ponentes. La cantidad d e com ponentes y pasos de ensam ble es lim itada porque la confiabilidad del sistema dism inuye rápidam ente cuando aum enta la com plejidad (sección 31.6.2). Existen sistem as disponibles de ensam ble con estaciones m últiples en varias configuraciones, mostradas en la figura 36.5: (a) en línea, (b) rotatorio y (c) de carrusel. La configuración en línea es la línea de transferencia convencional adaptada para realizar trabajo de ensamble. Estos sistem as no son tan m asivos com o sus contrapartes para m aquinado. Los sistem as rotatorios generalm ente se instrumentan com o m áquinas de carátula indicadora. Los sistem as de ensam ble de carrusel están ordenados com o un ciclo. Pueden diseñarse con una cantidad m ayor de estaciones de trabajo que un sistema rotatorio. D ebido a la configuración del ciclo, el carrusel perm ite que los portadores de trabajo regresen autom áticam ente al punto inicial para su reutilización, una ventaja que com parte con los sistem as rotatorios, pero no con las líneas de transferencia.
36.3.2
Análisis de las líneas de producción automatizadas El balance es un problem a en una línea automatizada, ocurre lo m ism o que en una línea de ensam ble manual. El contenido de trabajo total debe asignarse a estaciones individuales. Sin em bargo, debido a que las tareas asignadas a las estaciones autom atizadas generalm ente son más sencillas y a que la línea con frecuencia contiene menos estaciones, el problem a para definir qué trabajo debe hacerse en cada estación, es m ás fácil en una línea autom atizada que en una línea manual. Un problem a más im portante en las líneas autom atizadas es la confiabilidad. La línea con siste en estaciones m últiples interconectadas mediante un sistema de transferencia de trabajo. Opera como un sistem a integrado y cuando un com ponente no funciona bien, todo el sistem a se ve afec tado. Para analizar la operación de una línea de producción autom atizada, supongam os que un sis tema que ejecuta operaciones de procesam iento usa transferencias sincrónicas. Este m odelo incluye líneas de transferencia, así com o una m áquina de carátula indicadora. N o incluye líneas de ensam ble automatizadas, los cuales requieren una adaptación del modelo [6]. N uestra term inología
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(36.11)
donde F = frecuencia de tiempo muerto, en detenciones de línea/ciclos; y Td = tiempo muerto en minutos por detención de línea. Por tanto. FTd = tiempo prom ediado por ciclos. La velocidad d e | producción prom edio real es el recíproco de Tp: o
60 %
<
com o se obtuvo previamente de la ecuación (36.2). Es interesante com parar esta velocidad con la ^ velocidad de producción ideal proporcionada mediante ^ fin = ^ Tc
(36.12) | *
donde Rp y Rc se expresan en piezas por hora, porque Tp y Tc se expresan en m inutos. ^ Con base en esta relación, podem os definir la eficiencia de línea E para una línea de trans ferencia. En el contexto de los sistem as de producción autom atizada, £ se refiere a la proporción de * tiem po de funcionam iento de la línea y en realidad es una m edida de confiabilidad más que de eficiencia: E = (36-13) Tc + F T d é ’ . -q Esta es la m ism a relación que la ecuación 36.3 anterior, dado que Tp = Tc + FTd. Debe señalarse que se aplica la m ism a definición de eficiencia de línea a las líneas de ensamble manual, excepto que las averías tecnológicas no son un problem a en las líneas m anuales (los trabajadores son más confiables que el equipo electrom ecánico, al menos en el sentido que analizamos aquí), fflcrfcdfc j En general el tiempo muerto de línea se asocia con fallas en las estaciones individuales. Entre las razones por las que ocurre el tiempo muerto están los cam bios de herramientas programados y no program ados, las averías m ecánicas y eléctricas, las fallas hidráulicas y el desgaste normal del equipo. Suponga que p¡ = probabilidad o frecuencia de una falla en la estación i; entonces: y*
f =,/
i g I * * í ^ á á i
. '
. , Q / l .136:!4i. t
Si suponem os que todos los p¡ son iguales o se calcula un valor prom edio de p ¡, llamándolo en * am bos c a s o s p , entonces: F = np
••• ■?.
. :i; il.’ (36.15)
1 i ^
920
Capítulo 36 / Líneas de producción
Cuestionario de opción múltiple
Estas dos ecuaciones indican claram ente que la frecuencia de detenciones de línea aum enta con la cantidad de estaciones en la línea. Planteado de otro modo, la confiabilidad en la línea disminuye conform e se agregan estaciones.
EJEM P LO 3 6 .2
Lín ea de tra n sfe re n cia a u to m atizad a
Una línea de transferencia autom atizada tiene 20 estaciones y un tiem po por ciclo ideal de 1.0 min. La probabilidad de falla en una estación es p = 0.01 y el tiempo m uerto prom edio cuando ocurre una avería es de 10 min. D eterm ine a) la velocidad de producción Rp prom edio y b) la eficiencia de línea E.
Englewood Cliffs, N.J., 1993. Chapters 5 and 6. [4] Chow, W.-M., Assembly U ne Design, Marcel Dekker, Inc., New York. 1990. [5] Groover. M. P„ “Analyzing Automatic Transfer Lines," Industrial Engineering, Vol. 7, No. 11, 1975, pp. 26-31. [6] Groover, M. P., Automation, Production Systems, and
36.1. 36.2. 36.3. 36.4. 36.5. 36.6.
Tp = 1.0 + 0.20 x 10 = 3.0 min a) En tal caso la velocidad de producción es:
36.7.
60 60 ^ R p = — = — = 20 pc/hr p Tp 3.0
36.8.
O bserve que es m ucho m enor que la velocidad de producción ideal: 36.9. „ 60 60 Rc = — = — = 60 pc/hr Tc 1 b) La eficiencia de línea se calcula com o
36.10. 36.11. 36.12.
(o 33.3%) 36.13.
En este ejemplo observam os que si una línea de producción opera de esta forma, pasa más tiempo detenida que activa. O btener altas eficiencias es un problema real en las líneas de producción automatizada. ■ El costo de operación en una línea de producción automatizada es el costo de inversión del equipo de instalación, más el costo de mantenim iento, de los repuestos y del personal asignado a la línea. Estos costos se convierten a un costo anual uniforme equivalente y se dividen entre el número de horas de operación por año para obtener una razón por hora. Esta razón de costo por hora se usa para calcular el costo unitario al procesar una parte de trabajo en la línea: -
_ C0TP
C ,,“
36.14.
Hay un total de 10 respuestas correctas en el siguiente cuestionario. La calificación porcentual de la prueba debe basarse en este total.
0 6 .1 6 )
60
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS International Journal o f Production Research, Vol. 6, No. 3, 1968, pp. 173-188. [3] Buzacott, J. A., and Shanthikumar, J. G., Stochastic Models o f Manufacturing Systems, Prentice Hall,
¿Qué es una línea de producción? Señale las diferencias entre las líneas de producción de modelo por lote y modelo mixto. ¿Cuáles son las ventajas del modelo mixto para producir diferentes estilos de productos? ¿Cuáles son algunas de las limitaciones en una línea de modelo mixto, comparada con un línea de modelo por lote? Identifique los dos principios fundamentales en los que se basan las líneas de ensamble manual. Describa cómo se usan los métodos manuales para mover panes entre las estaciones de trabajo en una línea de producción. Defina brevemente los tres tipos de sistemas mecanizados de transferencias de partes de trabajo que se usan en las líneas de producción. ¿Por qué en ocasiones se fijan al portador las partes en un sistema de transferencia continua en el ensamble manual? ¿Por qué debe establecerse una línea de producción a una velocidad más alta que la requerida para cubrir la demanda del producto? ¿Por qué no es posible determinar las estaciones de trabajo a partir de la razón Tw / Tc ? ¿Por qué es diferente el problema del balance entre una línea de transferencia automatizada y una línea de ensamble manual? El tiempo de reubicación en una línea de transferencia sincrónica se conoce por un nombre diferente, ¿cuál es ese nombre? ¿Por qué generalmente no son convenientes las celdas de ensamble de estación única para trabajos de alta producción? ¿Cuáles son algunas de las razones que provocan el tiempo muerto en una línea de transferencia de maquinado?
CUESTIONARIO DE OPCIÓN MÚLTIPLE
donde Cp = costo de procesam iento unitario, en $/parte; C0 = razón por hora al operar la línea, com o se señaló antes, en $/hora; Tp = tiem po de producción promedio real por parte de trabajo, en min/parte; y la constante 60 convierte la razón de costo por hora a S/min para tener consistencia en las unidades.
[1] Boothroyd, G., Poli, C„ and Murch, L. E„ Automatic Assembly, Marcel Dekker, Inc., New York, 1982. [2] Buzacott, J. A., “Prediction of the Efficiency of Production Systems without Intemal Storage,”
Computer Integrated Manufacturing, Prentice Hall, Englewood Cliffs, N J., 1987. [7] Riley, F. J., Assembly Automation, Industrial Press, New York, 1983. [8] Wild, R.. Mass-production Management, John Wiley & Sons, London, 1972.
PREGUNTAS DE REPASO
S olución: La frecuencia de averías en la línea se proporciona m ediante F = p n = 0.01 x 20 = 0.20. Por tanto, el tiempo de producción prom edio real es
E = ~ = 1 ^ = 0 .3 3 3 Tp 3.0
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u
36.1. ¿Para cuál de las situaciones de producción siguientes son más convenientes las líneas de modelos por lotes? a) taller especializado, b) producción masiva o c) producción intermedia. 36.2. ¿A cuál de los siguientes métodos de transferencia mecanizada es probable que estén más cercanos los métodos manuales de transferencia de partes de trabajo? a) asincrónicos, b) continuos o c) sincrónicos. 36.3. ¿Mediante cuál de las siguientes opciones se describen mejor las restricciones de precedencia? a) secuencia de lanzamiento en una línea de modelo mixto, b) valor límite en la suma de tiempos de ele mento que puede asignarse a un trabajador o estación, c) orden de las estaciones de trabajo a lo largo de la línea o b) secuencia en la cual deben hacerse los elementos de trabajo. 36.4. ¿Cuál de las siguientes frases es más apropiada para describir las características de las tareas que se realizan en las estaciones de trabajo automatizadas? (Puede ser más de una respuesta.) a) complejas, b) consisten en elementos de trabajo múltiples, c) implican un elemento de trabajo único, d) implica movimientos en línea recta, e) requiere capacidad sensorial y f) simple. 36.5. ¿Con cuál de los siguientes dpos de operaciones de producción se asocia más estrechamente la línea de transferencia? a) ensamble, b) fabricación de carrocerías automotrices, c) maquinado, d) trabajo en prensa, o e) soldadura de puntos. .. !' 36.6. ¿Cuál de los siguientes üpos de transferencia de partes de trabajo usa una máquina de carátula indicadora? a) asincrónico, b) continuo, c) partes pasadas a mano o d) sincrónico. : 'i :
922
Capítulo 36 / Líneas de producción Problemas
36.7. De los siguientes enfoques, escoja los que pueden aumentar la eficiencia de línea —la proporción de tiempo de funcionamiento— en una línea automatizada (puede ser más de uno): a) mejorar la confiabilidad de cada estación de trabajo en la línea, b) aumentar la cantidad de estaciones n en la línea y c) reducir el tiempo muerto promedio T¿.
a), el tiempo de ciclo, b) la cantidad de trabajadores y c) las estaciones de trabajo en la línea, d) ¿ C u á l^ es el nivel de asignación de personal promedio en la línea, en donde el promedio incluye las estaciones* fitomáticas? m 36.9. La velocidad de producción para cierto producto ensamblado es 47.5 unidades/hora. El tiempo total de contenido de trabajo de ensamble = 32 min de mano de obra manual directa. La línea opera al 95% A de tiempo de funcionamiento. Diez estaciones de trabajo tienen dos trabajadores en lados opuestos de la línea, de modo que se trabajan ambos lados del producto en forma simultánea. Las estaciones A restantes tienen un trabajador. El tiempo de reubicación que pierde cada trabajador es 0.2 min/ciclo. Se sabe que la cantidad de trabajadores en la línea es 2 más que el número requerido para un balance per- A fecto. Determine a) la cantidad de trabajadores, b) la cantidad de estaciones de trabajo, c) la eficiencia del balance y d) el nivel de asignación de personal promedio. A 36.10. El contenido de trabajo total para un producto ensamblado en una línea de producción manual es 48 ^ min. El movimiento del trabajo se consigue usando un transportador continuo que opera a una veloci- A dad de 3 pies/min. Hay 24 estaciones de trabajo en la línea, un tercio de las cuales tienen dos trabajadores; cada una de las estaciones restantes tiene un trabajador. El tiempo de colocación por trabajador A es 9 seg y la eficiencia de tiempo de funcionamiento de la línea es 95%. a) ¿Cuál es la máxima veloci- ™ dad de producción por hora posible si se supone que la línea está perfectamente equilibrada?, b) si la A velocidad de producción real es de sólo 92% de la velocidad máxima posible determinada en la parte a), ¿cuál es el retraso en el balance de la línea? ^
PROBLEMAS Líneas de ensamble manual 36.1. Una línea de ensamble manual produce un taladro eléctrico portátil cuyo tiempo de contenido de tra bajo = 22.3 min. La velocidad de producción deseada = 50 unidades/hora. El tiempo de reubicación = 6 seg, la eficiencia de línea = 96% y la eficiencia de balance es 94%. ¿Cuántos trabajadores hay en la línea? 36.2. Se pretende diseñar una línea de ensamble manual para un producto con una demanda anual = 100 000 unidades. La línea funcionará 50 semanas/año, 5 tumos/semana y 7.5 hora/tumo. Las unidades de tra bajo se conectarán a una transportador de movimiento continuo. El tiempo de contenido de trabajo = 42.0 min. Suponga una eficiencia de línea E - 0.97, una eficiencia de balance Eb = 0.92 y un tiempo de reubicación Tr = 6 seg. Determine a) la velocidad producción por hora para cumplir la demanda y b) la cantidad de trabajadores requeridos. 36.3. En el problema 36.2, a) calcule la cantidad mínima ideal de estaciones de trabajo nmm y b) la cantidad de estaciones de trabajo requeridas si se van a usar múltiples dotaciones de personal y el nivel estima do de dotación de personal es M = 1.4. 36.4. Una línea de ensamble manual de modelo único ttene 24 estaciones de trabajo con un nivel de asig nación de personal M = 1.25. El producto tiene un tiempo de contenido de trabajo = 47.8 min. El tiem po por tumo disponible por día = 8 horas, pero el tiempo muerto durante el cambio reduce el tiempo de producción real a 7.6 horas en promedio. Esto provoca una producción diaria promedio de 252 unidades/día. El tiempo de reubicación por trabajador Tr es 10% del tiempo de ciclo Tc. Determine: a) la eficiencia de línea, b) la eficiencia de balance y c) el tiempo de reubicación Tr. 36.5. Una planta de ensamble final para cierto modelo de automóvil va a tener una capacidad de 225 000 unidades al año. La planta operará 50 semanas/año. 2 tumos/día, 5 días/semana y 7.5 horas/tumo. Se dividirá en tres departamentos: 1) sección de carrocería, 2) sección de pintura y 3) departamento de acondi cionamiento final de carrocería. La sección de carrocería suelta los chasises usando robots y la sección de pintura recubre las carrocerías. Estos dos departamentos están altamente automatizados. El de acabado final de carrocerías no está automatizado. En este dep£Jtamento hay 15 horas de contenido de mano de obra directa en cada auto, en donde los vehículos se mueven mediante un transportador continuo. Determine a) la velocidad de producción por hora de la planta, y b) la cantidad de trabajadores y estaciones de trabajo requeridas en el acabado final de carrocerías si no se usan estaciones automatizadas. El nivel de asignación de mano de obra promedio es 2.5, la eficiencia del balance = 90%, la proporción de tiempo de fun cionamiento = 95% y se permite un tiempo de reubicación de 0.15 min para cada trabajador. 36.6. Se va a ensamblar un producto cuyo tiempo total de contenido de trabajo = 50 min en un línea de pro ducción manual. La velocidad de producción requerida es 30 unidades/hora. De experiencias anteriores con productos similares, se estima que el nivel de asignación de personal se acercará a 1.5. Suponga que E = Eb = 1.0. Si se perderán 9 seg del tiempo de ciclo para reubicación, determine a) el tiempo de ciclo, b) ¿ cuántos trabajadores y c) estaciones se necesitarán en la línea? 36.7. Una línea de ensamble manual tiene 15 estaciones de trabajo con un operador por estación. El tiempo total de contenido de trabajo para ensamblar el producto = 20 min. La velocidad de la línea de producción = 35 unidades/hora. Se usa un sistema de transferencia sincrónica para avanzar los productos de una estación a la siguiente y el tiempo de transferencia = 6 seg. Los trabajadores permanecen sentados a lo largo de la línea. La proporción de tiempo de funcionamiento E = 0.90. Determine el retraso en el balance. 36.8. La velocidad de producción requerida = 50 unidades/hora para cierto producto, cuyo tiempo total de contenido de trabajo de ensamble = 1.2 horas de mano de obra manual directa. Se manufactura en una línea de producción que tiene cuatro estaciones de trabajo automáticas y el resto son manuales. Debido a las estaciones automatizadas, la línea tiene una eficiencia de tiempo de funcionamiento = 85%. Cada una de las estaciones manuales tiene un trabajador. Se sabe que se pierde el 10% del tiempo de ciclo debido a la reubicación. Si la eficiencia de balance d = 0.92 en las estaciones manuales, determine
923^
Líneas de producción automatizadas
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36.11. Una línea de transferencia automatizada tiene 18 estaciones y opera con un tiempo de ciclo ideal de 1.45 min. La probabilidad de falla por estación es p = 0.008 y el tiempo de detención promedio cuando ocurre una avería es 12.5 min. Determine a) la velocidad de producción promedio Rp y b) la eficiencia de línea E. 36.12. Una mesa de carátula indicadora tiene seis estaciones. Se usa una estación para cargar y descargar; un trabajador realiza estas tareas. Las otras cinco ejecutan operaciones de procesamiento. El proceso más largo requiere 25 seg y el tiempo de indicador = 5 seg. Cada estación tiene una frecuencia de falla p = 0.015. Cuando ocurre una falla, se requieren un promedio de 3.0 min. para hacer reparaciones y reiniciar. Determine a) la velocidad de producción por hora y b) la eficiencia de la linea. 36.13. Se ha observado una línea de transferencia de siete estaciones durante un periodo de 40 horas. Los tiem pos de procesamiento en cada estación son los siguientes: Estación Tiempo de proceso (min)
I 0.80
2 1.10
3 1.15
4 0.95
5 1.06
6 0.92
7 0.80
El tiempo de transferencia entre estaciones = 6 seg. La cantidad de ocurrencias de tensiones de tiempo = 110, y las horas muertas de tiempo = 14.5 horas. Determine a) la cantidad de partes producidas durante la semana, b) la velocidad de producción real promedio en partes/hora y c) la eficiencia de línea, d) Si se calcu lara la eficiencia del balance para esta línea, ¿cuál sería su valor? 36.14. Una línea de transferencia de 12 estaciones se diseñó para operar con una velocidad de producción ideal = 50 partes/hora. Sin embargo, ésta no consigue esta velocidad, dado que la eficiencia de línea E = 0.60. Operar la línea cuesta 75 dólares/hora, exclusivamente por materiales. La línea opera 4000 hr/año. Se ha propuesto un sistema de vigilancia por computadora que costará 25 000 dólares (instalado), y reducirá el tiempo de detención en la línea en un 25%. Si el valor agregado por unidad producida = 4.00 dólares, ¿se pagará el sis tema de computadora en el primer año de operación. Use el incremento esperado en los ingresos producidos por el sistema de computadoras como el criterio. Ignore los costos de materiales en sus cálculos. 36.15. Se va a diseñar una línea de transferencia automatizada. Con base en experiencias anteriores, el tiempo muer to promedio por ocurrencia = 5.0 min y la probabilidad de una falla en estación que produzca una ocurren cia de tiempo de detención p = 0.01. El tiempo total de contenido de trabajo = 9.8 min y se va a dividir entre las estaciones de trabajo, por lo que el tiempo de ciclo ideal para cada estación = 9.8ln. Determine a) la can tidad óptima de estaciones n en la línea que maximice la velocidad de producción y b) la velocidad de pro ducción R. y la proporción de tiempo de funcionamiento E para su respuesta a la parte a). 5. < ' ■ J *1: ^ . ¿m r a - a s ir .r u M * [. •
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Sección 37.1 / Control numérico
A unque la autom atización program able se aplica tradicionalm ente para producción baja y m edia, es interesante señalar que los controladores modernos que se usan en equipo para produc ción masiva están casi siem pre basados en com putadoras. Por tanto, las líneas de transferencia y los sistemas de producción similares que antes se clasificaban com o de autom atización fija ahora se lle van a cabo m ediante controladores que pueden programarse. En m uchos casos, estos sistem as están diseñados para producción masiva de un producto o parte únicos y el equipo de producción no puede alterarse con facilidad para diferentes estilos de productos. N o obstante, es conveniente diri gir el equipo m ediante un controlador de com putadora program able por las siguientes razones: 1) facilita la instalación, 2) es posible hacer mejoramientos y actualizaciones en las funciones de control, 3) el equipo y el proceso se vigilan con facilidad, 4) es posible recopilar datos sobre el ren dimiento del proceso y la calidad de los productos y 5) se proporciona una interfaz persona-m á quina conveniente. En este capítulo analizarem os tres tipos de autom atización program ada de am plio uso en la manufactura: 1) el control num érico, 2) la robótica industrial y 3) los controladores lógicos pro gramables. El atributo funcional que com parten estas tecnologías es su capacidad de ser progra madas y reprogram adas.
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AUTOMATIZACIÓN PROGRAMABLE CO N T EN ID O DEL C A P ÍT U LO
37J
37.1
Control numérico
37.2
37.1.1 Tecnología del control numérico 37.1.2 Análisis de los sistemas de posicionamiento para el NC 37.1.3 Precisión en el posicionamiento 37.1.4 Programación de partes por N C 37.1.5 Aplicaciones del N C Robótica industrial
37.3
37.2.2 Sistemas de control y programación de robots 37.2.3 Aplicaciones de robots industriales Controladores lógicos programables
CONTROL NUMÉRICO El control num éricos CN (en inglés num erical control, NC) es una forma de autom atización pro gramable en la cual un program a que contiene datos alfanum éricos codificados controla las acciones de una parte del equipo. Los datos representan posiciones relativas entre un cabezal de sujeción y una parte de trabajo. El cabezal de sujeción representa una herram ienta u otro elem ento de procesam iento y la parte de trabajo es el objeto que se procesa. El principio funcional del N C es controlar el m ovim iento del cabezal de sujeción en relación con la parte de trabajo y la secuencia en la cual se realizan los movimientos. La prim era aplicación del control num érico fue en el maquinado (véase nota histórica 37.1), y ésta es todavía un área de aplicación importante. En la lám ina 8 del capítulo 1 y en las figuras 25.25 y 25.26 se m uestran tres máquinas herram ienta de control numérico.
37.2.1 Anatomía de un robot
37.1.1
Tecnología del control numérico
Las líneas de transferencia autom atizadas descritas en el capítulo 36 generalm ente se usan para producción masiva. Estos sistem as se desarrollaron m ucho antes de la era de las com pu tadoras. Se pusieron en acción usando levas mecánicas, relevadores eléctricos y com ponentes similares. Una vez construido, era muy difícil hacer cam bios de partes o productos nuevos en el equipo. El térm ino autom atización fija se aplica a este tipo de sistemas, en los cuales los pasos de procesam iento y su secuencia están fijos por la configuración del equipo. La ca racterística tradicional de este tipo de automatización incluye alta inversión inicial, altas velocidades de producción, bajo costo por unidad (si el producto se hace en cantidades sufi cientemente grandes) e inflexibilidad para alojar cam bios en el producto. Una form a alternativa es la autom atización programable, en la cual el equipo diseña do tiene la capacidad de cam biar los pasos de procesam iento y su secuencia a fin de producir diferentes estilos de productos. En la autom atización program able, un program a controla el proceso m ediante un conjunto de instrucciones codificadas que el equipo puede leer e inter pretar. Los cam bios en el proceso se hacen m odificando el programa. Las características de esta forma de autom atización incluyen velocidades de producción más bajas que las de la automatización fija, cantidades de producción bajas o medianas y flexibilidad para alojar cambios en la configuración de los productos.
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En esta sección definirem os los com ponentes de un sistema de control num érico y después des cribiremos el sistem a de eje de coordenadas y los controles de movim iento.
Nota histórica 37.1 Control numérico [3|. [5| A Íl^ u ie n e s merecen el crédito acerca de las primeras investigaciones sobre control numérico son John Parsons y Frank Stulen, en la Parsons Corporation en Michigan, a fines de la década de Ies-cuarenta. Parsons era un contratista de m aquinado para la fuerza aérea de Estados Unidos y había diseñado un medio que utilizaba datos de coordenadas numéricas a fin de mover la mesa de trabajo de una fresadora y producir partes com plejas para aeronaves. Con base en el trabajo de Parsons. la fuerza aérea de Estados Unidos premió con un contrato a esta com pañía en 1949. con el fin de estudiar la factibilidad del nuevo concepto de control para m áquinas herramienta. El proyecto fue subcontratado .‘j tñ
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926
Capítulo 37 / Automatización programable
Sección 37.1 / Control numérico
fluidos; sin em bargo, la interpolación frecuentemente la ejecutan com ponentes incorporados en dicha unidad. L a M CU también permite editar el program a de panes, en caso que éste contenga errores o se requieran cam bios en las condiciones del corte. D ebido a que la M CU es una com pu tadora, se usa el término control num érico p o r com putadora (CN C) para diferenciar este tipo de control num érico de las tecnologías que le precedieron, las cuales se basaban por com pleto en dis
para el la b o rato rio d e s e rv o m e c a n ism o s en el M a ssa c h u se tts In s titu te of Technology (iM.i.T.) con el p ro p ó s ito d e d e s a rro lla r una m á q u in a h e rra m ie n ta p ro to tip o q u e u tilizara el nuevo principio d e d a to s nu m é rico s. El la b o rato rio del M.I.T. co n firm ó q u e el c o n c e p to era factible y p ro ced ió a a d a p ta r u n a fresad o ra vertical d e tre s ejes, u s a n d o co n tro le s co m b in ad o s an a ló g ic o s-d ig ita le s. El sis te m a m e d ia n te el cual s e realizab an los m ovim ientos d e la m á q u in a h e rra m ie n ta recibió el n o m b re d e control numérico (NC). La m áquina p ro to tip o s e m o stró en 1952.
positivos electrónicos incorporados. El equipo de procesamiento realiza una secuencia de pasos para transform ar la parte de tra bajo inicial en una parte term inada, y opera bajo el control de la unidad de control de máquina de acuerdo con el conjunto de instrucciones que contiene el program a de partes. Analizaremos las diversas aplicaciones y equipo de procesam iento en la sección 37.1.5.
La ex actitu d y la ca p a c id a d d e rep etició n del siste m a d e co n tro l n u m é rico era m u c h o m ejor q u e los m é to d o s d e m a q u in a d o m a n u al d is p o n ib le s e n to n c e s . Tam bién e ra e v id e n te el p otencial p ara reducir el tie m p o n o p roductivo en el ciclo d e m a q u in ad o . Sin em b arg o , los co n stru c to re s d e m á q u in a s h e rra m ie n ta no e s ta b a n d is p u e s to s a invertir las g ra n d e s ca n tid ad e s re q u e rid a s p ara d e s a rro lla r p ro d u c to s b a s a d o s en el co n tro l nu m érico . En 1956. la fuerza aé re a d e c id ió p a tro c in a r el d e s a rro llo d e m á q u in a s h e rra m ie n ta d e co n tro l num érico en d iv e rsa s co m p añ fas. E sta s m á q u in a s s e p u siero n en o p erac ió n en d ife re n te s co m p añ ías d e ae ro n a v e s e n tre 1958 y 1960. P ro n to fueron e v id e n te s las v e n ta ja s del control n u m érico y las c o m p a ñ ía s d e la in d u stria ae ro n á u tic a y a e ro e sp a c ia l e m p ezaro n a hacer p e d id o s d e n u ev a s m á q u in a s d e co n tro l num érico . Incluso, a lg u n o s in iciaro n la construcción d e s u s p ro p ia s u n id a d e s
Sistema de coordenadas y control de movimientos en el control numérico Para especificar las posiciones en el control numérico se usa un sistem a de ejes de coordenadas están dar. El sistem a consiste en los tres ejes lineales, (.v. y, z) del sistem a de coordenadas cartesianas, adem ás de tres ejes rotatorios (a. b. c), como se muestra en la figura 37.1 (a). Los ejes rotatorios se usan para que la parte de trabajo gire y presente diferentes superficies durante el maquinado, o para orientar la herram ienta o cabezal de sujeción en algún ángulo en relación con la parte. Casi todos los sistemas de NC no requieren que funcionen los seis ejes. Los sistem as de control numérico más sencillos (por ejem plo, los graficadores. las m áquinas para procesar materia prim a en prensa como láminas m etálicas planas y las máquinas de inserción de com ponentes) son sistemas de posicionam iento cuyas ubicaciones se definen en un plano x-y. La program ación de estas máquinas im plica especificar una secuencia de coordenadas x-y. En contraste, algunas m áquinas herramienta tienen un control de 5 ejes para dar forma a geom etrías de partes de trabajo complejas. Por lo com ún, estos sistem as incluyen tres ejes lineales y dos rotatorios. En m uchos sistem as de NC, los movimientos relativos entre el elem ento de procesamiento y la parte de trabajo se obtienen fijando la parte a una m esa y después controlando las posiciones y los m ovim ientos de la mesa en relación con el cabezal de sujeción estacionario o semiestacionario. La m ayoría de las m áquinas herram ienta sirve para insertar com ponentes y se basa en este método de operación. En otros sistemas, la parte de trabajo se m antiene estacionaria y el cabezal de suje ción se mueve a lo largo de 2 o 3 ejes. Los cortadores por flam a, las trazadoras o graficadores x-y, y las m áquinas de m edición de coordenadas operan de este m odo. Las coordenadas para un sistema de NC rotatorio se ¡lustran en la figura 37.1 (b). Estos sistemas se asocian con operaciones de torneado en máquinas bajo control numérico. Aunque el trabajo gira, no está en uno de los ejes controlados. La trayectoria de corte de la herramienta del tomo, en relación con la parte de trabajo rotativa, se define en el plano x-z, como se m uestra en nuestra figura.
La im portancia d e la p ro g ram ació n d e p a rte s fue clara d e s d e el p rincipio. La fuerza aérea de E sta d o s U nidos sig u ió a p o y a n d o el d esarro llo y la ap licac ió n d el NC m e d ia n te el patrocinio d e la inv estig ació n en el M.I.T. para un le n g u aje d e p ro g ram ació n d e p artes, cuyo p ro p ó sito era c o n tro la r las m á q u in a s d e control n u m érico E sta in v estig ació n p ro d u jo el d esarro llo d e la h ab ilitació n d e h e rra m ie n ta s pro g ram ad as a u to m á tic a m e n te (en in g lés Automatically proarammed tooling. APT) en 1958 El le n g u aje APT e s un le n g u aje d e program ación d e p a rte s a través del cual un u su ario d escrib e las in stru c cio n es d e m a q u in ad o en e n u n c ia d o s s im p le s p a re c id o s al idiom a inglés.
Componentes de un sistema de control numérico Un sistem a de control num érico tiene tres componentes básicos: 1) un program a de partes, 2) una unidad de control de m áquina y 3) el equipo de procesamiento. El program a de partes (térm ino que se usa com únm ente en la tecnología de máquinas herramienta) es el conjunto detallado de comandos que va a seguir el equipo de proce samiento. Cada com ando especifica una posición o movimiento que realizará el cabezal de sujeción en relación con el objeto procesado. U na posición se define mediante sus coordenadas x-y-z. En las aplicaciones de máquinas herram ienta, los detalles adicionales en el program a de NC incluyen la velocidad de rotación del eje, la dirección del eje. la velocidad de alim entación, las instrucciones de cambio de herramientas y otros com andos relacionados con la operación. Durante m uchos años, los programas de partes de control num érico se codificaron en cinta de papel perforada de 1 pulg de ancho, usando un form ato estándar que podía interpretar la unidad de control de la máquina. Actualmente, en los talleres especializados modernos la cinta perforada se ha sustituido por nuevas tecnologías de alm acenam iento. Éstas incluyen cintas m agnéticas y transferencia electrónica de programas de partes de NC desde una com putadora central. En la tecnología m oderna de control numérico, la unidad de control de máquina. U CM (en inglés machine control unit, M CU ) es una microcom putadora que alm acena el program a y lo eje cuta, convirtiendo cada com ando en acciones mediante el equipo de procesam iento, un com ando a la vez. La MCU está constituida por el hardware y el software. El hardware está form ado por la microcomputadora, los com ponentes para hacer interfaz con el equipo de procesam iento y ciertos elementos de control de retroalim entación. La MCU también incluye un lector de cinta, si los pro gramas se cargan en la m em oria de la com putadora desde una cinta perforada. El softw are está for mado por el software de control del sistem a, los algoritmos de cálculo y el softw are de traducción para convertir el program a de partes de control numérico en un formato que pueda utilizar la M CU. También incluye algoritm os de interpolación con el fin de que los movim ientos del cortador sean
927
FIGURA 37.1 Sistema de coordenadas que se usa en el control numérico: (a) para trabajo plano y prismático y (b) para trabajo rotatorio.
+Z i P arte d e trabajo
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+y
-X
^
----- — x
+x Herramient: de corte
/ jvüwv • fjgrri& jr ,
M esa d e trabajo
-y (a)
Parte de trabajo
(b)
928
Capítulo 37 / Automatización programable
(6.
Sección 37.1 / Control numérico
929
8)
T
Herramienta Mesa de trabajo Motor
(2 . 3 )
J _____ I
I
6
8
FIGURA 37.2 Posicionamiento absoluto contra posicionamiento incremental. En este momento la cabeza de trabajo está en el punto (2, 3) y se moverá al punto (6, 8). En el posicionamiento absoluto, el movimiento se especifica mediante x = 6, y = 8; en el posicionamiento incremental, el movimiento se especifica mediante x = 4 y = 5.
Los sistemas de control de m ovim iento basados en el NC se dividen en dos tipos: 1) de punto a punto y 2) de trayectoria continua. Los sistem as de punto a punto, también llam ados sistem as de posicionamiento, mueven el cabezal de sujeción (o la pieza de trabajo) a una posición program ada sin considerar la trayectoria que toman para llegar a tal lugar. Una vez term inado el m ovim iento, el cabezal de sujeción realiza cierta acción de procesam iento en una posición, tal com o el taladrado o el perforado de un orificio. Por tanto, el program a consiste en una serie de posiciones de puntos en las cuales se realizan las operaciones. Los sistem as de trayectoria continua proporcionan un dominio continuo y sim ultáneo de más de un eje, por lo que controlan la trayectoria que sigue la herramienta en relación con la parte. Esto permite que la herram ienta ejecute un proceso m ientras se mueven los ejes y habilita al sistem a para generar superficies angulares, curvas en dos dim ensiones o contornos tridim ensionales en la parte de trabajo. Este esquem a de operación se requiere en m áquinas de dibujo, operaciones de fresado y torneado y corte con flama. En el m aquinado, el torneado de contornos tam bién sigue un control continuo de trayectoria. Otro aspecto del control del m ovim iento se refiere a las posiciones en el sistem a de coorde nadas, las cuales se definen en forma absoluta o incremental. En el posicionam iento absoluto, las posiciones de la cabeza de trabajo siem pre se definen respecto al origen del sistem a de coordenadas. En el posicionamiento incremental, la siguiente disposición del cabezal de sujeción se define de acuerdo con la posición actual. La diferencia se ilustra en la figura 37.2.
37.1.2
2L
Eje de movimiento
77777777. Tomillo g u ía ------' FIGURA 37.3
N
Arreglo de motor y tornillo guía en un sistema de posicionamiento por NC.
de control de ciclo cerrado usa una m edición retroalim entada para verificar que la posición de la mesa de trabajo sea en verdad la que está especificada en el program a. Los sistemas de ciclo abier to son menos costosos que los de ciclo cerrado y son convenientes donde es m ínim a la fuerza que resiste el m ovim iento de funcionamiento. Los sistemas de ciclo cerrado generalm ente se especifi can para m áquinas herram ienta que ejecutan operaciones de trayectoria continua, tales com o fresa do o torneado, en los cuales las fuerzas de resistencia son significativas. Sistem as d e p o sicio n am ie n to de ciclo a b ie rto Es com ún que un sistem a de posi cionam iento de ciclo abierto use un motor de engranes para hacer girar el tom illo guía. En el NC se controla un m otor de engranes m ediante una serie de pulsos eléctricos que genera la unidad de control de m áquina. Cada pulso provoca que el m otor gire una fracción de una revolución, llamada ángulo de paso. Los ángulos de paso permisibles deben apegarse a la relación: 360
(37.1)
donde a = ángulo de paso, en grados, y ns = cantidad de ángulos de paso para el motor, que debe ser un entero. FIGURA 37.4
Dos tipos de movimientos bajo NC: (a) de ciclo abierto y (b) de ciclo cerrado.
I [j-« —
Análisis de los sistemas de posicionamiento para el NC
Parte de trabajo — ^
La función del sistema de posicionamiento es convertir las coordenadas que se especifican en el pro grama de partes del control numérico en posiciones relativas entre la herramienta y la parte de trabajo durante el procesamiento. Veamos cómo funcionaría un sistema de posicionamiento simple, com o el que se muestra en la figura 37.3. El sistema consiste en una mesa de trabajo, en la cual la parte de tra bajo está fija. El propósito de la mesa es m over la parte respecto a una herramienta o cabezal de suje ción. Para conseguir este propósito, la mesa de trabajo se mueve en forma lineal mediante un tomillo guía rotatorio, el cual se controla mediante un m otor (por ejemplo, un motor de engranes o servomo tor). Por cuestiones de simplicidad, sólo se muestra un eje en el diagrama. Para aportar la capacidad de desplazamiento sobre los ejes x-y, el sistem a mostrado se construiría encima de un segundo eje per pendicular al primero. El tomillo conductor tiene un cieno paso p, en pulg/rosca (mm/rosca) o pulg/rev (mm/rev). Por tanto, la mesa se mueve una distancia igual al paso del tomillo conductor con cada revo lución. La velocidad a la que se mueve la mesa de trabajo, correspondiente a la velocidad de alimen tación en la operación de maquinado, se determ ina mediante la velocidad de rotación del tom illo guía. En los sistemas de control num érico se usan dos tipos básicos de control de m ovim ientos: (a) de ciclo abierto y (b) de ciclo cerrado, com o se m uestra en la figura 37.4. La diferencia es que un sistema de ciclo abierto opera sin verificar la posición adecuada para la m esa de trabajo. U n sistem a
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C abezal de sujeción
\J
,— >— i ir
Motor de engranesi — \
N»
X -,
Entrada del tren de pulsos ■
M esa de trabajo
Tomillo guía
(a)
C om parador Entrada
1
Servomotor — , DAC
i
P arte de trabajo
J l_
V y /////S /7 7 7 ? 7 7 7 ‘/ / / / / / / y / /
r
Tomillo guía
Señal de retroalimentación
(b)
C abezal d e sujeción
\ '
1 y
!— M esa de trabajo r—Codificador óptico
932
Sección 37.1 / Control numérico
Capítulo 37 / Automatización programable
Solución:
Las ecuaciones que describen el funcionam iento de un sistem a de posicionam iento de ciclo cerrado son similares a las de un sistema de ciclo abierto. En el codificador óptico básico, el ángu lo entre las ranuras del disco debe cum plir el siguiente requisito: 360 a = -----
a) Reordenando la ecuación 37.10 para encontrar np, nP
xn, = — =
f,n , p
en donde a = ángulo entre ranuras, en grados/ranuras; ns = cantidad de ranuras en el disco, en ranuras/rev; y 360 = grados/rev. Para cierta rotación angular del eje, el codificador detecta una can tidad de pulsos que se obtiene mediante:
16.0 x ISO
6 0 p 60 x 0.20
c) La velocidad del m otor es la velocidad de la m esa dividida por el paso. Al corregir para la reduc ción de engranes se tiene:
(37.9)
N =
(37.12) P
donde rg = razón de engranes (rg = 4.0); por tanto:
en donde np = cuenta de pulsos; A = ángulo de rotación, en grados; y a = ángulo entre ranuras, en grados/pulsos. La cuenta de pulsos se usa para determ inar la posición lineal del eje x de la m esa de trabajo, mediante la factorización del paso del tom illo guía. Por tanto: X = EHL ns
N =
4 x 16
0.2
■= 320 rev/m in
(37.10) Observe que la cuenta de pulsos y la razón de pulsos tienen los mismos valores num éricos que en el ejemplo 37.1, dado que el codificador está conectado al tom illo guía. Sin em bargo, debido a que el servom otor gira 4 veces por cada rotación del tom illo guía, la velocidad del m otor es 4 veces el valor anterior del m otor de engranes. ■
Asimismo, la velocidad de alimentación a la cual se mueve la mesa de trabajo se obtiene a partir de la frecuencia del tren de pulsos: f r _ 60P Í n,
(37.11)
37.1.3
Precisión en el posicionamiento
en donde f r = velocidad de alimentación, en pulg/m in (mm /min); p = paso, en pulg/rev (mm/rev); f p = frecuencia del tren de pulsos, en Hz (pulsos/seg); ns = cantidad de ranuras en el disco codifi cador, en pulsos/rev; y 60 es el factor que convierte los segundos a m inutos. La serie de pulsos que genera el codificador se compara con la posición de coordenadas y la velocidad de alimentación especificadas en el program a de partes; la unidad de control de m áquina usa la diferencia para conducir un servom otor, el cual a su vez controla la m esa de trabajo. Se usa un convertidor analógico a digital (en inglés (D igital-to-analog converter) para transform ar las señales digitales de la M CU a una señal analógica continua, a fin de operar el m otor conductor. Los sistemas de control num érico de ciclo cerrado del tipo descrito aquí son apropiados cuando hay una fuerza de resistencia al movim iento de la m esa. La m ayoría de las operaciones de máquinas he rramienta de corte de metales caen en esta categoría, en particular las que implican un control de trayectoria continua, tales com o el fresado y el torneado. Las ecuaciones anteriores suponen una relación de engranes = 1 :1 . Para otras relaciones de engranes, deben hacerse ajustes en el cálculo, tal com o se m uestra en el siguiente ejemplo.
EJEM P LO 3 7 .2
3.0 x 150 02Q — = 2250 pulsos
b) La razón de pulsos que corresponde a 16.0 pulg/min se obtiene al reordenar la ecuación 37.11:
(37.8)
n, = a
933
P o sicio n a m ien to d e c ic lo ce rra d o co n co n tro l n u m é rico
Un sistema de posicionam iento de ciclo cerrado que consiste en un servomotor, un tom illo guía y un codificador óptico conduce una mesa de trabajo con nc. El tom illo guía tiene un paso = 0.200 pulg y está acoplado al eje del m otor con una relación de engranes de 4:1 (4 giros del m otor por un giro del tom illo guía). El codificador óptico genera 150 pulsos/rev del tom illo guía. La m esa está programada para moverse una distancia de 3.0 pulg, a una velocidad de alimentación = 16.0 pulg/min. Determine a) cuántos pulsos recibe el sistem a de control para verificar que la m esa se ha movido exactamente 3.0 pulg, b) la razón de pulsos y c) la velocidad del m otor que corresponde a la velocidad de alimentación especificada.
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Tres medidas de precisión im portantes en el posicionam iento son la resolución del control, la exac titud y la capacidad de repetición. Estos términos se explican con m ayor facilidad considerando un eje único del sistem a de posición. La resolución de control se refiere a la capacidad del sistem a para dividir el rango total del m ovimiento del eje en puntos estrecham ente espaciados que puede distinguir la unidad de control. La resolución de control se define com o la distancia que separa dos puntos de control adyacentes en el movim iento del eje. En ocasiones los puntos de control se denom inan puntos direccionables, debido a que son posiciones a lo largo del eje, hacia los cuales puede dirigirse específicam ente la m esa de trabajo. Es conveniente que la resolución de control sea la más pequeña posible. Esto depende de las lim itaciones que imponen: 1) los com ponentes electrom ecánicos del sistema de posicionam iento y 2) la cantidad de bits que usa el controlador para definir la posición de coorde nadas del eje. Los factores electrom ecánicos que limitan la resolución incluyen el paso del tom illo guía, la relación de engranes en el sistem a conductor y el ángulo de paso en el m otor de engranes (para un sistem a de ciclo abierto) o el ángulo entre las ranuras en un disco codificador (para un sistem a de ciclo cerrado). Juntos, estos factores determ inan una resolución de control, que es la distancia m íni ma que puede m overse la m esa de trabajo. Por ejem plo, la resolución de control para un sistem a de ciclo abierto que se conduce m ediante un m otor de engranes con una relación de engranes 1:1 entre el eje del m otor y el tom illo guía se proporciona mediante: C /?, = — ns
(37.13)
donde C = resolución de control de los componentes electrom ecánicos, en pulg (mm); p = paso del tom illo guía, en pulg/rev (mm /rev); y ns = cantidad de pasos/rev. Se desarrolla una expresión sim ilar para un sistem a de posicionam iento de ciclo cerrado.
934
Capítulo 37 / Automatización programable
935 (
Sección 37.1 / Control numérico
Aunque no es común en la tecnología moderna de computadoras, el segundo factor posible que limita la resolución de control es la cantidad de bits que definen el valor de coordenadas del eje. Por ejemplo, la capacidad de alm acenam iento de bits del controlador puede im poner esta limi tación. Si B = la cantidad de bits en el registro de alm acenam iento para el eje, el núm ero de puntos de control entre los que puede dividirse el rango del eje = 2B. Suponiendo que los puntos de con trol están separados equitativam ente dentro del rango, entonces: C
f
t
-
p
donde C R = resolución de control en pulg (mm), y o = desviación estándar de la distribución de error. La capacidad de repetición (repeatability) se refiere a la capacidad que posee un sistem a de posicionam iento para regresar a un punto de control determ inado que se ha program ado antes. Esta capacidad se mide en términos de los errores de posición encontrados cuando el sistem a intenta colocarse en un punto de control. Los errores de posición son una m anifestación de los errores mecánicos del sistem a de posicionam iento, los cuales se definen m ediante una distribución normal supuesta, com o se describió antes. Por tanto, la capacidad de repetición (repeatability) de cualquier eje de un sistem a de posicionam iento se define com o el rango de errores m ecánicos asociados con el eje; esto se reduce a:
<3 7 1 4 >
donde C R 2 = resolución del sistema de control de la computadora, en pulg (mm); y L - rango del eje, en pulg (mm). La resolución del control del sistem a de posicionam iento es el m áxim o de los dos valores; esto es,
C apacidad de repetición = ± 3 a C R = Máx{CRi,CRi}
(37.17)
(37.15)
En general es conveniente que C R z < C R t, lo que significa que el sistem a electrom ecánico es el factor limitante en la resolución de control. Cuando se dirige un sistema de posicionamiento para mover la mesa de trabajo a un punto de control determinado, la capacidad del sistema para moverse a tal punto estará limitada por errores mecánicos. Éstos se deben a diversas imprecisiones e imperfecciones en el sistema mecánico, tales como una holgura entre el tomillo guía y la mesa de trabajo, un retroceso en los engranes y una desviación de los componentes de la máquina. Es útil suponer que los errores forman una distribución estadística alrededor del punto de control, distribución neutral normal con una media = 0. Si suponemos además que la desviación estándar de la distribución es constante sobre el rango de los ejes que se consideran, casi todos los errores mecánicos (99.74 %) están dentro de las ± 3 desviaciones estándar del punto de control. Esto se m uestra en la figura 37.6 para una parte del rango del eje que
E JE M P LO 3 7 .3
Solución; a) La resolución de control es la m ayor de C/?| y C R2, tal com o lo definen las ecua ciones 37.13 y 37.14. p 0.200 CR\ = — — = 0.001333 pulg 1j U
incluye 3 puntos de control. Con las tres definiciones de resolución de control y distribución de errores m ecánicos, consideremos ahora la exactitud y la capacidad de repetición. La exactitud se define en una esce na con el caso extremo, en la cual el punto objetivo se encuentra exactamente entre dos puntos de control adyacentes. Dado que el sistem a sólo puede moverse a uno u otro de los puntos de control, habrá un error en la posición final de la mesa de trabajo. Si el objetivo estuviera más cerca de uno de los puntos de control, la mesa se movería al punto más cercano y el error sería más pequeño. Es conveniente definir la exactitud en el peor de los casos. La precisión de cualquier eje en un sistema de posicionamiento es el máximo error posible que puede ocurrir entre el punto objetivo deseado y la posición real que tom a el sistema; y la obtenem os mediante la ecuación: Precisión = 0 .5 C R 4- 3
Punto objetivo deseado
L CRl = 2 l=
22.0
22.0
2 ^ = 65 536 = 0 000336
CR = Máx (0.001335.0.0003361 = 0.001333 b) La precisión se obtiene m ediante la ecuación
37.16:
Precisión = 0.5(0.00133) 4- 3(0.0002) = 0.001267 pulg c) La capacidad de repetición = ± 3 (0.0002) = ± 0.0006 pulg.
(37.16)
FIGURA 37.6 Una parte de un eje en un sistema lineal de posicionamiento, con definiciones de la resolución de control, la precisión y la capacidad de repetición.
R e so lu ció n de co n tro l, p re cisió n y ca p a cid a d de rep etició n
Considerando el ejem plo 37.1, las im precisiones mecánicas en el sistem a de posicionam iento de ciclo abierto se describen m ediante una distribución normal cuya desviación estándar = 0.0002 pulg. El rango del eje de la m esa de trabajo es 22.0 pulg, y hay 16 bits en el registro binario que usa el controlador digital para alm acenar la posición programada. Determine a) la resolución de con trol, b) la precisión y c) la capacidad de repetición para el sistema de posicionam iento.
37.1.4
Programación de partes por NC
Distribución de
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En las aplicaciones de las m áquinas herram ienta, la tarea de program ar el sistem a se denom ina pro gramación de partes por control num érico, debido a que el program a se prepara para una parte determinada. Por lo general lo realiza alguien que conoce tanto el proceso de trabajo con metales com o el procedim iento de program ación para el equipo particular de la planta. Es posible que se usen otros térm inos para la program ación de otros procesos, pero los principios son similares y se requiere que una persona capacitada prepare el programa. En la actualidad, los sistem as de com putadora se usan am pliam ente para preparar programas de control numérico. La program ación de partes requiere que el program ador defina los puntos, las líneas y las superficies de la parte de trabajo en el sistem a del eje y que, adem ás, controle el m ovim iento de la herram ienta de corte en relación con estas características de parte definidas. Entre las técnicas de program ación de partes, las más im portantes son: 1) la program ación m anual de partes, 2) la pro gram ación de partes asistida por com putadora, 3) la program ación de partes asistida por CA D/CAM y 4) el ingreso m anual de datos.
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Sección 37.1 / Control numérico
Capítulo 37 / Automatización programable
Programación manual de partes Para los trabajos de m aquinado sencillos punto por pun to, tales como operaciones de taladrado, con frecuencia la program ación m anual es el m étodo más fácil y económico. La program ación manual de partes usa datos num éricos básicos y códigos alfanuméricos especiales para definir los pasos en el proceso. Por ejem plo, para realizar una opera ción de taladrado se introduce un com ando del tipo siguiente: nOlO
x2.750
y3.000
Í7.00
Programación de partes asistidas por sistemas CAD/CAM El uso de sistemas CAD/CAM lleva a la programación de partes asistida por computadora un paso adelante, usando un sistema gráfi co computarizado CAD/CAM que interactúa con el programador conforme se prepara el programa de partes. En el uso convencional de la A PT se escribe un programa completo y después se ingresa en la computadora para su procesamiento. M uchos errores de programación no se detectan sino hasta el procesamiento en la computadora. Cuando se usa un sistema CAD/CAM , el programador recibe una verificación visual inmediata conforme introduce cada enunciado para determinar si es correcto. Cuando el programador introduce la geometría de partes, el elemento se despliega gráficamente en el monitor. Conforme el programador diseña la trayectoria de una herramienta, ve exactamente cómo desplazarán los comandos de movimiento a la herramienta, en relación con la parte. Los enrores se co rrigen de inmediato y no después de escribir el programa completo. La interacción entre el program ador y el sistem a de program ación es un beneficio importante de la program ación asistida por CA D/CA M . Hay otros beneficios importantes al usar CAD/CAM en la program ación de partes por control numérico. Primero, el diseño del producto y sus com po nentes pueden haberse obtenido en un sistem a CAD/CAM . El program ador de control numérico recupera la base de datos de diseño resultante, incluyendo la definición geom étrica de cada parte, a fin de usarla com o la geometría inicial para la program ación de partes. Esta recuperación ahorra un tiempo valioso en comparación con la reconstrucción de la parte desde cero, usando enunciados de geom etría de la APT. Segundo, existen rutinas especiales de software disponibles comercialmente para la progra mación de partes mediante sistemas CAD/CAM , que automatizan algunas secciones de la herramien ta y generan trayectorias de una ruta, tales como un perfilado por fresado en la superficie de un parte, el fresado de una cavidad dentro de la superficie de una parte, la elaboración de contornos en superfi cies y ciertas operaciones punto a punto. El programador de partes solicita estas rutinas como coman dos macroespeciales. Su uso produce ahorros significativos en el tiempo y esfuerzo de programación.
s500
Cada “palabra" en el enunciado especifica un detalle en la operación de taladrado. La palabra n («010) es simplemente un núm ero de secuencia para el enunciado. Las palabras x y y indican las posiciones de coordenadas x y y. (x = 2.75 pulg, y = 3.00 pulg). L a s y la /e sp e c ific a n la velocidad de alimentación y la velocidad de giro que se van a usar en la operación de taladrado (velocidad de alimentación = 7.00 pulg/m in y velocidad de giro = 500 rpm). El program a de partes con control numérico completo consta de una secuencia de enunciados similares al comando anterior. Programación de partes asistida por computadora A unque la program ación de partes asistida por com putadora im plica el uso de un lenguaje de programación de alto nivel, es más con veniente para la program ación de trabajos más com plejos que la program ación manual. El prim er lenguaje de program ación de partes fue la program ación de herram ientas en form a autom ática (en inglés autom atically program m ed tooling, A PT), desarrollado como una extensión de la investi gación original de m áquinas herram ienta por NC que se usó por prim era vez en producción alrede dor de 1960. En la APT la tarea de program ación de partes se divide en dos pasos: 1) definición de una geometría de parte y 2) especificación de la trayectoria de la herramienta y la secuencia de opera ción. En el paso 1, el program ador define la geom etría de la parte de trabajo mediante elem entos básicos de geometría, tales com o puntos, líneas, planos, círculos y cilindros. Estos elem entos se definen usando enunciados de geom etría del APT, tales como:
Ingreso manual de datos El ingreso manual de datos (en inglés manual data inpul, MDI) es un método en el cual un operador de máquina introduce el programa de partes en la fábrica. El méto do usa una pantalla CRT con capacidad de imágenes en los controles de la máquina herramienta. Los enunciados de programación de partes por NC se introducen mediante un procedimiento controlado con menús que requiere una capacitación mínima del operador de la máquina herramienta. Debido a que la programación de partes está simplificada y no requiere personal especial en la programación de partes con control numérico, el ingreso manual de datos es una forma adecuada para que los talleres especializados instrumenten económicamente el control numérico en sus operaciones.
P1 = P O IN T /l.0 ,5 .0 L1 = L IN E/P1, P2 P1 es un punto definido en el plano x - y que se localiza en x = 1.0 pulg y en y = 5.0 pulg. L1 es una línea que va a través de los puntos P1 y P2. Se usan enunciados similares para definir círculos, cilin dros y otros elementos geométricos. La mayoría de las formas de la partes de trabajo se describen usan do enunciados como estos para especificar sus superficies, esquinas, bordes y posiciones de orificios. La especificación de una trayectoria de herram ienta se realiza con los enunciados de movimiento del APT. Un enunciado com ún para una operación de punto a punto es
37.1.5
Aplicaciones del NC
G OTO/P1 Esto dirige a la herram ienta para que se mueva de su posición actual a una posición definida m e diante P 1, en donde P 1 se ha definido m ediante un enunciado previo de geom etría de APT. Los comandos de m ovim iento de trayectoria continua usan elem entos de geom etría tales com o líneas, círculos y planos. Por ejem plo, considere el comando G O R G T /L 3, PAST. L4 El enunciado dirige a la herram ienta para que vaya a la derecha (GORGT) a lo largo de la línea L3 hasta que se coloque ju sto después de la línea L4. Se usan enunciados A PT adicionales para definir los parámetros de operación tales como velocidades de alim entación, velocidades de giro, tamaños de herram ientas y tolerancias. Cuando termina, el program ador introduce el program a APT a la computadora, durante el procesam iento se generan enunciados de bajo nivel (sim ilares a los que se preparan en la program ación m anual de partes) para que los use una m áquina herram ienta particular.
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El m aquinado es un área de aplicación im portante para el control numérico, pero el principio de operación del NC también se aplica a otras actividades. En m uchos procesos industriales, debe con trolarse la posición de un cabezal de sujeción de acuerdo con la parte o producto en los que se tra baja. Dividimos las aplicaciones en dos categorías: 1) aplicaciones de máquinas herramienta y 2) aplicaciones que no son de máquinas herram ienta. Debe señalarse que no todas las aplicaciones se identifican con el nombre de control num érico en sus respectivas industrias. En la categoría de máquinas herram ienta, el control num érico se usa am pliam ente para opera ciones de m aquinado, tales como el torneado, el taladrado y el fresado (secciones 25.1, 25.2 y 25.3, respectivam ente). El uso del NC en estos procesos ha motivado el desarrollo de máquinas herra mientas altam ente automatizadas, llam adas centros de m aquinado, las cuales cam bian sus propias herram ienta de corte para realizar diversas operaciones de m aquinado bajo un program a de control numérico (sección 25.4). Además del m aquinado, otras máquinas herram ienta controladas numéri cam ente son: 1) máquinas para esm erilado (sección 26.1), 2) m áquinas para procesam iento en pren sa de láminas metálicas (sección 22.5.2), 3) máquinas para doblado de tubos (sección 22.7) y 4) procesos de corte térmico (sección 27.3).
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Sección 3 7 .2 / Robótica industrial
Capítulo 37 / Automatización programable
En la categoría de las que no son para máquinas herram ienta, las aplicaciones de NC incluyen: 1) máquinas de colocación de cinta y máquinas de devanado de filamentos para com puestos (sección 17.2.3 y sección 17.4); 2) m áquinas para soldadura por fusión, tanto con arco (sec ción 29.1) com o con resistencia (sección 29.2); 3) máquinas para inserción de componentes en ensambles electrónicos (secciones 35.3 y 35.4); 4) m áquinas para cobertura de alambre eléctrico (sección 35.5.1); 5) m áquina de dibujo y 6) máquinas de medición de coordenadas para inspec ción (sección 41.5.1).
d e 1961. en la Ford M otor C om pany. El tra b a jo d el ro b o t era d escarg a r lo s tra b a jo s p re p a ra d o s p o r la m á q u in a d e fu n d id o a p resió n . Los p rim ero s ro b o ts in d u striale s co m ercia les te n ía n un brazo, eran d irig id o s en form a hid ráu lica y p esad o s. O tras co m p añ ías, a d e m á s d e U nim ation. p articip aro n en la com ercialización d e la te cn o lo g ía en los a ñ o s s e te n ta y o ch e n ta, in clu y en d o Trallfa. ASEA. C in cin n ati M ilacron. G eneral Electric. IBM. GMF R obotics y A dept.
Entre los beneficios del NC relacionados con el equipo que se opera manualmente en estas aplicaciones están: 1) m enor tiem po no productivo. lo que provoca ciclos más cortos, 2) tiempos de manufactura más cortos, 3) reparaciones más sencillas, 4) m ayor flexibilidad de m anufactura, 5) m ayor exactitud y 6) menos errores hum anos.
ejecutar el ciclo de trabajo program ado. La anatom ía de un robot se relaciona con el m anipulador m ecánico y su construcción. La figura 37.7 m uestra una de las configuraciones com unes de un robot industrial.
37.2
ROBÓTICA INDUSTRIAL Un robot industrial es una m áquina program able de propósito general que posee ciertas caracte rísticas antropomórficas. La característica antropom órfica más evidente de un robot industrial es un brazo mecánico o m anipulador. La unidad de control para un robot industrial m oderno es una computadora que se program a para ejecutar subrutinas bastante especificadas, lo cual proporciona al robot una inteligencia que en ocasiones parece casi humana. El m anipulador del robot, junto con un controlador de alto nivel, permite que un robot industrial realice diversas tareas, tales com o car gar y descargas m áquinas herram ienta, aplicar soldadura de puntos a carrocerías de autos y pintar por aspersión. En general, los robots se usan com o sustitutos de trabajadores en estas tareas. El concepto de un robot deriva de una obra escrita alrededor de 1920 (véase nota histórica 37.2). Alrededor de 40 años después, se instaló el prim er robot industrial en una operación de fábri ca. En esta sección, consideram os diversos aspectos de la tecnología y las aplicaciones de robots, incluyendo cómo se programan los robots industriales para realizar sus tareas.
FIGURA 37.7 El manipulador de un robot industrial moderno (fotografía cortesía de Adept Technology, Inc.).
37.2.1 Anatomía de un robot Un robot industrial consta de un m anipulador m ecánico y un controlador para m overlo y realizar otras funciones relacionadas. El m anipulador m ecánico posee uniones que colocan y orientan el extrem o del m anipulador respecto a su base. La unidad controladora está form ada por el hard ware y el softw are electrónicos para o p erar las uniones en form a coordinada, cuyo propósito es
Nota histórica 37.2 Robótica industrial [6|
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a robótica industrial tie n e s u s raíces en la ciencia ficción. El té rm in o ro b o t fue utilizado por prim era vez en u na o b ra escrita a principios d e la d éc ad a d e los vein te p o r el checoslovaco K. Capek. La p alab ra ch eca (robota) significa tra b a ja d o r oblig ad o , c u a n d o se trad u jo al inglés, la p alab ra s e red u jo a "robot". La o b ra s e llam ó R.U.R. (Rossum's Universal Robots. Los ro b o ts u niversales d e R ossum ), en la cual un científico llam ad o R ossum crea una forma d e vida q u e s e sa le d e control y a ta c a a los h u m a n o s — la tecn o lo g ía vuelta loca. En 1954, el in v e n to r G eorge Devol d e s a rro lló u n a m á q u in a q u e llam ó "tran sferen cia program ada d e artícu lo s" (programmed article transfer). Devol s e u n ió co n el em p re sa rio loseph E n g e lb erg er p ara c o m ercia liz ar el in v e n to b ajo el n o m b re d e "U nim ate". La co m p añ ía U nim ation, Inc. se fu n d ó e n 1962 y p ro n to s e co n v irtió e n el líder d e la rob ó tica industrial. El p rim er U n im a te s e in s ta ló e n u n a o p erac ió n d e fun d ició n en d a d o s, a lre d e d o r
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Sección 37.2 / Robótica industrial
Capítulo 37 / Automatización programable
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A rticulaciones y u n io n e s p a ra m a n ip u la c ió n Una articulación en un robot es sim ilar a la del cuerpo humano. Proporciona un m ovim iento relativo entre dos panes del cuerpo. A cada articulación se conecta una unión de entrada y una de salida. Cada articulación mueve su unión de entrada en relación con su unión de salida. El robot m anipulador consiste en una serie de com bina ciones unión-articulación-unión. La unión de salida de una articulación es la unión de entrada para la siguiente. Los robots industriales com unes tienen 5 o 6 articulaciones, y el m ovimiento coordi nado le proporciona al robot la capacidad de mover, colocar y orientar objetos y herramientas para desarrollar un trabajo útil. Las articulaciones de un m anipulador se clasifican como lineales o rota torias. indicando el m ovim iento de la unión de salida en relación con la unión de entrada. D iseño de un m a n ip u la d o r El m anipulador se construye usando articulaciones de los dos tipos básicos, cada articulación separada de la anterior mediante una unión. La mayoría de los ro bots industriales se m onta en el piso. Podemos identificar la base de la unión como 0; ésta es la unión de entrada a la articulación 1, cuya salida es la unión 1. que a su vez es la entrada de la articu lación 2, cuya unión de salida es la 2, y así sucesivam ente, para la cantidad de articulaciones en el manipulador. Los manipuladores de robot por lo general se dividen en dos secciones: 1) ensamble de brazo y cuerpo y 2) ensamble de m uñeca. N orm alm ente se asocian tres articulaciones con el ensam ble de brazo y cuerpo, y dos con el de muñeca. El de brazo y cuerpo tiene una función diferente del de muñeca. La función del prim ero es colocar un objeto u herramienta y la del segundo es orientar adecuadamente el objeto u herram ienta. La colocación se refiere a m over la parte u objeto de una posición a otra. La orientación se relaciona con la alineación precisa del objeto de acuerdo con algu na posición estacionaria en el área de trabajo. Para realizar estas funciones, los diseños de brazo y cuerpo son diferentes de los de m uñe ca. La colocación requiere m ovim ientos espaciales grandes, en tanto que la orientación requiere movimientos de giro y rotación para alinear la parte o herramienta relacionados con una posición física en el lugar de trabajo. Un ensam ble de brazo y cuerpo posee uniones y articulaciones grandes, mientras que el de m uñeca consta de uniones cortas. Con frecuencia las articulaciones de brazo y cuerpo consisten en los tipos lineal y rotatorio, dado que las uniones de m uñeca casi siem pre son de este tipo. En los robots com erciales hay cinco configuraciones básicas de brazo y cuerpo. Estos tipos se identifican en la figura 37.8. El diseño m ostrado en la parte (e) de la figura 37.7 se denom ina un robot SCARA (en inglés selectively com pilant assem bly robot arm). Es sim ilar a una articulación de brazo humano, excepto que las articulaciones del hombro y el codo tienen ejes verticales de rotación, por lo que proporcionan rigidez en la dirección vertical, pero docilidad relativa en la direc ción horizontal. La muñeca se ensam bla en la últim a unión en cualquiera de estas tres configuraciones de brazo y cuerpo. En ocasiones, el SCA RA es una excepción, porque casi siem pre se usa para tareas sencillas de manejo y ensam ble que im plican m ovim ientos verticales. Por tanto, por lo general no se presenta una muñeca en el extrem o de su m anipulador. El sustituto de la m uñeca en el SC A R A es una pinza para asir com ponentes, cuyo propósito es moverlos y ensamblarlos. . • . • ■•
FIGURA 37.8 Cinco anatomías comunes de robots industriales comerciales: (a) polar, (b) cilindrico, (c) de coordenadas cartesianas, (d) de brazo articulado y (e) SCARA (selectively compilant assembly robot arm). ,
V olumen d e tra b a jo y p re c isió n d e m o v im ie n to Una consideración técnica im portante para un robot industrial es su volum en de trabajo. El volumen de trabajo se define como el área den tro de la cual un m anipulador robot puede colocar y orientar el extremo de su muñeca. La cantidad de articulaciones determ ina el área anterior, así com o sus tipos y rangos, y los tam años de las uniones. El volumen de trabajo es im portante porque representa una función esencial que determ i na cuáles aplicaciones puede ejecutar un robot. Las definiciones de resolución de control, exactitud y capacidad de repetición desarrolladas en la sección 37.1.3 para los sistem as de posicionam iento por NC se aplican en los robots industriales. Un robot manipulador es, después de todo, un sistema de posicionamiento. En general, las uniones y
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las articulaciones de los robots no son tan rígidas como sus contrapartes de las máquinas herramienta y, por tanto, su exactitud y capacidad de repetición de sus movimientos no son tan buenos. A c tu ad o res e je c u to re s U n robot industrial es una m áquina de propósito general. Para que un robot sea útil en una aplicación particular debe equiparse y habilitarse con herram ientas d i señadas especialm ente para una aplicación. Un actuador fin a l es la habilitación especial de herra m ientas que se conecta al extremo de la m uñeca del robot para realizar la tarea específica. Existen dos tipos generales de actuadores finales: herramientas y sujetadores (grippers). La herram ienta se utiliza cuando el robot debe realizar una operación de procesam iento. Las herram ientas especiales incluyen pistolas para soldadura de puntos, herram ientas para soldadura con arco, boquillas para pintar por aspersión, ejes rotatorios, sopletes para calentam iento y herram ientas de ensam ble (por ejem plo, un destornillador autom ático). El robot se program a para m anipular la herram ienta que se necesita para la parte de trabajo que se procesa. Los sujetadores {grippers) están diseñados para asir y m over los objetos durante el ciclo de trabajo. En general, los objetos son partes de trabajo y el actuador final debe diseñarse específica mente para la parte. Los sujetadores se usan para aplicaciones de colocación de partes, carga y descarga de m áquinas y para colocar piezas sobre pallets (pallets). L a figura 37.9 m uestra una con figuración com ún de sujetador. v .
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Sección 37.2 / Robótica industrial
Capítulo 37 / Automatización programable
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A rticulaciones y u n io n e s p a ra m a n ip u la c ió n Una articulación en un robot es sim ilar a la del cuerpo humano. Proporciona un m ovim iento relativo entre dos partes del cuerpo. A cada articulación se conecta una unión de entrada y una de salida. Cada articulación mueve su unión de entrada en relación con su unión de salida. El robot m anipulador consiste en una serie de com bina ciones unión-articulación-unión. La unión de salida de una articulación es la unión de entrada para la siguiente. Los robots industriales comunes tienen 5 o 6 articulaciones, y el m ovimiento coordi nado le proporciona al robot la capacidad de mover, colocar y orientar objetos y herramientas para desarrollar un trabajo útil. Las articulaciones de un m anipulador se clasifican como lineales o rota torias, indicando el m ovim iento de la unión de salida en relación con la unión de entrada. Diseño de un manipulador El m anipulador se construye usando articulaciones de los dos tipos básicos, cada articulación separada de la anterior mediante una unión. La mayoría de los ro bots industriales se m onta en el piso. Podem os identificar la base de la unión como 0; ésta es la unión de entrada a la articulación 1, cuya salida es la unión 1, que a su vez es la entrada de la articu lación 2, cuya unión de salida es la 2, y así sucesivam ente, para la cantidad de articulaciones en el manipulador. Los manipuladores de robot por lo general se dividen en dos secciones: 1) ensamble de brazo y cuerpo y 2) ensamble de muñeca. N orm alm ente se asocian tres articulaciones con el ensam ble de brazo y cuerpo, y dos con el de m uñeca. El de brazo y cuerpo tiene una función diferente del de muñeca. La función del prim ero es colocar un objeto u herram ienta y la del segundo es orientar adecuadamente el objeto u herram ienta. La colocación se refiere a mover la pane u objeto de una posición a otra. La orientación se relaciona con la alineación precisa del objeto de acuerdo con algu na posición estacionaria en el área de trabajo. Para realizar estas funciones, los diseños de brazo y cuerpo son diferentes de los de m uñe ca. La colocación requiere m ovim ientos espaciales grandes, en tanto que la orientación requiere movimientos de giro y rotación para alinear la parte o herramienta relacionados con una posición física en el lugar de trabajo. Un ensam ble de brazo y cuerpo posee uniones y articulaciones grandes, mientras que el de m uñeca consta de uniones cortas. Con frecuencia las articulaciones de brazo y cuerpo consisten en los tipos lineal y rotatorio, dado que las uniones de m uñeca casi siem pre son de este tipo. En los robots com erciales hay cinco configuraciones básicas de brazo y cuerpo. Estos tipos se identifican en la figura 37.8. El diseño m ostrado en la parte (e) de la figura 37.7 se denom ina un robot SCARA (en inglés selectively com pilant assem bly robot arm). Es sim ilar a una articulación de brazo humano, excepto que las articulaciones del hombro y el codo tienen ejes verticales de rotación, por lo que proporcionan rigidez en la dirección vertical, pero docilidad relativa en la direc ción horizontal. La muñeca se ensam bla en la últim a unión en cualquiera de estas tres configuraciones de brazo y cuerpo. En ocasiones, el SCARA es una excepción, porque casi siem pre se usa para tareas sencillas de manejo y ensam ble que implican m ovim ientos verticales. Por tanto, por lo general no se presenta una m uñeca en el extrem o de su m anipulador. El sustituto de la muñeca en el SCA RA es una pinza para asir com ponentes, cuyo propósito es moverlos y ensamblarlos. Volumen de trabajo y precisión de movimiento Una consideración técnica im portante para un robot industrial es su volum en de trabajo. El volumen de trabajo se define como el área den tro de la cual un m anipulador robot puede colocar y orientar el extrem o de su muñeca. La cantidad de articulaciones determ ina el área anterior, así com o sus tipos y rangos, y los tamaños de las uniones. El volumen de trabajo es im portante porque representa una función esencial que determ i na cuáles aplicaciones puede ejecutar un robot. Las definiciones de resolución de control, exactitud y capacidad de repetición desarrolladas en la sección 37.1.3 para los sistem as de posicionamiento por NC se aplican en los robots industriales. Un robot manipulador es, después de todo, un sistem a de posicionamiento. En general, las uniones y
FIGURA 37.8 Cinco anatomías comunes de robots industriales comerciales: (a) polar, (b) cilindrico, (c) de coordenadas cartesianas, (d) de brazo articulado y (e) SCARA (s e l e c t i v e l y c o m p i l a n t a s s e m b l y r o b o t a r m ) . ,
las articulaciones de los robots no son tan rígidas como sus contrapartes de las máquinas herramienta y, por tanto, su exactitud y capacidad de repetición de sus movimientos no son tan buenos.
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Actuadores ejecutores U n robot industrial es una m áquina de propósito general. Para que un robot sea útil en una aplicación particular debe equiparse y habilitarse con herram ientas di señadas especialm ente para una aplicación. Un actuador fin a l es la habilitación especial de herra mientas que se conecta al extrem o de la m uñeca del robot para realizar la tarea específica. Existen dos tipos generales de actuadores finales: herramientas y sujetadores (grippers). L a herram ienta se utiliza cuando el robot debe realizar una operación de procesam iento. Las herram ientas especiales incluyen pistolas para soldadura de puntos, herram ientas para soldadura con arco, boquillas para pintar por aspersión, ejes rotatorios, sopletes para calentam iento y herram ientas de ensam ble (por ejem plo, un destornillador autom ático). El robot se program a para m anipular la herram ienta que se necesita para la parte de trabajo que se procesa. Los sujetadores (grippers) están diseñados para asir y m over los objetos durante el ciclo de trabajo. En general, los objetos son partes de trabajo y el actuador final debe diseñarse específica mente para la parte. Los sujetadores se usan para aplicaciones de colocación de partes, carga y descarga de m áquinas y para colocar piezas sobre pallets (pallets). L a figura 37.9 m uestra una configuración com ún de sujetador.
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Capítulo 37 / Automatización programable
Almohadillas con la forma de las piezas
Sección 37.2 / Robótica industrial
por NC. Además de las instrucciones de movim iento, el program a incluye instrucciones para otras funciones, com o interactuar con equipo externo, responder a los sensores y procesar datos. Se usan dos métodos básicos para enseñar sus programas a los robots modernos: 1) progra m ación de ejemplo a seguir (lead through), y 2) lenguajes de programación de computadoras. La pro gramación de ejemplo a seguir (lead programming trough) implica un método de enseñanza median te ejemplos, en la cual el programador mueve el manipulador a través de la secuencia de posiciones en el ciclo de trabajo. El controlador registra cada posición en la memoria para la reproducción sub secuente. Existen dos procedimientos para conducir al robot a través de la secuencia de movimientos: con energía y manual. En la enseñanza mediante ejemplo con energía (powered lead through) se usa una caja de control para conducir al manipulador. La caja de control, denominada un enchufe para enseñanza, tiene interruptores de conmutación o botones que se oprim en para controlar las articula ciones. U sando el enchufe para enseñanza, el programador mueve el manipulador a cada posición y graba en la memoria las posiciones de la articulación correspondientes. La enseñanza mediante ejem plo con energía es el método común para program ar los robots de reproducción con control punto a punto. La enseñanza mediante ejemplo m anual (m anual lead through)se usa comúnmente para robots de reproducción con control de trayectoria continua. En este método, el programador mueve física mente la muñeca del manipulador a través del ciclo de movimientos. Para pintura por aspersión y otros trabajos, el medio más conveniente es programar el robot. Los lenguajes de programación de computadoras para controlar robots han evolucionado a partir del uso de controladores de m icrocomputadoras. Unimation, Inc. introdujo el prim er lenguaje comercial. Los lenguajes de computadoras proporcionan una forma conveniente de integrar ciertas funciones que no implican movimiento en el ciclo de trabajo, tales com o los cálculos y el procesa m iento de datos, la lógica de decisiones, el entrelazado con otro equipo, la interfaz con sensores y las interrupciones. En la referencia [6] se presenta un análisis más completo de la programación de robots.
Pieza de trabajo
Dedos
Sujetador
Muñeca de robot
37.2.2
FIGURA 37.9 Un sujetador de robot: (a) abierto y (b) cerrado para asir una parte de trabajo.
Sistemas de control y programación de robots El controlador de un robot está form ado p o r el hardw are y el software electrónicos para controlar las articulaciones durante la ejecución de un ciclo de trabajo program ado. La m ayoría de las unidades de control de robots actuales se basan en un sistema de m icrocom putadora. Los sistem as de control en la robótica se clasifican del siguiente modo: 1) Control limitado de secuencia. Este sistema de control está diseñado para ciclos de movimien to simples, tales com o tom ar y colocar. No requiere un microprocesador, y generalmente se lleva a cabo mediante interruptores de límite y detenciones mecánicas, junto con un secuenciador para coordinar el funcionamiento sincronizado de las articulaciones. Los robots que usan el control de secuencia limitado con frecuencia se hacen funcionar en forma neumática.
943
37.2.3
Aplicaciones de robots industriales
2) Reproducción con control punto a punto (PTP). Igual que en el control numérico, los sistemas de movimiento de robot se dividen: de punto a punto y trayectoria continua. El programa para un robot de reproducción punto a punto consiste en una serie de posiciones de puntos y la secuencia en la que éstos deben visitarse durante el ciclo de trabajo. Durante la programación, estos puntos se graban en la memoria y después se reproducen durante la ejecución del programa. En los movimientos punto a punto, no se controla la trayectoria recorrida para llegar a la posición final. 3) La producción con control de trayectoria continua. El control de trayectoria continua es si milar al de punto a punto, excepto que en la m em oria se alm acenan trayectorias de m ovim ien to en lugar de puntos individuales. En ciertos tipos de m ovim ientos de trayectoria continua regulares, tales com o una trayectoria en línea recta entre dos posiciones de puntos, la unidad controladora calcula la trayectoria que requiere el m anipulador para cada movimiento. Para movimientos continuos y regulares, com o los que se siguen cuando se pinta por aspersión, la trayectoria se define m ediante una serie de puntos estrechamente espaciados que se aproxim an a una trayectoria continua y regular. Los robots capaces de m ovim ientos de trayectoria con tinua también pueden ejecutar m ovim ientos de punto a punto. 4) Control de inteligencia. Los robots industriales m odernos exhiben características que a menudo los hace parecer inteligentes. Estas características incluyen la capacidad de respon der a sensores sofisticados tales como una m áquina de visión, tom ar decisiones cuando hay errores durante el ciclo de trabajo, hacer cálculos y com unicarse con los hum anos. La inteli gencia de los robots se instrum enta m ediante controladores con m icroprocesadores poderosos y técnicas de program ación avanzadas. Los robots ejecutan un program a de instrucciones almacenadas que definen la secuencia de movimientos y posiciones en el ciclo de trabajo, en form a muy parecida a un program a de partes
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Algunos trabajos industriales se prestan para las aplicaciones de robots. Las características más impor tantes que tienden a promover la sustitución de un trabajador humano por un robot, en ciertas condi ciones de trabajo, son las siguientes: 1) el ambiente de trabajo es peligroso para las personas, 2) el ciclo de trabajo es repetitivo, 3) el trabajo se realiza en una posición estacionaria, 4) el manejo de la parte o la herramienta sería difícil para los humanos, 5) es una operación de cambios múltiples, 6) hay largas líneas de producción y los relevos no son frecuentes y 7) la colocación y orientación de las partes se establecen al inicio del ciclo de trabajo, dado que la mayoría de los robots no puede ver. Las aplicaciones de los robots industriales que tienden a cum plir estas características se divi den en tres categorías básicas: 1) m anejo de materiales. 2) operaciones de procesam iento y 3) ensam ble e inspección. Las aplicaciones de m anejo de materiales implican el m ovim iento de m ateriales o partes de una posición y orientación a otra. Para realizar la tarea de recolocación, el robot está equipado con un sujetador (gripper). El sujetador debe diseñarse específicam ente para asir la parte particular en la aplicación. Las aplicaciones de manejo de materiales incluyen la transferencia de materiales (colocación de partes, m anejo de pallets y destrinqueteado) y carga y descarga de m áquinas (por ejem plo, máquinas herramienta, prensas y m oldes de plástico). Las operaciones de procesamiento requieren que el robot m anipule una herram ienta com o el actuador final. Entre las aplicaciones están la soldadura de puntos, la soldadura continua con arco eléctrico, el recubrim iento por aspersión y ciertas operaciones de corte y elim inación de rebabas en metal, en las cuales el robot manipula una herram ienta especial. En cada una de estas operaciones, se usa la herram ienta (por ejemplo, una pistola para soldadura de puntos o una boquilla para pintu ra por aspersión) com o el actuador final del robot. En la lámina 11 del capítulo 1 y en la figura 37.10 se ilustran dos aplicaciones de soldadura de puntos. La soldadura de puntos es una aplicación co mercial de los robots industriales en la industria automotriz.
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Capítulo 37 / Automatización programable
Sección 37.3 / Controladores lógicos programables
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Corriente
Transformador de corriente
Dispositivo de programación
FIGURA 37.11 Componentes principales de un controlador lógico programable.
FIGURA 37.10 Una parte de una línea de ensamble automotriz en la cual los robots ejecutan operaciones de soldadura de puntos (fotografía cortesía de Ford Motor Company).
Las aplicaciones de ensam ble e inspección no pueden clasificarse en forma definida en cualquiera de las dos categorías anteriores, porque en ocasiones implican el m anejo de partes y otras veces la manipulación de una herramienta. Las aplicaciones de ensam ble frecuentem ente requieren el apilamiento de una parte sobre la otra, lo cual es básicam ente una tarea de manejo de partes. En otras operaciones de ensam ble, se manipula una herram ienta, tal como un destornillador auto mático. Asimismo, las operaciones de inspección en ocasiones requieren que el robot coloque una parte de trabajo en relación con un dispositivo de inspección o que cargue una parte en una m áquina de inspección, mientras otras aplicaciones im plican la m anipulación de un sensor para realizar una inspección.
37.3
CONTROLADORES LO GICO S PROGRAMABLES M uchos sistemas autom atizados operan encendiendo y apagando m otores, interruptores y otros dis positivos para responder a ciertas condiciones y com o una función del tiempo. Estos dispositivos de control usan variables binarias. Pueden tener uno de los valores posibles, 1 o 0, que se interpre tan como encendido y apagado, el objeto está presente o no, nivel de voltaje alto o bajo y así suce sivamente. Entre los dispositivos binarios que se usan com únm ente en los sistem as de control indus trial están los interruptores de lím ite, los fotodetectores, los tem porizadores, los relevadores de con trol, los motores, los solenoides, las válvulas, los em bragues y las luces. A lgunos de estos disposi tivos envían una señal com o respuesta a un estím ulo físico, en tanto que otros responden a una señal eléctrica. Un dispositivo m oderno utilizado ampliam ente para sistem as de control que tienen disposi tivos binarios y de otro tipo es el controlador lógico program able. Un controlador lógico program able (en inglés program m able logic controller, PLC) es un dispositivo basado en microcom putado-
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ras que usa instrucciones alm acenadas en una mem oria program able para instrum entar en forma lógica, secuenciar, temporizar, contar y aplicar funciones de control aritmético m ediante módulos de entrada/salida digital o analógica para controlar diversas m áquinas y procesos. El PLC se introdujo alrededor de 1969 en respuesta a las especificaciones que propuso la G eneral M otors Corporation. Los fabricantes de controles vieron una oportunidad com ercial en los PLC y los controladores actuales representan una tecnología de controles industriales importante que todavía está en desarrollo. Los com ponentes principales de un PLC, que se m uestran en la figura 37.11, son: 1) m ódu los de entrada y salida, los cuales conectan al PLC con el equipo industrial que se controlará: 2) el procesador es la unidad de procesam iento central (en inglés central processing unit, CPU) que ejecuta las funciones de lógica y de secuencia para controlar el proceso, opera sobre las señales de entrada y determ ina las señales de salida correctas especificadas mediante el program a de control; 3) la m emoria del PLC, que está conectada al m icroprocesador y contiene las instrucciones de ló gica y de secuenciación; y 4) el transform ador de corriente, com únm ente se usa una corriente alter na de 115 volts para im pulsar el PLC. A dem ás, 5) se usa un dispositivo de program ación (por lo general desprendible) para introducir el program a al PLC. La m ayoría de los métodos de program ación para PLC que se usan actualm ente se basan en la lógica escalonada. Ésta es una técnica de diagramación que conocen muy bien las personas res ponsables de cablear y program ar controles eléctricos que poseen relevadores electromecánicos. La figura 37.12 m uestra una parte de un program a común de lógica escalonada que podría usarse en un controlador industrial. El diagram a consiste en escalones horizontales en los cuales se conectan los diferentes elementos y componentes lógicos. Los escalones están conectados a dos líneas verticales paralelas, que proporcionan corriente a los componentes. El diagram a de lógica escalonada se intro duce al dispositivo de programación usando un lenguaje de program ación simple que construye los elementos lógicos en cada peldaño. Conforme se introduce cada proposición, el dispositivo de pro gramación despliega el diagram a de lógica escalonada que se desarrolla. Se asocian las siguientes ventajas con los controladores lógicos program ables: 1) la pro gramación de un PLC es más fácil que cablear el panel de control del relevador, 2) un PLC puede reprogramarse, mientras que los cables en los controles de cables perm anentes convencionales de ben cam biarse (con frecuencia sólo se raspan, debido a que es difícil volver a instalar cables); 3) un PLC puede hacer interfaz con el sistem a de com putadoras de la planta con más facilidad que los controles convencionales; 4) los PLC requieren menos espacio que los controles de relevador y (5) los PLC ofrecen m ayor confiabilidad y un m antenim iento m ás fácil.
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Capitulo 37 / Automatización programable
Problemas
X1
37.12. 37.13. 37.14. 37.15.
¿Qué es un robot industrial ? ¿En qué se parece un robot industrial al control numérico? ¿Qué es un actuador fin a l ? En la programación de robots, ¿cuál es la diferencia entre la enseñanza mediante ejemplo con energía y la enseñanza mediante ejemplo manual? 37.16. ¿Qué es un controlador lógico program able1
.C1
O TM R
T1
CUESTIONARIO DE OPCIÓN MÚLTIPLE
10s i T1
< > -
Hay un total de 13 respuestas correctas en el siguiente cuestionario. La calificación porcentual de la prueba debe basarse en este total.
FIGURA 37.12 Un ejemplo de una parte de un diagrama de lógica escalonada.
37.1. ¿En cuál de las siguientes opciones se basa el sistema de coordenadas estándar para las máquinas he rramienta con control numérico? a) coordenadas cartesianas, b) coordenadas cilindricas o c) coorde nadas polares. 37.2. Identifique cuáles de las siguientes aplicaciones son operaciones punto a punto y no operaciones de trayectoria continua: a) soldadura con arco eléctrico, b) taladrado, c) perforación de orificios en chapas de metal, d) fresado, e) soldadura de puntos y f) torneado. 37.3. ¿Mediante cuál de los siguientes términos se mide la capacidad de un sistema de posicionamiento para retomar a una posición previamente definida? a) precisión, b) resolución de control o c) capacidad de repetición. 37.4. ¿Cuál de los siguientes es el comando GORGT en la habilitación de herramientas por automatización programada? (Puede ser más de uno.) a) comando de trayectoria continua, b) enunciado de geometría que implica un volumen de revolución en relación con un eje central, c) nombre del monstruo en una película de ciencia ficción japonesa de 1960. d) un comando punto a punto, o e) un comando de trayec toria en el cual la herramienta debe ir a la derecha (Go Right) en el movimiento siguiente. 37.5. ¿Cuál de las siguientes funciones realizan por lo general el brazo y el cuerpo de un manipulador de robot, en una aplicación? a) orientación o b) posicionamiento. 37.6. ¿Con cuál de las siguientes aplicaciones se asocia normalmente un robot SCARA? (Una respuesta.) a) soldadura con arco eléctrico, b) ensamble, c) inspección, d) carga y descarga de máquinas o e) soldadura por resistencia. 37.7. En la robótica, ¿cuáles de las siguientes son aplicaciones de pintura por aspersión? a) trayectoria con tinua o b) punto a punto. 37.8. ¿Cuáles de las siguientes son características de situaciones de trabajo que tienden a promover la susti tución de una persona con un robot? (Puede ser más de una respuesta, a) cambios de empleo frecuentes, b) ambiente de trabajo peligroso, c) ciclos de trabajo repetitivos, d) varios tumos de trabajo y e) la tarea requiere movilidad.
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS [ 1] Asfahl. C. R., Robots and M anufacturing Autom ation, John Wiley & Sons, Inc.. New York, 1992. [2] Bollinger, J. G., and Duffte, N. A., Com puter C ontrol o f M achines and Processes, Addison-Wesley Publish¡ng Co., Reading. Mass., 1988. [3] Chang, C.-H., and Melkanoff, M. A.. N C M achine Programming and Software D esign, Prentice Hall, Englewood Cliffs, N.J., 1989. [4] Engelberger, J. E, Robotics in Practice, AMACOM (División of American Management Association), New York, 1980. [5] Groover, M. P. Automation, Production System s, and
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PREGUNTAS DE REPASO 37.1. ¿Cómo se distingue la automatización programable de la automatización fija? 37.2. Actualmente, incluso el equipo de alta producción que se asocia normalmente con la automatización fija se controla mediante sistemas de computadoras programables. ¿Cuáles son algunas de las ventajas al utilizar estos controladores sobre este tipo de equipo? 37.3. ¿Cuál es la diferencia entre un ensamble punto a punto y uno de trayectoria continua en un sistema de control de movimientos? 37.4. ¿Cuál es la diferencia entre el posicionamiento absoluto y el posicionamiento en incrementos? 37.5. ¿Cuál es la diferencia entre un sistema de posicionamiento de ciclo abierto y uno de ciclo cerrado? 37.6. ¿Bajo cuáles circunstancias se prefiere un sistema de posicionamiento de ciclo cerrado a uno de ciclo abierto? 37.7. Explique las operaciones de un codificador óptico (óptica! encoder). 37.8. ¿Por qué debe ser el sistema electromecánico el factor limitante en la resolución de control y no el re gistro de almacenamiento del controlador? 37.9. ¿Qué es ingreso manual de datos en la programación de partes por NC? 37.10. Identifique algunas de las aplicaciones que no son para máquinas herramienta de control numérico. 37.11. ¿Cuáles son algunos de los beneficios que se citan por lo general para el NC en comparación con el uso de métodos manuales alternativos?
PROBLEMAS Sistemas de posicionamiento de ciclo abierto
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37.1. Un tomillo guía con un paso de 4 mm conduce una mesa de trabajo en un sistema de posicionamiento por NC. El tomillo guía es impulsado por un motor de engranes que tiene 250 ángulos de paso. La mesa de trabajo está programada para moverse una distancia de 100 mm desde su posición presente a una velocidad de viaje de 300 mm/min. Determine a) los pulsos que se requieren para mover la mesa a la distancia especificada y b) la velocidad de motor y la razón de pulsos requeridas para obtener la veloci dad de mesa deseada. 37.2. Un motor de engranes tiene 200 ángulos de paso. Su eje de salida está acoplado directamente a un tomillo guía con un paso = 0.250 pulg. El tomillo guía controla una mesa de trabajo. La mesa debe moverse una distancia de 5.00 pulg desde su posición presente a una velocidad de viaje de 20.0 pulg/min. Determine a) los pulsos que se requieren para mover la mesa a la distancia especificada y b) la velocidad de motor y la razón de pulsos requeridas para obtener la velocidad de mesa deseada.
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Problemas
Capítulo 37 / Automatización programable
37.3. Un motor de engranes con 240 ángulos de paso está acoplado a un tomillo guía a través de una reduc ción de engranes de 5:1 (5 rotaciones del motor por 1 del tomillo guía). El tomillo guía tiene 6 roscas/pulg. La mesa de trabajo que conduce el tomillo guía debe moverse una distancia = 10.00 pulg a una velocidad de alimentación de 30.0 pulg/min. Determine a) la cantidad de pulsos requeridos para mover la mesa y b) la velocidad de motor y razón de pulsos requeridas para obtener la velocidad de mesa deseada. 37.4. En relación con el problema 37.1, las imprecisiones mecánicas en el sistema de posicionamiento de ciclo abierto se describen mediante una distribución normal cuya desviación estándar = 0.005 mm. El rango del eje de la mesa de trabajo es 500 mm y hay 12 bits en el registro binario que usa el controlador digital para almacenar la posición programada. Para el sistema de posicionamiento, determine: a) la re solución de control, b) la exactitud y c) la capacidad de repetición, d) ¿Cuál es la cantidad mínima de bits que debe tener el registro binario para que el sistema de conducción mecánica se convierta en el componente limitante en la resolución del control? 37.5. La unidad de conducción para una mesa de posicionamiento se controla mediante un tomillo guía direc tamente acoplado al eje de salida de un motor de engranes. El paso del tomillo guía = 0.18 pulg. La mesa debe tener una velocidad lineal = 35 pulg/min y una exactitud de posicionamiento = 0.001 pulg. Los errores mecánicos en el motor, el tomillo guía y la conexión de la mesa se caracterizan por una dis tribución normal con una desviación estándar = 0.0002 pulg. Determine a) la cantidad mínima de ángu los de paso en el motor de engranes para obtener la exactitud, b) el ángulo de paso asociado y c) la fre cuencia del tren de pulsos requerida para conducir la mesa a la velocidad deseada. 37.6. La mesa de posicionamiento para una máquina de inserción de componentes usa un motor de engranes y un mecanismo de tomillo guía. Las especificaciones de diseño requieren una velocidad de mesa de 40 pulg/min y una precisión = 0.0008 pulg. El paso del tomillo guía = 0.2 pulg. y la proporción de engranes = 2 : 1 (2 giros del motor por 1 giro del tomillo guía). Los errores mecánicos en la conexión del motor, caja de engranes, tomillo guía y la mesa se caracterizan por una distribución normal con una desviación es tándar = 0.0001 pulg. Determine a) la cantidad mínima de ángulos de paso en el motor de engranes y b) la frecuencia del tren de pulso requerida para conducir la mesa a la velocidad máxima deseada. 37.7. La unidad de conducción de una mesa de posicionamiento para una máquina de inserción de compo nentes se basa en un motor de engranes y en un mecanismo de tomillo guía. Las especificaciones para la velocidad de la mesa serán 25 mm/seg para un rango de 600 mm, y para la precisión serán de 0.025 mm. El paso del tomillo guía = 4.5 mm y la proporción de engranes = 5:1 (5 giros del motor por 1 del tomillo guía). Los errores mecánicos en la conexión del motor, la caja de engranes, el tomillo guía y la mesa se caracterizan por una distribución normal con una desviación estándar = 0.005 mm. Determine a) la cantidad mínima de ángulos de paso en el motor de engranes y b) la frecuencia del tren de pulsos requerida para conducir la mesa a la velocidad máxima deseada. 37.8. Los dos ejes de una mesa de posicionamiento x-y son conducidos cada uno por un motor de engranes conectado a un tomillo guía con una reducción de engranes de 10:1. La cantidad de ángulos de paso de cada motor de engranes es 20. Cada tomillo guía tiene 1 paso = 0.1875 pulg y proporciona un rango de ejes = 12.0 pulg. Hay 16 bits en cada registro binario que usa el controlador para almacenar datos de posiciones para los dos ejes, a) ¿Cuál es la resolución de control de cada eje?, b) ¿cuáles son las velocidades de rotación y las frecuencias del tren de pulsos correspondiente que requiere cada motor de engranes, para conducir la mesa a 25 pulg/min en una línea recta desde el punto (1,1) al punto (4,6)? Ignore la aceleración.
37.11. 37.12.
37.13. 37.14.
37.15.
37.16.
37.17.
Sistemas de posicionamiento de ciclo cerrado 37.9 La mesa de trabajo de una máquina herramienta con control numérico se conduce mediante un sistema de posicionamiento de ciclo cerrado que consiste en un servomotor, un tomillo guía y un codificador óptico. El tomillo guía tiene 6 roscas/pulg y está acoplado directamente al eje de motor (proporción de engranes = 1 :1). el codificador óptico genera 225 pulsos por revolución de motor. La mesa ha sido pro gramada para moverse una distancia de 7.5 pulg, a una velocidad de alimentación = 20.0 pulg/min. a) ¿Cuántos pulsos recibe el sistema de control para verificar que la mesa se ha movido la distancia pro gramada?, b) ¿cuál es la velocidad de pulsos y c) la velocidad de motor que corresponden a la veloci dad de alimentación especificada? 37.10. Una mesa de máquina herramienta por NC es impulsada por un servomotor, un tomillo guía y un codifi cador óptico. El tomillo guía tiene un paso = 5.0 mm y está conectado al eje del motor con una proporción
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de engranes de 16 : 1 (16 giros del motor por uno del tomillo guía). El codificador óptico está conectado directamente al tomillo guía y genera 200 pulsos/rev del tomillo guía. La mesa debe moverse una distancia = 100 mm a una velocidad de alimentación = 500 mm/min. Determine a) la cuenta de pulsos que recibe el sistema de control para verificar que la mesa se ha movido exactamente 100 mm. b) la razón de pulsos y c) la velocidad de motor que corresponde a la velocidad de alimentación de 50 mm/min. Vuelva a elaborar el problema 37.10, excepto que el codificador óptico se acople directamente al eje del motor en lugar de al tomillo guía. Se usa un tomillo guía acoplado directamente a un servomotor de cd para conducir uno de los ejes de una mesa de una máquina para fresado por NC. El tomillo guía tiene 5 roscas/pulg. El codificador ópti co conectado al tomillo guía emite 100 pulsos/rev del tomillo guía. El motor gira a una velocidad má xima de 800 rev/min. Determine a) la resolución de control del sistema, expresada en la distancia de viaje lineal del eje de la mesa, b) la frecuencia del tren de pulsos que emite el codificador óptico cuan do el servomotor opera a máxima velocidad y c) la velocidad de viaje de la mesa a las rpm. máximas del motor. Solucione el problema 37.12, excepto que el servomotor está conectado al tomillo guía a través de una caja de engranes cuya proporción de reducción = 12 :1 (12 revoluciones del motor por 1 del tomillo guía). Un tomillo guía conectado a un servomotor de corriente directa es el sistema de conducción para la mesa de posicionamiento. El paso del tomillo guía = 4 mm. El codificador óptico conectado al tomillo guía emite 250 pulsos/rev del tomillo guía. El motor opera a una velocidad = 15 rev/seg. Determine a) la resolución de control del sistema, expresada en distancia de viaje lineal del eje de la mesa, b) la fre cuencia del tren de pulsos que emite el codificador óptico cuando el servomotor opera a 14 rev/seg, y c) la velocidad de viaje de la mesa a la velocidad de operación del motor. Se ejecuta una operación de fresado en un centro de maquinado por NC. La distancia de viaje total = 300 mm en una dirección paralela a uno de los ejes de la mesa de trabajo. La velocidad de corte = 1.25 m/seg y una carga de pastilla = 0.05 mm. El extremo de corte para fresado tiene cuatro dientes y su diámetro = 20.0 mm. El eje usa un servomotor de corriente directa cuyo eje de salida está acoplado a un tomillo guía con un paso = 6.0 mm. El dispositivo sensor de retroalimentación es un codificador ópti co que emite 250 pulsos por revolución. Determine a) la velocidad de alimentación y el tiempo para ter minar el corte y b) la velocidad de rotación del motor y la razón de pulsos del codificador a la veloci dad de alimentación indicada. Se realiza una operación de fresado de extremos a lo largo de una trayectoria en línea recta con una lon gitud de 13.0 pulg. El corte se realiza en dirección paralela al eje x, en un centro de maquinado con NC. La velocidad de corte = 100 pies/min y la carga de pastilla = 0.0025 pulg. El extremo cortador de fre sado tiene dos dientes y su diámetro = 0.625 pulg. El eje x usa un servomotor de cd conectado directa mente a un tomillo guía, cuyo paso = 0.250 pulg. El dispositivo sensor de retroalimentación es un co dificador óptico que emite 400 pulsos/rev. Determine a) la velocidad de alimentación y el tiempo para terminar el corte, y b) la velocidad de rotación del motor y la razón de pulsos del codificador a la veloci dad de alimentación indicada. Se usa un servomotor de cd para conducir el eje x de una mesa de máquina para fresado con control numérico. El motor está acoplado directamente al tomillo guía de la mesa, el cual tiene 4 roscas/pulg. Se usa un codificador óptico para proporcionar la medida de retroalimentación. Se conecta al tomillo guía usando una proporción de engranes 1:5 (1 giro del tomillo guía se convierte en 5 giros del disco codificador). El codificador óptico emite 125 pulsos por revolución. Para ejecutar cierta instrucción pro gramada, la mesa debe moverse desde el punto (3.5, 1.5) al punto (1.0, 7.2) en una trayectoria en línea recta a una velocidad de alimentación de 7.5 pulg/min. Determine a) la resolución de control de sistema para el eje x, b) la velocidad de rotación del motor y c) la frecuencia del tren de pulsos que emite el co dificador óptico cuando se obtiene la velocidad de alimentación deseada.
Robótica industrial
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37.18. El eje más grande de un robot de coordenadas cartesianas tiene un rango total de 30 pulg. Se conduce mediante un sistema de poleas capaz de una precisión mecánica = 0.010 pulg, y una capacidad de repeti ción = ± 0.006 pulg. Determine la cantidad mínima de bits requeridos en el registro binario para el eje en la memoria de control del robot. 37.19. El diseñado de un robot de configuración polar se considera parte de un manipulador que tiene una articulación de rotación conectada a su unión de salida. La unión de salida tiene 25 pulg de largo y la
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Capítulo 37 / Automatización programable
articulación de rotación tiene un rango de 75°. La exactitud de la combinación articulación-unión, expresada como una medida lineal en el extremo de la unión que se produce al rotar la aniculación, se especifica como 0.030 pulg. Las imprecisiones mecánicas de la articulación producen un error en la capacidad de repetición = ± 0.030° de rotación. Se supone que la unión es perfectamente rígida, por lo que no hay errores adicionales debido a deflexión, a) Demuestre que puede obtenerse la precisión especificada, dado el error de capacidad de repetición, b) Determine la cantidad mínima de bits requeri dos en el registro binario de la memoria de control del robot para obtener la precisión especificada. 37.20. Un motor de engranes funciona como la unidad conductora para una articulación lineal de un robot industrial. La articulación debe tener una precisión de 0.010 pulg. El motor está conectado a un tomi llo guía a través de una reducción de engranes 2 : 1 (2 giros del motor por 1 dei tomillo guía) El paso del tomillo guía es 0.1875 pulg. Los errores mecánicos en el sistema (debido a holguras del tomillo guía y al reductor de engranes) se representan mediante una distribución normal con una desviación están dar = ± 0.002 pulg. Especifique la cantidad de ángulos de paso que debe tener el motor para cumplir el requerimiento de precisión.
TECNOLOGÍA DE GRUPOS Y SISTEMAS FLEXIBLES DE MANUFACTURA
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C O N T E N ID O D EL C A P ÍT U L O 38.1 y >•*
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Tecnología de grupos 38.1.1 C lasificació n y co d ifica ció n de partes 3 8 .1 .2 M anufactura ce lu la r 3 8 .1 .3 Beneficios y problem as en la tecnología de grupos Sistem as flexibles de m anufactura 38.2.1 Flexib ilid ad y sistem as autom atizados de m anufactura 3 8 .2 .2 Integración de los com ponentes de un sistema flexib le de m anufactura 3 8 .2 .3 A p licacio n es de los sistemas flexib les de m anufactura
5? « a c s tírtó ^ a m ís k « t i J » « U li.
La tecnología de grupos es un enfoque para la producción de partes en cantidades medias. Las partes (y los productos) en este rango de cantidad por lo general se hacen en lotes, y la producción en lotes tiene las siguientes desventajas: 1) tiem po de detención para cam bios y 2) costos altos de realización de inventarios. La tecnología de grupos G T (en inglés group technology, G T ) m inim iza estas desventajas reconociendo que, aunque las partes son distin tas, poseen similitudes. La T G explota las sim ilitudes de las partes utilizando procesos y habilitación de herram ientas sim ilares para producirlas. L a T G se instrum enta mediante téc nicas manuales autom atizadas. C uando se usa autom atización, con frecuencia se aplica el
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La tecnología de grupos es un enfoque para m anufactura en el cual se identifican y agrupan partes sim ilares para aprovechar sus sim ilitudes en el diseño y la producción. El concepto inicial de la tecnología de grupos data de 1925 (véase nota histórica 38,1).
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Sección 38.1 / Tecnología de grupos
Capítulo 38 / Tecnología de grupos y sistemas flexibles de manufactura
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Nota histórica 38.1 Tecnología de grupos
E,
n 1925, R Flanders, en Estados Unidos, presentó un documento ante la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos en el cual describía una forma de organizar la manufactura en Iones and Lamson Machine Company, que en la actualidad se denominaría tecnología de grupos. En 1937, A Sokolovskiy (de la ex Unión Soviética) describió las características esenciales de la tecnología de grupos y propuso que las partes de configuración similar se produjeran mediante una secuencia de proceso estándar, lo cual permitía que se usaran técnicas de iínea de flujo para un trabajo que normalmente se realizaba mediante producción en lotes. En 1949. A. Korling (de Suecia) presentó un documento en París, Francia, acerca de la "producción en grupo", cuyos principios son una adaptación de las técnicas de línea de producción para manufactura en lotes En el documento, describía cómo el trabajo se descentralizaba en grupos independientes, cada uno de los cuales contenía las máquinas y la habilitación de herramientas para producir "una categoría especial de partes". En 1958, el investigador S. Mitrofanov, de la ex Unión Soviética, publicó un libro titulado Scientific Principies o f Group Technology. El libro se difundió ampliamente y se le considera responsable en más de 800 plantas en la ex Unión Soviética que usan tecnología de grupos desde 1965. Otro investigador. H. Opitz en Alemania, estudió las partes de trabajo manufacturadas por la industria de máquinas herramienta de Alemania y desarrolló el conocido sistema de clasificación y codificación para partes maquinadas que lleva su nombre (sección 38.1,1). En Estados Unidos, la primera aplicación de la tecnología de grupos fue en la Langston División de Harris-lntertype en New lersey, alrededor de 1969. Eran conocidos como un taller de maquinado tradicional, ordenado con una distribución tipo proceso que se reorganizó en líneas de "familias de partes", cada una de las cuales se especializaba en producir una configuración de parte determinada. Se identificaron familias y se tomaron fotografías aproximadamente al 15 % de las partes que se producían en la planta y se agruparon en familias. Cuando los cambios se llevaron a cabo mejoró la productividad en un 50% y los tiempos de producción se redujeron de semanas a días.
Las similitudes entre las partes permiten clasificarlas en familias. No es extraño que una fábri ca que produce 10 000 partes diferentes sea capaz de agrupar la mayoría de ellas en 20 o 30 familias de partes. En cada familia de partes, los pasos de procesamiento son similares. Cuando estas simili tudes se aprovechan en la producción, m ejora la eficiencia operativa. En general el mejoramiento se obtiene organizando las instalaciones de producción en celdas de manufactura. Cada celda se diseña para producir una familia de partes (o una cantidad limitada de familias de partes), con lo que sigue el principio de la especialización de las operaciones. La celda incluye equipo especial de producción y herramientas y soportes personalizados para optimizar la producción de las familias de partes. En efecto, cada celda se convierte en una fábrica dentro de la fábrica.
38.1.1
Clasificación y codificación de partes Una característica central de la tecnología de grupos es la familia de partes. U na fam ilia de partes es un grupo de partes que poseen sim ilitudes en la form a geométrica y el tamaño, o en los pasos de procesamiento que se usan en su manufactura. Siempre hay diferencias entre las partes en una faf milia, pero las sim ilitudes son lo bastante cercanas para poder agrupar las partes en la m ism a fam i lia. Las figuras 38.1 y 38.2 m uestran dos familias de partes distintas. Las de la figura 38.1 tienen el '-jfc mismo tamaño y form a; sin em bargo, sus requerim ientos de procesam iento son m uy distintos ‘ debido a las diferencias en el material de trabajo, las cantidades de producción y las tolerancias de diseño. La figura 38.2 m uestra varias partes con geometrías sustancialmente diferentes; sin em bar- | i go, sus requerimientos de m anufactura son m uy similares. 'g K
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(a)
(b)
FIGURA 38.1 Dos partes que tienen forma y tamaño idénticos pero manufactura muy distinta: (a) 1,000 000 unidades/año, tolerancia = ± 0.010 pulg, acero 1015 CR, chapa de níquel; y (b) 100 unidades/año, tolerancia = ± 0.001 pulg, acero inoxidable 18-8.
Hay varias formas para identificar familias de partes en la industria. Un método involucra la inspección visual de todas las partes hechas en la fábrica (o fotografías de las partes) y el uso del m ejor juicio para agruparlas en fam ilias apropiadas. Éste fue el método que usó Langston en nues tra nota histórica. O tro enfoque, denom inado análisis de flu jo de producción, usa la inform ación que contienen las hojas de ruta (sección 39.1.1) para clasificar las partes. En efecto, las partes con pasos de m anufacturas similares se agrupan en la misma familia. El método que probablem ente se use más, y tam bién sea el más costoso, es la clasificación y codificación de partes. La clasificación y codificación de partes implica la identificación de similitudes y diferencias entre las partes para relacionarlas mediante un esquema de codificación común. La mayoría de los sis temas de clasificación y codificación están entre los siguientes: 1) sistemas basados en atributos del diseño de partes, 2) sistemas basados en atributos de la manufactura de partes y 3) sistemas basados
FIGURA 38.2 Diez partes diferentes en tamaño y forma, pero muy similares en términos de manufactura. Todas las partes se maquinan con torneado a partir de materia prima cilindrica; algunas partes requieren taladrado y/o fresado.
954
Capítulo 38 / Tecnología de grupos y sistemas flexibles de manufactura
Sección 38.1 / Tecnología de grupos
TABLA 38.1 Atributos d e diseño y m anufactura que se incluyen com únm ente en un sistema de clasificación y codificación de partes. Atributos de diseño de partes Dimensiones principales Forma básica externa Forma básica interna Relación longitud/diámetro
Tipo de material Función de la parte Tolerancias Acabado superficial
Atributos de manufactura de partes Proceso principal Secuencia de operación Tamaño del lote Producción anual Máquinas herramienta Herramientas de corte
Dimensiones principales Forma básica externa Relación longitud/diámetro Tipo de material Tolerancias Acabado superficial
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tificación de costos, 6) facilita la program ación de partes con control numérico, perm itiendo que las partes nuevas usen el m ism o program a de las partes ya existentes en la misma familia, 7) permite la racionalización y mejoram iento en el diseño de herramientas y soportes y 8) hace posible la planeación de procesos asistidos por com putadora (en inglés com puter-aided process planning, CAPP) sección 39.1.3. Los planes de procesos estándar se correlacionan con núm eros de códigos de familias de partes, para que se reutilicen o editen los planes de procesos de partes nuevas de la m ism a familia.
38.1.2
Manufactura celular Para explotar por com pleto las sim ilitudes entre las panes de una familia, la producción debe orga nizarse usando celdas de m aquinado diseñadas para especializarse en fabricar panes paniculares. U n principio que se usa para diseñar una celda de m aquinado de tecnología de grupos es el con cepto de panes com puestas.
tanto en atributos de diseño como de manufactura. Los atributos comunes de diseño y manufactura que se usan en los sistemas de clasificación y codificación de partes se presentan en la tabla 38.1. Debido a que cada com pañía produce un conjunto único de partes y productos, un sistem a de clasificación y codificación que sea satisfactorio para una em presa no es necesariam ente apropiado para otra. Cada organización debe diseñar su propio esquem a de codificación. Para dar al lector una idea de lo que esto im plica, presentam os la estructura básica de uno de los sistem as de clasificación y codificación de fam ilias en la tabla 38.2. Este sistema fue desarrollado para partes m aquinadas por H. Optiz en Alem ania. El núm ero de código básico consta de 9 dígitos, los cuales contienen datos de diseño y de m anufactura. Se diferencian partes rotacionales y no rotacionales, al igual que diversas características de partes tales com o taladrados internos, roscas y dientes de engranes. Los sistemas de clasificación y codificación de partes se describen en forma más com pleta en varias de nuestras referencias [5, 7, 8, 12]. Entre los beneficios que se citan con frecuencia para un sistem a de clasificación y codifi cación bien diseñado están: 1) facilita la form ación de familias de partes, 2) permite una recu peración rápida de los dibujos del diseño de una parte, 3) reduce la duplicación del diseño debido a que se recuperan diseños de partes sim ilares o idénticos y se reutilizan en lugar de diseñarlos desde el principio, 4) prom ueve la estandarización del diseño, 5) mejora la estim ación y la cuan-
C o n c e p to d e p a rte c o m p u e sta Los miem bros de una familia de panes poseen diseño y características de m anufactura similares. Por lo general hay una correlación entre las características del diseño de partes y las operaciones de m anufactura que producen tales características. N or malm ente los orificios redondos se hacen m ediante taladrado, las formas cilindricas se hacen m e diante torneado, y así sucesivamente. La parte com puesta de una fam ilia determ inada (no confundirla con una parte hecha de m ate rial com puesto) es una parte hipotética que incluye todos los atributos de diseño y m anufactura de la familia. En general, una parte individual en la familia tendrá algunas de las características que distinguen a la fam ilia, pero no todas. U na celda de producción diseñada para una fam ilia de partes incluiría las m áquinas requeridas para hacer la parte compuesta. Tal celda sería capaz de producir cualquier socio de la familia con sólo om itir las operaciones que correspondieran a las característi cas que no posee la parte particular. La celda también se diseñaría para perm itir variaciones de tam año dentro de la familia, al igual que variaciones en las características. C om o ejem plo, considere la parte com puesta de la figura 38.3(a) representa una familia de partes rotacionales o giratorias con características definidas en la parte (b) de la figura. Con cada característica se asocia cierta operación de maquinado, tal com o se resum e en la tabla 38.3. También se diseñaría una celda de m aquinado para producir esta fam ilia de partes con la capacidad de realizar todas las operaciones en la últim a colum na de la tabla.
TABLA 38.2 de Opitz.
Estructura básica del sistema d e clasificación y codificación de partes
Dígito
Descripción
Clase de forma de una parte: rotacional contra no rotatoria (figura 25.38). Las partes rotacionales se clasifican mediante la relación longitud adiámetro. Las partes no rotacionales por longitud, ancho y espesor. 2 Características de forma externa; se distinguen diversos tipos. 3 M aquinado rotatorio. Este dígito se aplica a características de forma interna (por ejemplo, orificios y roscas) en partes rotatorias y características generales de forma rotacional para partes no rotacionales. 4 Superficies m aquinadas en plano (por ejemplo, planos y ranuras). 5 Orificios auxiliares, dientes de engranes y otras características. 6 Dimensiones; tam año general. Material de trabajo (por ejemplo, acero, hierro fundido o aluminio). 8 Forma original de la materia prima. 9_________ Requerimientos de exactitud.
FIGURA 38.3 Concepto de una parte compuesta: (a) la parte compuesta para una familia de partes rotacionales maquinadas y (b) las características individuales de la parte compuesta.
1
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AJT (a)
(b)
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Sección 38.2 / Sistemas flexibles de manufactura
Capítulo 38 / Tecnología de grupos y sistemas flexibles de manufactura
La celda de m áquina única tiene una m áquina que se opera en forma manual. La celda tam bién incluiría soportes y habilitación de herram ientas para perm itir las variaciones de característi cas y tamaños dentro de la familia de panes que produce la celda. La celda de m aquinado requeri da para la fam ilia de partes de la figura 38.3 probablem ente sería de este tipo. Las celdas de máquinas múltiples tienen dos o más máquinas que se operan en form a manual. Éstas se distinguen por el método de m anejo de partes de trabajo en la celda, manual o mecanizado. El manejo manual significaría que los trabajadores mueven las partes dentro de la celda, por lo ge neral los operadores de máquinas. El m anejo mecanizado hace referencia a la transferencia de partes de una máquina a la siguiente. Esto puede deberse al tamaño y al peso de las partes hechas en la celda o simplemente para aumentar la velocidad de producción. Nuestro diagrama m uestra el flujo de tra bajo como lineal; también son posibles otras distribuciones, tales como en forma de U o en ciclo. Las celdas flexibles de m anufactura y los sistem as flexibles de m anufactura consisten en máquinas autom atizadas con m anejo autom atizado. Dada la naturaleza especial de estos sistem as de producción y su importancia, dedicam os la sección 38.2 a su análisis.
TABLA 3 8 .3 C aracterísticas d e d ise ñ o d e la p a rte c o m p u e s ta d e la figura 3 8 .3 y las o p e ra c io n e s d e m a n u factu ra re q u e rid a s p a ra fo rm ar tales ca racterísticas.
Etiqueta 1 2 3 4 5 6 7
Operación de manufactura correspondiente
Característica de diseño Cilindro externo Cara del cilindro Paso cilindrico Superficie lisa Orificio axial Abocardado Roscas internas
Torneado Careado Torneado Esmerilado cilindrico externo Taladrado Orificio, abocardado Aterrajar
Diseños de celdas de maquinado Las celdas de maquinado se clasifican de acuerdo con la cantidad de máquinas y nivel de autom atización. Las posibilidades son (a) máquina única, (b) varias m áquinas con m anejo m anual, (c) varias m áquinas con m anejo m ecanizado, (d) celda flexi ble de manufactura y (e) sistem a flexible de m anufactura. Estas celdas de producción se muestran esquemáticam ente en la figura 38.4.
38.1.3
Beneficios y problemas en la tecnología de grupos La tecnología de grupos aporta beneficios sustanciales a las com pañías si éstas tienen la disciplina y perseverancia para instrumentarla. Los beneficios potenciales incluyen: 1) la tecnología de gru pos promueve la estandarización en la habilitación de herram ientas, la instalación de soportes y las disposiciones, 2) se reduce el m anejo de m aterial porque las partes se mueven dentro de una celda de maquinado y no dentro de toda la fábrica, 3) son posibles calendarios de producción más sen cillos; 4) se reduce el tiempo de producción; 5) se reduce el trabajo en proceso; 6) se sim plifica la planeación de los procesos; 7) por lo general m ejora la satisfacción de los trabajadores cuando la boran en una celda de tecnología de grupos y 8) se obtiene un trabajo de m ayor calidad usando este recurso. Existen varios problem as para llevar a cabo la tecnología de grupos. Un problem a obvio es el reordenamiento de las máquinas para producción en la planta en las celdas de m aquinado conve nientes. Se requiere tiempo para planear y realizar este reordenam iento y las m áquinas no están pro duciendo durante el cam bio. El m ayor problem a para iniciar un program a de tecnología de grupos es identificar las familias de partes. Si la planta hace 10 000 partes distintas, la revisión de todos los dibujos de partes y su agrupación en fam ilias es una tarea enorm e que consume una im portante can tidad de tiempo.
FIGURA 38.4 Tipos de celdas de maquinado para tecnología de grupos: (a) máquina única, (b) varias máquinas con manejo manual, (c) varias máquinas con manejo mecanizado, (d) celda flexible de manufactura, y (e) sistema flexible de manufactura. Man = operación manual; Aut = estación automatizada.
o o o
Trabajadores
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(a)
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(b)
U
n
H
Man.
Man.
Man.
OOl Aut.
Aut.
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'M á q u in a s '
38.2
SISTEMAS FLEXIBLES DE M ANUFACTURA
Trabajadores
(c)
(d) Máquinas
u n
un
Aut.
Aut.
Aut.
Entrada de partes
OOO
Aut.
Aut.
m =
->
o o o o
Salida de partes
J
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* %u H N EXT
(e)
i VT A ut
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Un sistem a flexible de m anufactura (en inglés flexible m anufacturing system, FM S), es una celda de maquinado con TG altamente autom atizada que consiste en un grupo de estaciones de proce sam iento (generalm ente máquinas herram ienta CNC, por control num érico com putarizado) interconectadas mediante un sistem a autom atizado de m anejo y alm acenam iento de m aterial, y contro ladas por m edio de un sistema integrado de com putadoras. Un FM S es capaz de procesar una amplia variedad de estilos de partes sim ultáneam ente bajo un program a de control num érico en diferentes estaciones de trabajo. El FMS se basa en los principios de la tecnología de grupos. Ningún sistem a de m anufactura puede ser com pletam ente flexible. N o es posible producir un rango infinito de productos. Hay límites en el grado de flexibilidad que puede incorporarse en un FM S. En consecuencia, un sistem a flexible de manufactura se diseña para producir partes (o productos) dentro de un rango de estilos, tamaños y procesos. En otras palabras, un FM S es capaz de producir una familia de partes única o un rango limitado de familias de partes. El concepto de un FM S se originó en los años sesenta, según se describe en la nota histórica 38.2. r
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Capítulo 38 / Tecnología de grupos y sistemas flexibles de manufactura Sección 38.2 / Sistemas flexibles de manufactura
Nota histórica 38.2 M esa de trabajo _ para m aquinado 7
Sistemas flexibles de manufactura 110. 111
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Robot Máquina herramienta
E
1 sistem a flexible d e m a n u fa c tu ra s e co n c ep tu alizó p rim ero p a ra el m a q u in a d o y requirió el d e sa rro llo previo d el co n tro l n u m érico. El créd ito p ara el c o n c e p to lo recibe David W illiam son. un in g e n iero in g lés q u e tra b a jó e n M olins a m e d ia d o s d e la d é c a d a d e los sesen ta . M olins p a te n tó el in v e n to (en 1965). El c o n c e p to se d e n o m in ó sis te m a 24, d eb id o a q u e p la n te a b a q u e el g ru p o d e m á q u in a s h erram ien ta q u e c o m p ren d ía el sis te m a p o d ía o p erar 24 h o ras/d ía, 16 d e las c u a le s el fu n c io n a m ie n to n o sería su p erv isad o p o r tra b ajad o re s El c o n c e p to o rig in al incluía el co n tro l c o m p u te riz a d o d e las m á q u in a s d e control num érico, la p ro d u c c ió n d e d iv e rsa s p a rte s y d e p ó s ito s c a p a c e s d e c o n te n e r diversas h e rra m ie n ta s p a ra d ife re n te s o p e ra c io n e s d e m a q u in a d o Uno d e los prim eros, si n o es q u e el p rim e r s is te m a flexible d e m a n u factu ra e n E s ta d o s U nidos, fue el s is te m a d e m a q u in a d o e n Ingersoll R and C o m p an y (ah o ra Ingersoll-D resser) en Roanoke, Virginia, en 1967, p re p a ra d o p o r S u n d stra n d . Para 1985, la c a n tid a d d e siste m a s flexibles d e m a n u fa c tu ra e n to d o el m u n d o h ab ía a u m e n ta d o a 300.
Carrusel de partes FIGURA 38.5. Una celda automatizada de manufactura con dos máquinas herramienta y un robot, ¿es una celda flexible?
A proxim adam ente del 20 al 25 % d e e llo s e s ta b a n e n E sta d o s U nidos. C onform e crece la im portancia d e la flexibilidad e n la m an u factu ra , s e es p e ra q u e a u m e n te la c a n tid a d d e sis te m a s flexibles d e m a n u factu ra . En é p o c a s recien te s, s e h a p u e s to é n fa sis e n c e ld a s d e m an u factu ra flexible m e n o s c o s to s a s
38.2.1
el sistem a y 4) aceptar la introducción de nuevos diseños de panes. Estas capacidades hacen posi ble el uso de una com putadora central que controla y coordina los com ponentes del sistema. Los criterios más im portantes son el 1) y el 2); los criterios 3) y 4) son más suaves y pueden instru mentarse en distintos niveles de sofisticación. Si el sistem a autom atizado no cum ple estos cuatro criterios, no debe clasificarse com o un sis tema o celda flexible de manufactura. De regreso a nuestra ilustración, la celda de trabajo robótico cum pliría el criterio si: 1) m aquinara diferentes configuraciones de panes com binadas y no por lotes; 2) perm itiera cam bios en el program a de producción y en la mezcla de partes; 3) continuara operando incluso si se descom pusiera una máquina; por ejemplo, mientras se repara la m áquina descom puesta, su trabajo se reasigna tem poralm ente a otra máquina; y 4) conform e se desarrollaran nuevos diseños de partes, éstos se escribieran fuera de línea programas de partes con control numérico y después se copiaran al sistem a para su ejecución. Esta cuana capacidad también requiere que la habilitación de herram ientas en las m áquinas CNC, al igual que el extrem o ejecutor del robot, sean convenientes para el nuevo diseño de partes.
Flexibilidad y sistemas automatizados de manufactura Los sistema flexibles de m anufactura varían en términos de la cantidad de máquinas herram ienta y el nivel de flexibilidad. C uando el sistem a sólo tiene algunas máquinas, se usa el térm ino celda flexible de manufactura (en inglés fle x ib le m anufacturing cell. FM C). Tanto las celdas com o los sis temas están muy autom atizados y se controlan p o r computadora. Las diferencias entre un FM S y un FM C no es siempre clara, pero en ocasiones se basa en la cantidad de máquinas (estaciones de trabajo) que incluye. El sistem a flexible de m anufactura consta de 4 m áquinas o más, en tanto que una celda flexible de m anufactura consta de 3 m áquinas o menos [7], Sin em bargo, esta distinción no está universalmente aceptada y la term inología que se aplica a esta tecnología todavía no se ha desarrollado por completo. A lgunos sistem as y celdas altam ente autom atizados no son flexibles y esto produce confusión en la term inología. Por ejem plo, una línea de transferencia (sección 36.3) es un sistema altamente autom atizado para m anufactura, pero está limitado a la producción masiva de un estilo de parte, por lo cual no es un sistem a flexible. Para desarrollar el concepto de flexibi lidad en un sistema de manufactura, considere una celda que posee dos máquinas herram ientas CNC, en las cuales un robot industrial carga y descarga desde un carrusel de panes, tal vez en un ordenamiento como el que se m uestra en la figura 38.5. La celda opera sin vigilancia durante lar gos periodos. En form a cíclica, un trabajador debe descargar partes term inadas del carrusel y susti tuirlas con partes de trabajo nuevas. É sta es en verdad una celda autom atizada de m anufactura, pero ¿es una celda flexible de m anufactura? Se podría decir que sí, que su flexibilidad consiste en las máquinas herramienta CNC que pueden program arse para m aquinar distintas configuraciones de partes como cualquier otra m áquina CNC. Sin em bargo, si la celda sólo opera en un modo por lotes, en el cual se produce el mismo estilo de parte en varias docenas (o varios cientos) de unidades, esto no puede calificarse com o m anufactura flexible. Para calificar a un sistem a d e m anufactura com o flexible debe cum plir varios criterios. Las pruebas de flexibilidad en un sistem a de producción autom atizada son la capacidad de: 1) procesar diferentes estilos de partes, pero no por el m odelo de lotes, 2) aceptar cam bios en el program a de producción, 3) responder en form a inm ediata cuando se presenten averías y errores del equipo en
38.2.2 Integración de los componentes de un sistema flexible de manufactura
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Un FMS está form ado por un hardw are y un software que debe integrarse en una unidad eficiente y confiable. También incluye personal hum ano. En esta sección exam inarem os estos com ponentes y cómo se integran. Componentes del hardware Un sistem a flexible de manufactura incluye estaciones de trabajo, un sistem a de m anejo de m aterial y una computadora de control central. Las estaciones de trabajo incluyen m áquinas CNC en un sistem a de tipo m aquinado, adem ás de estaciones de inspección, de limpieza de partes y otras, según sean necesarias. Para un sistem a flexible de ma quinado, por lo general se incluye un sistem a transportador automatizado bajo piso. El sistema de manejo de materiales es el medio para mover las partes entre las estaciones. Este sistema incluye una capacidad limitada para almacenar partes. Entre los sistemas de manejo para la manufactura automatizada están los transportadores de rodillos, los carros enganchados en el piso, los vehículos controlados en forma automática y los robots industriales. El tipo más apropiado depende del tamaño y la geometría de partes, al igual que de factores relacionados con la econom ía y la com patibilidad con otros componentes del FM S. Con frecuencia, las partes no rotacionales se mueven en un FMS sobre “pallets” fijos, por lo que los palléis están diseñados para el sistem a de manejo par ticular, y los soportes se diseñan para alojar las diversas geometrías de partes en la familia. Las partes rotacionales se manejan mediante robots si el peso no es un factor restrictivo.
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Capítulo 38 / Tecnología
de grupos y sistemas
Sección 38.2 / Sistemas flexibles de manufactura
flexibles de manufactura
El sistema de m anejo establece la distribución básica del FM S. Se distinguen cinco tipos de distribución: 1) en línea, 2) en ciclo, 3) en escalera, 4) a cam po abierto y 5) celda centrada en un robot. Los tipos 1), 3) y 4) se m uestran en la ñgura 38.6. Los tipos 2) y 5) se m uestran en las figu ras 38.4(e) y 38.5, respectivam ente. El diseño en línea usa un sistem a de transferencia lineal para mover las panes entre las estaciones de procesam iento y las estaciones de carga/descarga (en inglés loadedlunloaded, L/UL). El sistem a de transferencia en línea generalm ente tiene capacidad de movimiento en dos direcciones; de lo contrario, el FMS opera en forma m uy parecida a una línea de transferencia, y los diferentes estilos de partes hechos en el sistem a deben seguir la m ism a secuencia básica de procesam iento debido al flujo en una dirección. La distribución en ciclo con siste en un transportador o ciclo con estaciones de trabajo ubicadas en su periferia. Esta configu ración permite cualquier secuencia de procesam iento, debido a que es posible acceder a cualquier estación desde otra. Esto tam bién se aplica a la distribución en escalera, en la cual las estaciones de trabajo se ubican en los peldaños de la escalera. La distribución a cam po abierto es la configu ración de FMS más com pleja y consiste en varios ciclos enlazados. Por últim o, una celda centrada
FIGURA 38.6 Tres de los cinco tipos de distribución de FMS: (a) en línea, (b) en escalera y (c) a campo abierto. Claves: Aut. = estación automatizada; L/UL = estación de carga/descarga; Insp. = estación de inspección: ACV = vehículo conducido automáticamente; AGVS = sistema vehicular guiado automáticamente. Transportador
/-E ntrada/salida de partes
oool
u
n
n
n
Aut.
Aut.
Aut.
Aut.
r
u
i
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en un robot consiste en un robot cuyo volumen de trabajo incluye las posiciones de carga/descarga de las m áquinas en la celda. El FM S también incluye una com putadora central que hace interfaz con otros com ponentes del hardware. A dem ás de la com putadora central, las m áquinas individuales y otros com po nentes generalm ente tienen microcom putadoras com o sus unidades de control individual. La fun ción de la com putadora central es coordinar las actividades de los com ponentes para obtener una operación general fluida del sistema. Esta función se realiza por m edio del software de aplicación. Software para un sistema flexible de manufactura y funciones de control El software para un FMS consiste en módulos asociados con las diversas funciones que ejecuta el sistem a de manufactura. Por ejemplo, una función im plica cargar program as de partes de control numérico (NC) a las m áquinas herram ienta individuales, otra función se relaciona con el control del sistema de m anejo de material, otra se refiere a la adm inistración de las herram ientas, y así sucesivamente. La tabla 38.4 presenta una lista de las funciones incluidas en la operación de un FMS común. Con cada función se asocian uno o más módulos del software. En una instalación determ inada pueden usarse térm inos diferentes a los de nuestra tabla. Las funciones y los m ódulos son en su gran ma yoría para una aplicación específica. La estructura m odular del software de aplicación de un FMS para el control del sistem a se ilustra en la figura 38.7. Debe señalarse que un FMS posee la arquitectura característica de un sis tem a de control num érico distribuido (DNC, por sus siglas en inglés). Igual que en otros sistemas DNC, se usan com unicaciones en dos sentidos. Se envían datos y com andos desde la com putadora central a las m áquinas individuales y otros com ponentes del hardware, y se transm iten datos acer ca de la ejecución y el rendimiento desde los com ponentes hacia la com putadora central. Además, se cuenta con un enlace superior del FMS a la com putadora anfitriona de la corporación.
Aut. M áquinas
Mano de obra humana Un com ponente adicional en la operación de un sistema flexible de m anufactura es la mano de obra humana. Entre las actividades que realizan los trabajadores están: 1) cargar y descargar panes del sistema, 2) cam biar y preparar las herram ientas de corte, 3) dar m antenim iento y reparar el equipo, 4) la program ación de partes con control numérico, 5) la program ación y operación del sistem a de com putadoras y 6) la adm inistración general del sistema.
(a)
TABLA 38.4 Funciones com unes de com putadora instrum entadas m ediante m ódulos de software de aplicación en un sistema flexible de manufactura. Función
Descripción
Programación de partes por NC
Desarrollo de programas de NC para partes nuevas introducidas en el sistema. Esto incluye un paquete de lenguaje, tal como APT. Mezcla de productos, programación de maquinado y otras fun ciones de planeación. Los comandos del programa de partes deben copiarse a las esta ciones individuales usando DNC. Las estaciones de trabajo individuales requieren controles, por lo general CNC. Vigilar el estado de cada parte de trabajo en el sistema, el estado de los soportes de trinquete, los pedidos en los soportes de los trinquetes para carga/descarga. Las funciones incluyen control de inventario de herramientas, estado de las herramientas en relación con la duración esperada de ellas, el cambio y reformado de herramientas, y el transporte desde y hacia el esmerilado de herramientas. Programación y control del sistema de manejo. C ompilación de los reportes de adm inistración sobre el rendimiento (utilización, cuenta de piezas, velocidades de pro ducción, etc.); en ocasiones se incluye la simulación de un FMS.
Control de producción Copia de programas por NC Control de maquinado Control de partes de trabajo
Administración de herramientas
Control de transporte Administración del sistema
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Sección 38.2 / Sistemas flexibles de manufactura Capitulo 38 / Tecnología de grupos y sistemas flexibles de manufactura
Máquina única con CN Alta
Celda flexible de m anufactura / Mediana
Baja
Sistem a flexible de manufactura
M étodos m anuales
Bajo
Linea de transferencia
M ediano
Alto
Volumen, partes/año FIGURA 38.8 Características de aplicaciones de sistemas y celdas flexibles de manutactura en relación con otros tipos de sistemas de producción.
FIGURA 38.9
Un sistema flexible de manufactura de cinco estaciones (fotografía cortesía de
Cincinnati Milacron). FIGURA 38.7 Estructura del sistema de software de aplicación de un FMS. Claves: Aut. = estación automatizada; NC = control numérico.
38.2.3
Aplicaciones de los sistemas flexibles de manufactura Por lo común, los sistem as flexibles de m anufactura se usan para una producción de volumen m edio y variedad intermedia. Si la parte o producto se hace en grandes cantidades sin variaciones de esti lo, es más conveniente una línea de transferencia o un sistem a sim ilar de producción dedicada. Si las partes se hacen en volum en bajo y variedad alta, serían más convenientes el control num érico o incluso métodos manuales. Estas características de aplicaciones se resum en en la figura 38.8. Los sistemas flexibles de m aquinado son las aplicaciones más com unes en la tecnología de un FMS. Debido a las flexibilidad y capacidad im plícitas del control num érico por com putadora, es posible conectar varias m áquinas herram ientas CNC a una pequeña com putadora central y diseñar métodos automatizados para transferir las partes de trabajo entre las m áquinas. La figura 38.9 m ues tra un sistema flexible de m aquinado que consta de 5 centros de m aquinado CNC y un sistem a de transferencia en línea para recoger partes de una estación central para carga/descarga y m overlas a las estaciones de m aquinado correctas. Además de los sistem as de maquinado, se han desarrollado otros tipos de sistem as flexibles de manufactura, aunque el estado de la tecnología en estos procesos no ha perm itido su instru mentación de la m ism a form a que en el m aquinado. Los otros tipos de sistem as incluyen el ensam ble, la inspección, el procesam iento de láminas metálicas (perforado, corte con cizallas, doblado y formado) y el forjado. Gran parte de la experiencia en los sistemas flexibles de m anufactura se ha obtenido en el área de maquinado. Los beneficios que por lo general aportan los sistemas flexibles de m aquinado son: 1) m ayor utilización de m áquinas que un taller especializado convencional (oscila entre 40 y
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Cuestionario de opción múltiple
Capítulo 38 / Tecnología de grupos y sistemas flexibles de manufactura
50% para las operaciones convencionales de tipo por lotes, y alrededor del 75% para un FMS, debido a un mejor m anejo del trabajo, distribuciones fuera de línea y program ación mejorada); 2) menor trabajo en proceso debido a la producción continua, en lugar de la producción por lotes; 3) tiempos de manufactura más cortos; y 4) m ayor flexibilidad en el program a de producción.
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS [ 1] Black, J. T.. Factory with a Future, McGraw-Hill Book Co.. New York. 1990. [2] Black. J. T- “An Overview of Cellular Manufacturing Systems and Comparison to Conventional Systems,” Industrial Engineering, November 1983, pp. 36-84. [3] Chang, T.-C.. Wysk. R. A., and Wang, H.-P.. Computeraided Manufacturing, Prentice Hall, Englewood Cliffs, N.J.. 1991. [4] Choobineh. F.. and Suri. R.. Flexible Manufacturing Systems: Current Issues and Models, Industrial Engineering and Management Press, Institute of Industrial Engineers, Norcross. Ga., 1986. [5] Gallagher. C. C.. and Knight. W. A., Group Technol ogy, Butterworth & Co. (Publishers) Ltd., London, 1973. [6] Goddard, W. E.. Just-in-Time: Suniving by Breaking Tradition, Oliver Wight Limited Publications. Inc., Essex Junction, Vi., 1986.
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PREGUNTAS DE REPASO 38.1. 38.2. 38.3. 38.4. 38.5. 38.6. 38.7. 38.8.
Defina tecnología de grupos. ¿Qué es una familia de partes? Defina la manufactura celular ¿Qué significa el concepto de parte compuesta en la tecnología de grupos? Hay varios diseños posibles para celdas de maquinado en la tecnología de grupos, nombre algunos. ¿Qué es un sistema flexible de manufactura? ¿Qué hace flexible a un sistema automatizado de manufactura? Nombre una parte del software para un FMS (sistema de manufactura flexible) y las funciones de con trol.
38.9. Identifique algunas de las aplicaciones de la tecnología de un FMS. 38.10. ¿Cuáles son las ventajas de la tecnología de un FMS en comparación con las operaciones en lotes con vencionales?
CUESTIONARIO DE OPCIÓN M ÚLTIPLE Hay un total de 12 respuestas conectas en el siguiente cuestionario. La calificación porcentual de la prueba debe basarse en este total. 38.1. ¿De cuál de las siguientes fuentes usa datos el análisis de flujo de producción para identificar familias de panes? (Una respuesta.) a) lista de materiales b) dibujos de ingeniería, c) programa maestro, d) pro grama de producción o e) hojas de ruta. 38.2 En cuál de los siguientes tipos de atributos de partes se basa la mayoría de los sistemas de clasificación y codificación de partes? (Puede ser más de una respuesta.) a) tasa de producción anual, b) diseño, c) manufactura y d) peso.
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38.3. ¿Cuáles de los siguientes son atributos del diseño de partes y pueden incluirse en un sistema de clasifi cación y codificación de partes? (Puede ser más de uno.) a) producción anual, b) tamaño de lotes, c) relación de longitud = diámetro, d) proceso principal, e) dimensiones de las panes y f) tolerancias. 38.4. ¿Cuál es la línea divisoria entre una celda de manufactura y un sistema flexible de manufactura? a) dos máquinas, b) cuatro máquinas o c) seis máquinas. 38.5. Una máquina capaz de producir estilos de panes diferentes en un modo de operación por lotes califica como un sistema flexible de manufactura: a) cieno o b) falso. 38.6. ¿Cuál de los siguientes determina principalmente la distribución física de un sistema flexible de manu factura? a) sistema de computadoras, b) sistema de manejo de materiales, c) familia de panes, d) equipo de procesamiento o e) peso de las panes procesadas. 38.7. En general, ¿en cuál de los siguientes tipos de panes en un sistema flexible de maquinado se pueden manejar con mayor facilidad los robots industriales? (Una respuesta.) a) panes pesadas, b) panes metálicas, c) partes no rotatorias, d) panes plásticas o e) panes rotacionales. 38.8. ¿En cuál de las siguientes áreas se aplican generalmente los sistemas flexibles de manufactura? a) pro ducción de variedad alta, volumen bajo, b) variedad baja, c) volumen bajo, d) producción masiva, e) producción de volumen mediano y variedad mediana. 38.9. ¿Cuál de las tecnologías siguientes se alinea más estrechamente con los sistemas flexibles de maquina do? (Una respuesta.) a) láseres, b) visión de máquina, c) líneas de ensamble manual, d) control numéri co o e) líneas de transferencia.
Sección 39.1 / Planeación de procesos
3) D iseño para capacidad de m anufactura. En esta función, que cronológicam ente se encuen tra antes que las otras dos. los ingenieros en m anufactura funcionan com o consejeros de los diseñadores del producto acerca de la capacidad de manufactura. El objetivo es desarrollar diseños de productos que no sólo cumplan requerim ientos funcionales y de rendimiento, sino que también puedan producirse a costos razonables, con un mínimo de problem as técnicos en el tiem po más cono posible y con la m ayor calidad.
Parte XI
Funciones de apoyo en la manufactura
39
La ingeniería de manufactura debe ejecutarse en cualquier organización industrial relaciona da con la producción. El departam ento de ingeniería de m anufactura por lo general depende del ge rente de m anufactura en una compañía. En algunas organizaciones el departam ento se conoce con otros nombres, tal como ingeniería de procesos o ingeniería de producción. Con frecuencia se incluyen bajo la ingeniería de manufactura, el diseño de herram ientas, la fabricación de herram ien tas y diversos grupos de apoyo técnico. Las disciplinas que tradicionalm ente aportan profesionales para la ingeniería de manufactura son la ingeniería industrial y la ingeniería mecánica. Cada vez son más las universidades e institu tos técnicos que incluyen a la ingeniería de m anufactura com o una disciplina reconocida. Además, el equipo técnico que representa muchas otras disciplinas tam bién necesita realizar funciones de ingeniería de m anufactura: los ingenieros eléctricos, sobre todo en la industria de la electrónica, los expertos en materiales, los quím icos e ingenieros quím icos y muchos otros. También debe m en cionarse que un departamento de ingeniería de manufactura común puede incluir personal no titulado con años de experiencia en una fábrica, ya sea directamente en operaciones de manufactura o en posi ciones técnicas, tales como el diseño de herramientas. En ocasiones se usa el término “directo del taller” {up from the shop) para referirse a estas personas, que se valoran por su conocimiento práctico de los procesos y su comprensión racional de lo que sí y no funciona.
INGENIERÍA DE MANUFACTURA C O N T E N ID O D E L C A P ÍT U L O 39.1
39.2 39.3
39.4
Planeación de procesos 39.1.1 P lan eación tradicional de procesos 3 9 .1 .2 D ecisió n de hacer o com prar 39 .1 .3 P laneación de procesos asistida por com putadora Solución de problem as y m ejoram iento continuo D iseño para cap acid ad de m anufactura 39.3.1 D iseño para m anufactura y ensam ble 3 9 .3 .2 Ingeniería concurrente Elaboración rápida de prototipos
39J
PLANEACIÓN DE PROCESOS
La ingeniería de m anufactura es una función que lleva a cabo el personal técnico, y está rela cionada con la planeación de los procesos de manufactura para la producción económ ica de productos de alta calidad. Su función principal es preparar la transición del producto desde las especificaciones de diseño hasta la m anufactura de un producto físico. Su propósito ge neral es optim izar la m anufactura dentro de una em presa determinada. El ámbito de la inge niería de m anufactura incluye muchas actividades y responsabilidades que dependen del tipo de operaciones de producción que realiza la organización particular. Entre las actividades usuales están las siguientes: 1) Planeación de procesos. Como lo sugiere nuestra definición, ésta es la principal ac tividad de la ingeniería de manufactura. La planeación de procesos incluye: a) decidir qué procesos y m étodos deben usarse y la secuencia, b) determ inar los requerim ientos de habilitación de herram ientas, c) seleccionar el equipo y los sistem as de producción y d) estim ar los costos de producción para los procesos, la habilitación de herram ien tas y los equipos seleccionados. 2) Solución de problem as y m ejoram iento continuo. La ingeniería de m anufactura pro porciona personal de apoyo a los departam entos operativos (fabricación de partes y ensamble de productos) para solucionar problemas técnicos de producción. También debe desarrollar esfuerzos continuos para reducir los costos de producción, aum entar la productividad y m ejorar la calidad de los productos.
La planeación de procesos implica determ inar los procesos de manufactura más adecuados y el orden en el cual deben realizarse para producir una parte o producto determ inados, que se especi fican en la ingeniería de diseño. Si es un producto ensam blado, la planeación de procesos debe definir la secuencia apropiada de los pasos de ensamble. El plan de proceso debe desarrollarse den tro de las limitaciones impuestas por el equipo de procesam iento disponible y la capacidad pro ductiva de la fábrica. Las partes o subensam bles que no pueden hacerse en forma interna deben adquirirse con proveedores extem os. En algunos casos, los artículos que pueden producirse en forma interna se deben adquirir con vendedores extem os por razones económ icas o de otro tipo.
39.1.1
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Planeación tradicional de procesos Tradicionalm ente, la planeación de procesos la llevan a cabo ingenieros en manufactura que cono cen los procesos particulares que se usan en la fábrica y son capaces de leer dibujos de ingeniería. Con base en su conocim iento, capacidad y experiencia, desarrollan los pasos de procesamiento que se requieren en la secuencia más lógica para hacer cada parte. La tabla 39.1 presenta una lista de varios detalles y decisiones que por lo general se incluyen dentro del ámbito de la planeación de procesos. Con frecuencia, algunos de estos detalles se delegan a especialistas, tales com o diseña dores de herram ientas; pero la ingeniería de manufactura es responsable de ellos.
968
Capítulo 39 / Ingeniería de manufactura
TABLA 39.1
Sección 39.1 / Planeación de procesos
Detalles y decisiones requeridos en la planeación de procesos.
969
Materia prima inicial
Procesos y secuencias. El plan de procesos debe describir brevemente todos los pasos de procesamiento que se usan en la unidad de trabajo (por ejemplo, partes, ensambles), así como el orden en el cual se realizan. En general, la ingeniería de manufactura pretende desarrollar planes de procesos que utilicen el equipo existente en la planta. Cuando esto no es posible, debe adquirirse el com ponente en cuestión (sección 39.1.2) o debe instalarse equipo nuevo en la planta.
S e le c c ió n d e l e q u ip o .
El planificador de procesos debe decidir qué habi litación de herramienta necesita cada proceso. El diseño de estos artículos por lo general se delega al departamento de diseño de herramientas y la fabricación se realiza en el taller de herramientas.
H e r r a m ie n ta s , m a tr ic e s , m o ld e s , s o p o r te s y m e d i d o r e s .
Éstas las especifica el pla nificador de procesos, el ingeniero industrial, el gerente de taller o el operador de máquinas, con frecuen cia de acuerdo con las recomendaciones de un manual estándar.
H e r r a m i e n t a s d e c o r t e y c o n d i c i o n e s d e c o r t e p a r a la s o p e r a c i o n e s d e m a q u i n a d o .
Los métodos incluyen movimientos de la mano y el cuerpo, distribución del lugar de trabajo, he rramientas pequeñas, cabrias para levantar partes pesadas, etc. Deben especificarse métodos para opera ciones manuales (por ejemplo, ensamble) y las partes manuales de los ciclos de maquinado, como cargar y descargar una máquina para producción. La planeación de métodos ha sido tradicionalmente el ámbito de los ingenieros industriales. El énfasis actual en los equipos de trabajo autodirigidos y la vigorización de los trabajadores hicieron que gran parte de las responsabilidades del análisis de métodos de los ingenieros industriales pasaran a los trabajadores que deben realizar las tareas.
M é to d o s .
Estándares de trabajo. cada operación.
Se aplican técnicas de medición del trabajo para establecer estándares de tiempo para
Estimación de los costos de producción. nificador de procesos. Manejo de materiales. la fábrica.
Con frecuencia lo realizan estimadores de costos con ayuda del pla
Debe considerarse el problema de mover materiales y el trabajo en proceso dentro de
Distribución de la planta y diseño de instalaciones. Por lo general es responsabilidad del departamento de ingeniería de la planta que trabaja con la ingeniería de manufactura.
Planeación de procesos para partes Los procesos necesarios para m anufacturar una parte específica se determ inan en gran parte por el m aterial con que se fabrica la parte. El diseñador del producto selecciona el material con base en los requerimientos funcionales. Una vez selec cionado el material, la elección de los procesos posibles se delimita considerablem ente. En nuestro análisis de los materiales para ingeniería, proporcionam os guías para el procesam iento de cuatro grupos de materiales: metales (sección 7.5), cerám icos (sección 9.6), polímeros (sección 1.5) y materiales compuestos (sección 11.5). Una típica secuencia de procesam iento para fabricar una parte separada consiste en: 1) un proceso básico, 2) uno o más procesos secundarios, 3) operaciones para m ejorar las propiedades físicas y 4) operaciones de acabado. El orden se ilustra en la figura 39.1. Los procesos básicos y secundarios son de form ado (sección 1.3.1), los cuales alteran la geom etría de la parte de trabajo. Un proceso básico establece la geom etría inicial de la parte. Entre ellos están el colado de metales, el forjado y el laminado de chapas m etálicas. En la mayoría de los casos, la geom etría inicial debe refinarse mediante una serie de procesos secundarios. Estas operaciones transforman la forma bási ca en la geometría final. Hay una correlación entre los procesos secundarios que pueden usarse y el proceso básico que proporciona la form a inicial. Por ejemplo, cuando el proceso básico es el fun dido en arena o el foijado, generalm ente los procesos secundarios son operaciones de maquinado. Cuando una laminadora produce tiras o rollos de chapa de metal, los procesos secundarios son ope raciones de estampado, tales com o el suajado, el perforado y el doblado. La selección de ciertos procesos básicos reduce la necesidad de procesos secundarios. Por ejemplo, si el proceso básico es el moldeo por inyección de plásticos, por lo general no se requieren operaciones secundarias, dado que con el moldeo se obtienen características geom étricas detalladas de dim ensiones precisas. Después de las operaciones de form ado, por lo general se hacen operaciones para mejorar las propiedades físicas y/o dar acabado al producto (sección 1.3.1). Las operaciones para m ejorar
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* Producto term inado
FIGURA 39.1 Secuencia típica de procesos requeridos en la fabricación de partes.
las propiedades incluyen el tratamiento térmico en componentes metálicos y cristalería. En muchos casos, las partes no requieren estos pasos de mejoramiento de propiedades en su secuencia de proce samiento. Esto se indica por medio de la flecha alternativa en nuestra figura. Las operaciones de acabado son las últimas de la secuencia; por lo general proporcionan un recubrimiento en la superfi cie de la pane de trabajo (o ensambles). Entre estos procesos están la electrodeposición y la pintura. En algunos casos, después de los procesos de m ejoramiento de propiedades se aplican opera ciones secundarias adicionales antes de avanzar al acabado, com o lo sugiere el ciclo de retom o de la figura 39.1. Un ejem plo es una parte maquinada que se endurece mediante tratam iento térmico. Antes del tratam iento térmico, la pane se deja con un tamaño más grande de lo ideal para perm itir la distorsión. Tras el endurecimiento, se reducen al tamaño y tolerancia finales mediante acabado por esmerilado. Otro ejem plo, una vez más en la fabricación de partes metálicas, es cuando se usa el recocido para restablecer la ductilidad del metal después del trabajo en frío, para perm itir una defor mación posterior de la parte de trabajo. Por lo general, la tarea del planificador de procesos em pieza después de que el procedo bási co ha aportado la form a inicial de la parte. Las partes m aquinadas empiezan como materia prim a en barras, fundidos o forjados, y con frecuencia los procesos básicos para estas formas iniciales son externos a la planta de fabricación. El estam pado em pieza como rollos o tiras de chapas metálicas adquiridos de otra fábrica. Éstas son las materias primas que proporcionan proveedores extem os para los procesos secundarios y las operaciones posteriores que se realizarán en la fábrica. Los procesos más apropiados y el orden en el cual deben realizarse, son determ inados con base en la capacidad, experiencia y ju icio del planificador de procesos. Algunas de las pautas y consideraciones que usan los planificadores de procesos para tom ar estas decisiones de establecen en la tabla 39.2.
970
Capítulo 39 i Ingeniería de manufactura
TABLA 39.2 p la n eació n .
Sección 39.1 / Planeación de procesos
Pautas y c o n sid e ra c io n e s p a ra d e c id ir los p ro ceso s y su s e c u e n c ia en la
No. ae pane:
Nombra de la parte
031393
La secuencia de procesos debe satisfacer las dimensiones, tolerancias, acabados de superficies y otras especificaciones establecidas por el diseño de productos.
R e q u e r im ie n to s d e d is e ñ o .
Deben seleccionarse procesos que satisfagan los requerimientos de calidad en tér minos de tolerancias, integridad de las superficies, consistencia y capacidad de repetición, y otras medidas de calidad.
Revoluciones
Cuerpo de la válvula
Material:
2
Tamaño:
416 Inoxidable
El proceso debe ser capaz de cumplir el volumen y la velocidad requeri da de producción. ¿Se encuentra el producto en la categoría de producción baja, mediana o alta? El volu men y la velocidad de producción influyen de gran manera en los procesos y los sistemas de manufactura.
V o lu m e n y v e lo c id a d d e p r o d u c c ió n .
No.
2.0 diám. x 5.0 long.
Operación
10 Cara; áspera y torneado de acabado para
Página 1_ de 2_
Planificador:
R e q u e r i m i e n t o s d e c a lid a d .
971
Fecha:
MPG
3/13/XX
Herramien Tiempo tas caii- de pre Tiempo Depto. Máquina bradoras paración del ciclo L
325
L
325
D
114
1.0 h
8.22 m
0.5 h
3.10 m
F511
0.3 h
2.50 m
G857
1.473 ± 0.003 de diám. x 1.250 ±0.003 de longitud: chaflán a 0.313 ± 0.002: torneado de acabado para 1.875 ± 0.002 de diám.; formar tres surcos de 0.125 de anchura x 0.063 de profundidad.
Si el producto y sus com ponentes se van a hacer en forma interna, el planificador debe seleccionar, en lo posible, los procesos y el equipo disponible en la fábrica.
P ro c e so s d is p o n ib le s .
Es conveniente que la secuencia de procesos use en forma eficiente los materiales y reduzca el desperdicio. Cuando sea posible, deben elegirse procesos de t o r n a s l i m p i a s o c a s i l i m p i a s , (sec ción 1.3.1).
20 Invertido: cara a 4 750 ±0.005
o r e s tr ic c ió n d e p r e c e d e n c ia . Éstos son requerimientos de secuencia tecnológica que determi nan o limitan el orden en el cual se realizan los pasos del procesamiento. Ejemplos: debe taladrarse un ori ficio antes de que pueda roscarse; una parte de metal pulverizado debe prensarse antes de sinterizarse; una superficie debe limpiarse antes de pintarse.
30 Taladrar y mandrilar tres orificios radiales en 0.375 1 0.002 de diám.
U t i l i z a c i ó n d e l m a te r ia l.
longitud; torneado de acabado para 1.875 ±0.002 de diám.; taladrar orificio axial 1.000 +0.006, -0.002 de diám
L im ita c io n e s
Ciertas superficies de la parte deben formarse (generalmente mediante maquinado) casi al principio de la secuencia a fin de que funcionen como superficies de ubicación para otras dim en siones que se formarán posteriormente. Por ejemplo, si se va a taladrar un orificio a cierta distancia de la orilla de una parte determinada, primero debe maquinarse tal orilla.
40
Fresar ranura de 0.500 ± 0.004 de ancho x 0.375 ±0.003 de profundidad.
M
240
F332
0.3 h
1.75 m
50
Fresar plano de 0.750 ±0.004 de ancho x 0.375 ± 0.003 de profundidad.
M
240
F333
0.3 h
1.60 m
S u p e r f i c i e s d e r e fe r e n c ia .
Debe reducirse la cantidad de disposiciones separadas de máquinas. Cuando sea posible, las operaciones deben combinarse en la misma estación de trabajo. Esto ahorra tiempo y reduce el manejo de materiales, se aplica principalmente a operaciones secundarias, tales como el maquinado.
R e d u c i r la s d i s p o s i c i o n e s .
La secuencia de procesos debe planearse con la cantidad mínima de pasos de procesamiento. Deben evitarse las operaciones innecesarias y solicitarse cambios en el diseño para elimi nar características que no son absolutamente necesarias, y además suprimir los pasos de procesamiento aso ciados con ellas.
FIGURA 39.2
Hoja de ruta común para especificar el plan de procesos.
E lim in a r p a s o s in n e c e s a r io s .
Cuando sea posible, el proceso debe ser suficientemente flexible para alojar cambios en el di seño de ingeniería. Con frecuencia esto es un problema cuando deben diseñarse herramientas especiales para producir la parte; si se cambia el diseño de la parte, la herramienta especial puede quedar obsoleta.
F le x ib ilid a d .
Debe considerarse la seguridad de los trabajadores en la selección de un proceso. Esto tiene senti do en el aspecto económico y es una ley (acta de seguridad y salud ocupacional).
S e g u r id a d .
Costo m í n i m o . La secuencia de procesos debe ser el método de producción que satisfaga todos los requeri mientos anteriores y también obtenga el costo de producto más bajo posible.
La hoja d e ru ta El plan de procesos se prepara en un formato denom inado hoja de ruta, de la que aparece un ejem plo en la figura 39.2 (algunas compañías usan otros nombres para esta forma). La hoja de ruta es al planificador de procesos lo que el dibujo de ingeniería es al diseñador del producto. Es el docum ento oficial que especifica los detalles del plan de procesos. La hoja de ruta debe incluir todas las operaciones de m anufactura que se van a realizar en la pieza de trabajo, enlistadas en el orden conveniente en el que se van a realizar. Para cada operación, debe enlistarse lo siguiente: 1) una breve descripción de la operación, indicando el trabajo que se va a hacer, las superficies que se van a procesar ya indicadas en dibujo de la parte, y las dim ensiones (y las tole rancias, si no están especificadas en el dibujo de la pane) que se van a obtener, 2) el equipo en el cual se va a realizar el trabajo; y 3) cualquier habilitación especial de herramientas requeridas, tales como matrices, moldes, herram ientas de corte, plantillas o sujetadores y medidores. Adem ás, algu nas compañías incluyen estándares de tiem po de ciclos, tiempos de preparación y otros datos en la hoja de ruta.
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A dem ás de la hoja de ruta, en ocasiones se prepara una hoja de operaciones más detallada para cada una de las actividades enlistadas en la ruta. Ésta la conserva el departam ento particular donde se realiza la operación. Indica los detalles específicos de la operación, tales com o las veloci dades de corte, la alim entación y las herram ientas (si es de m aquinado) y otras instrucciones útiles para el operador de las máquinas. En ocasiones también se incluyen diagram as de la disposición. Además de su propósito principal, el cual es especificar la secuencia y direccionar los proce sos realizados en la parte de trabajo, la hoja de ruta contiene otra inform ación útil para la compañía: 1) proporciona estándares de tiem po para cada operación, 2) facilita la estimación de tiempos de producción. 3) proporciona estim ados de los costos de los productos, 4) proporciona datos para la program ación y el control de la producción, 5) indica cuándo debe realizarse una inspección y 6) indica las herram ientas que deben solicitarse. P la n e a ció n d e p ro c e so s p a ra en sa m b le s Para una producción baja, el ensam ble se hace generalm ente en estaciones de trabajo individuales y un operario o equipo de ellos realiza la tarea de ensam blar los elem entos de trabajo para com pletar el producto. En la producción m ediana y alta, por lo general el ensam ble se realiza en líneas de producción (sección 32.2). En cualquier caso, hay un orden de precedencia en el cual debe realizarse el trabajo. La planeación de procesos para el ensam ble implica la preparación de las hojas de ensam ble que deben seguirse. Para estaciones únicas, la documentación es sim ilar a la hoja de ruta de proce samiento de la figura 39.2. Contiene una lista de los pasos de ensam ble y el orden en que deben realizarse. Para la producción de líneas de ensamble, la planeación de procesos consiste en asignar elementos de trabajo a estaciones particulares a lo largo de la línea, un procedim iento denom inado equilibrio de líneas (sección 36.2.1). E n efecto, la línea de ensam ble dirige las unidades de trabajo a estaciones individuales y la solución de equilibrio de líneas determ ina qué pasos de ensam ble deben realizarse en cada estación. Igual que con la planeación de procesos para partes individuales, deben determ inarse las herram ientas y soportes necesarios para obtener un elem ento de trabajo de ensamble determ inado y diseñarse una disposición del lugar de trabajo.
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39.1.2
Capítulo 39 / Ingeniería de manufactura
Sección 39.1 / Planeación de procesos
Decisión de hacer o comprar
Por otra parte, si el equipo puede usarse para producir otros componentes para los cuales los precios internos son menores que las correspondientes cotizaciones extem as, la decisión de com p rar tiene sentido en el aspecto económ ico. ■
Inevitablemente, surge la cuestión de si debe adquirirse una parte con un proveedor externo o ha cerse en forma interna. Prim ero, debe reconocerse que virtualm ente todos los fabricantes adquieren sus materiales iniciales de proveedores. Un taller de m aquinado com pra materia prim a en barras a un distribuidor de metales y piezas fundidas. Un m oldeador de plásticos obtiene com puestos de moldeo de una com pañía quím ica. Una com pañía de trabajo en prensa adquiere láminas metálicas de una laminadora. M uy pocas com pañías tienen integradas verticalm ente todas sus operaciones de producción desde la m ateria prim a hasta el producto term inado.
Las decisiones de hacer o comprar rara vez son tan claras com o en este ejemplo. Algunos otros fac tores que participan en la decisión se enlistan en la tabla 39.3. Aunque estos factores parecen subje tivos, todos tienen implicaciones de costos, ya sea en forma directa o indirecta. En años recientes, las compañías importantes han puesto un enorme énfasis en desarrollar relaciones estrechas con los proveedores de partes. Esta tendencia ha prevalecido especialmente en la industria automotriz, en donde se han alcanzado acuerdos a largo plazo entre cada fabricante de autos y una cantidad limitada de vendedores capaces de entregar componentes de alta calidad de un modo confiable y oportuno.
Dado que una com pañía adquiere algunos de sus m ateriales iniciales, es razonable pregun tarse si la compañía debe adquirir las panes que podrían hacerse en su propia fábrica. La respues ta a la pregunta es la decisión de hacer o comprar. Es muy probable que sea conveniente form ular la pregunta: hacer contra com prar para cada com ponente que usa la compañía.
TABLA 39.3
El costo es el factor más im portante para decidir si una p an e debe hacerse o adquirirse. Si el vendedor es mucho más eficiente en los procesos requeridos para hacer el com ponente, es proba ble que el costo de producción interna sea m ayor que el precio de adquisición, incluso cuando se incluyan las ganancias del vendedor. Por otra pane, si adquirir la parte produce equipo inactivo en la fábrica, una aparente ventaja de costos para el vendedor puede ser una desventaja para la fábri ca. Considere el ejem plo siguiente.
EJEMPLO 39.1
Factores importantes en la decisión de hacer o com prar
Factor
Explicación y efecto sobre la d ecisión d e hacer/co m p rar
Procesos internos disponibles
Si determinado proceso no está disponible de manera interna, la decisión obvia es comprar. Con frecuencia los vendedores desarrollan eficiencia en un conjunto limitado de procesos que los vuelve competitivos en relación con los costos externos-internos. Hay excepciones para estas pautas, en las cuales una com pañía decide que, para su supervivencia a largo plazo, debe desar rollar eficiencia en una tecnología de procesos de manufactura que no posee actualmente.
Cantidad de producción
La cantidad requerida de unidades. Los volúmenes altos tienden a favorecer las decisiones de hacer. Las cantidades bajas tienden a favorecer las deci siones de comprar
C om paración de costos para h acer o com prar
Suponga que el precio cotizado para cierto com ponente por un vendedor es 8.00 dólares por unidad, para mil unidades. La m ism a parte hecha en la fábrica costaría 9.00 dólares. El desglose de costos en la alternativa de hacer es el siguiente:
Por unidad C osto de m aterial unitario
=
2.25 dólares
M ano de obra directa
=
2.00
Gastos indirectos de la m ano de obra al 150 %
=
3.0
C osto fijo del equipo
=
1.75
Total
=
39.1.3
9.00 dólares
Vida del producto
Una vida de producto larga favorece la producción interna.
Artículos estándar
Los anículos de catálogo estándar, tales como pernos, tornillos, tuercas y muchos otros tipos de componentes los producen económicamente provee dores que se especializan en ellos. Casi siempre es mejor adquirirlos.
Confiabilidad del proveedor
Se hacen negocios con el proveedor confiable.
Fuente alternativa
En algunos casos, las fábricas compran partes a vendedores com o una fuente alternativa para sus propias plantas de producción. Éste es un intento de ase gurar una provisión ininterrumpida de partes o para equilibrar la producción en periodos de dem anda fuerte.
Planeación de procesos asistida por computadora
¿Deben comprarse los com ponentes o hacerse en forma interna?
Solución: Aunque la cotización del vendedor parece favorecer la decisión de comprar, conside remos el efecto posible en la fábrica si decidim os aceptar la cotización. El costo fijo del equipo es un costo asignado, basado en una inversión que ya se ha hecho. Si el equipo se mantiene ocioso por la decisión de com prar la parte, podría argum entarse que el costo fijo de 1.75 dólares continúa incluso si no se usa el equipo. A sim ism o, el costo de gastos indirectos de 3.00 dólares que consiste en el espacio de piso de la fábrica, la mano de obra indirecta y otros costos tam bién continuará, incluso si se compra la parte. Siguiendo este razonam iento, la decisión de adquirir podría costarle a la com pañía 8.00 + 1.75 + 3.00 = 12.75 dólares p o r unidad si se produce un tiem po de inactividad en la fábrica con la máquina que se hubiera usado para hacer la parte.
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D urante las últim as dos décadas, ha surgido un considerable interés en la planeación de procesos asistida p o r com putadora (en inglés, com puter-aided process planning, CAPP), que es la autom a tización de la función de planeación de procesos mediante sistem as de computadoras. Las personas con conocim ientos especializados en los procesos de m anufactura gradualm ente desaparecen. Se necesita un enfoque alternativo para la planeación de procesos, y los sistemas CAPP proporcionan esta opción. Los sistem as de planeación de procesos asistidos por com putadora están diseñados con base en uno de los dos enfoques: 1) sistem as de recuperación o 2) sistem as generadores. Sistem as CAPP d e re c u p e ra c ió n Los sistemas CAPP de recuperación, también conocidos com o sistemas CAPP variables, se basan en la tecnología de grupos y en la clasificación y codifi cación de partes (sección 38.1). En estos sistemas, se almacena en archivos de com putadora un plan de procesos estándar para cada número de código de parte. Los planes estándar se basan en los direccionamientos de partes actuales que se usan en la fábrica o en un plan ideal preparado para cada fam i lia. Los sistemas CAPP de recuperación operan como se indica en la figura 39.3. El usuario empieza por identificar el código TG (tecnología de grupos) del componente para el cual se va a determinar el
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Capítulo 39 / Ingeniería de manufactura
Sección 39.2 / Solución de problemas y mejoramiento continuo
Derivar el número de código TG para una parte
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El diseño de un sistema C A PP generador es un problema en el campo de los sistem as exper tos, una rama de la inteligencia artificial. Los sistemas expertos son programas de com putadora capaces de solucionar problem as com plejos que normalmente requieren una persona con años de educación y experiencia. La planeación de procesos se adapta a tal definición. Se requieren varios ingredientes en un sistem a C A PP com pletam ente generador:
T Buscar el código TG en un archivo de familias de partes
1) Base de conocimientos. El conocim iento técnico de la m anufactura y la lógica que usan los planificadores de procesos exitosos deben capturarse y codificarse en un program a de com pu tadora. Un sistema experto aplicado a la planeación de procesos requiere el conocim iento y la lógica de las personas que planean los procesos para incorporarlas en una base de co nocimientos. Después, los sistem as CAPP generadores usan la base de conocim ientos para solucionar problem as de planeación de procesos, esto es. para crear hojas de ruta.
í Recuperar un plan de procesos estándar
2) D escripción de partes com patibles con computadoras. La planeación de procesos gene radora requiere una descripción de la parte compatible con una computadora. La descripción contiene todos los datos pertinentes necesarios para planear la secuencia de procesos. Dos descripciones posibles son: 1) el m odelo geométrico de la parte desarrollado en un sistema gráfico com putarizado durante el diseño del producto ó 2) un número de código de tecno logía de grupos de la parte que defina sus características en forma detallada.
Editar el plan existente o escribir un nuevo plan
3) Un m otor de inferencia. Un sistem a C A PP generador requiere la capacidad de aplicar la lógica de planeación y la identificación de los procesos que contiene la base de datos para una descripción de partes determ inada. El sistema CAPP aplica su base de datos para solucionar un problem a específico al planear el proceso para una parte nueva. Este procedim iento de solución de problem as se denom ina el m otor de inferencias en la tecnología de los sistemas expertos. Usando su base de datos y su m otor de inferencia, el sistema C A PP sintetiza un nuevo plan de procesos para cada parte nueva que se le presenta.
T
FIGURA 39.3 O peración de un sistema de planeación de procesos asistido por computadora del tipo de recuperación.
Beneficios de la planeación de procesos automatizada por computadora Entre los beneficios de este sistem a se incluyen los siguientes: 1) la racionalización y la estandarización del proceso, esto es, la planeación autom atizada produce planes de procesos más lógicos y consistentes que cuando se usa la planeación tradicional de procesos; 2) aum enta la productividad de los plani ficadores de procesos, es decir, el enfoque sistemático y la disponibilidad de planes de procesos estándar en los archivos de datos perm iten al usuario desarrollar una m ayor cantidad de planes de procesos; 3) se reduce el tiempo para preparar planes de procesos; 4) mejora la legibilidad en com paración con las hojas de ruta preparadas en forma m anual y 5) existe una interfase en los progra mas CAPP con otros program as de aplicaciones, tales com o la estimación de costos, de estándares de trabajo y demás.
plan de procesos. Se hace una búsqueda en el archivo de la familia de partes, para comprobar si existe una hoja de ruta estándar para el código de parte determinado. Si el archivo contiene un plan de pro cesos para la parte, se recupera y despliega para el usuario. El plan de procesos estándar se examina para determinar si se requieren modificaciones. Aunque la parte nueva tenga el mismo número de código, podrían requerirse diferencias menores en los procesos para hacer la parte. El plan estándar se edita de acuerdo con lo anterior. La capacidad de alterar un plan de procesos existentes es la razón por la cual los sistemas C A PP de recuperación también se denominan sistemas variables. Si el archivo no contiene un plan de procesos estándar para el núm ero de código determ ina do, el usuario puede buscar el archivo de un número de código sim ilar para el cual exista un direccionamiento estándar. Al editar el plan de procesos existente o al em pezar desde cero, el usuario desarrolla el plan de procesos para la parte nueva. Éste se convierte en el plan de procesos estándar para el número de código de la parte nueva.
39.2 SO LUCIÓN DE PROBLEMAS Y MEJORAMIENTO CO N TIN U O
El paso final es el form ateado de plan de procesos, el cual imprime la hoja de ruta en el for mato conveniente. El form ateador puede solicitar otros program as de aplicaciones: determ inar las condiciones de corte para las operaciones de m áquinas herram ienta, calcular los tiem pos estándar para operaciones de m aquinado o calcular estim ados de costos. Sistemas CAPP generadores Los sistemas C A PP generadores son una alternativa para los sistemas de recuperación. M ás que recuperar y editar planes existentes de una base de datos, un sis tema generador crea el plan de procesos usando procedim ientos sistem áticos que puede aplicar un planificador humano. En un sistema C A PP com pletam ente generador, la secuencia de procesos se planea sin asistencia hum ana y sin planes estándar predefinidos.
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En la m anufactura surgen problem as que requieren un apoyo más profundo del personal técnico que se encuentra norm alm ente en la organización de una línea en los departam entos de producción. Proporcionar este apoyo técnico es una de las responsabilidades de la ingeniería de manufactura. Por lo general, los problem as son específicos para las tecnologías particulares de los procesos que se realizan en el departam ento de ingeniería. En el maquinado, los problemas se relacionan con la selección de las herram ientas de corte, los soportes que no funcionan adecuadamente, las partes con condiciones que exceden la tolerancia o condiciones de corte que no son las óptimas. En el m ol deado de plásticos, el problem a puede ser exceso de rebabas, alta adhesividad de las partes en los moldes u otros defectos que ocurren en una parte m oldeada. Estos problemas son técmcos y con frecuencia se requiere experiencia en ingeniería para solucionarlos.
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Capítulo 39 / Ingeniería de manufactura
Sección 39.3 / Diseño para capacidad de manufactura
En algunos casos, la solución de un problem a técnico de m anufactura puede requerir un cam bio de diseño, por ejem plo, modificar la tolerancia de alguna dim ensión de la parte para elim inar una operación de acabado con esm erilado, ai m ism o tiempo que se obtiene funcionalidad en la parte. La ingeniería de manufactura es responsable de desarrollar la solución adecuada al problema y proponer el cam bio en la ingeniería al departam ento de diseño. Un área que está m adura para un m ejoram iento es la reducción de tiempos de preparación. Los procedimientos im plícitos al cam biar de una preparación de producción a la siguiente (esto es, en la producción por lotes) consum en tiem po y son costosos. Los ingenieros de m anufactura son responsables de analizar los procedim ientos de cam bios y encontrarles form as de reducir el tiempo para realizarlos. A lgunos de los enfoques que se usan en la reducción de la preparación se describen en la sección 40.4.
los de diseño e ingeniería de manufactura. El enfoque se denom ina ingeniería concurrente. Esta sección se divide en dos partes: 1) DFM /A y 2) ingeniería concurrente. El DFM /A es un subconjunto de la ingeniería concurrente.
39.3.1
Diseño para manufactura y ensamble
Además de solucionar problem as técnicos inmediatos (podría decirse que “apagar el fuego"), el departamento de ingeniería de m anufactura también es responsable de proyectos de m ejo ramiento continuo. El m ejoram iento continuo, o kaisen como lo llaman los japoneses, significa bus car e instrumentar constantem ente los m odos de reducir costos, m ejorar la calidad y aum entar la productividad en la m anufactura. Se realiza un proyecto a la vez. D ependiendo del tipo de área que se analiza, puede im plicar un equipo de proyecto cuyos integrantes incluyan no sólo a ingenieros en manufactura, sino tam bién a personal de otros departamentos, tales com o diseño de productos, ingeniería de la calidad y control de la producción. Los proyectos se relacionan con: 1) reducción de costos. 2) m ejoram iento de la calidad. 3) mejoram iento de la productividad. 4) reducción del tiempo de preparación, 5) reducción del tiem po de ciclo. 6) reducción del tiem po de m anufactura y 7) mejoramiento del diseño del producto para aum entar el rendimiento y el atractivo para el cliente.
39.3
DISEÑO PARA CAPACIDAD DE M ANUFACTURA Gran parte de la función de planeación de procesos descrita en la sección 39.1 se anticipa con deci siones hechas en el diseño de productos. Las decisiones acerca del material, la geom etría de panes, las tolerancias, el acabado de superficies, el agrupam iento de partes en subensam bles y las técnicas de ensamble limitan la cantidad de procesos de manufactura que pueden usarse para hacer una parte determinada. Si el ingeniero de productos diseña una pieza de aluminio fundida en arena con carac terísticas que sólo pueden obtenerse m ediante maquinado (por ejemplo, superficies planas con buenos acabados, tolerancias cerradas y orificios roscados), el planificador de procesos no tiene otra alternativa que especificar un fundido en arena, seguido por la secuencia necesaria de operaciones de maquinado. Si el diseñador de productos especifica un conjunto de estam pados en láminas metálicas que se van a ensam blar m ediante sujetadores roscados, el planificador de procesos debe establecer la serie de pasos de suajado, perforado y formado para fabricar los estam pados y después ensamblarlos. En estos dos ejem plos, una parte m oldeada en plástico puede ser un diseño superior, tanto en el aspecto funcional como económ ico. Es importante que el ingeniero de m anufactura actúe com o un consejero para el ingeniero de diseño en cuestiones de capacidad de m anufac tura, debido a que este aspecto no sólo afecta los departamentos de producción sino también a la ingeniería del diseño. U n diseño de producto que es funcionalmente superior y al m ism o tiem po puede producirse a un costo m ínim o representa la m áxim a promesa de éxito en el mercado. Las ca rreras exitosas en la ingeniería del diseño se construyen sobre productos exitosos. Algunos términos que se asocian frecuentem ente con este intento de influir de manera favo rable en la m anufacturabilidad de un producto son el diseño para manufactura (en inglés design por manufacturing, DFM ) y diseño para ensam ble (design fo r assembly, DFA), por supuesto, el DFM y el DFA están inseparablem ente acoplados, por lo que los llamaremos DFM /A. El ám bito del DFM /A se expande en algunas com pañías para incluir no sólo aspectos de capacidad de m anufac tura sino también de com ercialización, aplicación de pruebas, capacidad de servicio y de m ante nimiento, etc. Esta visión más am plia requiere aportaciones de muchos departam entos, adem ás de
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El diseño para m anufactura y ensamble es un enfoque para el diseño de productos que incluye sis tem áticam ente consideraciones sobre la capacidad de manufactura y de ensam ble en el diseño. El D FM /A incluye 1) cam bios en la organización y 2) principios y pautas de diseño. C am b io s en la o rg a n iz a c ió n en el DFM /A Para el instrum entar el DFM /A. una com pañía debe hacer cam bios en su estructura organizacional. ya sean formales o inform ales, a fin de pro porcionar una interacción más cercana y una m ejor com unicación entre el personal de diseño y m anufactura. Con frecuencia, se consigue formando equipos de proyectos que consisten en di señadores de productos, ingenieros de m anufactura y otros especialistas, (por ejem plo, ingenieros de la calidad y científicos de materiales) para diseñar el producto. En algunas com pañías, se exige que los ingenieros de diseño dediquen cieno tiempo de su carrera a la m anufactura para conocer los problem as que se encuentran en la fabricación de cosas. O tra posibilidad es asignar ingenieros de manufactura al departam ento de diseño de productos, com o consultores de tiem po completo. P rin cip io s y p a u ta s de d ise ñ o El DFM /A también incluye pnncipios y pautas que indi can cómo diseñar un producto determ inado para una máxima capacidad de m anufactura. M uchas de estas son pautas de diseño universales, tales como las que se presentan en la tabla 39.4. Son conocim ientos basados en la experiencia que se aplican a casi cualquier situación de diseño de pro ductos. A dem ás, muchos principios del DFM /A se cubren en capítulos relacionados con procesos de m anufactura específicos. En ocasiones las pautas entran en conflicto. Por ejem plo, una indicación para el diseño de partes es hacer la geom etría lo más sencilla posible. Sin em bargo, en el diseño del ensam ble, algu nas veces son deseables características de partes adicionales para evitar el acoplam iento incorrecto de los com ponentes, así como también com binar características de varios com ponentes ensam bla dos en una sola parte para reducir el número partes y el tiem po de ensamble. En estos casos, el d i seño para m anufactura de partes entra en conflicto con el diseño para ensam ble y debe encontrarse un punto de equilibrio que consiga el m ejor balance entre los lados opuestos del conflicto. Otras pautas son específicas para una em presa determ inada, debido a su capacidad de m anu factura particular en relación con sus com petidores (sección 1.1.3). Estas capacidades tecnológicas singulares son la sum a de las instalaciones con las que cuenta la com pañía y de los procesos de manufactura, la com petencia técnica de su personal de ingeniería y la capacidad de su fuerza de tra bajo. Esto significa que, si la organización tiene un excelente equipo de diseño en cierta línea de productos, esta excelencia debe explotarse en la estrategia de desanollo de productos de la em pre sa. Significa que la com pañía debe diseñar partes que utilicen los procesos de m anufactura con los que cuenta. Significa que, si el personal técnico de la organización es especialm ente bueno en el diseño de hardw are para automatización, debe explotarse esta especialidad en su estrategia general de m anufactura. Con frecuencia, una notable com petencia tecnológica en la m anufactura propor ciona más ventajas que una buena capacidad en el diseño de productos. Los com petidores pueden usar ingeniería inversa en un producto recién introducido al mercado para conocer secretos que requirieron m ucho esfuerzo para desarrollarse. Los secretos de procesam iento son más difíciles de descubrir. Entre los beneficios que se citan comúnmente para el DFM /A están [1 ,3 ]; 1) m enor tiempo para llevar el producto al mercado, 2) una transición sin dificultades hacia la producción, 3) menos com ponentes en el producto final, 4) un ensamble más fácil, 5) m enores costos de producción, 6) m ayor calidad de productos y 7) m ayor satisfacción de los clientes.
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Capítulo 39 / Ingeniería de manufactura Sección 39.3 / Diseño para capacidad de manufactura
TABLA 39.4 Pauta
Principios y pautas generales en el diseño para capacidad de manufactura.
Utilizar componentes estándar disponibles comercialmente.
Diseñar para facilitar la fabricación de partes.
Diseñar partes con tolerancias que estén dentro de la capacidad de los procesos. Diseñar el producto para que no puedan cometerse equivocaciones durante el ensamble. Minimizar los componentes flexibles. Diseñar para facilitar el ensamble.
Ingeniería concurrente
Interpretación y ventajas
Minimizar la cantidad de componentes.
Usar partes comunes a través de las líneas de productos.
39.3.2
Costos de ensamble reducidos. Mayor confiabilidad en el producto final. Desensamble más fácil en el mantenimiento y el sen/icio de campo. Con frecuencia es más fácil la automatización con una cuenta de parres reducida. Trabajo reducido en los procesos y en los problemas de control de inventarios. Menos partes por adquirir, reducción en los costos de pedidos. M enores esfuerzos de diseño Menor cantidad de partes. Es posible un mejor control del inventario. Evita el diseño de componentes con ingeniería personalizada. Es posible hacer descuentos por cantidades. Es posible aplicar la tecnología de grupos (capítulo 38). Es posible hacer descuentos por volumen. Permite el desarrollo de celdas de manufactura. Usar procesos de formas netas y casi netas cuando sea posible. Simplifica la geometría de partes; evita características innecesarias. Evitar una aspereza de superficies mayor que la necesaria porque podría requerirse un procesamiento adicional. Evitar tolerancias menores que la capacidad de proceso (sección 42.2). Especificar tolerancias bilaterales. De lo contrario, se requieren procesamiento o clasificación adicionales. El ensam ble debe ser inequívoco. Componentes diseñados para que sólo puedan ensamblarse de un modo. En ocasiones deben agregarse características geométricas especiales a los com ponentes.
Incluye características tales com o biselado y ahusamiento en partes que coinciden. Usar una parte base a la que se agregan otros componentes. Usar diseño modular (ver la siguiente pauta).
Evitar sujetadores roscados (tornillos, pernos, tuercas) cuando sea posible, sobre todo cuando se usa ensamble automatizado; usar técnicas de ensam ble rápido, tales com o agarre automático y pegado. M inimizar la cantidad de sujetadores distintos.
Formar partes y productos para facilitar el empaque. Eliminar o reducir los ajustes. Eliminar o reducir el ajuste requerido. Recopilado d e [ l] , (3), [11J.
La ingeniería concurrente se refiere a un enfoque para el diseño de productos en el cual las em pre sas intentan reducir el tiempo que se requiere para llevar un nuevo producto al mercado, integran do ingeniería de diseño, ingeniería de manufactura y otras funciones en la compañía. El enfoque tradicional para lanzar un nuevo producto tienden a separar las dos funciones, según se ilustra en la figura 39.4(a). El área de diseño de productos desarrolla el nuevo diseño, en ocasiones sin consi derar la capacidad de m anufactura que posee la organización. Hay poca interacción entre los inge nieros de diseño y los ingenieros de m anufactura que podrían brindar consejo sobre estas capaci dades y cóm o podría alterarse el diseño de productos para integrarla. Es com o si existiera un muro entre las dos funciones: cuando la ingeniería de diseño com pleta su trabajo, lanza los dibujos y especificaciones sobre el muro para que pueda com enzar la planeación del proceso. En una com pañía que practica la ingeniería concurrente (tam bién conocida com o ingeniería sim ultánea), la planeación de m anufactura em pieza cuando el diseño de producto se está desarro llando, com o se m uestra en la figura 39.4(b). La ingeniería de m anufactura se involucra muy pron to en el ciclo de desarrollo del producto. Adem ás, también im plica otras funciones, tales como el servicio en cam po, la ingeniería de calidad, los departam entos de manufactura, los vendedores que proporcionan los com ponentes importantes y en algunos casos los clientes que usarán el produc to. Todas estas funciones contribuyen a un diseño de producto que no sólo funcione bien, sino que tam bién sea fácil de fabricar, de ensamblar, de revisar, de probar, de recibir servicio, de recibir m an tenimiento, libre de defectos y seguro. Todos los puntos de vista se han combinado desde las etapas iniciales para diseñar un producto de alta calidad que produzca la satisfacción de los clientes; en lugar de ser un procedim iento en el que se revisa el diseño al final y se sugieren cam bios después de que es dem asiado tarde para integrarlos en form a conveniente, es decir, el ciclo total de desarro llo de productos se reduce sustancialmente.
Éstos incluyen componentes hechos de hule, cinturones, juntas, cables eléctricos y similares. Los com ponentes flexibles por lo general son más difíciles de manejar.
Diseñar un ensamble para la adición de componentes desde una dirección, por lo general en forma vertical; si hay una producción masiva, esta regla puede violarse debido a que la automatización fija puede diseñarse para el ensamble en múltiples direcciones.
Usar un diseño modular.
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Cada subensamble debe constar de cinco a quince partes. Un mantenimiento y servicio en campo más fáciles. Facilita el ensam ble automatizado (y manual) Reduce los requerimientos de inventario Reduce el tiempo de ensamble Compatible con el equipo de em paque automatizado. Facilita el envío al cliente. Puede usar cartones estándar para empaque. Muchos productos ensamblados requieren ajustes y calibraciones. Éstos deben minimizarse porque con frecuencia consumen tiempo en el ensamble. M uchos productos ensamblados requieren un ajuste. El diseño de productos debe minimizar la cantidad de ajustes necesarios, dado que _ consumen tiempo en el ensamble.
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FIGURA 39.4 Comparación de: (a) ciclo tradicional de desarrollo de producto y (b) desarrollo de productos usando ingeniería concurrente.
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Sección 39.4 / Elasboración rápida de prototipos
Capítulo 39 / Ingeniería de manufactura
La ingeniería concurrente tiene varios ingredientes: 1) diseño para manufactura y ensam ble. 2) diseño para calidad, 3) diseño para ciclo de vida y 4) diseño para costos. Además, se requieren ciertas tecnologías de habilitación tales com o la elaboración rápida de prototipos (sección 39.4) para facilitar estos enfoques en la com pañía. A sim ism o, el mejoram iento continuo (sección 39.2) se considera un componente importante en la ingeniería concurrente. Podría argumentarse que el diseño para la m anufactura y el ensam ble (sección 39.3.1) es el aspecto más importante de la ingeniería concurrente, debido a que tiene el m ayor impacto en los costos de producción y en el tiempo de desarrollo de productos. Sin em bargo, con la creciente importancia de la calidad en la com petencia internacional y el éxito com probado de los países y compañías que han sido capaces de producir productos de alta calidad, debe concluirse que también es importante el diseño de calidad (design fo r quality, DFQ). El capítulo 42 está dedicado al tema de control de calidad e incluye un análisis de la calidad en el diseño de productos. El diseño para el ciclo de vida se refiere al producto después que se ha fabricado. En m u chos casos, un producto puede im plicar un costo significativo para el cliente, más allá del precio de compra. Estos costos incluyen la instalación, el m antenim iento y la reparación, las partes de repuesto, las actualizaciones futuras del producto, la seguridad durante la operación y la disposición del producto al final de su vida útil. La tabla 39.5 enlista la m ayoría de los factores asociados con el diseño del ciclo de vida del producto.
vicio y m antenim iento fuera de control. A quí, los estimados precisos de los costos de ciclo de vida deben incluirse en el costo total del producto.
39.4
ELABORACIÓN RÁPIDA DE PROTOTIPOS
El costo de un producto es un factor im portante para determ inar su éxito comercial. El costo afecta el precio que se cobra por el producto y el beneficio que se obtiene de él. El diseño para cos tos de productos se refiere a los esfuerzos de una com pañía por identificar el impacto de las deci siones de diseño sobre los costos generales de los productos y por controlar estos costos mediante un diseño óptimo. M uchas de las pautas del D FM /A se dirigen a reducir el costo de los productos. Con frecuencia es útil que una com pañía desarrolle un m odelo de costos de productos para prede cir como afectarían las alternativas de diseño a los costos de materiales, m anufactura e inspección. Para el cliente, el precio pagado por el producto debe ser una pequeña parte de su costo total cuando se incluyen los costos de ciclo de vida. A lgunos clientes (por ejem plo, el Gobierno Federal) consideran los costos de ciclo de vida dentro de las decisiones de compra. Con frecuencia el fabri cante debe incluir contratos de servicio que lim itan la vulnerabilidad del cliente ante costos de ser-
TABLA 39.5
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Para su éxito la ingeniería concurrente depende de cierta habilitación de tecnologías. La capacidad para diseñar y producir productos de alta calidad en el tiempo mínimo, se consigue no sólo con la participación inicial de un grupo m ultidisciplinario en la función de diseño de productos. Deben explotarse cieñas tecnologías para reducir retrasos en el ciclo de diseño y manufactura. La elabo ración rápida de prototipos es una tecnología de habilitación. La elaboración rápida de prototipos se refiere a una familia de procesos de fabricación singulares, desarrollados para hacer prototipos de ingeniería en el menor tiempo posible. El térm i no se aplica principalm ente a la fabricación de panes de plástico, aunque existen necesidades sim i lares de todos los materiales durante el diseño de productos. El m étodo tradicional para fabricar una parte de prototipo es el m aquinado, lo cual puede requerir tiem pos considerables de hasta varias semanas, y en ocasiones más. dependiendo de la complejidad de partes y de la dificultad para solici tar materiales. Existen varias técnicas para la elaboración rápida de prototipos, con el propósito de producir partes de plástico en días en lugar de semanas. En esta sección analizamos tres de las téc nicas. todas ellas dependen de datos de diseño generados en un sistem a gráfico com putarizado: 1) estereolitografía, 2) sinterizado selectivo con láser y 3) m odelado por deposición fundida. Entre los beneficios que se atribuyen a la elaboración rápida de prototipos están [1]: 1) tiem pos reducidos para producir com ponentes de prototipos. 2) habilidad m ejorada para visualizar la geometría de partes debido a la existencia física, 3) detección inm ediata y reducción de errores de diseño y 4) m ayor capacidad para calcular propiedades masivas de los com ponentes y ensam bles. E stereolitografía La estereolitografía es un proceso para fabricar una parte plástica sólida a partir de un polím ero líquido fotosensible, usando un rayo láser dirigido para solidificar el polímero. La disposición general del proceso se ilustra en la figura 39.5. La fabricación de partes
F actores en el d is e ñ o p ara el c ic lo d e vida. FIGURA 39.5 Estereolitografía: (1) inicio del proceso, en el cual se agrega la capa inicial a la plataforma y (2) después que se han agregado varias capas de modo que la geometría de partes toma forma gradualmente.
F actor
A sp erto s y c o n e x io n e s co m u n es
Entrega
Costo del transporte, tiempo de entrega, almacenamiento y distribución de artículos producidos en forma masiva, tipo de transporte requerido (camión, tren, transporte aéreo).
Condiciones de instalación
Requerimientos de accesorios (corriente eléctrica, presión de aire, y otros) costos de construcción, ensamble en campo, soporte durante la instalación.
Confiabilidad
Vida de servicio del producto, razón de fallas, requerimientos de pruebas de confiabilidad, materiales usados en el producto, tolerancias.
Condiciones de mantenimiento
M odularidad del diseño, tipos de sujetadores usados en el ensamble, requerimientos de mantenimiento preventivo, facilidad de que el cliente le dé servicio.
Condiciones de servicio
Complejidad del producto, técnicas de diagnóstico, capacitación del equipo de servicio en campo, acceso a partes internas del producto, herramientas requeridas, disponibilidad de partes de repuesto. Facilidad y conveniencia de uso. complejidad de controles, riesgos potenciales, riesgos de lesiones durante la operación. Compatibilidad del diseño actual con módulos y software futuros, costo de actualizaciones. Materiales usados en el producto, reciclaje de los componentes, riesgos por disposición.
Factores humanos Condiciones de actualización Condiciones de disposición
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Capítulo 39 / Ingeniería de manufactura
39.2. ¿Cuáles de los siguientes se considerarían procesos básicos, y no procesos secundarios? (Puede ser más de uno.) a) recocido, b) anodizado. c) taladrado con broca, d) electrodeposición, e) extrusión directa en caliente para producir barras de aluminio. 0 forja con dados de impresión, g) laminado, h) fundición en arena, i) estampado en láminas metálicas, j) sinterizado a presión de polvos cerámicos, k) soldadura de puntos. I) esmerilado de superficie de acero endurecido, m) revenido de acero martensítico, n) tre panado, o) torneado y p) maquinado ultrasónico. 39.3. ¿Cuáles de las siguientes son operaciones para mejorar las propiedades físicas? (Puede ser más de una.) a) recocido, b) anodizado, c) taladrado con broca roscada, d) electrodeposición, e) extrusión directa en caliente para producir barras de aluminio, 0 forja con dados de impresión, g) laminado, h) fundición en arena, i) estampado en láminas metálicas, j) sinterizado a presión de polvos cerámicos, k) soldadura de puntos, 1) esmerilado de superficie de acero endurecido, m) revenido de acero martensítico. n) tre panado. o) torneado y p) maquinado ultrasónico. 39.4. ¿Cuál de las siguientes operaciones contribuyen al mejoramiento de las propiedades físicas? (Puede ser más de una.,) a) recocido, b)anodizado, c) taladrado con broca, d) electrodeposición, e) extrusión direc ta para producir barras de aluminio, f) forja con dados de impresión, g) laminado, h) fundición en arena, i) estampado en láminas metálicas, j) sinterizado a presión de polvos metálicos, k) soldadura de puntos, 1) esmerilado de superficies de acero endurecido, m) revenido del acero n) trepanado, o) torneado y p) maquinado ultrasónico. 39.5. ¿Cuáles de los siguientes tipos de planeación de procesos asistida por computadora se basa en la cla sificación y codificación de partes de la tecnología de grupo? a) CAPP generadora, b) CAPP de recu peración. c) planeación tradicional de procesos o d) ninguno de los anteriores. 39.6. ¿Cuál de los siguientes procesos de elaboración rápida de prototipos empieza con un polímero líquido fotosensible para fabricar un componente? (Puede ser más de uno.) a) Modelado por deposición fun dida. b) moldeado por inyección, c) sinterizado selectivo con láser y d) estereolitogTafía.
PLANEACION Y CO N TRO L DE LA PRO D U CCIÓ N C O N T E N ID O DEL CA PÍTU LO 40.1 40.2
40.3
40.4 40.5
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Planeación de agregados y el programa maestro de producción Control de inventarios 40.2.1 Tipos de inventarios 40.2.2 Sistemas de punto de orden Planeación de requerimientos de materiales y de la capacidad 40.3.1 Planeación de requerimientos de materiales 40.3.2 Planeación de requerimientos de capacidad Producción justo a tiempo Control de piso de taller
Otra función de apoyo importante en la manufactura es la planeación y el control de la produc ción, la cual enfrenta los problem as logísticos en la manufactura. La planeación de la pro ducción determ ina qué productos se van a producir, en qué cantidades y cuándo. También considera los recursos que se requieren para realizar el plan. El control de producción deter mina si ya se tienen los recursos para ejecutar el plan y, si no es así, realiza la acción nece saria para corregir la deficiencia. El ám bito de la planeación y control de la producción incluye el control de ¡mentarlos, es decir, tener niveles de existencias adecuados de m aterias prim as, trabajo en proceso y artículos term inados. Los problem as en la planeación y control de la producción difieren en cada tipo de m anufactura. Un factor im portante es la relación entre la variedad de productos y la canti dad de producción (sección 1.1.2). Por un lado está la producción en un taller especia lizado, en la cual se producen m uchos tipos diferentes de productos en cantidades bajas. Con frecuencia los productos son com plejos, tienen m uchos com ponentes y cada uno debe procesarse m ediante varias operaciones. S olucionar los problem as logísticos en una plan ta con tales características requiere una planeación detallada — program ar y coordinar la gran cantidad de com ponentes distintos y los pasos de procesam iento para m uchos pro ductos diferentes.
9 86
Capitulo 40 / Planeación y control de la producción Sección 40.1 / Planeación de agregados y el programa maestro de producción
En el otro extrem o está la producción m asiva, en la cual un solo producto (tal vez con algu nas variaciones lim itadas de modelos) se produce en cantidades muy grandes (m illones de unidades). Los problem as logísticos en la producción masiva son sim ples si el producto y el proce so son simples. En casos m ás com plejos, el producto es un ensam ble que consta de m uchos com ponentes (por ejemplo, los autom óviles o los artículos eléctricos) y la instalación está organizada com o una línea de producción (capítulo 36). El problem a logístico para operar una planta com o ésta es llevar cada com ponente a la estación de trabajo correcta en el m om ento preciso para que pueda ensamblarse el producto conform e pasa por tal estación. Si este problem a no se soluciona se detiene toda la línea de producción por la falta de una p an e importante.
den en estas tres fases: 1) planeación de la producción de agregados. 2) planeación detallada de los requerim ientos de material y la capacidad y 3) adquisiciones y control de piso de taller. Nuestro análisis de la planeación y control de la producción en este capítulo se organiza sobre este m ar co de trabajo.
40.1 PLANEACIÓN DE AGREGADOS Y EL PROGRAMA MAESTRO DE PRODUCCIÓN
Para distinguir entre estos dos extremos, en términos de los aspectos en la planeación y el control de la producción, podem os decir que la función de planeación se enfatiza en un taller espe cializado, mientras que la función de control destaca en la producción m asiva de productos ensam blados. Hay muchas variaciones entre estos dos extremos, cada una con sus diferencias en la forma en que se lleva a cabo la planeación y el control de la producción. La figura 40.1 presenta un diagram a de bloques que m uestra las actividades de un sistem a m oderno para planeación y control de la producción y sus interrelaciones. Las actividades se divi-
FIGURA 40.1
987
Actividades en un sistema de planeación y control.
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C ualquier com pañía de manufactura debe tener un plan de negocios y ése debe incluir los produc tos que se fabricarán, cuántos y cuándo. El plan de m anufactura debe considerar los pedidos actuales y las pronósticos de ventas, los niveles de inventarios y la capacidad de la planta. Se preparan distintos tipos de planes de manufactura. U na diferencia se da en términos del hori zonte de planeación; existen: 1) planes a largo plazo . que se refieren a un horizonte de tiempo que está a un año de distancia: 2) planes a mediano plazo, que se relacionan con los periodos de seis meses a un año próxim os; y 3) planes a corto plazo, que consideran horizontes en el futuro cercano, tales com o días o semanas. La planeación a largo plazo es responsabilidad de los ejecutivos de máximo nivel de la com pañía. Se refiere a las metas y estrategias de la corporación, las líneas de producción futuras, la planeación financiera para el futuro y la obtención de recursos (de personal, de instalaciones y de equipo) necesarios que tendrá la empresa. Conforme se reduce el horizonte de planeación. el plan a largo plazo de la organización debe traducirse en planes a corto y mediano plazo que se vuelvan cada vez más específicos. En el nivel de mediano plazo están el plan agregado de producción y el pro grama maestro de producción, que se examinan en esta sección. En el cono plazo están la planeación de requerim ientos de materiales y de la capacidad y la programación detallada de los pedidos. En el plan de la producción de agregados se indican los niveles de resultados de producción para las principales líneas de productos y no para productos específicos. Debe coordinarse con los planes de ventas y mercadotecnia de la com pañía y considerar los niveles actuales de inventarios. Por tanto, la planeación agregada es una actividad de planeación corporativa de alto nivel, aun que los detalles del proceso de planeación se delegan al personal. El plan agregado debe integrar los planes de m ercadotecnia de los productos actuales y nuevos y los recursos disponibles para esos productos. Los niveles de resultados planeados para las líneas de productos principales que se enlistan en el program a agregado deben convertirse en un program a muy específico de productos indivi duales. Esto se denom ina el programa maestro de producción y enlista los productos que se van a fabricar, cuándo deben terminarse y en qué cantidades. Un program a maestro hipotético se ilus tra en la figura 40.2(b) para un grupo limitado de productos, con el correspondiente plan agregado para la línea de productos de la figura 40.2(a). Los productos enlistados en el program a m aestro generalm ente se dividen en tres categorías: 1) pedidos de clientes. 2) demanda prevista y 3) panes de repuesto. Los pedidos de clientes de pro ductos específicos obligan a la com pañía a cum plir con una fecha de entrega que el departam ento de ventas le prom ete a un cliente. La segunda categoría consiste en los niveles de resultados de pro ducción basados en la demanda prevista, en la cual se aplican técnicas de predicción estadística a patrones anteriores de demanda, estim ados por el personal de ventas y otras fuentes. Con frecuen cia, la predicción dom ina el program a maestro. La tercera categoría es la solicitud de panes com ponentes individuales — panes para recam bio que se van a alm acenar en el departam ento de servi cio de la em presa. A lgunas compañías excluyen esta tercera categoría del program a maestro porque no representa productos finales. El program a maestro de producción es un plan a m ediano plazo porque debe considerar con anticipación los tiem pos requeridos para pedir m ateria prim a y com ponentes, fabricar las partes en la fábrica y después ensam blar y probar los productos finales. D ependiendo del tipo de producto,
Capítulo 40 / Planeación y control de la producción
Sección 40.2 / Control de inventarios
40.2.1
Semana Línea de productos
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
-
—
50
150
250
Modelos P
-
-
-
-
Modelos Q
400
400
400
300
300
300
300
250
250
250
Modelos R
100
100
150
150
200
200
200
250
300
350
6
7
-
Tipos de inventarios Se encuentran diferentes tipos de inventarios en la manufactura. Las categorías de m ayor interés en la planeación y control de la producción son las materias prim as, los componentes adquiridos, el inventario en proceso (trabajo en proceso) y los productos terminados. Son apropiados diferentes procedim ientos de control de inventarios, de acuerdo con el tipo que intentan administrar. Existe una diferencia importante entre los artículos sujetos a una dem an da independiente contra los que están sujetos a una dem anda dependiente. La dem anda indepen diente significa que el consum o del artículo no se relaciona con la demanda de otros artículos. Los productos finales y las partes de repuesto experim entan dem anda independiente. Los clientes adquieren productos finales y panes de repuesto, y sus decisiones para hacerlo no se relacionan con la adquisición de otros artículos. La demanda dependiente se refiere al hecho de que la necesidad del artículo se relaciona directam ente con la dem anda de algo más, en general debido a que el artículo es un com ponente de un producto final sujeto a demanda independiente. Considerem os un automóvil, un producto final, para el cual la dem anda es independiente. C ada auto tiene cuatro neumáticos (cinco si incluim os el de repuesto), la dem anda de éstos depende de la del automóvil. En tal caso, los neum áticos que usan los automóviles nuevos son ejemplos de dem andas dependientes. Por cada auto hecho en la planta de ensamble final, deben ordenarse cuatro neum áticos. Lo mismo se aplica a m iles de otros com ponentes que se usan en un automóvil. U na vez que se tom a la decisión de producir un auto nuevo, deben proporcionarse todos los com ponentes para construirlo. Los neum áticos representan un ejem plo interesante porque no sólo experim entan dem anda independiente en el negocio de autos nuevos, sino también dem anda independiente en el m ercado de los neumáticos de repuesto. Deben usarse diferentes controles de producción e inventario para la dem andas independiente y dependiente. C om únm ente se usan procedim ientos de predicción para determ inar los niveles futuros de producción de productos de dem anda independiente. La producción de los com ponentes que se usan en estos productos se determ ina directam ente de las cantidades de productos que se van a hacer. Se requieren dos sistemas de control de inventarios distintos para tales casos: 1) sistem as de punto de orden o pedido y 2) planeación de requerim ientos de materiales. Los sistem as de pun to de orden se cubren en la siguiente sección. La planeación de requerim ientos de m ateriales se ana liza en la sección 40.3.1.
(a)
S em ana Producto
1
2
3
4
5
Modelo P1
8
9
10
50
75
100
Modelo P2 Modelo P3
50
50
25
50
Modelo P4
50
Modelo Q1
200
200
200
100
100
100
100
50
50
50
Modelo Q2
200
200
200
200
200
200
200
200
200
200
(b) FIGURA 40.2 (a) Plan de la producción de agregados y (b) programa maestro de producción correspondiente para una línea de productos hipotéticos.
estos tiempos previstos pueden ser de varios m eses a más de un año. Sin em bargo, aunque m aneja un horizonte a mediano plazo, es un plan dinám ico. Por lo general, se considera su m odificación en el mediano plazo, esto significa que se desalojan los cam bios en un horizonte aproxim ado a las 6 semanas. Sin embargo, son posibles ajustes en el program a más allá de las seis sem anas para m ane ja r cam bios en la dem anda u oportunidades de productos nuevos. En tal caso, debe señalarse que ei plan agregado de producción no es la única salida para el program a maestro. Otras situaciones que pueden hacer que se desvíe del plan agregado incluyen pedidos de clientes nuevos y modificaciones en los pronósticos de ventas en un periodo cercano.
.2
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40.2.2
Sistemas de punto de orden
CO NTROL DE INVENTARIOS El control de inventario se refiere a obtener un eq uilibrio entre dos objetivos opuestos: 1) m inim izar el costo de m antener un inventario y 2) m axim izar el servicio a los clientes. Los costos de inven tario incluyen los costos de inversión, de alm acenam iento y de las obsolescencias o daños posibles. Con frecuencia el costo de inversión es el factor dom inante; un caso com ún es cuando la com pañía invierte dinero prestado a cierta tasa de interés en m ateriales que todavía no se han entregado al cliente. Todos estos costos se denom inan co sto s p a ra m antener un inventario. La em presa puede m inim izar esos costos si m antiene los inventarios en cero, sin em bargo, es probable que esto afec te el servicio a los clientes y decidan hacer negocios en otra parte. Lo anterior representa un costo, denom inado costo de m ateriales agotados (sto ck-o u t cost). U na com pañía prudente pretende m ini mizar el costo de material agotado y ofrecer un alto nivel de servicios al cliente. Este últim o con cepto implica tanto los clientes extem os (los que generalm ente se asocian con esta palabra) y los clientes internos, que son los departam entos operativos, de ensam ble final y otras unidades en la organización que dependen de la disponibilidad de m ateriales y partes.
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Los sistemas de punto de orden enfrentan dos aspectos relacionados que se encuentran al controlar inventarios de artículos de dem anda independiente: l) cuánto pedir y 2) cuándo hacerlo. El prim er aspecto, determ inar cuántas unidades se deben pedir, se define frecuentemente m ediante fórm ulas económ icas de cantidad de solicitudes. El segundo aspecto, cuándo hacer un pedido, se realiza usando puntos de repetición de solicitudes. Cantidad de orden económica El problem a para determ inar la cantidad apropiada que debe pedirse o producirse surge en los casos de productos de dem anda independiente, en los cuales la demanda del artículo es relativamente constante durante el periodo bajo consideración y la velo cidad de producción es significativam ente m ayor que la velocidad de demanda. Ésta es la situación común de fabricar para alm acenar existencias. Se encuentra un problema sim ilar en algunas situa ciones de dem anda dependiente, cuando el uso de los com ponentes en el producto final es bastan te regular durante un tiem po y es conveniente pagar ciertos costos para tener un inventario, a fin de reducir la frecuencia de las adquisiciones. En estas dos situaciones, el nivel de inventario se reduce gradualmente con el tiem po y después se vuelve a llenar a cierto nivel máximo determ inado por la cantidad adquirida, com o se muestra en la figura 40.3.
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Sección 40.3 / Planeación de requerimientos de materiales y de la capacidad
Capítulo 40 / Planeación y control de la producción
El concepto de la M RP es relativamente directo. Su aplicación se com plica por la m agnitud de los datos que se van a procesar. El program a maestro especifica la producción de productos finales en térm inos de entregas mensuales. Cada producto puede contener cientos de componentes. Estos com ponentes se producen con materias prim as, algunas de las cuales son comunes entre los com ponentes (por ejem plo, láminas de acero para estampados). A lgunos de los com ponentes pueden ser com unes para diversos productos (éstos se denominan artículos de uso común en la M RP). Para cada producto, los com ponentes se ensam blan en subensambles sim ples, que a su vez se agregan para form ar otros subensam bles y así sucesivam ente, hasta term inar el producto final. C ada paso en la secuencia consume tiempo. Todos estos factores deben tomarse en cuenta para la planeación de requerim ientos de materiales. Aunque cada cálculo es simple, la gran cantidad de éstos y de datos obligan a que la M RP (planeación de requerim ientos de materiales) se realice en una com putadora digital. El tiem po de culm inación de labores (lead tim e) que se considera para un trabajo incluye todas las actividades desde el principio hasta el final. Hay dos tipos de tiempos de culm inación de labores en la M RP: los tiempos de culm inación de reabasto y los tiempos de culm inación de m a nufactura. El tiem po de culm inación de reabasto es el que se requiere desde el inicio de la solici tud de adquisición hasta que el vendedor recibe el artículo. Si el artículo es una materia prim a que se obtiene de otro vendedor, el tiem po de culm inación de reabasto debe ser relativamente corto, tal vez algunas sem anas. Si el artículo se fabrica, este tiempo puede ser grande, tal vez de varios meses. El tiem po de culm inación de m anufactura es el tiem po que se requiere para producir el artículo en la propia planta de la com pañía, desde la autorización del pedido hasta su terminación.
ses en esta área ha producido esfuerzos similares para acelerar los cam bios de producción en las compañías estadounidenses. C uán d o re a b a s te c e r La fecha de abastecim iento puede conseguirse de varias formas. Primero describimos el sistema de punto de reabastecimiento que se usa ampliamente en la indus tria. Observe la figura 40.4, que proporciona una visión más realista que la figura 40.3 anterior de las variaciones posibles en la velocidad de demanda que ocurren. En un sistema de punto de reabasteci miento, cuando el nivel de inventario de cierto artículo declina a un punto definido para reabaste cimiento, es la señal para solicitar el reabasto del artículo. El punto de reabastecim iento se establece a un nivel lo suficientemente alto para reducir la probabilidad de que se agoten las existencias du rante el periodo entre el punto de reabasto y el m omento de recibir un nuevo lote. Las políticas de punto de reabastecim iento se llevan a cabo mediante sistem as com putarizados de control de inventarios. Estos sistemas se programan para vigilar en form a continua el nivel de los inventarios, conform e se hacen las transacciones, y para generar en form a autom ática una orden de un nuevo lote cuando el nivel cae debajo del punto de reabastecimiento.
D ato s p a ra el sistem a MRP Para que el procesador M RP funcione adecuadam ente, debe recibir datos de varios archivos: 1) del program a m aestro de producción, 2) del archivo de lista de materiales. 3) del archivo de registro de inventarios y 4) de la planeación de requerim ientos de ca pacidad. La figura 40.5 m uestra el flujo de datos hacia el procesador M RP y su conversión en repor tes de resultados. El program a maestro de producción se analizó en la sección 40.1. El archivo de la lista de m ateriales contiene las partes de los com ponentes y los subensam bles que forman cada producto; se usa para calcular los requerim ientos de m aterias prim as y com ponentes utilizados en los pro-
40.3 PLANEACION DE REQUERIMIENTOS DE MATERIALES Y DE LA CAPACIDAD En esta sección y la siguiente presentam os dos técnicas alternativas para planear y controlar la pro ducción y el inventario. En esta sección cubrim os los procedimientos usados para un taller espe cializado y una producción de rango medio de productos ensamblados.
FIGURA 40.5 Estructura y flujo de datos en un sistema de planeación de requerimientos materiales (MRP).
40.3.1 Planeación de requerimientos de materiales La planeación de requerim ientos de m ateriales (en inglés material requerim ents planning, MRP) es un procedimiento de com putación que se utiliza para convenir el program a maestro de produc ción de productos finales en un program a detallado de materias primas y com ponentes que se usan en los productos finales. El program a detallado indica las cantidades de cada artículo, cuándo debe reabastecerse y cuándo entregarse para cum plir con el programa maestro. La planeación de reque rimientos de capacidad coordina los recursos de mano de obra y equipo con los requerim ientos de materiales (sección 40.3.2). La MRP es más conveniente para talleres especializados y producción por lotes de diversos productos que constan de m últiples com ponentes, cada uno de los cuales debe adquirirse o fabri carse. Es la técnica apropiada para determ inar cantidades de artículos de dem anda dependiente que constituyen los inventarios de m anufactura: m aterias primas, partes adquiridas, trabajo en proceso, etcétera.
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Sección 40.3 / Planeación de requerimientos y de la capacidad
Capítulo 40 / Planeación y control de la producción
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para hacer cada unidad C4. Se sabe que los tiempos de culminación de reabastecimiento, m anufac tura y ensamble de estos artículos son los siguientes: Identificación de artículo: Tiempos de culm inación (sem anas):
Pl 1
S2 1
C4 2
M4 3
El estado de inventario de la m ateria prim a M 4 es de 50 unidades disponibles actualm ente y 0 unidades de com ponentes C4 y S2. No hay requerimientos program adas, entregas u autorizaciones de solicitudes indicadas en el registro de inventarios para estos artículos. No se usan el material M 4 ni el componente C4 para cualquier otro producto: no son artículos de uso común. Determ ine los requerim ientos en fases de tiem po para M4. C4 y S2. con el fin de cum plir el program a maestro del producto P l. En este problem a se ignoran los periodos de Pl más allá del periodo 10. FIGURA 40.6
Estructura de producción para el producto ensamblado P1 (con base en los datos de [5]).
Solución: La figura 40.7 presenta la solución para este problem a de MRP. Los requerim ientos de entrega de P l deben desfasarse una sem ana para obtener las autorizaciones de órdenes planeadas. S2 debe dividirse en dos unidades por unidad Pl y desplazarse una semana para obtener su auto rización del pedido. C 4 se “explota" en dos unidades por unidad S2 y se desplaza dos sem anas para obtener su requerim iento. Y M4 desplaza su tiempo de solicitud de tres semanas para obtener su fecha de autorización, considerando la cantidad almacenada de M4 actualmente.
ductos finales que enlista el programa maestro. La figura 40.6 muestra una estructura (sim plifica da) de un producto ensam blado. El producto consta de dos subensambles, y cada uno de ellos tiene tres partes. La cantidad de cada artículo en el siguiente nivel superior de la estructura del producto se indica entre paréntesis.
Reportes de salida y beneficios de la planeación de requerimientos de materiales La M RP genera diferentes reportes de salida que se usan en las operaciones de planeación y adm inis tración de la planta. Entre los reportes están: 1) las autorizaciones de orden, para validar los pedi dos planeados por m edio del sistem a M RP; 2) las autorizaciones planeadas en periodos futuros; 3) los avisos de reabastecim iento, que indican los cambios en las fechas de entrega de solicitudes abiertas; 4) los avisos de cancelación, que indican que ciertas órdenes abiertas se han cancelado debido a cam bios en el program a maestro; 5) los repones del estado del inventario. 6) los reportes de rendimiento: 7) los reportes de excepciones, que muestran las desviaciones del program a, los reabastecim ientos retrasados, los desechos, etc. y 8) los pronósticos de inventarios, que proyectan
El archivo de registro de inventarios identifica cada artículo (por número de partes) y pro porciona un registro con fases de tiempo del estado del inventario. Esto significa que no sólo se enlista la cantidad actual del artículo, sino los cam bios futuros que ocurrirán en el nivel de inven tario y cuándo sucederán. Estos datos incluyen los requerimientos globales del artículo (cuántas unidades se necesitarán para construir productos en el programa maestro), las entregas programadas, el estado actual y las autorizaciones de solicitudes planeadas. Cada uno de estos conjuntos de datos indican los cambios por periodo en el program a (por ejemplo, un mes o semanas). Cómo funciona un sistema de planeación de requerimientos Con base en los datos del programa maestro, del archivo de lista de materiales y del archivo de registro de inventarios, el procesador M RP calcula cuántos com ponentes y m aterias primas se necesitarán en los periodos de tiempo futuros, “explotando" el program a del producto final en niveles sucesivos inferiores en la estructura del producto. Los cálculos del RM P deben m anejar varios factores complicados. Primero, las cantidades de com ponentes y subensam bles deben ajustarse para los inventarios actuales o soli citados. Segundo, las cantidades de artículos de uso común deben combinarse durante la separación de partes para obtener un requerim iento de cada componente y materia prim a en el programa. Tercero, las entregas en fases de tiem po deben convertirse en requerim ientos de com ponentes y materiales en fases de tiem po, factorizando los tiem pos de culminación adecuados. Debe solicitarse o fabricarse la cantidad requerida de com ponentes de cada tipo para cada unidad del producto final enlistada en el MPS, tom ando en cuenta sus tiempos de reabasto o manufactura. Para cada com po nente, se debe reabastecer la materia prim a, tom ando en cuenta su tiempo de reabastecim iento, tam bién deben considerarse los tiempos de ensam ble en la programación de subensam bles y de pro ductos finales.
EJEM P LO 4 0 .2
los niveles del inventario en periodos futuros. Entre los m uchos beneficios de un sistem a de planeación de requerimientos de m ateriales bien diseñado están: 1) reducciones de inventarios, 2) respuesta más rápida a cam bios en la dem an da. 3) costos reducidos de reparación y cam bio, 4) mejor utilización de las m áquinas. 5) m ayor capacidad para responder a los cam bios en el program a maestro y 6) apoyo para poder desarrollar el program a maestro. A pesar de estas consideraciones, los sistemas M RP se han instrum entado en la industria con diversos grados de éxito. A lgunas razones por las cuales no han tenido éxito son: 1) aplicación inadecuada. 2) los cálculos de M RP se basan en datos imprecisos y 3) ausencia de planeación de capacidad.
40.3.2
Planeación de requerimientos de capacidad
P la n e a ció n de req u e rim ie n to s de m ateriales
Considere el procedim iento de planeación de requerimientos para uno de los com ponentes en el producto P l: C4. Las entregas que requiere P1 se indican en el programa maestro de producción que se muestra en la figura 40.2(b). De acuerdo con la estructura del producto de la figura 40.6, se requieren dos unidades de C4 para hacer el subensamble S2 y se requieren dos unidades S2, para hacer el producto final P l. C4 se form a de la materia prima M4, y se usa una unidad de M4
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La planeación de requerim ientos de capacidad determ ina los requerim ientos de mano de obra y equipo necesarios para cum plir el program a maestro de producción. También se relaciona con la identificación de las necesidades de capacidad futuras a largo plazo de la em presa, así com o para identificar las lim itaciones de recursos de producción, con el propósito de planear un program a maestro de producción realista. Un program a maestro realista debe ser compatible con la capacidad de m anufactura de la planta que fabricará los productos. La em presa debe estar consciente de su capacidad de produc ción y debe planear los cam bios en la capacidad para cum plir con los requerim ientos de producción cam biantes que se especifican en el program a maestro. La figura 40.5 m uestra la relación entre la planeación de la capacidad y otras funciones en la planeación y el control de la producción. El pro-
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Capítulo 40 / Planeación y control de la producción
Periodo
1
2
Sección 40.4 / Producción justo a tiempo
3
4
5
6
7
8
9
10
50
75
100
100
ducción puede aum entar o disminuir, autorizando horarios nocturnos o de fin de semana; 4) la a cu mulación de inventario, esta táctica se usa para conservar niveles de em pleo estables durante perio dos de dem anda lenta: 5) el retraso de pedidos, las entregas al cliente se retrasan durante periodos muy saturados cuando los recursos de producción no son suficientes para cubrir la dem anda y 6) la subcontratación, lo cual implica contratar el trabajo de talleres extem os durante periodos de mucha demanda o aceptando trabajo adicional durante periodos de poca demanda. Los ajustes de la capacidad a largo plazo incluyen cam bios posibles en la capacidad de pro ducción que generalm ente requieren periodos largos, incluyendo los siguientes tipos de decisiones: 1) equipo nuevo, inversiones en máquinas adicionales, m aquinaria más productiva o nuevos tipos de máquinas para cubrir los cam bios futuros en el diseño de productos; 2) plantas nuevas, la cons trucción de plantas nuevas o la adquisición de las plantas de otras compañías; 3) cierre de plantas, la clausura de plantas que no se requieran en el futuro.
Artículo: Producto P1 Requerimientos globales Entregas progranladas En existencia
0
Requerimientos netos Autorizaciones planeadas
50
75
50
75
100
100
150
200
100
150
200
150
200
Articulo: subensam ble S2 Requenmientos globales
997
Entregas prograrr ad a s En existencia
0
Requerimientos netos Autorizaciones planeadas
100
40.4
PRODUCCIÓN JUSTO A TIEMPO La producción ju sto a tiempo (en inglés just-in-tim e. JIT) es un enfoque para la producción que fue desarrollado en Japón con el fin de reducir los inventarios. Los japoneses consideran el trabajo en proceso y otros inventarios como un desperdicio que debe elim inarse. El inventario ocupa los fon dos de inversión y el espacio (este último aspecto es mucho más apreciado en Japón que en Estados Unidos). Para reducir esta form a de desperdicio, el enfoque JIT incluye varios principios y proce dimientos dirigidos a reducir los inventarios, ya sea en form a directa o indirecta. En realidad, el alcance del enfoque JIT es tan am plio que con frecuencia se considera una filosofía. En años recientes, la filosofía JIT ha abarcado a m uchas com pañías de m anufactura de Estados Unidos. En ocasiones, se le han añadido otros términos para darle un estilo estadounidense o para señalar ligeras diferencias con las prácticas japonesas del JIT. Estos térm inos incluyen inven tario cero (de la A m erican Production and Inventory Control Society), m anufactura de flu jo con tinuo (de la IBM C orporation) y sistem a de producción de inventario cero (de la General Electric
Artículo: com ponente C4 Requerimientos globales
200
300
400
200
300
400
Entregas program adas En existencia
0
Requerimientos netos Autorizaciones planeadas
200
300
400
200
300
400
Artículo: material M4 Requenmientos globales Entregas program adas En existencia
50
50
Requerimientos netos Autorizaciones planeadas
FIGURA 40.7
150 150
300
300
400
400
Solución a los requerimientos materiales del ejemplo 40.2.
grama maestro se reduce a requerim ientos de materiales y de componentes usando la MRP. Estos requerimientos proporcionan estim ados de las horas de mano de obra y otros recursos necesarios para producir los com ponentes. Después se com paran los recursos con la capacidad de la planta en el horizonte de planeación. Si el program a m aestro no es compatible con la capacidad de la planta, deben hacerse ajustes en el program a o en la capacidad de la planta. La capacidad de la planta se puede ajustar a corto y largo plazo. Entre los ajustes a la capaci dad a corto plazo están: 1) los niveles de em pleo, la mano de obra directa en la planta puede aum en tar o disminuir de acuerdo con los cam bios que se generan en los requerimientos de capacidad; 2) las horas por turno, la cantidad de horas de m ano de obra por tumo puede aum entar o dism inuir usando tiempo extra u horarios reducidos; 3) la cantidad de turnos de trabajo por periodo de pro-
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Company). Los procedim ientos justo a tiem po han demostrado ser más eficaces en la m anufactura repe titiva de alto volum en, com o en la industria automotriz [6]. El potencial para la acum ulación de inventarios en proceso en este tipo de manufactura es significativo porque las cantidades de pro ductos y la cantidad de com ponentes por producto son grandes. Un sistem a justo a tiem po produce exactamente la cantidad correcta de cada componente requerido para satisfacer la siguiente operación en la secuencia de m anufactura, exactamente cuando se necesita el com ponente — “justo a tiem po’’. Para los japoneses, el tam año de lote ideal es una parte. Como una cuestión práctica, se produce más de una parte a la vez, pero el tamaño del lote se conserva pequeño. Bajo JIT, se debe evitar tanto producir dem asiadas unidades como producir m uy pocas. Esta es una disciplina de pro ducción que contrasta m arcadam ente con la práctica tradicional de Estados U nidos, la cual ha pro movido el uso de grandes inventarios en proceso para enfrentar problem as tales com o averías de máquinas, com ponentes defectuosos y otros obstáculos para una producción regular. El enfoque estadounidense podría describirse com o una filosofía “sólo en caso de" (just-in-case). Aunque el tem a principal en el JIT es la reducción de inventarios, esto no es sim plem ente un mandato. Para hacerlo posible deben llenarse varios requisitos, entre ellos están: 1) program as esta bles de producción, 2) tamaños de lotes pequeños y tiempos de preparación breves, 3) entregas a tiempo, 4) com ponentes y m ateriales libres de defectos, 5) equipo de producción confiable, 6) sis tema continuo de control de la producción, 7) una fuerza de trabajo capaz, com prom etida y coo peradora y 8) una base de proveedores confiable.
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Capitulo 40 / Planeación y control de la producción
Sección 40.5 / Control de piso de taller
Program a e sta b le Para que el JIT tenga éxito, el trabajo debe fluir con regularidad y con las mínimas perturbaciones en las operaciones normales. Las perturbaciones provocan cam bios en los procedimientos de operación: aum entos y decrem entos en la velocidad de producción, prepara ciones no programadas, variaciones de las rutinas de trabajo regulares y otras excepciones. Las alteraciones en las operaciones finales (ensam bles finales) tienden a am plificarse en las operaciones iniciales (alimentación de partes). Un program a m aestro de producción que permanece relativa mente constante durante largos periodos es una forma de obtener un flujo de trabajo regular y mini mizar las perturbaciones y cam bios en la producción.
i------Kanban de producción
/
FIGURA 40.8 Operación de un sistema Kanban entre estaciones d e trabajo.
Tam años p e q u e ñ o s d e lo tes y re d u c c ió n d e p re p a ra c io n e s Otro requerim iento para minimizar los inventarios son los tamaños pequeños de lotes y los tiempos de preparación breves. Examinamos la relación entre el tamaño de lote y el tiem po de preparación en la fórm ula EOQ de la ecuación (40.5). Los japoneses tienen la fórmula EOQ. la cual aprendieron de Estados Unidos, pero en lugar de usarla para calcular cantidades de lotes, concentran sus esfuerzos en encontrar las maneras de reducir el tiem po de preparación, lo cual perm ite lotes más pequeños y niveles más bajos de trabajo en proceso. Las com pañías de manufactura estadounidenses también están adop tando la reducción de la preparación com o una meta. Algunos enfoques que se usan para reducir el tiempo de preparación incluyen: I) realizar la m ayor parte de preparación posible, mientras todavía se ejecuta el trabajo anterior; 2) usar dispositivos de sujeción de acción rápida en lugar de pernos y tuercas: 3) eliminar o m inim izar los ajustes en la preparación y 4) usar tecnología de grupos y ma nufactura celular para que los estilos de partes similares se produzcan en el mismo equipo.
\ ------ Kanban de transporte
U na kanban de transporte autoriza el m ovim iento del envase de panes a la siguiente estación en la secuencia. Observe la figura 40.8 mientras explicam os cómo operan dos estaciones de trabajo en un sis tem a kanban, donde una alim enta a la otra. La figura muestra cuatro estaciones, pero aquí nos con centrarem os en la B y la C. La estación B es la que provee a este par. y la estación C es el cliente. La estación C alim enta a la estación D. Y la estación B es alim entada por la estación A. Cuando la estación C em pieza a trabajar con un envase lleno, un trabajador retira la kanban de transpone del envase y la regresa a B. El trabajador encuentra un envase lleno de panes en B que se acaban de producir, remueve la kanban de producción del envase y la coloca en un estante en B. Después, pone la kanban de transporte en el envase lleno, la cual autoriza su m ovimiento a la estación C. La kanban de producción en el estante de la estación B autoriza la producción de un nuevo lote de partes. La estación B produce más de un estilo de parte, tal vez para varias estaciones hacia abajo en la línea, adem ás de C. La program ación del trabajo se determ ina mediante el orden en el cual se
Entrega a tie m p o , c e ro d efecto s y e q u ip o confiable El éxito de la producción justo a tiem po requiere casi la perfección en la entrega oportuna, la calidad de las partes y la confiabilidad del equipo. Los tamaños pequeños de lotes y los almacenamientos de partes intermedios que se usan en JIT requieren que las partes se entreguen antes de que ocurra un desabasto en las estaciones del pro ceso. De lo contrario, la producción se suspendería en estas estaciones por falta de partes. Si las partes entregadas tienen defectos, no pueden usarse para ensambles. Esto tiende a promover cero defectos en la fabricación de partes. Los trabajadores revisan sus propios resultados para asegurarse que estén cor rectos antes de avanzar a la siguiente operación. Tener poco trabajo en proceso también requiere un equipo de producción confiable. Un sistema de producción JIT no tolera máquinas que se descompo nen. Esto enfatiza la necesidad de diseños de equipo confiable y la aplicación del mantenimiento pre ventivo. Sistema co n tin u o d e c o n tro l d e p ro d u c c ió n El esquema JIT requiere un sistema continuo de control de producción, en el cual la orden para producir partes en determ inada estación provie ne de la siguiente estación que usa tales partes. Conforme se acaba la provisión de panes en deter minada estación, ésta hace un “pedido de panes" en la estación anterior para «abastecerse. Esta orden condene la autorización de la siguiente estación para producir las panes necesarias. Este procedi miento, que se repite en cada estación por toda la planta, tiene el efecto de que las panes se muevan en forma continua por el sistema de producción. En contraste, un sistema de refuerzo de producción opera proporcionando panes a cada estación en la planta, lo cual dirige el trabajo de las estaciones iniciales a las finales. El M RP es un sistema de producción. El riesgo en un sistema de refuerzo pro ducción es sobrecargar la fábrica, programando más trabajo del que puede manejar, y provoca grandes filas de partes frente a máquinas que no pueden realizar el trabajo pendiente. Un sistema M RP mal instrumentado, que no incluya ninguna planeación de la capacidad, manifiesta este riesgo. El sistema continuo kanban que usa Toyota, la compañía automotriz japonesa, es muy cono cido. Kanban es una palabra jap o n esa que significa tarjeta. El sistema de control de la producción kanban se basa en el uso de tarjetas para autorizar la producción y el flujo de trabajo en la planta. Hay dos tipos de kanban: 1) de producción y 2) de transpone. Una kanban de producción autoriza la elaboración de un lote de partes. Las panes se colocan en envases, de modo que el lote debe tener sólo las panes suficientes para llenar el envase. No se permite la producción de panes adicionales.
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colocan las kanbans de producción en el estante. El sistem a continuo de kanbans entre las estaciones A y B y entre las estaciones C y D fun ciona igual que lo hace entre las estaciones B y C, descritas aquí. Este sistema de control de pro ducción evita papeleo innecesario. Se usan las tarjetas una y otra vez. en lugar de generar nuevas órdenes de producción y transporte en cada ciclo. Una desventaja evidente es la considerable mano de obra implícita en el manejo del m aterial (m over las tarjetas y envases entre las estaciones); sin em bargo, se dice que esto promueve la colaboración y el trabajo en equipo entre los trabajadores. F uerza d e tra b a jo y ba se d e p ro v e e d o re s Otro requisito de un sistema de producción JIT es que los trabajadores sean cooperadores, com prom etidos y capaces de realizar varias tareas. La fuerza de trabajo debe ser flexible para producir diversos estilos de partes en las estaciones de ali m entación, para revisar la calidad de sus trabajos y para m anejar problem as técnicos m enores con el equipo de producción, de modo que no ocurran averías importantes. El esquem a justo a tiempo se extiende a los proveedores de materiales y com ponentes de la em presa. Los proveedores deben cum plir las mismas normas de entrega a tiem po, cero defectos y otros requisitos JIT, al igual que la com pañía. Algunas políticas de ventas que usan las organiza ciones para instrum entar esquem as JIT incluyen: 1) reducir la cantidad total de proveedores. 2) seleccionar proveedores con registros com probados de cum plim iento de las normas de calidad y de entrega. 3) establecer sociedades a largo plazo con proveedores y 4) seleccionar proveedores que se localicen cerca de la planta de m anufactura de la com pañía.
40.5
CO N TRO L DE PISO DE TALLER
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La tercera fase en la planeación y el control de la producción se relaciona con la autorización de órdenes de producción, vigilar y controlar el avance de las órdenes y obtener inform ación actua lizada sobre el estado de las órdenes. El departam ento de adquisiciones es el responsable de estas funciones entre los proveedores. El térm ino control de piso de taller se em plea para describir estas funciones, cuando se realizan en las fábricas de la propia com pañía. En térm inos básicos, el
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Capítulo 40 / Planeación y control de la producción
Sección 40.5 / Control de piso de taller
control de piso de taller se relaciona con la adm inistración del trabajo en proceso de la fábrica. Es más importante en el trabajo de taller y en la producción en lotes, en donde hay varias solicitudes diversas en el taller que deben program arse y vigilarse de acuerdo con sus prioridades relativas. Un sistema común de control de piso de taller tiene tres módulos: 1) autorización de órdenes, 2) programación de órdenes y 3) avance de órdenes. Los tres módulos y su interrelación con otras funciones en la fábrica se m uestran en la figura 40.9. Se llevan a cabo mediante una com binación de sistemas de computadoras y recursos hum anos. Autorización de órdenes La autorización de órdenes en el control de piso de taller gene ra los documentos necesarios para procesar una orden de producción en la fábrica. En ocasiones los documentos se denominan el paquete del taller: por lo regular constan de: 1) la hoja de ruta, 2) las requisiciones para obtener los materiales iniciales de las tiendas, 3) las tarjetas de empleados para reportar el tiempo de mano de obra directa utilizado en una solicitud, 4) las boletas de desplaza miento para autorizar el transporte de panes a centros de trabajos subsecuentes en la ruta de pro ducción y 5) las listas de partes que se requieren para trabajos de ensamble. En una fábrica tradi cional. estos documentos se mueven junto con la orden de producción y se usan para registrar su avance por el taller. En las fábricas modernas, se usan métodos automatizados tales com o la tec nología de código de barras para vigilar el estado de una solicitud, la cual hace innecesarios algunos de estos documentos en papel. La autorización de órdenes o pedidos se controla mediante dos datos principales, com o se indica en la figura 40.9: 1) la planeación de requerim ientos de materiales, la cual autoriza la proFIGURA 40.9 Tres módulos en un sistema de control de piso de taller y las interconexiones con otras funciones de planeación y control de la producción.
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ducción y 2) una base de datos de ingeniería y manufactura, que indica la estructura del producto y los detalles de la planeación del proceso que se requieren para generar los docum entos que acom pañan la orden por el taller. Programación de las solicitudes En esta etapa se asignan las órdenes de producción a los centros de trabajo en la fábrica. A tiende la función de despacho en la planeación y control de la pro ducción. En la program ación de órdenes, se prepara una lista de despacho que indica qué órdenes deben procesarse en cada centro de trabajo. También proporciona las prioridades relativas para diferentes trabajos, por ejemplo, m ostrando las fechas de entrega de cada trabajo. La lista de despa cho ayuda al supervisor del departam ento a asignar trabajos y recursos a fin de cum plir con el pro gram a maestro. La program ación de órdenes en el control de piso de taller enfrenta dos problem as en la planeación y control de la producción: 1) carga de máquinas y 2) secuenciación de actividades de trabajo. Para program ar las órdenes de producción en la fábrica, primero deben asignarse a los cen tros de trabajo. La asignación de las órdenes a los centros de trabajo se denom ina cargar las m áquinas. C argar todos los centros de trabajo en la planta se denomina cargar el taller. Dado que es probable que la cantidad de órdenes de producción exceda la cantidad de centros de trabajo, cada centro de trabajo tendrá una fila de órdenes en espera de ser procesadas. Una m áquina de produc ción determ inada puede tener de diez a veinte actividades en espera de ser procesadas. La secuenciación de actividades es el problem a de decidir el orden en el cual se procesan las actividades en una m áquina determ inada. La secuencia de procesamiento se decide m ediante prio ridades entre las actividades en la fila. Las prioridades relativas se determinan m ediante una fun ción llam ada control de prioridad. Las siguientes son algunas de las reglas que se usan para estable cer las prioridades en las órdenes de producción de una planta:
Programa maestro de producción
>. Primero en llegar, prim ero en atenderse.
Las órdenes se procesan en la secuencia en la que
llegan al centro de trabajo. ^ Fecha de entrega más reciente.
Las órdenes con fechas de entrega más recientes reciben prio
ridades más altas. B ase de datos de ingeniería y manufactura
>. Tiempo de procesam iento m ás breve.
Planeación de requerimientos de materiales
Control de prioridades
Las órdenes con tiempos de procesam iento más corto
reciben prioridades más altas. >. M enor tiem po de inactividad. Las órdenes con la mínima actividad en su program a reciben prioridades más altas. El tiem po de inactividad se define com o la diferenc.a entre el tiempo que queda hasta la fecha de entrega y el tiempo de procesamiento. >. Razón crítica. Las solicitudes con la razón crítica más baja reciben prioridades más altas. La razón crítica se define como la razón del tiempo que queda hasta la fecha de entrega divi dida entre el tiem po de procesam iento restante.
Documentos de órdenes de producción
Lista de despacho
Sistem a de co lección de datos de la fábrica
Entrada de trabajo
Fábrica
Salida de productos
L
Flujo de productos
\ _ Centros de trabajo
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Las prioridades relativas de las órdenes pueden cam biar con el tiempo por diversas razones, entre las que se cuentan: 1) dem anda más alta o más baja de la esperada para ciertos productos, 2) averías del equipo que produzcan retrasos en la producción, 3) cancelaciones de solicitudes y 4) materias prim as defectuosas. El control de prioridad revisa las prioridades relativas en las órdenes de producción y ajusta la lista de despacho de acuerdo con ellas. Cuando se term ina una orden en un centro de trabajo, se mueve a la siguiente máquina en su ruta. La orden se vuelve parte de la carga de m áquina para el siguiente centro de trabajo, y se vuelve a usar el control de prioridad para determ inar la secuencia entre los trabajos que se van a procesar en tal máquina. Avance de las órdenes El avance de las órdenes en el control de piso de taller monitorea el estado de las órdenes, el trabajo en proceso y otros parámetros en la planta que indican avance y rendim iento de la producción. El objetivo del avance de órdenes es proporcionar inform ación para adm inistrar la producción con base en los datos recopilados de la fábrica.
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Capitulo 40 / Planeación y control de la producción Problemas
Existen varias técnicas para reunir datos de las operaciones de la fábrica, entre ellas están los procedimientos de oficina, los cuales requieren que los trabajadores registren los datos en formatos de papel, que posteriormente se integran con técnicas completamente automatizadas que no requie ren participación humana. En ocasiones se usa el término sistema de recopilación de datos de fá b ri ca para identificar estas técnicas. U na cobertura más completa de este tema, se presenta en [5].
40.4. 40.5. 40.6. 40.7. 40.8.
¿Cuál es la diferencia entre las demandas de productos dependientes e independientes? Defina sistema de inventario de punto de reabastecimiento. En la planeación de requerimientos de materiales, ¿cuáles son los artículos de uso común? Identifique cuáles son los datos para un procesador en la planeación de requerimientos materiales. ¿Cuáles son algunos de los cambios de recursos que pueden hacerse para aumentar la capacidad de una planta a corto plazo? 40.9. Identifique el objetivo principal en la producción justo a tiempo, desde el punto de vista japonés. 40.10. ¿Cuál es la diferencia entre un sistema continuo y un sistema de producción en el control de la produc ción y el inventario? 40.11. ¿Cuáles son las tres fases en el control de piso de taller?
La información que se presenta a los niveles directivos frecuentem ente se resume en reportes. Entre los repones están los siguientes: >- Reportes de estado d e solicitudes de trabajo. Éstos indican el estado de las órdenes de pro ducción, incluyendo el centro de trabajo donde se ubica cada orden, las horas de proce samiento que faltan p ara term inar la orden, si las actividades están a tiem po o no y el nivel de prioridad. >- Reportes de avance. Éstos se usan para reportar el desem peño del taller durante cierto pe riodo, semanal o m ensual, por ejemplo. Indica cuántas solicitudes se terminaron durante el periodo, cuántas se deberían haber realizado pero no se term inaron, etcétera.
PREGUNTAS DE OPCION MULTIPLE Hay un total de 17 respuestas correctas en el siguiente cuestionario. La calificación porcentual de la prueba debe basarse en este total.
»- Reportes de excepciones. Estos reportes indican las desviaciones del program a de produc ción, tales como retrasos en las actividades y excepciones similares.
40.1. ¿Cuál de los siguientes términos describe mejor el funcionamiento general de la planeación y el control de la producción? a) control de inventario, b) logística de manufactura, c) ingeniería de manufactura, d) producción masiva o e) diseño de productos. 40.2. ¿Cuál de las siguientes categorías se enlista generalmente en el programa maestro de producción? (Puede ser más de una.) a) los componentes que se usan para construir los productos finales, b) las órdenes de clientes de la empresa, c) las líneas de productos generales, d) las órdenes de mantenimien to y partes de repuesto, e) las predicciones de ventas y f) los neumáticos de repuesto. 40.3. ¿Cuál de las siguientes opciones forma parte de los costos iniciales de inventario? (Puede ser más de una respuesta.) a) tiempo muerto del equipo, b) inversión, c) obsolescencia, d) preparación, e) avería, f) existencias agotadas y g) almacenamiento. 40.4. ¿Cuáles de los siguientes son términos en la fórmula de cantidad económica de órdenes? (Nombre tres.) a) razón de demanda anual, b) tamaño de lote, c) costo por unidad, d) costo de mantener un inventario, e) tasa de interés y f) costo de preparación. 40.5. ¿Para cuál de los siguientes están planeados los sistemas de inventario de punto de orden? (Puede ser más de uno.) a) artículos de demanda dependiente, b) artículos de demanda independiente, c) cantidades bajas de producción, d) cantidades de producción masiva y e) cantidades de producción de rango inter medio. 40.6. ¿Con cuál de los siguientes recursos de manufactura se relaciona principalmente la planeación de los requerimientos? (Puede ser más de uno.) a) partes componentes, b) mano de obra directa, c) espacio de almacenamiento de inventario, d) equipo de producción y e) materias primas. 40.7. ¿Con cuál de los siguientes términos se asocia más estrechamente la palabra kanban? a) planeación de la capacidad, b) cantidad económica de órdenes, c) producción justo a tiempo, d) programa maestro de producción, o e) planeación de requerimientos materiales. 40.8. ¿Con cuál de las siguientes actividades se relaciona más estrechamente el término cargar las máquinas? a) asignar trabajos a un centro de trabajo, b) establecimiento de secciones en la fábrica, c) administrar el trabajo en proceso en la fábrica, d) autorizar órdenes para el taller o e) establecer secuencias de trabajo en una máquina.
Estos reportes son útiles en la tom a de decisiones de la adm inistración, com o la asignación de recursos, la autorización de tiem po extra y la identificación de áreas problem áticas que afectan adversamente el funcionam iento del program a maestro de producción.
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PROBLEMAS Control de inventarios
PREGUNTAS DE REPASO 40.1. ¿Qué significa el término hacer para almacenar existencias? 40.2. ¿En qué es diferente la planeación agregada del programa maestro de producción? 40.3. ¿Qué categorías de productos se enlistan en el programa maestro de producción?
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40.1. Se hace un producto para acumular existencias. La demanda anual es de 100 000 unidades. Cada unidad cuesta 4.00 dólares y la razón de costos de mantener un inventario anual = 25%. El costo de preparación para producir el artículo es de 300 dólares. Determine a) la cantidad económica de solicitudes y b) los costos del inventario total para esta situación. 40.2. Suponga lo siguiente: la demanda anual del producto X es 20 000 unidades; el costo por unidad = 6.00 dólares: la razón de costo de mantener un inventario = 2.5%/mes; el tiempo para cambios (preparación) entre promedios de productos = 2.0 hr, el costo de tiempo muerto durante los cambios = 175 dólares/hr. Determine a) la cantidad económica de solicitudes y b) los costos del inventario total para esta situación.
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Capítulo 40 / Planeación y control de la producción
Problemas
40.3. Un producto se fabrica en lotes. El tamaño del lote = 2000 unidades. La demanda anual = 50 000 unidades y el costo por unidad del producto = 4.00 dólares. El tiempo de preparación para producir un lote = 2.5 hr, el costo de tiempo muerto en el equipo afectado se calcula en 250 dólares/hr, y la razón de costo de man tener un inventario anual = 30%. ¿Cuánto se ahorraría al año si el producto se produjera en la cantidad económica de órdenes? 40.4. Cierta pieza del equipo de producción se usa para fabricar diversos componentes destinados a un produc to ensamblado de la compañía XYZ. Para conservar bajos los inventarios en proceso, se desea producir los componentes en lotes de 100 unidades. La demanda de cada producto es 2 500 unidades por año. Los costos de tiempo muerto de la producción se estiman en 200 dólares/hr. Todos los componentes que se hacen en el equipo tienen aproximadamente un valor igual: Cp = 9.00 dólares/unidad. La tasa de costo de mantener un inventario = 30%/año. ¿En cuántos minutos debe terminarse el cambio (preparación) entre lotes para que la cantidad económica de órdenes sea de 100 unidades? 40.5. El tiempo de cambio (preparación) actual en cierta máquina = 3.0 hr. El costo de tiempo muerto en esta máquina se estima en 200 dólares/hr. El costo de mantener un inventario anual por parte hecha en el equipo C/, = 1.00 dólar. La demanda anual de esta parte es de 14 000 unidades. Determine a) la cantidad económi ca de solicitudes y b) los costos del inventario total para estos datos. Asimismo, determine c) la EOQ y d) los costos de inventario total si este tiempo de cambio se redujera a 6 minutos. 40.6. El enfoque de dos envases se usa para controlar el inventario de un componente particular de bajo costo. Cada envase contiene 1 000 unidades. El uso anual del componente es de 40 000 unidades. El costo de solicitar el componente es de alrededor de 50 dólares, a) ¿Cuál es el costo de mantener un inventario por unidad para estos datos? b) Si el costo de mantener un inventario anual real por unidad es de sólo 5 cen tavos, ¿qué tamaño de lote debe solicitarse? c) ¿Cuál es el costo adicional del enfoque actual de dos enva ses que debe pagar anualmente la compañía, en comparación con la cantidad económica de órdenes?
Programación de solicitudes 40.10. Se van a fabricar cuatro productos en el departamento A, y se pretende determinar la asignación de recursos en tal departamento con el fin de cumplir la demanda requerida de estos productos para una semana determinada. La demanda y otros datos de los productos son los siguientes: D e m a n d a sem an al P ro d u cto (piezas) 1 2 3 4
40.7. Se van a planear los requerimientos de cantidades del componente C2 en el producto Pl. Las entregas requeridas de Pl se proporcionan en la figura 40.2. Los tiempos para terminar la orden, la manufactura y el ensamblado son los siguientes:
Tiempo (en semanas): 1
SI
C2
2
1
M2
Tiempo (en semanas): 1
S2 1
C5 3
750 900 400 400
6 5 7 6
4.0 3.0 2.0 3.0
O rd e n A
T iem p o d e p ro c e so resta n te (días) S
F echa d e en treg a 25
8
16
34
C
7
24
Determine la secuencia de las solicitudes que se programarían usando: a) primero en llegar, primero en atenderse, b) fecha de entrega más inmediata, c) tiempo de procesamiento más corto, d) menor tiempo inactivo y e) razón crítica.
2
Dada la estructura del producto en la figura 40.6, determine los requerimientos en fases de tiempo para M2, C2 y SI con el propósito de cumplir el programa maestro de Pl. Supóngase que no hay artículos de uso común y que todos los inventarios de existencias y recepciones programadas son cero. Use un formato similar al de la figura 40.7. Ignore la demanda de Pl después del periodo 10. 40.8. Se van a planear los requerimientos del componente C5 en el producto P l. Las entregas requeridas de Pl se proporcionan en la figura 40.2. Los tiempos para terminar la orden, la manufactura y el ensam blado son los siguientes:
Identificación del artícuio:Pl
T iem p o d e p re p a ra c ió n T iem p o d e o p e ra c ió n (hr) (m in/pzas)
La planta normalmente opera un tumo (7.0 hr/tumo), 5 días por semana, y actualmente hay tres centros de trabajo en el departamento. Proponga una forma de programar las máquinas para cumplir la deman da semanal. 40.11. En el problema 40.10. proponga una forma de programar para cumplir la demanda semanal si hubiera cuatro centros de trabajo en lugar de 3. 40.12. La fecha actual en el calendario de producción de la compañía XYZ es el día 15. Se van a procesar 3 solicitudes (A. B y C), en un centro de trabajo particular. Las órdenes llegaron en la secuencia A, B. C. al centro de trabajo. La tabla siguiente indica el tiempo de proceso restante y el calendario de produc ción para la entrega de cada orden:
Planeación de requerimientos de materiales
Identificación del artículo: Pl
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M5 2
Dada la estructura del producto en la figura 40.6, determine los requerimientos en fase de tiempo para M5. C5 y S2 de cumplir el programa maestro para P l. Suponga que no hay artículos de uso común. Los inventarios en existencias son 200 unidades para M5, 100 unidades para C2 y cero para S2. Use un for mato similar al de la figura 40.7. Ignore la demanda de Pl después del periodo 10. 40.9. Solucione el problema 40.8, pero incorpore los siguientes datos a la información proporcionada: las entregas programadas de M5 son 250 unidades en el periodo (semana) 3 y 50 unidades en el periodo (semana) 4.
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Secc ión 41.1 / Metrología
La m edición es un procedim iento en el cual se com para una cantidad desconocida con un estándar conocido, usando un sistema de unidades aceptado y consistente. La medición puede implicar ya sea una simple regla lineal para establecer la escala de la longitud de una parte o una medición com pleja de fuerza contra deflexión durante una prueba de tensión. La medición propor ciona un valor num érico de la cantidad que nos interesa, dentro de cienos límites de precisión y exactitud. La inspección es un procedim iento en el cual se exam ina alguna característica de una pane o producto, tal com o una dimensión, para determinar si se apega o no a la especificación del diseño. Muchos procedim ientos de inspección se basan en técnicas de medición, mientras que otros usan métodos de calibración. La calibración determina sencillamente si la característica de la pane cumple o no con la especificación del diseño — si la pane pasa o no pasa la inspección. Por lo gene ral es más rápida que la medición, pero proporciona información insuficiente del valor real de la característica que nos interesa. El capítulo em pieza con un análisis de los principios de m edición e inspección. D espués se revisan los instrum entos usados para m edir e inspeccionar dim ensiones de panes y características de superficies, desde reglas lineales básicas hasta máquinas de m edición autom atizada por com pu tadora.
MEDICIÓN E INSPECCIÓN C O N T EN ID O DEL C A P ÍT U LO 41.1
Metrología
41.2
41.1.2 Estándares y sistemas de medición Principios de inspección
41.1.
41.1.1 Principios de medición
41.4
41.5
41.2.3 Inspección por contacto contra inspección sin contacto Instrumentos de medición y calibradores convencionales 41.3.1 Bloques calibradores de precisión 41.3.2 Instrumentos de medición para dimensiones lineales 41.3.3 Instrumentos comparativos 41.3.4 Calibradores fijos 41.3.5 Mediciones angulares Mediciones de superficies
41.1.1 Principios de medición
41.4.1 M edición de la rugosidad superficial 41.4.2 Evaluación de la integridad de superficie Tecnologías avanzadas de medición e inspección 41.5.1 Máquinas de medición de coordenadas 41.5.2 Mediciones con láseres 41.5.3 Visión de máquina 41.5.4 Otras técnicas de inspección sin contacto
Un requerimiento básico en la m anufactura es que el producto y sus com ponentes cum plan las especificaciones establecidas por el ingeniero de diseño. Las especificaciones de diseño incluyen las dim ensiones, las tolerancias y los acabados de las superficies de las panes indi viduales que com prenden el producto. Las dimensiones, las tolerancias y las características de superficie se definieron en el capítulo 5. A quí consideraremos cóm o m edirlas e inspec cionarlas.
M ETROLOGÍA La m etrología es la ciencia de la medición, y se relaciona con seis cantidades fundamentales: lon gitud. m asa, tiem po, corriente eléctrica, temperatura y radiación luminosa. A p an ir de éstas, se derivan la m ayoría de las otras cantidades físicas, tales com o el área, el volumen, la velocidad, la aceleración, la fuerza, el voltaje eléctrico y la energía térmica. En la metrología de manufactura, nuestro principal interés es la medición de la longitud y sus diversas formas de m anifiestarse en una pane o producto. Éstas incluyen longitud, ancho, profundidad, diámetro, rectitud, igualdad de superficie y redondez; incluso la aspereza de una superficie se define en términos de longitud.
41.2.1 Prueba contra inspección 41.2.2 Inspección manual y automatizada 41.3
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Se aplican ciertos conceptos y principios en prácticamente todas las mediciones. Los más im por tantes son la exactitud y la precisión. E xactitud y p re c isió n La exactitud es el grado en el que un valor medido coincide con el valor verdadero de la cantidad que nos interesa. Un procedim iento de medición es exacto cuando no tiene errores sistem áticos. Los errores sistem áticos son desviaciones positivas o negativas del valor verdadero que son consistentes de una medición a la siguiente. La precisión es el grado en el que se puede repetir el proceso de m edición. U na buena pre cisión significa que se reducen al m ínim o los errores aleatorios en el procedim iento de medición. Por lo general los errores aleatorios se asocian con la participación hum ana en el proceso de medición. Entre los ejem plos están las variaciones en la preparación, la lectura imprecisa de la escala, las aproxim aciones redondeadas, etc. Entre los elem entos no humanos que contribuyen al error aleatorio están los cam bios de temperatura, el desgaste gradual y el desajuste en los elem en tos funcionales de un artículo y otras variables. Se supone que los errores aleatorios obedecen a una distribución estadística normal cuya m edia es cero y cuya desviación estándar se proporciona mediante:
(41.1)
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Capitulo 41 / Medición e inspección
Sección 41.1 / Metrología
en donde o = desviación estándar de la población; x¡ = variable que nos interesa; n = media de población; y n = cantidad de miembros en la población. La distribución normal posee ciertas propiedades bien definidas, incluyendo el hecho de que 99.73% de la población se encuentra den tro del ± 3 a de la m edia de población. Con frecuencia esto se considera com o un indicio de la pre cisión de un instrumento de medición. La diferencia entre exactitud y precisión se muestra en la figura 41.1. En la parte (a), el error aleatorio en la medición es grande, e indica una precisión baja; pero el valor de la media de m e dición coincide con el valor verdadero, lo que indica gran exactitud. En la pane (b) el error de medición es pequeño (buena precisión), pero el valor medido difiere sustancialm ente del valor ver dadero (baja exactitud). En (c) son buenos tanto la exactitud como la precisión. No es posible construir un instrumento de medición que tenga una exactitud perfecta (ningún error sistemático) y una precisión perfecta (ningún error aleatorio). La exactitud del instrumento se conserva mediante una calibración adecuada y regular (que se explicará más adelante). La pre cisión se obtiene seleccionando la tecnología de instrumento adecuada para la aplicación. Una pauta que se aplica con frecuencia para determ inar el nivel de precisión correcto es la regla de 10, la cual declara que el dispositivo de m edición debe ser 10 veces más preciso que la tolerancia especifi cada. Por tanto, si la tolerancia que se va a m edir es ± 0.010 pulg (± 0.25 m m ), el dispositivo de medición debe tener una precisión de ± 0.001 pulg (± 0.025 mm).
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generalm ente se considera el lapso de tiempo entre el cam bio de la cantidad que nos interesa y cuando el dispositivo es capaz de indicar el cam bio dentro de cieno porcentaje pequeño del valor verdadero. El instrum ento de medición debe poseer un rango de operación amplio, que es la capacidad de m edir la variable física en un periodo de interés práctico para el usuario. Por supuesto que la c on fiabilidad alta, que se define como la ausencia de fallas frecuentes del dispositivo, y el bajo costo son atributos deseables en cualquier equipo de ingeniería. Las características descritas en esta sección se usan como criterios para seleccionar un dis positivo de medición. Debe mencionarse que pocos instrumentos de m edición obtienen marcas per fectas en todos los criterios. En general, es necesario com prom eter algunos aspectos para ganar otros cuando se elige un dispositivo para determ inada aplicación, y debe ponerse énfasis en aque llos criterios que son más importantes.
41.1.2
Estándares y sistemas de medición
Otras características de los instrumentos de medición Otro aspecto de un instrumento de medición es su capacidad para captar diferencias muy pequeñas en la cantidad que interesa. La indicación de esta característica es la variación más pequeña de la cantidad que puede detectar el instrumento. En general se aplican los términos de resolución y sensibilidad para este atributo en un dispositivo de medición. Otras características deseables de un instrumento de m edición incluyen la facilidad de ca libración. la estabilidad, la velocidad de respuesta, el rango de operación am plio, la confiabilidad alta y el costo bajo. La m ayoría de los dispositivos de medición deben calibrarse en forma periódi ca. La calibración es un procedim iento de medición que se verifica contra un estándar conocido. Por ejemplo, calibrar un term óm etro implicaría verificar su lectura en hielo (de agua pura). Por conveniencia, al usar el instrum ento de medición, el procedimiento de calibración debe ser rápido y simplificado. Una vez que se calibra, el instrumento debe ser capaz de conservar su calibración y continuar midiendo la cantidad sin desviarse del estándar. Esta capacidad de conservar la calibra ción se llama estabilidad y la tendencia del dispositivo a perder gradualm ente su precisión en re lación con el estándar se denom ina desviación. Algunas medidas, en especial en un ambiente de manufactura, deben hacerse con rapidez. La capacidad de un instrum ento de medición para indicar la cantidad en el m ínim o periodo se de nomina velocidad de respuesta. En condiciones ideales, el periodo debe ser cero; sin em bargo, éste es un ideal imposible. Para un dispositivo de m edición automática, la velocidad de respuesta FIGURA 41.1 Exactitud vs. precisión en la medición: (a) exactitud alta, pero precisión baja; (b) exactitud baja, pero precisión alta; (c) exactitud y precisión altas.
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Un aspecto com ún en cualquier procedim iento de medición es la com paración del valor desco nocido con un estándar conocido. Son muy importantes dos aspectos de un estándar: 1) debe ser consistente y no cam biar con el tiempo y 2) debe basarse en un sistem a de unidades que sea consis tente y que acepten los usuarios. En la época moderna, los estándares para longitud, masa, tiempo, corriente eléctrica, temperatura y luz se definen en términos de fenómenos físicos, porque existe la confianza de que no se alterarán. Por ejemplo, el estándar para un metro, la cantidad de longitud básica del Sistem a Internacional se define com o la distancia que viaja la luz en el vacío en 1/299,792 458 de un segundo (¿acaso no es muy útil?). En el m undo han evolucionado principalmente dos sistemas de unidades: 1) el sistem a usual de Estados U nidos (en inglés U. S. customary system , U.S.C.S), y 2) el Sistema Internacional de U nidades (o SI, que frecuentemente se identifica com o el sistem a métrico (véase nota histórica 41.1). Estos dos sistem as son muy conocidos. Usam os ambos en paralelo a lo largo de todo el libro. El sistem a m étrico se usa ampliamente en casi cualquier parte del m undo industrializado excepto en Estados U nidos, que se ha apegado obstinadam ente a su U.S.C.S. Sin embargo, en form a gra dual, también se está adoptando el SI.
Nota histórica
41.1
Sistemas de medición_________________________________________________________________
L os sistemas de medición en las civilizaciones antiguas se basaban en las dimensiones del cuerpo humano. Los egipcios desarrollaron el codo como un estándar de medición lineal alrededor del año 3000 a.C .el cual se usó ampliamente en el mundo antiguo. El codo se definía como la longitud de un brazo y mano humanas del codo a la punta de los dedos. Aunque aparentemente plagado de dificultades debido a las variaciones en las longitudes de los brazos, el codo se estandarizó en la forma de un codo maestro de granito Este codo estándar, de 26.6 pulg (524 mm). se usó para producir otras barras de codos en todo Egipto El codo estándar se dividió en dedos (de la anchura de un dedo humano), con 28 dedos por codo. Cuatro dedos equivalían a una palm a, y cinco a una mano. De esta forma se desarrolló en el mundo antiguo el sistema de medidas y estándares. En épocas más recientes, el dominio del mundo mediterráneo antiguo pasó a los griegos y después a los romanos La medida lineal básica de los griegos era el dedo (alrededor de 3/4 pulg). y 16 dedos equivalían a un pie. Los romanos adoptaron y adaptaron el sistema griego, específicamente el pie. dividiéndolo en 12 partes o pulgadas (unciae .como o llamaban los romanos) Los romanos definieron 5 pies como un paso y 5000 pies como una milla (si era tan exacto, ¿por qué terminamos con 5280 pies en una milla?).
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Capítulo 41 / Medición e inspección
Sección 41.2 / Principios de inspección
En la Europa m edieval s e d es a rro lla ro n d ife re n te s s is te m a s d e m e d ició n n a c io n a le s y regionales, m u c h o s d e e llo s b a s a d o s en los e s tá n d a re s ro m a n o s En el m u n d o o cc id en ta l surgieron d o s s is te m a s prim arios, el s is te m a inglés y el sis te m a m étrico. El s is te m a inglés d efinió la yarda "com o la d ista n cia d e la p u n ta del d e d o p u lg ar a la p u n ta d e la nariz del rey inglés E nrique I 113|. La yarda s e div id ió en 3 p ie s y é s to s , a su vez. en 12 p u lg a d as. D ado q u e las co lo n ias e s ta d o u n id e n s e s e s ta b a n s o m e tid a s a Inglaterra, fue n atu ral q u e a d o p ta ra n el m ism o s is te m a d e m e d ició n en el m o m e n to d e su in d e p e n d e n c ia . É ste se convirtió en el s is te m a h ab itu al d e E s ta d o s U nidos (U.S.C.S ). La p ro p u e sta inicial del sis te m a m é tric o s e d e b e al vicario G M o u to n en Lyon. Francia, a lred ed o r d e 1670. Su p ro p u e s ta incluía tre s a trib u to s im p o rta n te s q u e d e s p u é s se incorporaron en los e s tá n d a re s m étricos: 1) la u n id a d b ásic a s e d efin ía en té rm in o s d e u n a m edición d e la tierra, q u e se s u p o n ía c o n s ta n te (la m ed id a d e lo n g itu d q u e p ro p u s o el vicario s e b a sa b a en la longitud d e un arc o d e un m in u to d e lo n g itu d ); 2) las u n id a d e s se subdividían en form a decim al y 3) s e u s a b a n prefijos racio n ale s p ara las u n id a d es. La p ro p u e sta d e M outon se analizó y d e b a tió e n tre los cien tífico s d e Francia d u ra n te los sig u ie n tes 125 añ o s. Uno d e los r e s u lta d o s d e la R evolución F ran cesa fue la ad o p c ió n del siste m a m étrico d e p e s o s y m e d id as (en 1795) La u n id a d básica d e lo n g itu d era el m etro, q u e se definió e n to n c e s co m o 1/10.000 000 d e la lo n g itu d del m e rid ia n o s itu a d o e n tre el Polo N orte y el E c u ad o r y q u e p a s a b a p o r París (por s u p u e s to ) Los m ú ltip lo s y las sub d iv isio n es del m e tro se b a s a b a n en los prefijos grieg o s La divulgación de! s is te m a m étrico en E uropa d u ra n te la prim era p a rte del sig lo xix fue estim u la d a por los éx ito s m ilitares d e los e jé rc ito s fran ce se s b ajo N ap o leó n En o tra s p artes de! m u n d o , la ad o p c ió n del s is te m a m é tric o o cu rrió a través d e m u c h o s a ñ o s y frecu e n tem en te fue m otivada p o r c a m b io s p o lític o s significativos, é s te fue el ca so d e lapón, China, la U nión S oviética y L a tin o a m éric a Un acta del P arla m en to Británico d e 1963 redefinió el sis te m a in g lés d e p e s o s y m e d id as en té rm in o s d e u n id a d e s m é tric a s e im p u so un c a m b io al s is te m a m étrico d o s añ o s d e sp u é s, con lo q u e G ran B retaña s e a lin e ó con el re sto d e E uropa. E sto d e jó a E sta d o s U nidos c o m o la única nación in d u strial im p o rta n te q u e n o u tilizab a el s is te m a m étrico En 1960, u n a conferencia in te rn a c io n a l so b re p e s a s y m e d id a s c e leb rad a en París llegó a un ac u erd o s o b re los n u ev o s e s tá n d a re s b a s a d o s en el sis te m a m étrico Por ta n to , el sistem a m étrico s e convirtió en el s is te m a in tern acio n al (SI)
41.2
41.2.1
Prueba contra inspección En tanto que la inspección determ ina la calidad del producto en relación con las especificacio nes de diseño, el ensayo generalm ente hace referencia a los aspectos funcionales del producto. ¿Funciona el producto adecuadam ente?, ¿continuará funcionando durante un periodo conside rable?, ¿funcionará en ambientes de tem peratura y humedad extremas? En control de calidad, el ensayo es un procedim iento en el cual el producto, subensamble, parte o material se observa en condiciones que podrían encontrarse durante el servicio. Por ejemplo, se prueba un producto operándolo durante cierto tiem po para determ inar si funciona en forma correcta. Si pasa el e n sayo, se aprueba para entregarlo al cliente. Otro ejem plo de ensayo es cuando un m aterial del cual se hace una parte está sujeto a una tensión equivalente o m ayor a la que se prevé durante el servicio. En ocasiones, el ensayo de un com ponente o m aterial es dañino o destructivo. En estos casos, los artículos deben evaluarse con base en un m uestreo. El costo de las pruebas d estru cti vas es significativo y se realizan grandes esfuerzos para desarrollar m étodos que no provoquen la destrucción del artículo. Estos m étodos se denom inan com o una prueba no destructiva (en inglés non-destructive testing, N D T) o una evaluación no destructiva (en inglés non-destructive evaluation. ND E).
41.2.2,
Inspección manual y automatizada
PRINCIPIOS DE INSPECCION La inspección implica el uso de técnicas de m edición y calibración para determ inar si un producto, sus componentes, subensam bles o materiales iniciales se apegan a las especificaciones del diseño. Es diseñador del producto establece las especificaciones, y para los productos m ecánicos éstas se refieren a las dimensiones, acabados de superficie y características similares. La inspección se realiza antes, durante y después de manufactura. Las inspecciones se divi den en dos tipos: 1) inspección po r variables, en la cual las dim ensiones del producto o parte se miden mediante instrum entos de medición apropiados; y 2) inspección p o r atributos, en la cual las panes se calibran para determ inar si están dentro de los límites de tolerancia o no. La ventaja de medir las dimensiones de una parte es que se obtienen datos acerca de sus valores reales. Los datos pueden registrarse durante un tiempo y em plearse posteriorm ente para analizar tendencias en el pro ceso de manufactura. Es posible hacer ajustes en el proceso con base en los datos, para que las partes futuras se produzcan con valores más cercanos al diseño nominal. Cuando una dimensión de parte se calibra sim plem ente, todo lo que se sabe es si está dentro de la tolerancia, es demasiado grande o demasiado pequeña. Por otra parte, la calibración puede hacerse con rapidez y a un cos to bajo.
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Los procedimientos de inspección se realizan frecuentem ente en forma manual. En general, el tra bajo es aburrido y m onótono, aun cuando es alta la necesidad de precisión y exactitud. En ocasiones se requieren horas para m edir las dim ensiones importantes de una sola parte. D ebido al tiem po y al costo de la inspección manual, generalm ente se usan procedimientos de muestreo estadístico para reducir la necesidad de inspeccionar todas las partes.
M u e s tre o c o n tr a in s p e c c ió n al 1 0 0 % C uando se usa la inspección de m uestreo, por lo general la cantidad de partes en la m uestra es pequeña en com paración con la cantidad de partes producidas. El tam año de la m uestra puede ser únicam ente el 1% de la actividad de pro ducción. Debido a que no se m iden todos los artículos en la población, en cualquier p roce dim iento de m uestreo existe el riesgo que pasen partes defectuosas. Un propósito del m uestreo estadístico es definir el riesgo esperado, esto es. determ inar la razón de defectos prom edio que pasará por el procedim iento de m uestreo. El riesgo se reduce increm entando el tam año de la m uestra y la frecuencia con que ésta se recopila. Pero se sigue aceptando que debe tolerarse algo m enos que el 100% de buena calidad, porque éste es el precio de usar un procedim iento de muestreo. En teoría, la única forma de obtener una calidad al 100% es mediante una inspección del 100%; por tanto, se filtran todos los defectos y sólo las partes de buena calidad pasan el proce dim iento de inspección. Sin em bargo, cuando se hace una inspección al 100% en form a manual se encuentran dos problem as. El prim ero es el gasto implícito. En lugar de dividir el costo de inspec cionar la m uestra entre la cantidad de partes en el proceso de producción, el costo de inspección unitaria se aplica a todas las partes del lote. El costo de inspección en ocasiones supera el costo de fabricación. Segundo, en la inspección m anual al 100%, casi siem pre hay errores asociados con el procedimiento. La tasa de errores depende de la com plejidad y dificultad de la tarea de inspección y cuánto juicio debe aplicar la persona que realiza la inspección. Estos factores se com plican por el cansancio del operador. Los errores significan que se aceptará cierta cantidad de partes de poca ca lidad y que se rechazará cierta cantidad de partes de buena calidad. Por tanto, una inspección al 100% que utilice m étodos manuales no garantiza una buena calidad del 100% del producto.
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Sección 41.3 / Instrumentos de medición y calibradores convencionales
Capítulo 41 / Medición e inspección
Inspección 1 0 0 % a u to m a tiz a d a La autom atización del proceso de inspección ofrece un modo de superar los problemas asociados con la inspección 100% manual. La inspección autom a tizada se define como la autom atización de uno o más pasos en el procedim iento de inspección, tales como: 1) la presentación autom atizada de las partes mediante un sistem a de manejo auto matizado. en donde un operador todavía realiza el proceso de inspección real (por ejem plo, la inspección visual para buscar defectos en las panes); 2) la carga manual de las panes en una m á quina de inspección autom ática y 3) una celda de inspección completam ente autom atizada en la cual las panes se presentan y se inspeccionan en form a automática. La autom atización de la ins pección también incluye la recopilación de datos com putarizados a partir de instrum entos de me dición electrónicos. Una inspección 100% autom atizada se integra con el proceso de m anufactura para reali zar una o las dos acciones siguientes en relación con el proceso: 1) clasificación de las partes y 2) retroalimentación de datos para el proceso. La clasificación de las partes significa dividir los artículos en dos o más niveles de calidad. La separación básica incluye dos niveles: aceptables y no aceptables. Algunas situaciones incluyen más de dos niveles, tales como aceptables, reelaborables y desperdicios. La clasificación y la inspección pueden combinarse en la misma estación. O tras ins talaciones ubican una o más inspecciones a lo largo de la línea de procesamiento, con la estación de clasificación cerca del final de la línea. Los datos de inspección se analizan y se envían instruc ciones a la estación de clasificación, indicando qué acción se requiere para cada parte. La retroalimentación de los datos de inspección hacia la corriente de operaciones de m anu factura permite realizar ajustes en el proceso para reducir la variabilidad y m ejorar la calidad. Si las medidas de inspección indican que el resultado se está alejando de los límites de tolerancia (por ejemplo, debido al desgaste de herram ienta), se hacen correcciones a los parám etros del proceso para mover el resultado hacia el valor nominal. Por tanto, el resultado se m antiene dentro de un rango de variabilidad más pequeño del que es posible obtener con los m étodos de inspección por muestreo.
41.2.3
41.3 INSTRUMENTOS DE M EDICIÓN Y CALIBRADORES CONVENCIONALES En esta sección, consideram os los diversos instrumentos y calibradores que se operan en form a manual y que se usan para m edir dim ensiones tales como longitud, profundidad y diám etro, al igual que características tales com o ángulos, rectitud y redondez. Este equipo se encuentra en los labo ratorios de m etrología, los departam entos de inspección y las salas de herram ientas. El tem a inicial lógico son los bloques calibradores de precisión.
41.3.1
Bloques calibradores de precisión Los bloques de calibradores de precisión son los estándares contra los que se com paran otros instru mentos y calibradores de medición de dimensiones. En general, los bloques de calibración tienen forma cuadrada o rectangular. Las superficies de medición tienen un acabado considerado dim en sionalm ente exacto y paralelo hasta dentro de varias millonésim as de una pulgada y pulidos con un acabado tipo espejo. Existen diversos grados de bloques de calibración de precisión, con toleran cias más estrechas para grados de precisión más altos. El grado más alto, el estándar maestro de la boratorio. posee una tolerancia de ± 0.000 001 pulg (± 0.000 03 mm). D ependiendo del grado de dureza y del precio que el usuario esté dispuesto a pagar, es posible hacer bloques de calibración de varios m ateriales duros, entre los que se encuentran el acero para herram ientas, el acero lam i nado con crom o, el carburo de crom o, o el carburo de tungsteno. Existen bloques de calibración de precisión disponibles en ciertos tamaños estándares o en ju e gos, que contienen diversos bloques de tamaños distintos. Los tamaños de un bloque de calibración en un conjunto se determinan en forma sistemática para que puedan apilarse con el propósito de obtener virtualm ente cualquier dim ensión deseada dentro de 0.0001 pulg (0.0025 mm). Para m ejores resultados, los bloques de calibración deben usarse sobre una superficie plana, tal como una placa de superficie. Una placa de superficie es un bloque sólido y grande cuya super ficie superior tiene un acabado totalm ente plano. Casi todas las placas de superficie actuales están hechas de granito duro. El granito tiene varias ventajas: es duro, no se oxida, no es magnético, su desgaste es lento, es térm icam ente estable y fácil de mantener. Los bloques de calibración y otros instrumentos de alta precisión deben usarse en condicio nes de tem peratura estándar y otros factores que podrían afectar adversamente la medición. Por medio de un acuerdo internacional, se estableció que la tem peratura estándar es de 68 °F (20 °C). Los laboratorios de metrología funcionan en este estándar. Si se usan bloques de calibración u otros instrumentos de m edición en un am biente de fábrica, en donde la tem peratura difiere de este están dar. se requieren correcciones en relación con la expansión o contracción térmicas. A simism o, los bloques de calibración funcionales que se usan para inspección en el taller están sujetos al desgaste y deben calibrarse periódicam ente contra bloques de calibración de laboratorio más precisos.
Inspección por contacto contra inspección sin contacto Existen diversas tecnologías de medición y calibración para inspección. Las posibilidades se divi den entre los métodos de inspección por contacto y sin contacto. La inspección p o r contacto im pli ca el uso de una sonda m ecánica u otro dispositivo que hace contacto con el objeto que se inspec ciona. Por su naturaleza, esta inspección generalm ente se utiliza para m edir o calibrar alguna dimensión física de la parte. Se realiza en form a manual o automática. Gran parte de los disposi tivos de medición y calibración tradicionales descritos en la siguiente sección se relacionan con la inspección por contacto. Un ejem plo de un sistem a autom atizado de m edición por contacto es la máquina de medición de coordenadas (sección 41.5.1). Los métodos de inspección sin contacto utilizan un sensor localizado a cierta distancia del objeto para medir o calibrar la característica deseada. Las ventajas comunes de la inspección sin contacto son: 1) ciclos de inspección más rápidos y 2) se evita que puedan ocurrir daños a las partes debido al contacto. Con frecuencia los métodos sin contacto se realizan en la línea de producción sin ningún manejo especial. En contraste, la inspección por contacto requiere una colocación espe cial de la parte, lo cual provoca su rem oción de la línea de producción. Asimism o, los métodos de inspección sin contacto son inherentem ente más rápidos, debido a que em plean una sonda esta cionaria que no requiere la colocación de cada parte. Por el contrario, la inspección por contacto requiere colocar la sonda de contacto contra la parte, una actividad que consum e tiempo. Las tecnologías de inspección sin contacto se clasifican como ópticas y no ópticas. Entre los métodos ópticos más destacados están los láseres (sección 41.5.2) y la visión de máquina (sección 41.5.3). Los sensores de inspección no óptica incluyen las técnicas de campos eléctricos, las técni cas de radiación y los ultrasonidos (sección 41.5.4).
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41.3.2
Instrumentos de medición para dimensiones lineales
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Los instrumentos de medición se dividen en dos puntos: graduados y no graduados. Los dispositivos de medición graduados incluyen un conjunto de marcadores (llamados graduaciones) sobre una escala lineal o angular, contra la cual puede compararse la característica sujeta a medición del objeto. Los dis positivos de medición no graduados no poseen tal escala y se usan para hacer comparaciones entre las dimensiones o para transferir una dimensión y efectuar su medición mediante un dispositivo graduado. El más sim plificado de los dispositivos de medición graduados es la regla (hecha de acero y con frecuencia denom inada una regla de acero), que se usa para m edir dim ensiones lineales. Están disponibles en diversas longitudes, los tamaños comunes en Estados U nidos son 6, 12 y 24 pulg; las graduaciones en estas henam ientas son 1/32, 1/64 y 1/100 de pulg. Las longitudes de reglas métricas incluyen 150, 300. 600 y 1000 mm, con graduaciones de 1 o 0.5 mm.
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Sección 41.3 / Instrumentos de medición y calibradores convencionales
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Capítulo 41 / M edición e inspección
Existen calibradores (calipers) en estilo graduado y no graduado. Un calibrador no gradua do (que se denomina sim plem ente un calibrador) consta de dos patas unidas mediante un m eca nismo articulado, com o se muestra en la figura 41.2. Los extremos de las patas están hechos para entrar en contacto con las superficies del objeto que se mide y la articulación está diseñada para sostener las patas en posición durante el uso. Los contactos apuntan hacia adentro o hacia afuera. Cuando apuntan hacia adentro, como en la figura 41.2, el instrumento se denom ina un calibrador externo y se usa para m edir dim ensiones extem as tales com o un diám etro. Cuando los contactos apuntan hacia afuera, se denom ina un calibrador interno, el cual se usa para m edir la distancia entre dos superficies internas. Un instrumento sim ilar a la configuración del calibrador es el divisor, excepto que ambas piernas son rectas y terminan en contactos duros con puntas agudas. Los divi sores se usan para establecer distancias en escala entre dos puntos o líneas sobre una superficie y para inscribir círculos o arcos sobre una superficie. Existen diversos calibradores graduados para diferentes propósitos de m edición. El más sen cillo es el calibrador deslizable, una regla de acero a la cual se le añaden dos quijadas, una fija en un extremo de la regla y la otra móvil (figura 41.3). Los calibradores deslizables se usan para mediciones internas o externas, dependiendo si se usan las caras internas o externas de la quijada. Durante la medición, las quijadas se ponen en contacto con las superficies de las partes que se van a medir y la posición de la quijada móvil indica la dim ensión que interesa. Los calibradores desli zables permiten m ediciones más precisas y exactas que las reglas simples. Un refinam iento del ca librador deslizable es el calibrador vernier, que se m uestra en la figura 41.4. En este dispositivo, la quijada móvil incluye una escala de vemier, llamada así en honor de P. Vemier (1580-1637), el matemático francés que la inventó. El vem ier proporciona graduaciones de 0.001 pulg, en la escala
FIGURA 41.2
tó lid
H.U1D1
Dos tamaños de calibradores externos (cortesía de L. S. Starrett Co.).
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FIGURA 41.3
Calibrador deslizable; se muestran ambos lados del instrumento (cortesía de L. S. Starrett Co.).
FIGURA 41.4
Calibrador vernier (cortesía de L. S. Starrett Co.).
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Capítulo 41 / Medición e inspección
Sección 41.3
usual de Estados Unidos (y 0.01 mm en el SI), por esa causa es mucho más preciso que el calibrador deslizable.
41.3.3
Los instrum entos com parativos se usan para equiparar las dim ensiones entre dos objetos, tales com o una pane de trabajo y una superficie de referencia. En general, no son capaces de propor cionar una m edición absoluta de la cantidad que interesa; en lugar de eso. m iden la m agnitud y dirección de la desviación entre dos objetos. Entre los instrum entos que se encuentran en la cate
El micrómetro se usa ampliamente y es un dispositivo de medición muy exacto, su forma más común consiste en un husillo y en un yunque en forma de C, como se muestra en la figura 41.5. El husillo se mueve en relación con el yunque fijo mediante una rosca de tomillo exacta. En un micrómetro común en USCS cada rotación del husillo proporciona 0.025 pulg de viaje lineal. A cada eje se conecta un manguito graduado con 25 marcas alrededor de su circunferencia, cada marca co rresponde a 0.001 pulg. Por lo general, la m anga del micrómetro está equipada con un vemier, el cual permite resoluciones tan estrechas com o 0.001 pulg. En un micrómetro con una escala métrica, las graduaciones son de 0.01 mm. Los tipos de m icrómetros más comunes son; 1) el micrómetro externo (figura 41.5), también denominado micrómetro exterior, que se fabrica en diversos tamaños estándar de yunque; 2) el micrómetro interno, o m icrómetro interior, que consiste en un ensamble de cabeza y un conjunto de varillas de diferentes longitudes para medir dimensiones exteriores que pudieran encontrarse; y 3) micrómetro de profundidad, sim ilar a un micrómetro interno pero adaptado para medir profundidades de orificios.
Micrómetro externo, tamaño estándar de una pulgada (cortesía de Brown & Sharpe Manufacturing Company).
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Instrumentos comparativos
Las variaciones del calibrador vem ier incluyen el calibrador vernier de altura, utilizado para m edir la altura de un objeto en relación con una superficie plana, tal como una placa; y el calibrador vernier de profundidad, para m edir la profundidad de un agujero, ranura u otra cavidad en relación con una superficie superior.
FIGURA 41.5
Instrumentos de medición y calibradores convencionales
goría están los calibradores m ecánicos y electrónicos. C a lib ra d o re s m e c án ic o s: in d ic a d o re s d e c a rá tu la Los calibradores m ecánicos están diseñados para am pliar en forma m ecánica la desviación, con el propósito de perm itir la obser vación. El instrum ento más común en esta categoría es el indicador de carátula (figura 41.6), que convierte y am plifica el m ovimiento lineal de un apuntador de contacto dentro de la rotación de una aguja de carátula. La carátula se gradúa en unidades pequeñas tales como 0.001 pulg (o 0.01 mm). Los indicadores de carátula se usan en muchas aplicaciones para medir rectitud, lisura, paralelism o, cuadratura, redondez y medidas exteriores. Una disposición común para una m edición exterior se ilustra en la figura 41.7.
FIGURA 41.6 Indicador de carátula: la vista de lado izquierdo muestra la parte posterior del instrumento sin la placa que la cubre: la vista del lado derecho muestra la carátula y la cara graduada (cortesía de Federal Products Co., Providence, R. I.).
FIGURA 41.7 Disposición de indicador de carátula para medir una parte externa; conforme la parte gira alrededor de su centro, las variaciones en la superficie exterior relacionados con el centro se indican en la carátula.
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Capítulo 41 / Medición e inspección
Sección 41.3 / Instrumentos de medición y calibradores convencionales
C alib rad o res e le c tró n ic o s Los calibradores electrónicos son una familia de instrumentos de medición y calibración, basados en transductores, capaces de convenir un desplazam iento lineal en una señal eléctrica, que se am plifica y transform a en un formato de datos conveniente, com o una lectura digital. Entre los tipos de transductores que usan los calibradores electrónicos están el trans formador lineal de diferencial variable (en inglés linear variable differential tranformer, LVDT), los calibradores de tensión, el puente de inductancia. los capacitores de variable y los cristales piezoeléctricos. El transductor se encuentra en una cabeza de calibración diseñada para la apli cación.
41.3.4
Calibradores fijos
En años recientes se han increm entado rápidam ente las aplicaciones de los calibradores, impulsadas por avances en la tecnología de microprocesadores. Están sustituyendo en forma gra dual a muchos de los dispositivos de m edición y calibración convencionales. Entre las ventajas de los calibradores electrónicos se encuentran: 1) buena sensibilidad, exactitud, precisión, capacidad de repetición y velocidad de respuesta; 2) capacidad para medir dimensiones muy pequeñas, hasta de una upulg (0.025 //m); 3) facilidad de operación; 4) menos enores humanos; 5) pantalla de señal electrónica en diversos form atos y 6) capacidad de interconexión con sistemas de computadoras para procesamiento de datos. Los calibradores electrónicos se aplican también en la medición absoluta de dim ensiones, y no sólo com o instrumentos de m edición com parativa. Por ejemplo, los micrómetros y calibradores graduados modernos tienen dispositivos electrónicos que despliegan una lectura digital de la medición. Estos instrumentos son más fáciles de leer y eliminan gran pane del e n o r hum ano aso ciado con los dispositivos graduados de lectura convencional. En la figura 41.8 se muestra un micrómetro con lectura digital. FIGURE 41.8
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Micrómetro con lectura digital (cortesía de L. S. Starrett Co.).
Un calibrador fijo es una réplica física de la dimensión de una pane que se va a inspeccionar o medir. Existen dos categorías básicas: el calibrador maestro y el calibrador límite. Un calibrador maestro es una réplica directa del tam año nominal de la dim ensión de la pane. Por lo general, se usa para preparar un instrum ento de medición comparativa, por ejemplo un indicador de carátula, o para calibrar un dispositivo de medición. Un calibrador límite se fabrica para ser una réplica inversa de la dimensión de la parte y se diseña para verificar la dimensión de uno o más de sus límites de tolerancia. Un calibrador límite con frecuen cia tiene dos calibradores en uno. el primero comprueba el límite inferior de la tolerancia en la dimen sión de la parte y el otro verifica el límite superior. Popularmente, se conocen como calibradores pasa!no pasa (en inglés, goino go gages), debido a que un límite del calibrador permite que la parte se inserte, en tanto que el otro límite lo impide. El límite pasa (go limit) se usa para verificar la dimensión en su máxima condición material: éste es el tamaño máximo para una característica interna, tal como un orifi cio y el tamaño máximo para una característica extema tal como un diámetro externo. El límite no pasa (no-go limit) se usa para revisar la mínima condición material de la dimensión en cuestión. Los calibradores fijos deben tener dim ensiones estables y ser resistentes al desgaste. Los materiales que se usan para estas herram ientas generalm ente son aleaciones de acero o acero para henam ienta con tratam iento térm ico y acabado de alta exactitud. Cuando la resistencia al desgaste es muy importante se usa carburo cem entado. La regla de 10 se usa para determ inar tolerancias con el propósito de fabricar un calibrador fijo; esto es, la tolerancia de la dim ensión del calibrador co rresponde a un 10% de la tolerancia en la dim ensión de la parte que se va a verificar. Los calibradores de contacto y de anillo son los de límite común que se usan para verificar las dimensiones de partes extemas y los calibradores de inserción se utilizan para revisar dimensiones internas. Un calibrador de contacto o exterior consta de un marco en forma de C con superficies de calibración localizadas en las quijadas del marco, como se aprecia en la figura 41.9. Posee dos botones de calibración, el primero es el calibrador pasa y el segundo es el calibrador no pasa. Los calibrado res de contacto se usan para comprobar dimensiones extemas tales como diámetro, anchura, grosor y superficies similares. Los calibradores de anillos se emplean para revisar diámetros cilindricos. Para una aplicación determinada, generalmente se requieren un par de calibradores, uno de pasa y el otro de no pasa. Cada calibrador es un anillo cuya abertura se maquina a uno de los límites de tolerancia del diám etro de la parte. Para facilidad de manejo, la parte exterior del anillo está moleteada. Los dos calibradores se dis tinguen por la presencia de un surco alrededor de la parte extem a del anillo no pasa. El calibrador límite más com ún que se utiliza para verificar diám etros de orificios es el cali brador de inserción. El calibrador com ún consta de una m anija a la cual se conectan dos piezas cilindricas precisam ente asentadas (insertos) de acero endurecido, com o en la figura 41.10. Los insertos cilindricos funcionan com o los calibradores de pasa y no pasa. Otros dispositivos sim ilares al calibrador de inserción incluyen los calibradores de ahusam iento, que constan de un inserto ahu sado para verificar orificios con ahusam iento; y los calibradores roscados, con los que se verifican las roscas internas en las partes. _ . . . Botón de caibrador no pasa y
Botón de calibrador pasa
Parte de trabajo
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FIGURA 41.9 Calibrador de . . ____,• , contacto para medir el diámetro de una parte: las diferencias en altura en los botones pasa y no pasa están exagerados para mayor claridad.
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Sección 41.4 / Mediciones de superficie
Capítulo 41 / Medición e inspección
1 021
FIGURA 41.10 Calibrador de conlacto; están exageradas las diferencias en los diámetros de los insertos pasa y no pasa.
Los calibradores fijos son fáciles de usar y el tiem po requerido para com pletar una inspec ción casi siempre es menos al que em plea un instrum ento de medición. Los calibradores fijos fue ron un elemento fundamental en el desarrollo de la m anufactura de partes intercam biables (véase nota histórica 1.1), porque proporcionaron un m edio para fabricar panes con tolerancias suficien temente estrechas para el ensam ble sin lim adura ni ajuste. Su desventaja es que se obtiene muy poca o ninguna información del tam año real de la parte; sólo indican si el tam año está dentro de la tolerancia. En la actualidad, con la disponibilidad de instrumentos de m edición electrónica de alta velocidad y la necesidad de control de proceso estadístico del tamaño de las partes, el uso de los ca libradores está dando paso gradualm ente a instrum entos que proporcionen mediciones reales de las dimensiones que interesan.
41.3.5
Mediciones angulares Los ángulos se miden usando alguno de los diversos estilos de transportadores. Un transportador simple consta de una hoja que se mueve como pivote en relación con una cabeza sem icircular gra duada en unidades angulares (por ejem plo, grados o radianes). Para usar, la hoja se gira a la posi ción que corresponde al ángulo de la parte que se va a m edir y éste se mide hacia adelante en escala angular. Un transportador con escuadra fa lsa (figura 41.11.) tiene dos hojas rectas que funcionan como pivotes, una en relación con la otra. El ensam ble de pivote tiene una escala de transportador que permite leer el ángulo form ado por las hojas. C uando está equipado con un vem ier. el transpor tador con escuadra falsa puede leer alrededor de 5 min: sin un vemier, la resolución es de sólo I o. Cuando se usa una barra de seno se obtiene una precisión más alta en las mediciones angu lares, la cual se ilustra en la figura 41.12. Una disposición posible consiste en un borde recto plano de acero (la barra de seno) y dos rodillos de precisión separados a una distancia conocida en la barra. El borde recto se alinea con el ángulo de la parte que medirá y se hacen bloques de calibra ción u otras mediciones lineales exactas para determ inar la altura. El procedim iento se realiza en una placa de superficie para obtener resultados más exactos. Se usan la altura H y la longitud L de la barra de seno entre los rodillos para calcular el ángulo A usando: H sen <4 = —
(41.2)
FIGURA 41.11 Transportador con bisel y escala de vernier (cortesía de L. S. Starret Co.).
Barra de sen o
Rodillo >•— j ---------- Bloques de calibración H
FIGURA 41.12 Disposición para usar una barra de seno.
P arte d e trabajo que s e va a medir
que son resultado de los procesos de m anufactura utilizados para crearla (sección 5.2.3.). En esta sección, analizarem os la m edición de estos dos parámetros.
41.4
MEDICIONES DE SUPERFICIES 41.4.1 En el capítulo 5 se describieron las superficies formadas por dos parámetros: 1) textura superficial y 2) integridad superficial. La textura superficial se refiere a la geometría superficial y casi siem pre se valora como aspereza de superficie (sección 5.2.2). La integridad superficial se refiere a las car acterísticas materiales inm ediatam ente bajo la superficie y los cambios que ocurren en esta capa, y
Medición de la rugosidad superficial
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Se usan diversos m étodos para valorar la rugosidad superficial. Los dividim os en tres categorías: 1) com paración subjetiva con superficies de prueba estándar. 2) instrum entos electrónicos de aguja y 3) técnicas ópticas.
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Sección 41.4 / Mediciones de superficie
Capítulo 41 / Medición e inspección
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Dirección del recorrido
Superficies de prueba estándar Existen bloques estándar de acabado de superficies, pro ducidos para valores de rugosidad especificados. Estos bloques tienen superficies con valores de rugosidad de 2. 4, 8, 16. 32. 64 y 128 .upulg. Para estim ar la rugosidad de un espécimen de prueba determinado, la superficie se compara con el estándar tanto en forma visual com o mediante la "prueba de uña”. En esta prueba, el usuario rasca suavemente las superficies del espécimen y el estándar, y determina qué estándar se acerca más al espécimen. Las superficies de prueba estándar son una forma conveniente para que un operador de m áquinas obtenga un estim ado de la rugosidad de una superficie. También son útiles para los ingenieros de diseño, con el propósito de juzgar qué valor de rugosidad de superficie debe especificar en el dibujo de una parte. Instrumentos electrónicos de aguja (o de punzón) La desventaja de la prueba de uña es su subjetividad. Existen a la venta otros instrum entos tipo punzón para m edir la rugosidad superfi cial — similares a la prueba de uña. pero más científico. Un ejemplo es el perfilómetro, que se m ues tra en la figura 41.13. En estos dispositivos electrónicos, se mueve un punzón de diamante cónico de cono, cuyo radio de punta mide alrededor de 0.0002 pulg (0.005 mm) y el ángulo en la punta es de 90°. a través de la superficie de prueba a una velocidad lenta constante. La operación se m ues tra en la figura 41.1.4. Conforme la cabeza del punzón se mueve en form a horizontal, también se desplaza en forma vertical para seguir las desviaciones de la superficie. El m ovimiento vertical se convierte en una señal electrónica que representa la topografía de la superficie. Esto se desplie ga ya sea como: 1) un perfil de la superficie real o 2) un valor de rugosidad promedio. Los dispo sitivos para perfilar usan un plano separado com o la referencia nominal contra la cual se miden las desviaciones. El resultado es una retícula del contorno de la superficie a lo largo de la línea que recorre el punzón. Este tipo de sistema identifica tanto la aspereza como la ondulación en la super-
FIGURA 41.14 Esbozo que muestra la operación de un instrumento tipo aguja. La cabeza de la aguja recorre en r'orma horizontal la superficie, en tanto que la aguja se mueve en forma vertical para seguir el perfil de la superficie. El movimiento vertical se convierte ya sea en: 1) un perfil de la superficie o 2) el valor de rugosidad promedio.
ficie de prueba. Los dispositivos para prom ediar reducen las desviaciones de rugosidad a un valor único Ra. Usan m ovim iento de correderas sobre la superficie real para establecer el plano de refe rencia nominal. Las correderas funcionan com o un filtro m ecánico para reducir el efecto de la ondu lación en la superficie; en efecto, estos dispositivos para prom ediar realizan en forma electrónica los cálculos de la ecuación (5.1). Técnicas ópticas La mayoría de los otros instrum entos de medición de superficies em plean técnicas ópticas para valorar la rugosidad. Estas técnicas se basan en la reflexión de la luz desde la superficie, la dispersión o difusión de la luz y la tecnología láser. Son útiles en aplicaciones donde no es conveniente el contacto del punzón con la superficie. Algunas de las técnicas permiten una alta velocidad de operación, por lo que posibilitan una inspección al 100%. Sin em bargo, las técnicas ópticas producen valores que no siem pre se correlacionan bien con las mediciones de
FIGURA 41.13 Instrumento tipo aguja para medir la rugosidad de superficie (cortesía de Ciddings & Lewis, Measurement Systems División).
aspereza hechas con instrumentos tipo punzón.
41.4.2 Evaluación de la integridad de superficie La integridad de superficie es más difícil de valorar que la aspereza de superficie. A lgunas técnicas para inspeccionar los cam bios de la subsuperficie destruyen el espécimen de material. Entre las téc nicas de evaluación para la integridad de superficie están las siguientes: >. Textura superficial. La rugosidad superficial, la descripción de la capa y otras medidas pro porcionan datos superficiales sobre la integridad de la superficie. Este tipo de prueba es relati vamente simple de realizar y siem pre se incluye en la evaluación de la integridad de superficie. >- Examen visual. El exam en visual revela diversos defectos de superficies tales com o resque brajaduras, cráteres, pliegues y arrugas. Este tipo de valoración se am plifica con frecuencia mediante técnicas fluorescentes y fotográficas. >■ Examen microestructural. Esto im plica técnicas metalográficas estándar para preparar sec ciones transversales y obtener fotom icrografías en las que se exam ina la m icroestructura de las capas superficiales, com paradas con el sustrato. > Perfil de m icrodureza. Las diferencias de dureza cerca de la superficie se detectan usando técnicas de m edición de m icrodureza. tales com o la de Knoop y la de Vickers (sección 3.2.1). Se secciona la parte y se hace una gráfica de la dureza contra la distancia bajo la superficie
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para obtener un perfil de dureza de la sección transversal. » Perfil de tensión residual. Se em plean técnicas de difracción de rayos x para m edir las ten siones residuales en las capas de superficie de una parte.
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Capitulo 41
Medición e inspección
Sección 4 1 .5 / Tecnologías avanzadas de medición e inspección
C o n stru c c ió n y o p e ra c ió n d e u n a CMM . Una m áquina de medición de coordenadas CM M . la sonda se ajusta a una estructura que permite su m ovim iento en relación con la pane, la cual se fija en una mesa de trabajo conectada a la estructura. La estructura debe ser rígida para mi nim izar las deflexiones que contribuyen a los errores de medición. La máquina en la figura 41.15 tiene una estructura de puente, uno de los diseños más com unes. Se usan características especiales en las estructuras de las CM M para desarrollar una alta exactitud y precisión en la m áquina de medición, incluyendo el uso de cojinetes de aire de baja fricción y aislamiento m ecánico de la CM M para reducir vibraciones. Un aspecto importante en una CM M es la sonda de contacto y su operación. Las sondas m odernas (palpadores) con activación de contacto (gatillo o disparador) tienen un contacto eléctrico sensible que em ite una señal cuando la sonda se desplaza de su posición neu tral una mínima cantidad. Al hacer contacto, el controlador de la CM M registra las posiciones de coordenadas y hace un ajuste para el exceso de desplazamiento y el tamaño de la sonda. La colocación de la sonda en relación con la pane se realiza ya sea en form a manual o bajo control de una computadora. Los m étodos para operar una CM M se clasifican en [12]: 1) con trol manual. 2) manual asistido por com putadora. 3) m otorizado asistido por com putadora y 4) control directo por com putadora. En el control manual, un operador mueve físicamente la sonda a lo largo de los ejes para hacer contacto con la parte y registrar las mediciones. La sonda flota libremente para facilitar el movimien to. Las mediciones se indican mediante lectura digital y el operador puede registrarlas en forma manual o automática (impresión en papel). El operador debe realizar los cálculos trigonométricos. Una CMM manual asistida por computadora es capaz de procesar datos de computadora para realizar estos cálculos. Los tipos de cálculos incluyen la conversión simple de U.S.C.S. a SI, determinar el ángulo entre dos planos y determinar las ubicaciones de los centros de los orificios. La sonda todavía flota libremente y permite al operador ponerla en contacto con las superficies de las partes. Las CMM motorizadas asistidas por computadora usan corriente para mover la sonda a lo largo del eje de la máquina bajo la guía de un operador. Se usa un bastón de mando o un dispositivo similar para controlar el movimiento. Los motores de engranes de baja corriente y embragues de fricción se emplean para reducir ios efectos de las colisiones entre la sonda y la parte. La CMM de control direc to por computadora opera igual que una máquina herramienta CNC. Es una máquina de inspección computarizada que opera bajo el control de un programa. La computadora también registra las mediciones hechas durante la inspección y ejecuta diversos cálculos asociados con ciertas mediciones (por ejemplo, calcular el centro de un orificio a partir de tres puntos en la superficie del orificio ciego).
TECNOLOGIAS AVANZADAS DE M EDICIÓN E INSPECCIÓN Las tecnologías avanzadas que están sustituyendo a las técnicas manuales de m edición y calibración. incluyen métodos de detección con contacto y sin contacto. En esta sección analizam os: 1) las máquinas de medición de coordenadas. 2j los láseres, 3) la visión de m áquina y 4) otras técnicas sin contacto.
1.5.1
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Máquinas de medición de coordenadas Una máquina de medición de coordenadas (coordinare m easuring m achine. C M M ) consta de una sonda de contacto (palpador) y un m ecanism o para colocar la sonda en tres dim ensiones de acuerdo con las superficies y características de la parte de trabajo, véase figura 41.15. Las coor denadas de ubicación del palpador se registran con exactitud, conforme ésta hace contacto con la superficie de la parte para obtener datos de su geom etría.
RICURA 41.15 Máquina de medición de Coordenadas (cortesía de Brown & Sharpe |lanuíacturing Compans .
M ed ic io n e s y v e n ta jas de u n a m á q u in a d e m e d ic ió n d e c o o rd e n a d a La capacidad básica de una C M M es determ inar los valores de coordenadas en donde su sonda entra en contacto con la superficie de una parte. El control por com putadora perm ite a la CM M realizar m ediciones e inspecciones más sofisticadas, tales como: 1) determ inar la posición central de un orificio o cilin dro. 2) definir un plano, 3) m edir la lisura de una superficie o el paralelism o entre dos superficies y 4) m edir un ángulo entre dos planos. Entre las ventajas de usar máquinas de medición de coordenadas sobre los m étodos de inspec ción m anuales están [12]: 1) una m ayor productividad (una CM M realiza procedim ientos de inspección más com plejos en m ucho menos tiem po que los m étodos manuales tradicionales), 2) m ayor exactitud y precisión inherentes que los m étodos convencionales y 3) m enores errores humanos m ediante la automatización del procedim iento de inspección y los cálculos asociados. U na CM M es una m áquina de propósito general que se usa para inspeccionar diversas configura ciones de partes.
41.5.2 Mediciones con láseres
i
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Recuerde que láser significa "am plificación de la luz m ediante em isión estim ulada de radiación” . Entre las aplicaciones de los láseres están el corte (sección 27.3.3) y la soldadura (sección 29.4.2).
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Sección 41.5 / Tecnologías avanzadas de medición e inspección
Capítulo 41 / Medición e inspección
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Estas aplicaciones implican el uso de láseres de estado sólido capaces de concentrar suficiente energía para fundir o sublim ar el material de trabajo. Los láseres para aplicaciones de m edición son láseres de gas de baja energía, com o la combinación helio-neón, que em ite luz en el rango visible. El haz luminoso de un láser es: 1) altamente m onocromático, esto significa que la luz tiene una sola longitud de onda y 2) posee una alta colimación, lo que significa que los rayos de luz son parale los. Estas propiedades han m otivado una creciente lista de aplicaciones de láseres en la m edición e inspección, de las cuales describim os dos en esta sección. Sistem as láseres d e e x p lo ra c ió n El láser de exploración usa un haz de láser reflejado mediante un espejo rotatorio para producir un haz de luz que pasa sobre un objeto (como en la figu ra 41.1.6). Un fotodetector en el lado lejano del objeto detecta el haz de luz durante su paso, excep to por breve tiempo cuando éste es interrumpido por el objeto. Este periodo de tiempo se mide rá pidamente con gran exactitud. Un sistema microprocesador mide la interrupción de tiempo, la cual se relaciona con el tam año del objeto en la trayectoria del haz láser y convierte ese tiem po a una dimensión lineal. Los rayos láser de exploración se aplican en la inspección y calibración en líneas de alta producción. Se envían señales al equipo de producción para hacer ajustes en el proceso y activar un dispositivo de clasificación en la línea de producción. Entre las aplicaciones de los sis temas láser de exploración están las operaciones de laminado, la extrusión de alam bres, el m aquina do y el esmerilado.
FIGURA 41.17 Triangulación láser para medir una dimensión de parte D .
41.5.3
La visión de m áquina implica la adquisición, procesamiento e interpretación de datos de imágenes m ediante computadoras para alguna aplicación útil. Los sistem as de visión se clasifican en dos y tres dimensiones. Los sistemas de dos dim ensiones captan la escena como una imagen bidimensional, lo cual es bastante conveniente para aplicaciones que implican un objeto plano. Entre los ejem plos están la m edición y la calibración de dimensiones, la presencia de componentes y carac terísticas de una superficie plana (o casi siem pre plana). Los sistem as de visión tridimensional se usan en aplicaciones que requieren un análisis tridimensional de la escena. los cuales implican con tornos o formas. La m ayoría de las aplicaciones actuales son bidim ensionales y nuestro análisis se
T rian g u lació n c o n lá se r La triangulación se usa para determ inar la distancia de un objeto a partir de dos posiciones conocidas mediante relaciones trigonométricas de un triángulo recto. El principio se aplica en m edidas de dimensiones usando un sistema láser, com o en la figura 41.17. El rayo láser se enfoca sobre un objeto para form ar un punto de luz en la superficie. Para determ i nar la ubicación del punto se em plea un detector óptico. Se fijan y registran el ángulo A del rayo dirigido al objeto y la distancia H. Dado que el fotodetector se localiza a una distancia fija encim a de la mesa de trabajo, la profundidad de la pane D en la disposición de la figura 41.17 se determ i na a partir de D = H - R = H - L tan A
enfocará (disculpe el retruécano) en esta tecnología. O p e ra c ió n d e los sistem as d e visión d e m áq u in as La operación de un sistem a de visión de máquina consta de tres pasos, señalados en la figura 41.18: (1) adquisición y digitalización de imágenes, (2) procesam iento y análisis de imágenes y (3) interpretación. La adquisición y digitalización de im ágenes se realizan m ediante una cám ara de video conec tada a un sistem a de digitalización para alm acenar los datos de imágenes que se utilizarán en el
(41.3)
en donde L se determ ina m ediante la posición del punto de luz sobre la parte de trabajo.
FIGURA 41.16 Sistema láser de exploración para medición del diámetro de una parte de trabajo cilindrica; el tiempo de interrupción del rayo de luz es proporcional ^1 diámetro D .
Visión de máquina
FIGURA 41.18 Operación de un sistema de visión de máquina.
(1)
(2)
(3)
Adquisición y digitalización de imágenes
Procesamiento y análisis de imágenes
Interpretación
Decisiones y acciones
c> i— i i — i i — i i — ii— n /
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Transportador móvil — '
Fuente de luz
i— i i — i -------- ► v
Sección 41.5 / Tecnologías avanzadas de medición e inspección
Capítulo 41 / Medición e inspección
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TABLA 41.1 Valores de pixeles en un sistema de visión binario para la imagen de la figura 41.19.
procesamiento posterior. Con la cám ara enfocada en el sujeto, se obtiene una imagen dividiendo el área de visión en una matriz de elem entos separados de la fotografía (llamados pixeles), en la cual cada elemento supone un valor proporcional a la intensidad de luz de la pane de la escena. El valor de intensidad para cada pixel se conviene a su valor digital equivalente mediante una conversión analógica a digital. La adquisición y digitalización de imágenes se muestran en la figura 41.19 para un sistema de visión binario, en éste la intensidad de la luz se reduce a dos valores (blanco o negro = 0 o 1), como en la tabla 41.1. La matriz de pixeles de nuestra ilustración sólo es de 12 x 12, un sistema de visión real debe tener m uchos más pixeles para una m ejor resolución. C ada conjunto de valores de pixeles es un m arco, que consiste en el conjunto de pixeles digitalizados. El m arco se almacena en la memoria de la com putadora. El proceso de leer todos los valores de pixeles en un marco se realiza 30 veces por segundo en Estados Unidos y 25 ciclos/seg en los sistemas europeos. La resolución de un sistem a de visión es su capacidad para detectar detalles y características finos en la imagen. Esto depende de la cantidad de pixeles que se usan. Los arreglos de pixeles comunes tienen 256 x 256 y 512 x 512 elem entos de fotografías. Entre más pixeles tenga el sistem a de visión, mayor es su resolución. Sin em bargo, el costo del sistem a aum enta conform e lo hace la cuenta de pixeles. Asimism o, el tiem po requerido para leer los elementos de la fotografía y proce sar los datos aumenta con una cantidad de pixeles mayor. Además de los sistem as de visión bina rios, los sistemas de visión más sofisticados distinguen varios niveles de grises en la imagen, esto les permite determinar características de la superficie, tales como texturas. D enominados visión con escala de grises, estos sistem as com únm ente usan cuatro, seis u ocho bits de memoria. Otros sis temas de visión reconocen colores. La segunda función en la visión de máquina es el procesamiento y análisis de imágenes. Deben analizarse los datos para cada marco dentro del tiempo requerido con el fin de completar una explo ración (1/30 o 1/25 seg). Se han desarrollado varias técnicas para analizar datos de imágenes, incluyen do detección de bordes y extracción de características. La detección de bordes implica determinar las ubicaciones de los límites entre un objeto y sus alrededores. Esto se realiza identificando el contraste en la intensidad de la luz entre los pixeles adyacentes en las orillas del objeto. En la extracción de ca racterísticas se determinan los valores característicos de una imagen. Muchos sistemas de visión de máquina identifican un objeto en la imagen mediante sus características, algunos de ellos son: el área, la longitud, el ancho o el diámetro, el perímetro, el centro de gravedad y la razón de aspecto. Se han diseñado algoritmos de extracción de características para determinarlas con base en el área y los límites de los objetos. El área de un objeto se determina contando la cantidad de pixeles que lo forman. La lon gitud se encuentra midiendo la distancia (en pixeles) entre dos bordes opuestos de la pane.
1I 11I I 11I 111 1111I I 1I I I 11 111111111111 1 I 11 I I 1 0 0 0 I 1 1 1 1 1 1 1 0 110 11 111110011011 1 11 1000000 I 1 11I0000000 1 1 1 I I0100000 11 111l 000000 1 1 111111111111 1 1 1 1 1 1 1 1 1 111 La interpretación de la imagen es la tercera función. Se realiza mediante características extraídas. Por lo general la interpretación se concentra en reconocer los objetos — identificar el objeto en la im agen, com parándolo con modelos predefinidos o valores estándar. Una técnica de interpretación com ún es la coincidencia de plantillas. La coincidencia de plantillas o patrones usa métodos que com paran una o más características de una imagen con las características correspon dientes de un m odelo (plantilla) alm acenado en la memoria de la computadora. A p licacio n es d e la visión de m á q u in a En general, la función de interpretación en la visión de m áquina se relaciona con las aplicaciones, las cuales se dividen en cuatro categorías: 1) inspección, 2) identificación de partes. 3) guía y control visual y 4) vigilancia de la seguridad. La inspección es la categoría más importante, representa alrededor del 90% de todas las apli caciones industriales. Las aplicaciones están en la producción masiva, en donde el tiem po para pro gram ar e instalar ei program a se divide entre muchos m iles de unidades. Entre las tareas de ins pección más com unes están: 1) medición o calibración de dimensiones, la cual implica m edir o calibrar ciertas dim ensiones de partes o productos que se mueven a lo largo de un transportador; 2) funciones de verificación, las cuales incluyen verificar la presencia de componentes en un produc to ensamblado, la presencia de un orificio en una parte de trabajo y tareas sim ilares y 3) identifi cación de fa lla s y defectos, tal com o identificar los defectos en una etiqueta impresa, por ejem plo una ubicación errónea, texto, num eración o imágenes mal impresos en la etiqueta. Las aplicaciones de la identificación de partes incluyen contar las partes que se mueven a lo largo de un transportador, la clasificación de partes y el reconocim iento de caracteres. La guía y el control visual im plican un sistema de visión que hace interfaz con un robot o máquina sim ilar para controlar el m ovim iento de la máquina. Entre los ejemplos se cuentan el seguim iento del engargo lado en la soldadura continua con arco eléctrico, la colocación o reorientación de partes y la recolec ción de partes de un recipiente. En las aplicaciones de vigilancia de la seguridad, el sistem a de visión supervisa la operación de producción para detectar irregularidades que podrían indicar una
FIGURA 41.19 Adquisición y digitalización de imagen: (a) la escena consiste en una parte de color oscuro en contra de un fondo claro; (b) una matriz de 12 x 12 pixeles impuesta sobre la escena.
condición de riesgo para el equipo o las personas.
41.5.4
Otras técnicas de inspección sin contacto A dem ás de los m étodos ópticos de inspección, se usan diversas técnicas no ópticas en la inspec ción. Éstas incluyen las técnicas de sensores basados en cam pos eléctricos, radiaciones y u ltra
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sonido. Bajo ciertas condiciones, los campos eléctricos creados mediante una sonda eléctrica se emplean para la inspección. Los cam pos incluyen la reluctancia, la capacitancia y la inductancia; son afectados m ediante un objeto en la vecindad de la sonda. En una aplicación típica, la parte de
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Preguntas de opción múltiple
Capitulo 41 / Medición e inspección
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41.5. ¿Qué es la precisión en la medición? 41.6. ¿Qué significa el término calibración? 41.7. Además de una buena exactitud y precisión, ¿cuáles son los atributos y características deseables de un instrumento de medición? 41.8. ¿Qué es la regla de 101 41.9. La inspección automatizada puede integrarse con el proceso de manufactura para realizar ciertas acciones. ¿Cuáles son estas posibles acciones? 41.10. Proporcione un ejemplo de una técnica de inspección sin contacto. 41.11. ¿Qué significa el término dispositivo de medición graduado? 41.12. ¿Cuáles son los métodos comunes para valorar la rugosidadsuperficial? 41.13. ¿Qué es una máquina de medición de coordenadas? 41.14. Describa un sistema láser de exploración. 41.15. ¿Qué es un sistema binario de visión? 41.16. Nombre algunas de las tecnologías de sensores no ópticossin contacto, disponibles para inspección.
trabajo se posiciona en una relación fija con la sonda. Al m edir el efecto del objeto sobre el cam po eléctrico, se hace una medición indirecta de ciertas características de las partes, tales com o dim en siones. el grosor de láminas metálicas y defectos (resquebrajaduras y huecos bajo la superficie) en el material. Las técnicas de radiación emplean radiación de rayos x para inspeccionar metales y sol daduras. La cantidad de radiación que absorbe el objeto metálico indica el espesor y la presencia de defectos en la pane o sección soldada. Por ejemplo, se usa la inspección con rayos x para m edir el espesor de hojas metálicas en el laminado. Los datos de la inspección se em plean para ajustar la separación entre los rodillos en la laminadora. Las técnicas ultrasónicas usan sonido de alta frecuencia (mayor de 20 000 Hz) para realizar varias tareas de inspección. Una de las técnicas analiza las ondas de ultrasonido que emite una sonda y que se reflejan en el objeto. Durante la preparación para el procedimiento de inspección, se coloca una pane de prueba ideal frente a la sonda para obtener un patrón del sonido reflejado. Se emplea este patrón de sonido com o el estándar contra el cual se comparan después las partes de la producción. Si el patrón reflejado de una parte coincide con el estándar, se acepta la parte. Si no coincide, se rechaza.
CUESTIONARIO DE OPCIÓN MÚLTIPLE REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS [1] American National Standards Institute. Inc., Surface Texture. ANSI B46.1-1978, American Society of Mechanical Engineers, New York, 1978. [2] American National Standards Institute, Inc., Surface Integriry, ANSI B211.1-1986, Society of Manufactur ing Engineers, Dearbom, Mich., 1986. [3] Amstead. B. H., Ostwald, P. F., and Begeman. M. L„ Manufacturing Processes, 8th ed., John Wiley & Sons, Inc., New York, 1987. [4] Brown & Sharpe. Handbook o f Metrology, North Kingston, R.I., 1992. [5] DeGarmo. E. P.. Black. J. T.. and Kohser, R. A., Mater ials and Processes in Manufacturing, 7th ed., Macmillan Publishing Co., New York, 1988, Chapter 10. [6] Farago. F. T.. Handbook o f Dimensional Measurement, 2nd ed.. Industrial Press, Inc., New York. 1982. [7] Hoffman. E. G., (editor), Fundamentáis ofTool Design, 2nd ed., Society of Manufacturing Engineers. Dear bom, Mich., 1984. Chapter 9. [8] Machining Data Handbook, 3rd ed., Vol. 2, Machinability Data Canter. Cincinnati, Ohio. 1980, Chapter 18. [9] Morris. A. S., Measurement and Calibration fo r
Hay un total de 28 respuestas correctas en el siguiente cuestionario. La calificación porcentual de la prueba debe basarse en este total.
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Quality Assurance, Prentice Hall, Englewood Cliffs. N.J., 1991. Mummery, L., Surface Texture Analysis— The Hand book, Hommelwerke Gmbh, Mühlhausen, Germany, 1990. Murphy, S. D., In-process Measurement and Control, Marcel Dekker, Inc.. New York, 1990. Schaffer, G. H., “Taking the Measure of CMMs," Special Repon 749, American Machinist, October 1982, pp. 145-160. Schaffer, G. H.. “Machine Vision: A Sense for CIM." Special Report 767. American Machinist, June 1984, pp. 101-120. L. S. Starrett Company, Tools and Rules. Athol, Mass.. 1992. 66 Centuries o f Measurement. Sheffield Measurement División, Cross & Trecker Corporation. Dayton. Ohio, 1984. Wick, C., and Veilleux. R. F., Tool and Manufacturing Engineers Handbook. 4th ed., Vol. IV, Quality Control and Assembly, Society of Manufacturing Engineers, Dearbom. Mich., 1987, Section 1.
PREGUNTAS DE REPASO 41.1. 41.2. 41.3. 41.4.
¿Cuáles son las diferencias entre la medición y la inspección? ¿Cuáles son las diferencias entre la calibración y la medición'] ¿Cuáles son las 6 cantidades fundamentales en la metrología? ¿Qué es la exactitud en la medición?
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41.1. En la medición e inspección para manufactura, ¿cuál de las siguientes cantidades físicas fundamentales nos interesa más? a) corriente eléctrica, b) longitud, c) radiación luminosa, d) masa, e) temperatura o f) tiempo. 41.2. ¿Cuál de los siguientes es un atributo del sistema métrico de medición lineal? (Puede ser más de uno.) a) basado en distancias astronómicas, b) definido en términos del cuerpo humano, c) se originó en Gran Bretaña, d) usa prefijos racionales para las unidades y e) las unidades se subdividen en forma decimal. 41.3. ¿Cuál de los siguientes países no se apega al sistema internacional de unidades? (Puede ser más de uno.) a) China, b) Francia, c) Alemania, d) Japón, e) Panamá, f) Rusia o g) Estados Unidos. 41.4. Los dos tipos básicos son la inspección por variables y la inspección por atributos. ¿Cuál de los si guientes usa el segundo tipo de inspecciones? a) prueba destructiva, b) calibración, c) medición o d) prueba no destructiva. 41.5. ¿En cuál de las siguientes tareas puede integrarse la inspección 100% automatizada? (Puede ser más de uno.) a) Mejor diseño de productos, b) retroalimentación de datos para ajustar el proceso, c) calidad per fecta al 100% y d) clasificación de las partes con defectos. 41.6. ¿Cuáles de los siguientes son ejemplos de inspección con contacto? (Puede ser más de uno.) a) ca libradores. b) sistemas de medición de coordenadas, c) indicadores de carátula, d) visión de máquina, e) micrómetros. f) sistemas láser de exploración, g) calibradores de contacto y h) técnicas ultrasónicas. 41.7. ¿Con cuál de los siguientes materiales es más común que se haga una placa de superficies? a) cerámi ca de óxido de aluminio, b) hierro fundido, c) granito, d) polímeros duros o e) acero inoxidable. 41.8. ¿Cuál de los siguientes es un instrumento de medición graduado? (Puede ser más de uno.) a) trans portador biselado, b) indicador de carátula, c) divisor, d) micrómetro, e) calibrador extemo, 0 barra de seno, g) regla de acero, h) placa de superficie y i) calibrador vemier. 41.9. ¿En cuál de las siguientes mediciones sería apropiado un micrómetro extemo? (Puede ser más de uno.) a) profundidad de orificio, b) diámetro de orificio, c) longitud de parte, d) diámetro de eje y e) aspereza de superficie. 41.10. En un calibrador pasa/no pasa, ¿cuál de tos siguientes describe mejor la función del calibrador de pasa? a) verifica el límite de tolerancia máxima b) verifica la condición de material máxima, c) verific tamaño máximo, d) verifica la condición material mínima o e) verifica el tamaño mínimo. 14.11. ¿Cuál de las siguientes opciones es probable que sea un calibrador pasa/no pasa? (Puede ser más de uno.) a) calibrador límite, b) calibrador maestro, c) calibrador de inserción, d) bloques de calibración y e) calibrador de contacto.
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Capitulo 41 / Medición e inspección
41.12. ¿Cuál de los siguientes es un método de detección con contacto usado en la inspección? (Puede ser más de uno.) a) calibradores, b) máquina de medición de coordenadas, c) técnicas láser, d) visión de máquina, e) micrómetro y f) radiación de rayos x. 41.13. ¿Cuál de las siguientes es la aplicación más importante de los sistemas de visión?: a) inspección, b) identificación de objetos, c) vigilancia de la seguridad o d) guía y control visual de un manipulador robótico.
CONTROL DE LA CALIDAD C O N T E N ID O DEL CA PÍTU LO 42.1 42.2 42.3
42.4
42.5
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¿Q ué es la calidad? Capacidad de procesos Tolerancias estadísticas 42.3.1 Límites naturales de tolerancia 42.3.2 Tolerancias estadísticas para ensambles Métodos de Taguchi 42.4.1 La función de pérdida 42.4.2 Diseño robusto 42.4.3 Control de la calidad fuera de línea y en línea Control estadístico de procesos 42.5.1 Cartas de control por variables 42.5.2 Cartas de control por atributos 42.5.3 Interpretación de las cartas de control
Las técnicas de inspección y m edición analizadas en el capítulo 41 caen dentro del ám bito de lo que se denom ina control de calidad (en inglés quality control, QC). Tradicionalm ente, el control de calidad se relaciona con la detección de la calidad deficiente en los productos m a nufacturados y las acciones correctivas para elim inarlas. En el aspecto operativo, el QC con frecuencia se había limitado a inspeccionar el producto y sus componentes, y decidir si las dim ensiones medidas o calibradas y otras características se apegaban a las especificaciones de diseño. Si cumplía esos parám etros, el producto se enviaba. La visión moderna del control de calidad abarca un ámbito de actividades más amplio, incluyendo el diseño robusto y el control estadístico de procesos. Nuestro capítulo em pieza con la definición del control de calidad.
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Capítulo 42 / Control de la calidad Sección 42.2 / Capacidad de procesos
42.1 ¿QUÉ ES LA CALIDAD?
Los costos de todas estas deficiencias forman verdaderam ente una larga lista de partes desechadas, tamaños de lotes más grandes para reponer los desechos, reelaboración, inspección, clasificación, quejas y devoluciones de los clientes, costos de garantía y rebajas a los clientes, ventas con pérdi das y pérdida de la buena voluntad en el mercado. Por tanto, las características de un producto son lo relativo a la calidad de la que se respon sabiliza el departam ento de diseño. Las características de los productos determinan en gran parte el precio que puede cobrar una com pañía por sus productos. La deficiencias en la calidad son respon sabilidad de los departam entos de manufactura. La capacidad para minimizar estas deficiencias influye enormemente en el costo del producto. Estas son generalidades que simplifican aún más la forma en que funcionan las cosas, debido a que la responsabilidad de la alta calidad de un produc to se extiende m ucho más allá de las funciones de diseño y m anufactura en una organización.
Todos sabemos lo que es la calidad cuando la vemos, pero no es fácil describirla con palabras. El diccionario define calidad com o “el grado de excelencia que posee una cosa” o “las características que hacen a algo lo que es” — sus elementos y atributos característicos. No coinciden todas las opinio nes de los principales expertos. Crosby define calidad com o “el acuerdo a los requerim ientos” [2], Juran resume que es “aptitud para el uso” y “calidad es la satisfacción del cliente” [5], La Sociedad Estadounidense para el C ontrol de la Calidad (A SQ C, por sus siglas en inglés de A merican Society for Quality Control) define la calidad como “la totalidad de características de un producto o servi cio que comprenden su capacidad para satisfacer necesidades determ inadas" [3]. En un producto manufacturado, la calidad tiene dos aspectos [5]: 1) las características del pro ducto y 2) la carencia de deficiencias. Las características de productos son los aspectos del producto que provienen del diseño; son características funcionales y estéticas del artículo que pretenden atraer y aportar satisfacción al cliente. En un automóvil, estas características incluyen el tamaño del auto, el ordenamiento del tablero, el acabado de la carrocería y aspectos similares. También se cuentan las opciones disponibles entre las cuales elige el cliente. La tabla 42.1 enlista algunas de las característi cas importantes y generales de los productos. La suma de las características de un producto define su grado, de acuerdo con el nivel de mercado al que se dirige el producto. Los automóviles (y casi todos los otros productos) vienen en diversos grados. Algunos autos proporcionan transportación básica porque eso es lo que quieren algunos clientes, en tanto que otros están en una escala superior, para clientes dispuestos a gastar más por tener un "m ejor producto". Las características de un producto se deciden en el diseño y generalmente determinan el costo inherente del producto. Las características superiores y la cantidad de ellas significan un costo más alto.
42.2
CAPACIDAD DE PROCESOS
Libre de deficiencias significa que el producto hace lo que se supone debe hacer (dentro de las limitaciones de sus características de diseño) y que está exento de defectos y de condiciones fuera de lo tolerable (tabla 42.1). Este aspecto de la calidad incluye los com ponentes individuales del producto, al igual que el producto mismo. Cuando está libre de deficiencias significa que se apega a las especificaciones de diseño, lo cual se consigue en el procesamiento. Aunque el costo inherente de m anufactura en un producto es una función de su diseño, m inim izar el costo del pro ducto al más bajo nivel posible dentro de los lím ites establecidos por su diseño, es en gran parte una cuestión de evitar defectos, desviaciones de las tolerancias y otros errores durante la producción.
TABLA 42.1
Aspectos de la calidad
Aspecto de la calidad Características del producto
Libre de deficiencias
Ejemplos Configuración de diseño, tamaño, peso Características distintivas del modelo Facilidad de uso Atractivo estético Funcionamiento y rendimiento Disponibilidad de opciones Confiabilidad Durabilidad y larga vida de servicio Posibilidad de recibir servicio Reputación del producto y el fabricante Libre de defectos
En cualquier operación de m anufactura existe variabilidad en el resultado del proceso. En una operación de m aquinado, que es uno de los procesos más exactos, las partes maquinadas pueden parecer idénticas, pero una inspección más estrecha revela diferencias de dim ensiones de una parte a la siguiente. Las variaciones en la manufactura se dividen en dos tipos: aleatorias y asignables. Las variaciones aleatorias son provocadas por muchos factores: la variabilidad hum ana con cada ciclo de operaciones, las variaciones en las m aterias prim as, la vibración de las máquinas, etc. En forma individual, estos factores tal vez no representen mucho, pero colectivamente los errores pueden acum ularse en form a significativa para provocar problem as, a menos que estén dentro de las tolerancias de la parte. Las variaciones aleatorias generalm ente forman una distribución estadís tica normal. El resultado del proceso tiende a agruparse alrededor del valor de la media, en térm i nos de la característica de calidad del producto que interesa (por ejemplo, la longitud y el diám etro). U na gran proporción de la población de partes se centra alrededor de la media, en tanto que m enos partes se alejan de ella. C uando las únicas variaciones en el proceso son de este tipo, se dice que el proceso está dentro de control estadístico. Este tipo de variabilidad continuará mientras el proceso opere en forma norm al. Cuando el proceso se desvía de esta condición de operación normal apare cen las variaciones del segundo tipo. Las variaciones asignables indican una excepción de las condiciones de operación norm ales. Ha ocurrido algo en el proceso que no está considerado dentro de las variaciones aleatorias. Entre las razones de las variaciones asignables están los errores de operadores, las materias prim as de fectuosas, las fallas en las herram ientas, las averías de las máquinas, etc. Las variaciones asignables en la m anufactura por lo general se delatan a sí mismas y provocan que el resultado se desvíe de la distribución normal. El proceso ya no está dentro del control estadístico. La capacidad de proceso se relaciona con variaciones normales inherentes en el resultado cuando el proceso está dentro de control estadístico. Por definición, la capacidad de proceso es igual a ± 3 desviaciones estándar (3s) alrededor del valor del resultado de la media (un total de seis desviaciones estándar): PC =
Apego a las especificaciones Componentes dentro de las tolerancias No faltan partes No hay fallas al inicio Recopilado de [SJ y otras fuentes.
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± 3o
(42.1)
en donde PC = capacidad de proceso; p = media de proceso, que se establece como el valor nom i nal de la característica del producto cuando se usa una tolerancia bilateral (sección 5.1.1) y o = desviación estándar del proceso. Las suposiciones implícitas en esta definición son: 1) el resultado está norm alm ente distribuido y 2) se ha obtenido una operación estable y el proceso está dentro de control estadístico. Bajo estas suposiciones, el 99.73% de las partes producidas tendrán valores de resultado que caen dentro del ± 3.0 de la media.
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42.3
Sección 42.3 / Tolerancias estadísticas
Capítulo 42 / Control de la calidad
lerancia natural, el 99.73% de las partes estarán dentro de la tolerancia y el 0.27% estará fuera de límites. Cualquier aumento en el rango de la tolerancia reducirá el porcentaje de partes defectuosas. Por lo general, los ingenieros de diseño de productos no establecen las tolerancias en sus límites naturales; éstas se especifican con base en la variabilidad disponible que obtendrá el funcionamiento y el rendimiento requerido. Es útil conocer la razón de la tolerancia especificada en relación con la capacidad de proceso: se indica mediante el índice de capacidad de proceso, definido como:
TOLERANCIAS ESTADÍSTICAS El tema de las tolerancias es vital para la calidad de los productos. Los ingenieros de diseño tien den a asignar tolerancias en las dim ensiones de los com ponentes y ensam bles; con base en sus conocimientos y experiencia, pueden predecir cóm o afectarán las variaciones de tamaño el fun cionamiento y el rendimiento. La experiencia indica que las tolerancias más estrechas provocan un mejor rendimiento. Se da poca im portancia al costo provocado por las tolerancias que son inde bidamente estrechas en relación con la capacidad del proceso. La relación general entre la toleran cia y el costo de manufactura se m uestra en la figura 42.1. Conforme se reduce la tolerancia, el costo para alcanzar la tolerancia aum enta a una velocidad de aceleración. Entre las razones están: 1) pueden requerirse pasos de procesam iento adicionales para obtener tolerancias más estrechas y 2) pueden requerirse máquinas de producción que sean más precisas y costosas.
PCI =
(42.2) 6o
en donde PCI = índice de capacidad de proceso; T = rango de tolerancia, la diferencia entre los límites superior e inferior de la tolerancia especificada; y 6cr = límites naturales de tolerancia. La suposición im plícita en esta definición es que la media en donde PC I = índice de capacidad de pro ceso; T = rango de tolerancia, la diferencia entre los límites superior e inferior de la tolerancia especificada; y 6 a = límites naturales de tolerancia. La suposición im plícita en esta definición es que la media del proceso se establece igual a la especificación nominal de diseño, por lo que el num erador y el denom inador en la ecuación (42.2) se centra alrededor del m ism o valor. La tabla 42.2 m uestra el efecto de varios múltiplos de la desviación estándar sobre la tasa de defectos (esto es, la proporción de partes fuera de la tolerancia). El propósito de obtener una tasa fraccional muy baja condujo a la noción popular de los límites de seis sigm a en el control de cali dad (última entrada en la tabla). C uando se obtienen límites de seis sigm a virtualm ente se elim inan los defectos en un producto manufacturado, suponiendo que el proceso se conserve dentro de con
El ingeniero de diseño debe considerar esta relación. Aunque al asignar tolerancias debe con siderarse principalmente el funcionam iento, el costo también es un factor y cualquier alivio que pueda proporcionarse a los departam entos de m anufactura en forma de tolerancias más amplias, sin sacrificar el funcionamiento del producto, vale la pena. Existen varios enfoques que consideran la capacidad del proceso al especificar tolerancias. A quí exam inamos dos: 1) lím ites de tolerancia na turales y 2) tolerancia estadística para ensam ble. En las referencias [5], [10] y [11] se encuentran más detalles acerca de estos y otros enfoques.
42.3.1 Límites naturales de tolerancia
trol estadístico.
Las tolerancias de diseño deben ser com patibles con la capacidad de proceso. No tiene caso especi ficar una tolerancia de ± 0.001 pulg en una dim ensión si la capacidad de proceso es significativa mente más amplia que ± 0.001 pulg. D ebe am pliarse la tolerancia (si lo perm ite la funcionalidad del diseño) o debe seleccionarse una operación de m anufactura distinta. Lo ideal es que la toleran cia especificada debe ser más grande que la capacidad del proceso. Si el funcionam iento y los pro cesos disponibles lo impiden, debe incluirse la clasificación en la secuencia de m anufactura para inspeccionar cada unidad y separar las que cum plen especificaciones de las que no lo hacen. Las tolerancias de diseño se especifican com o iguales a la capacidad de proceso, la cual se define en la ecuación (42.1). Los límites superior e inferior de este rango se conocen como límites de tolerancia natural. Cuando las tolerancias de diseño se establecen como iguales a los límites de to-
±0.125
1037
FIGURA 42.1
Tolerancia, en mm ±0.250 ±0.375
Relación general ±0.500
TABLA 42.2 Tasas de defectos cuando la tolerancia se define en términos de la cantidad de desviaciones estándar del proceso, dado que el proceso opera dentro de control estadístico. Nú me ro de desviaciones estándar
índice de capacidad de proceso
±1.0 *2.0 ±3.0 t4.0 ±5.0 ±6.0
0.333 0.667 1.0 1.333 1.667 2.0
Tasas de defectos (porcentaje) 31.74 4.56 0.27 0.0063 0.000057 0.0000002
Partes por millón 317 400 45 600 2 700 63 0.57 0.002
No siempre se conoce la capacidad de proceso de una operación de m anufactura determ inada y deben realizarse experim entos para valorarla. Los m étodos disponibles para estim ar los límites na
entre las tolerancias y el costo de
turales de tolerancia se basan en un muestreo del proceso.
42.3.2
0
±0.005
±0.010
±0.015
Tolerancia, en pulg
±0.020
Tolerancias estadísticas para ensambles
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La figura 42.2 m uestra un ensam ble form ado por tres com ponentes, en el cual la longitud general debe mantenerse a una tolerancia de ± 0 .0 1 5 pulg (± 0.381 mm). Para obtener la tolerancia en el ensamble, ¿cuáles deben ser los límites de tolerancia de los com ponentes individuales? La respues ta simple es dividir la tolerancia total entre el número de com ponentes, para que la sum a de sus tole rancias individuales sea igual a la tolerancia del ensamble. Si la tolerancia del ensam ble se d is tribuye equitativam ente entre las partes, la tolerancia de cada una de las tres partes es ± 0.005 pulg (± 0.127 mm). Esto significa que si todas las partes están dentro de la tolerancia, ninguna com bi nación de sus dim ensiones producirá una dimensión de ensam ble que esté fuera de la tolerancia. Este enfoque para establecer la tolerancia se denom ina adecuadam ente diseño del peor caso.
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Sección 42 .4 / Métodos de Taguchi
Capítulo 42 / Control de la calidad
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Solución: En este problema, solucionamos la ecuación (42.4) para la tolerancia de componentes, en donde la cantidad de piezas n = 3 y todas las T, son iguales.
Ta = 0 .0 1 5 = 37/2 = (0.0 1 5 )’ = 0.000225 T : = ° fX)02-
FIGURA 42.2 Un ensam ble que tiene tres partes, cuya dimensión general ( Í J tiene una tolerancia de ± 0.015 pulg (0.381 mm).
= 0.000075
T¡ = ^ 0 .0 0 0 0 7 5 = 0.00866 pulg La tolerancia en los com ponentes individuales que usan tolerancia estadística es ± 0.0087 pulg. Esto se com para con el valor ± 0.0050 pulg bajo el enfoque de tolerancia del peor caso.
Si suponemos que los procesos de m anufactura de los componentes están dentro de control estadístico y si estamos dispuestos a aceptar una tasa de defectos en fracciones pequeñas en la di mensión general del ensam ble, las tolerancias de los com ponentes individuales pueden hacerse m ucho más amplias que bajo la articulación de diseño del peor caso. Se usa un enfoque estadístico para establecer tolerancias para ensam bles (y otras dimensiones aditivas), basado en la siguiente relación entre la desviación estándar de la dim ensión del ensamble y las desviaciones estándar de las dimensiones de los componentes:
= ¿2 í= i
42.4
MÉTODOS DE TAGUCH I Taguchi ha tenido una influencia im portante en el desarrollo de la ingeniería de la calidad, en espe cial en el diseño de productos y de procesos. En esta sección revisarem os algunos de los métodos de Taguchi. Bajo el riesgo de simplificar en exceso sus contribuciones, las distribuim os en tres temas: 1) función de pérdida. 2) diseño robusto y 3) control de la calidad fuera de línea y en línea. Estos temas se analizan brevemente en las siguientes secciones. En las referencias [6] y [10] se
(42.3)
en donde n = cantidad de com ponentes. Si las tolerancias en los com ponentes individuales se establecen en cierto m últiplo especi ficado a partir de sus desviaciones estándar respectivas (por ejemplo, los lím ites naturales de tole rancia, en donde T = 6 o) y es conveniente establecer la tolerancia en el ensam ble usando el m ism o múltiplo, entonces
encuentra una cobertura más completa.
42.4.1 La función de pérdida
Ta =
\ en donde Ta = tolerancia de la dim ensión del ensam ble, T¡ = tolerancias de las dim ensiones de los componentes individuales y n = cantidad de com ponentes. La acumulación de las tolerancias cuadradas individuales en la ecuación (42.4) es válida si las dimensiones de los com ponentes se agregan o restan para obtener la dim ensión general del ensamble. Las ecuaciones de tolerancia estadística bajo esta form a se basan en varias suposiciones: 1) generalmente las dim ensiones de los com ponentes están distribuidas. 2) las distribuciones son inde pendientes, 3) las partes que form an un ensam ble determ inado se seleccionan en form a aleatoria y 4) los procesos que hacen los com ponentes están dentro de control estadístico, con las medias de los procesos centradas en el rango de tolerancia. Si no se consideran estas suposiciones en la m a nufactura, se producirá un nivel más alto de ensam bles fuera de tolerancia que el indicado por los valores en la tabla 42.2.
Taguchi define la calidad como “ la pérdida que paga la sociedad por un producto desde el mom en to en que éste se distribuye para envío” [10]. L a pérdida incluye costos de operación, las fallas en el funcionam iento, los costos de m antenim iento y reparación, la insatisfacción de los clientes, las lesiones provocadas por un diseño deficiente y los costos sim ilares. Algunas de estas pérdidas son difíciles de cuantificar en términos m onetarios, pero no obstante son reales. Los productos defec tuosos (o sus com ponentes) que se detectan antes del em barque no se consideran parte de esta pér dida. En lugar de eso, cualquier gasto para la com pañía producido por el desecho o reelaboración de un producto defectuoso es un costo de manufactura y no una pérdida de calidad. Ocurre una pérdida cuando una característica funcional de un producto es diferente de su valor nominal o pretendido. A unque las características funcionales no se traducen directam ente en características de dim ensiones, la relación de pérdida se com prende con m ayor facilidad en térmi nos de dim ensiones. Cuando la dim ensión de un com ponente se desvía de su valor nominal, el fun cionam iento de com ponente se ve afectado en form a adversa. Independientem ente de lo pequeña que sea la desviación, hay alguna pérdida en el funcionam iento. De acuerdo con Taguchi, la pérdi da aum enta a una velocidad de aceleración conform e crece la desviación. Si suponem os que .t = la característica de calidad que interesa, y n = su valor nominal, la función de pérdida será una curva en forma de U com o en la figura 42.3. Para describir esta curva se usa una ecuación cuadrática: L ( x ) = k ( x - N)2
EJEMPLO 42.1
(42.5)
Tolerancia estadística
Suponga que un ensam ble tiene tres com ponentes, igual que en la figura 42.2. La dim ensión gene ral del ensamble es L a = 3.000 ± 0 .0 1 5 pulg y cada pane tiene una dimensión de 1.000 pulg. Todas las tolerancias de los com ponentes serán iguales, calcule la tolerancia de com ponentes usando la tolerancia estadística.
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en donde L (x) = función de pérdida, k = constante de proporcionalidad, las definiciones para x y N son las mismas. En algún nivel de desviación (x2 - N) = - (r , - N), la pérdida será prohibitiva y es necesario desechar o reprocesar el producto. Este nivel identifica una form a posible para especificar el límite de tolerancia de la dimensión.
Capítulo 42 / Control de la calidad Sección 42.4 / Métodos de Taguchí
42.4.2
FIGURA 42.3
FIGURA 42.4
Diseño robusto Un propósito fundamental del control de calidad es reducir las variaciones. Taguchi denom ina a las variaciones factores de ruido. Un fa c to r de ruido es una fuente de variaciones que es imposible o difícil de controlar y que afecta las características funcionales del producto. Se distinguen tres tipos de factores de ruido: 1) unidad a unidad, 2) internos y 3) extem os. Los factores de ruido de unidad a unidad consisten en variaciones aleatorias inherentes al proceso o al producto provocadas por la variabilidad en m aterias primas, maquinaria y participación humana. Éstos son factores de ruido que ya hemos llamado antes variaciones aleatorias en el pro ceso. Se asocian con un proceso de producción que está dentro de control estadístico. Los factores internos de ruido son fuentes de variaciones internas en el producto o proceso. Entre ellos están: 1) los factores que dependen del tiempo, tales como el desgaste de los com po nentes mecánicos, el desperdicio de las materias primas y la fatiga de las panes metálicas; y 2) los errores operacionales, tales como las especificaciones incorrectas del producto o la m áquina herra mienta. Un fa cto r externo de ruido es una fuente de variación que es ajena al producto o proceso, tal como la tem peratura exterior, la humedad, la provisión de materia prim a y el voltaje de entrada. Los factores de ruido internos y extem os constituyen lo que antes hemos denom inado variaciones asignables. En un diseño robusto. el funcionam iento y rendim iento del producto son relativamente insen sibles a las variaciones del diseño y los parámetros de manufactura. Implica el diseño del producto y el proceso para que el producto manufacturado casi no resulte afectado por todos los factores de ruido.
La función cuadrática de pérdida de la calidad.
En el enfoque tradicional del control de la calidad se definen los límites de tolerancia y cualquier producto que cae dentro de esos lím ites es aceptable. La característica de calidad (por ejemplo, la dimensión) es aceptable, ya sea porque está cerca de un valor nom inal o de uno de los límites de la tolerancia. Cuando intentam os visualizar este enfoque en térm inos similares a la relación anterior, obtenemos la función discontinua de pérdida que se m uestra de la figura 42.4. La realidad es que los productos más cercanos a la especificación nominal tienen una m ejor calidad y aportarán una m ayor satisfacción a los clientes. Para m ejorar la calidad y la satisfacción del cliente se debe intentar reducir la pérdida, al diseñar el producto y el proceso lo más cerca posible del valor que se busca.
42.4.3
Control de la calidad fuera de línea y en línea
Función de pérdida implícita en una especificación tradicional de tolerancia.
--------------------------- L _ N -4
L ím ite s
tolerancia
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Taguchi considera el sistem a general de calidad en una organización. El sistem a de calidad se divide en dos funciones básicas: 1) el control de calidad fuera de línea y 2) el control de calidad en línea. El control de calidad fu e ra de línea se relaciona con los aspectos de diseño, tanto de productos com o de procesos. En la secuencia de las dos funciones, la prim era es el control en línea. El con trol de calidad en línea tiene que ver con las operaciones y relaciones con los clientes después del em barque. Su objetivo es fabricar productos dentro de las especificaciones definidas en el diseño del producto, utilizando los m étodos y procedim ientos desarrollados en tal proceso. Los m étodos tradicionales de control de calidad se alinean más estrecham ente con esta segunda función, que pre tende obtener el apego a las especificaciones. El enfoque de Taguchi se resume en la figura 42.5. Control de calidad fuera de línea El control de calidad fuera de línea consiste en dos eta pas: 1) diseño del producto y 2) diseño del proceso. La etapa de diseño del producto im plica el desarrollo de un producto nuevo o un nuevo m odelo de un producto existente. Las metas en el dise ño del producto son identificar adecuadam ente las necesidades de los clientes y diseñar un produc to que cubra tales necesidades y se fabrique en form a consistente y económ ica. La etapa de diseño del proceso es lo que generalm ente consideram os como la función de ingeniería de m anufactura. En el diseño se involucran varias tareas, com o especificar los procesos y el equipo, establecer los estándares de trabajo, docum entar los procedim ientos y desarrollar especificaciones claras y m ane jables para la manufactura. Un enfoque de tres pasos aplicable a estas dos etapas de diseño es el siguiente: 1) diseño del sistema, 2) diseño de parámetros y 3) diseño de tolerancias. El diseño del sistem a involucra la apli cación de conocim ientos y análisis de ingeniería para desarrollar un diseño prototipo que cum pla con las necesidades de los clientes. En esta etapa, el diseño del producto implica la configuración final del producto, incluyendo los materiales iniciales, los com ponentes y los subensam bles. En el diseño del proceso, el diseño del sistem a significa seleccionar los métodos de m anufactura más ade cuados, con énfasis en el uso de las tecnologías existentes en lugar de desarrollar nuevas. Es obvio
Sección 42.5 / Control estadístico de procesos
Capítulo 42 / Control de la calidad
Control de calidad fuera de línea
-------------*---------------- Diseño del producto
se com unica la inform ación de fallas, quejas y datos relacionados con los departam entos relevantes en la organización, para su corrección. Este últim o esquema es parte del proceso de m ejoram iento
Control de calidad en línea
-----------------*_______
continuo que sugiere Taguchi.
Diseño del proceso
Producción
Diseño del sistema
Diseño del sistem a
Diagnóstico y ajuste del proceso
Sen/icio a clientes
Diseño de parámetros
Diseño de parám etros
Predicción y corrección del proceso
Retroalimenta ción al diseño del producto
Diseño de tolerancias
Diseño de tolerancias
Medición y acción del proceso
Relaciones con clientes
42.5
FIGURA 4¿.5
1 043
CONTROL ESTADÍSTICO DE PROCESOS El control estadístico de procesos (en inglés statistical process control, SPC) im plica el uso de métodos estadísticos para valorar y analizar las variaciones en un proceso. Los métodos del SPC incluyen sim plem ente llevar registros de los datos de la producción, histogram as, análisis de capaci dad de procesos y diagram as de control. Este último es el método SPC de m ayor uso y nuestro análisis en esta sección se concentrará en él. El principio im plícito en los diagram as de control es que las variaciones en cualquier proce so se dividen en dos tipos (sección 42.2): 1) variaciones aleatorias, las cuales son las únicas pre sentes si el proceso está dentro de control estadístico y 2) variaciones asignables, que indican una salida del control estadístico. El objetivo de un diagrama de control es identificar cuándo ha salido de control estadístico el proceso, por lo que señala que debe tom arse alguna acción correctiva. Una carta de control' es una técnica gráfica en la cual se trazan estadísticas calculadas a par tir de valores m edidos de cieñas características del proceso durante un periodo, a fin de determ inar si el proceso sigue bajo control estadístico. La form a general de una c an a de control se ilustra en la figura 42.6. La carta tiene tres líneas horizontales que perm anecen constantes con el tiempo: una central, un lím ite de control inferior (low er control limit, LCL) y un límite de control superior (upper control limit, UCL). La central generalm ente se establece en el valor nom inal de diseño. Los límites de control superior e inferior se establecen en ± 3 desviaciones estándar de las m edias de
Diagrama de bloques que indica el control de calidad fuera de línea y en línea de Taguchi.
que las etapas de diseño del producto y del proceso se sobreponen, debido a que el diseño de pro ducto determina en gran parte el diseño de m anufactura. Asimismo, la calidad del producto se afec ta significativamente cuando se tom an m alas decisiones durante el diseño del producto. En el diseño de parámetros se determ inan las especificaciones óptimas de parámetros para el producto y el proceso. En esta etapa se obtiene un diseño robusto, según se definió en la sección anterior. Esto significa seleccionar valores de parám etros de productos que produzcan un producto que no se vea afectado con las variaciones en estos parámetros. También significa elegir valores de parámetros que reduzcan los efectos de las variaciones del proceso. Taguchi sugiere el uso de va rios diseños experimentales para determ inar estas especificaciones óptimas de parámetros. En el diseño de tolerancias, el objetivo es especificar las tolerancias convenientes para los valores nominales establecidos en el diseño de parám etros. Pretende obtener un equilibrio entre especificar tolerancias am plias que faciliten la m anufactura y reducir las tolerancias para optim izar el funcionamiento de los productos. Control de calidad en línea Esta función del control de calidad se relaciona con las opera ciones de producción y las relaciones con los clientes. En la producción, Taguchi clasifica tres enfo ques para el control de calidad que corresponden am pliam ente al control de retroalim entación, al control de anticipación y a la calibración. Estos tres enfoques son los siguientes: 1)
Diagnóstico y ajuste del proceso. En este enfoque, el proceso se mide en forma periódica y se hacen ajustes para desplazar los parám etros que interesan a los valores nominales.
2)
Predicción y corrección del proceso. Esto se refiere a la medición de los parámetros del pro ceso a intervalos periódicos para ajustar las tendencias. Si las proyecciones indican desviaciones de los valores que se pretenden, deben hacerse ajustes correctivos del proceso.
3)
Medición y acción del proceso. Esto implica la inspección de todas las unidades (al 100%) para detectar deficiencias que tendrán que reprocesarse o descartarse. Dado que este enfoque ocurre cuando la unidad está terminada, es menos deseable que las otras dos formas de control.
El enfoque de control de calidad en línea de Taguchi incluye las relaciones con los clientes, que constan de dos elementos. Primero, hay un tradicional servicio al cliente, que maneja las repara ciones, las sustituciones y las quejas. Segundo, incluye un sistema de retroalimentación, en el cual
muestra. Es poco probable que una m uestra dibujada del proceso se encuentre fuera de los límites de control superior o inferior, m ientras las operaciones están dentro de control estadístico. Por tanto, si un valor de m uestra cae fuera de estos lím ites, significa que el proceso está fuera de control. El paso siguiente es realizar una investigación para determ inar la razón de la condición fuera de con trol. con acciones correctivas convenientes para elim inar tal condición. Por las mismas razones, si el proceso se encuentra bajo control estadístico y no hay evidencias de tendencias no deseadas en los datos, no deben hacerse ajustes, dado que introducirían una variación asignable en el proceso. En las cartas de control, es aplicable la filosofía de “si no se rom pe, no lo arregles”.
FIGURA 42.6 control
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Carta de
Número de m uestras, s * [N.del R.T.] Las canas de control también son llamadas por algunos autores como gráficas de control.
1044
Sección 42.5 / Control estadístico de procesos
Capítulo 42 / Control de la calidad
Hay dos tipos básicos de diagram as de control: 1) cartas de control por variables y 2) cartas de control por atributos. Los términos variables y atributos tienen el mismo significado que en la inspección (sección 41.2). Las cartas de control por variables requieren una m edición de la carac terística de la calidad que interesa. Las cartas de control por atributos sim plem ente requieren que se determine si una parte está defectuosa o cuántos defectos hay en la m uestra.
42.5.1
Tabla 42.3
Un proceso que está fuera de control estadístico manifiesta esta condición en form a de cam bios sig nificativos en: 1) la media del proceso y 2) la variabilidad del proceso. En correspondencia con estas posibilidades, hay dos tipos de cartas de control por variables: 1) la gráfica x y 2) la carta R. La carta x (denominada “gráfica de barras .t”) se usa para trazar el valor m edido prom edio de cier ta calidad característica para cada una de una serie de m uestras tomadas del proceso de producción. Indica cómo cambia la media del proceso durante un periodo. La carta R traza el rango de cada muestra, con lo que vigila la variabilidad del proceso e indica si cam bia con respecto el tiempo. Debe seleccionarse una característica de calidad conveniente del proceso com o la variable que se va a vigilar en las cartas x y R. En un proceso m ecánico, esto podría ser el diám etro de un eje o alguna otra dimensión importante. Deben usarse mediciones del proceso mismo para construir las dos gráficas de control. Con el proceso funcionando en forma regular y carente de variaciones asignables, se recopi la una serie de muestras (se recom ienda m = 20 o más) de tamaño pequeño (por ejem plo, n = 5 par tes por muestra) y se miden las características que interesan de cada pane. Se usa el procedim iento siguiente para construir el centro, el límite de control superior y el límite de control inferior para cada carta:
Constantes para las gráficas x y R. C arta R
C arta x A2
T am año de m uestra n
1.023 0.729 0.577 0.483 0.419 0.373 0.337 0.308
3 4 5 6 7 8 9 10
Cartas de control por variables
1 045
D3
D4
0 0 0 0 0.076 0.136 0.184 0.223
2.574 2.282 2.114 2.004 1.924 1.864 1.816 1.777
construir las cartas x y R. Los valores calculados x y R para cada muestra se proporcionan ensegui da (los valores medidos están en pulgadas), éste es el paso 1 en nuestro procedimiento. s___________ 1_________ 2_________ 3__________4___________ 5_________ 6________ 7________ 8__________ x R
Solución:
2.008 0.027
1.998 0.011
1.993 0.017
2.002 0.009
2.001 0.014
1.995 0.020
2.004 0.024
1.999 0.018
En el paso 2 calculam os la media total de los promedios de muestras. 2.008 4- 1.998 + • • • 4- 1.999 'r “
^
8
En el paso 3 se calcula el valor de la media de R. 1) Calcular la media .ty elrango R para cada 2) Calcular la media totalT , el centro de la carta x .
una de las m muestras.
0.027 +0.011
que es la media de los valores de x para las m m uestras; ésta será
+... + 0.018
8
3) Calcular R. que es la m edia de los valores de R para las m muestras; esta será el centro de la gráfica R. 4) Determinar los límites de control superior e inferior, UCL y LCL, para las cartas x y R. Podrán estimarse los valores de la desviación estándar a partir de los datos de muestra y usarse para calcular estos lím ites de control. Sin embargo, un enfoque más fácil se basa en los factores estadísticos incluidos en la tabla 42.3, que se han derivado específicam ente para estas cartas de control. Los valores de los factores dependen del tamaño de la muestra n. Para la carta x ,
En el paso 4 se determ inan los valores del LCL y del UCL con base en los factores de la tabla 42.3. Primero, mediante la ecuación (42.6) para la carta .7, LCL = 2.000 - 0.729(0.0175) = 1.9872 U CL = 2 .0 0 0 + 0.729(0.0175) = 2.0128 y para la carta R se utiliza la ecuación (42.7),
LCL = x - A ZR
(42.6a)
L C L = 0(0.0175) = 0
UCL = x + A 2R
(42.6b)
U C L = 2.282(0.0175) = 0.0399 Las dos cartas de control se construyen en la figura 42.7 con los datos de m uestra trazados en las
y para la carta R
canas. LCL = D yR
(42.7a)
U CL = D iR
(42.7b) 12
EJEM P LO 4 2 .2
Si se conocen la media y la desviación estándar del proceso, una forma alternativa de calcu lar los límites de control superior e inferior y el centro para la gráfica x será la siguiente: 3er
C a rta s x y R
Se recopilaron ocho muestras (m = 8) de tamaño 4 (n = 4), de un proceso de m anufactura que está dentro de control estadístico y se obtuvo la dim ensión que interesa de cada parte. Se pretende deter m inar los valores del centro, del límite superior de control y del límite inferior de control para
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.
^0 4 6
Capítulo 42 / Control de la calidad Sección 42.5 / Control estadístico de procesos
1047
estadísticas trazadas. Entre los ejem plos de estos tipos de atributos se encuentran las cantidades de defectos por automóviles, la fracción de partes estropeadas en una muestra, la existencia o ausen cia de rebabas en el m oldeado plástico y la cantidad de defectos en un rodillo de acero laminado. En el grupo se incluyen los procedim ientos de inspección que implican calibración pasa/no pasa, debido a que determinan si una parte es buena o no. Los dos tipos principales de cartas de control por atributos son: 1) la carta p, que traza la razón de defectos por fracción en m uestras sucesivas y (2) la carta c, que traza la cantidad de defec tos, fallas u otras alteraciones por muestra. C artas p En la carta p , la característica de calidad que interesa es la proporción (p) de unidades defectuosas o que no se apegan al diseño. Por cada muestra, esta proporción p¡ es la razón de la cantidad de artículos d, defectuosos o que no se apegan a la cantidad de unidades n, (su ponemos muestras de tamaño igual para construir y usar la carta de control): p. = ± d n
(42.10)
en donde se usa i para identificar la muestra. Si se promedian los valoresp¡ para una cantidad de mues tra suficiente, el valor de la media ~pes una estimación razonable del valor verdadero de p para el pro ceso. La carta p se basa en una distribución de binomios, en donde p es la probabilidad de una unidad que no se apega al diseño. El centro de la carta p es el valor calculado de ~p para m muestras de igual tamaño n, recopiladas mientras el proceso opera bajo control estadístico. X > FIGURA 42.7 Gráficas de control para el
^
m
Los límites de control se calculan com o tres desviaciones estándar en cualquier lado del centro. Por tanto:
Cantidad de muestras, s en donde /i = media del proceso, a = desviación estándar del proceso y n = tam año de la muestra. Los valores del LCL y del UCL que proporcionan las ecuaciones (42.8) en teoría son iguales a los calculados mediante las ecuaciones (42.6). Sin em bargo, la prim era vez que se establece la carta.? para un proceso, por lo general no se conocen la m edia y la desviación estándar para la variable del proceso que interesa. De acuerdo con esto, las ecuaciones (42.6) basadas en los valores medidos de x y R se usan convenientemente para calcular los parám etros de control de la carta. C on los límites de control establecidos en los valores definidos en las ecuaciones (42.6), o (42.8), el 99.73% de las muestras aleatorias obtenidas en un proceso que está dentro de control estadístico se encuentran dentro de los límites de control. Los lectores observarán que la desviación estándar de las medias de m uestra se relaciona con la desviación de la población estándar mediante el recíproco de la raíz cuadrada de n, la cantidad de unidades en la muestra; esto es, a
en donde ax - desviación estándar de la media de la m uestra y los otros térm inos conservan su definición anterior.
42.5.2
(42.11)
Cartas de control por atributos Las cartas de control p o r atributos no usan una variable de calidad medida; en lugar de eso, vigi lan la cantidad de defectos presentes en la m uestra o la tasa fraccionaria de defectos según las
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LCL^p-jjEÍLJl
(42. , 2al
ucl = p + 3 /
(42l2b>
? ^
en donde la desviación estándar de p e n la distribución de binom io se proporciona mediante: p ( l - p) Si el valor d e p e s relativamente bajo y el tamaño de la muestra n es pequeño, es probable que el límite inferior de control, calculado mediante la primera de estas ecuaciones, sea un valor negativo. En este caso, suponga que LCL = 0 (la razón de defectos por fracción no puede ser menor que 0). C arta c En la carta c (c quiere decir cuenta) la cantidad de defectos en la muestra es graficada contra el tiempo. La muestra puede ser un producto único tal com o un automóvil y c = la cantidad de defectos de calidad encontrados durante la inspección final. La muestra puede ser también una extensión de alfombras en la fábrica antes del corte y c = cantidad de imperfecciones descubiertas en tal tira. La gráfica c se basa en la distribución de Poisson, en donde c = parámetro que representa la cantidad de eventos que ocurren dentro de un espacio de m uestra definido (defectos por auto o imper fecciones por longitud especificada de la alfombra). Nuestro mejor estimado del valor verdadero de c es el valor de la media sobre una gran cantidad de muestras obtenidas mientras el proceso está bajo control estadístico: m (42.13)
1 048
Capítulo 42 / Control de la calidad Problemas
Este valor de c se usa com o el centro de la carta de control. En la distribución de Poisson, la desviación estándar es la raíz cuadrada del parám etro c. Por tanto, los límites de control son
12.5.3
LCL = c - 3 V c
(42.14a)
UCL = c + 3V c
(42.14b)
Interpretación de las cartas de control
42.5. Identifique los dos tipos de cartas de control por variables. 42.6. ¿Cuáles son los dos tipos básicos de cartas de control por atributos? 42.7. ¿Cómo se interpreta en una carta de control la existencia de problemas?
CUESTIONARIO DE OPCIÓN MÚLTIPLE Hay un total de 12 respuestas correctas en el siguiente cuestionario. La calificación porcentual de la prueba debe basarse en este total.
Cuando se usan cartas de control para vigilar la calidad de la producción, se obtienen muestras aleatorias del proceso del mismo tam año n usado para construir las cartas. En las c a rta s x y R, se trazan los valores n y R de las características m edidas en la carta de control. Por convención, los puntos generalmente están conectados com o en nuestra figura. Para interpretar los datos, se buscan signos que indiquen que el proceso no está bajo control estadístico. El signo más obvio es: 1) cuan d o ? o R (o ambos) se encuentran fuera de los lím ites LC L o UCL. Esto indica una causa asignable, tal como materiales iniciales defectuosos, un operador nuevo, una herramienta descom puesta o fac tores similares. Una x fuera del límite indica un cam bio en la media del proceso. Una R fuera de límite muestra que ha cam biado la variabilidad del proceso. El efecto usual es que R aum enta, indi cando que se ha elevado la variabilidad. Se pueden revelar condiciones menos obvias, aun cuando los puntos de muestra se encuentren dentro de los lím ites ± 3sigma. Entre estas condiciones están: 2) existen tendencias o patrones cíclicos en los datos, lo cual puede significar desgaste u otros fac tores que ocurren com o una función del tiempo; 3) cam bios repentinos en el nivel prom edio de los datos y 4) puntos consistentem ente cerca de los lím ites superior o inferior.
42.1. ¿Cuál de los siguientes ejemplos se clasificaría como una característica de producto y no como un pro ducto libre de defectos? (Puede ser más de una respuesta.) a) componentes dentro de la tolerancia, b) ubicación de un interruptor encendido/apagado, c) no faltan panes, d) peso del producto y e) confiabi lidad. 42.2. Si se establece la tolerancia del producto para que el índice de capacidad del proceso sea igual a 1.0. ¿cuál de los siguientes procesos se acercará más al porcentaje de partes dentro de la tolerancia cuando el proceso opere bajo control estadístico? a) 35%, b) 65%. c) 95%. d) 99 % o e) 100%. 42.3. ¿Cuál de los siguientes principios o enfoques se acredita generalmente a G. Taguchi? (Puede ser más de uno.) a) muestreo de aceptación, b) canas de control, c) función de pérdida y d) diseño robusto. 42.4. En una cana de control, ¿a cuál de los siguientes aspectos se establece igual el ULC? a) media del pro ceso, b) media del proceso más tres desviaciones estándar, c) límite superior de tolerancia del diseño o d) valor superior del rango máximo R. 42.5. ¿Para cuál de las siguientes características de productos o panes se usa la carta /?? a) cantidad de panes rechazadas en la muestra, b) cantidad de panes reprocesadas en una muestra, c) radio de una pane cilin drica o d) rango de valores de la muestra. 42.6. ¿Cuál de los siguientes parámetros describe mejor las situaciones en las que es más conveniente la carta c ? a) control de panes defectuosas, b) valor promedio de la característica de panes que interesa, c) can tidad de defectos en una muestra o d) proporción de defectos en una muestra. 42.7. ¿Cuál de los siguientes efectos identifica una condición fuera de control en una cana de control? (Puede ser más de una.) a) un valor de x que aumenta en forma consistente, b) puntos cerca del centro, c) R fuera de los límites de control de la cana R y d) x fuera de los límites de control de la cana x.
Los mismos tipos de interpretaciones que reciben las cartas x y R son aplicables para las car tas p y c.
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PROBLEMAS Nota: Los problemas identificados con un asterisco (*) en este grupo requieren el uso de tablas estadís ticas no incluidas en este texto.
Capacidad de proceso y tolerancia estadística
PEGUNTAS DE REPASO 42.1. ¿Cuáles son los dos aspectos principales en la calidad de productos? 42.2. ¿Cómo se distingue a un proceso que opera bajo control estadístico de uno que no funciona de tal modo? 42.3. Defina capacidad de proceso.
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42.4. ¿Cuál es la diferencia entre las cartas de control por variables y las canas de control por atributos?
42.1. Se establece un proceso de torneado automático para producir panes con un diámetro medio = 2.5020 pulg. El proceso está bajo control estadístico y el resultado está normalmente distribuido con una desviación estándar = 0.0016 pulg. Determine la capacidad del proceso. 42.2. * En el problema 42.1. la especificación de diseño de la pane es: diámetro = 2.500 ± 0.005 pulg. a) ¿Qué proporción de panes cae fuera de los límites de tolerancia? b) Si el proceso se ajustara para que su diámetro de media = 2.5000 pulg y la desviación estándar permaneciera igual, ¿qué proporción de panes caería fuera de los límites de tolerancia? 42.3. Una operación de doblado de láminas metálicas produce partes dobladas con un ángulo incluido = 92.19. El proceso está bajo control estadístico y los valores del ángulo incluido están normalmente dis tribuidos con una desviación estándar = 0.23®. La especificación de diseño del ángulo = 90 ± 2®. a) Determine la capacidad del proceso, b) si el proceso pudiera ajustarse para que su media = 90.0®, deter mine el valor del índice de capacidad del proceso.
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Capítulo 42 / Control de la calidad
Problems
1050
Problemas
42.4. Un proceso de extrusión plástica produce extrusiones con una dimensión crítica de sección transversal = 28.6 mm. El proceso está bajo control estadístico y el resultado se distribuye normalmente con una desviación estándar = 0.53 mm. Determine la capacidad de proceso. 42.5.* En el problema 42.4. la especificación de diseño de la pane es diámetro = 28.0 ± 2.0 mm. a) ¿Qué pro porción de partes cae fuera de los límites de tolerancia? b) Si el proceso se ajustara para que su diámetro promedio = 28.0 mm y la desviación estándar permaneciera igual, ¿qué proporción de partes caería fuera de los límites de tolerancia? c) Con la media ajustada a 28.0 mm, determine el valor del índice de capacidad del proceso. 42.6. Un ensamble consta de cuatro componentes apilados para crear una dimensión general de 2.500 pulg, con una tolerancia bilateral Ta - 0.020 pulg (± 0.010 pulg). Las dimensiones de cada una de las partes individuales son 0.625 pulg. Todas las panes tendrán idénticas tolerancias bilaterales. Determine la to lerancia: a) bajo un enfoque de diseño del peor caso y b) usando un enfoque de tolerancia estadística. 42.7. Se hace un ensamble apilando 20 piezas planas de láminas metálicas para producir una estructura la minada gruesa. Todos los suajados de láminas metálicas se cortan con la misma perforadora y matriz, al perfil deseado, para que el ensamble grueso tenga el mismo perfil. Todas las panes se cortan del mismo rollo de lámina metálica, cuya especificación de grosor es 1/16 de pulg ± 0.002 pulg. El espe sor del ensamble final se especifica como 1.250 ± 0.010 pulg. ¿Es aplicable un enfoque de tolerancia estadística en esta situación? ¿Por qué? 42.8. El ensamble de la figura P42.8 tiene una dimensión de ensamble crítica C = 2.000 pulg. Si se hace cada pane desde un proceso independiente con todas las medias del proceso y se establece que el grosor de las partes sea de 1.000 pulg, y una desviación estándar = 0.002 pulg ¿cual es la capacidad del proceso de la dimensión crítica c? Suponga que son paralelos los lados opuestos de cada parte en la dimensión de 1.0 pulg.
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T 10 “ t"
10
*
10
10
410
10
4“ f
- f
10
FIGURA P42.10 Ensamble para el problema 42.10.
10
_ í_
porcionan enseguida (los valores medidos están en pulgadas), b) Construya las canas de control y trace los dalos de muestra en la canas.
s___________1_________ 2__________ 3_________ 4__________ 5_________ 6________ 7__
i 1.0 ▼ A 1.0
x R
T 1
1.0 T i 1.0 T
1.002 0.010
0.999 0.011
0.995 0.014
1.004 0.020
0.996 0.008
0.998 0.013
1.006 0.017
42.13. Se recopilaron diez muestras de tamaño n = 8 de un proceso bajo control estadístico, y se midieron las dimensiones que interesan de cada pane, a) Determine los valores del centro, LCL y UCL para las car tas x y R. Valores calculados de x y R para cada muestra se proporcionan enseguida (los valores medi dos están en milímetros), b) Construya las canas de control y trace los datos de muestra en la cana.
FIGURA P42.8 Ensamble para el problema 42.8.
5 x R
42.9. Un ensamble consta de tres partes apiladas para formar una dimensión final de 30.0 mm con una to lerancia = ± 0.20 mm. Las dimensiones de partes relevantes que forman los 30 mm totales son 5 mm, 10 mm y 15 mm. Las partes se producen mediante operaciones de manufactura independientes, cuyas capacidades de proceso son proporcionales a sus dimensiones respectivas. Dado que las tolerancias de las partes van a ser una proporción constante de las dimensiones respectivas, determine la tolerancia para cada parte usando: a) el diseño del peor caso y b) tolerancia estadística. 42.10. La figura P42.10 muestra un ensamble en el cual la dimensión crítica es C. Cada parte que se usa en el ensamble, incluyendo la pane base, tiene un grosor = 10.0 mm, con una capacidad de proceso = ± 0.1 mm para el espesor. Dado que el índice de capacidad de proceso para las panes PCI - 1.0 y que el PCI para el ensamble también será 1.0, determine la tolerancia recomendada para C usando: a) el diseño del peor caso y b) la tolerancia estadística. 42.11. Solucione la pane b) del problema 42.11, excepto que el índice de capacidad de proceso para el ensam ble es más conservador. 1.5. El PCI para las partes individuales todavía es 1.0.
Cartas de control 42.12. Se recopilaron siete muestras, de 5 panes cada una, de un proceso de extrusión que está dentro de con trol estadístico y se midió el diámetro de la extrusión para cada pane, a) Determine los valores del cen tro, el LCL y el UCL para las cartas x y R. Los valores calculados de x y R para cada muestra se pro-
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1________ 2________ 3________ 4________5________ 6_______ 7________ 8________9 9.22 0.24
9.15 0.17
9.20 0.30
9.28 0.26
9.19 0.27
9.12 0.19
9.20 0.21
9.24 0.32
9.17 0.21
10 9.23 0.23
42.14. En doce muestras de tamaño n = 7, el valor promedio de las medias de la muestra.? = 6.860 pulg para la dimensión que interesa, y la media de los rangos de las muestras R = 0.027 pulg. Determine a) los límites de control superior e inferior para la cana y b) los límites de control superior e inferior para la cana R. c) ¿Cuál es su mejor estimado de la desviación estándar del proceso? 42.15. En nueve muestras de tamaño n = 10, la media total de las muestras x = 100 para la característica que interesa y la media de los rangos de las muestras R es = 8.5. Determine: a) los límites de control supe rior e inferior para la carta x y b) los límites de control superior e inferior para la carta R. c) Con base en los datos proporcionados, estime la desviación estándar del proceso. 42.16. Se construirá una cana p. Se recopilaron seis muestras de 25 panes cada una y la cantidad promedio de defectos por muestra fue de 2.75. Determine el centro, el LCL y el UCL para la cana p. 42.17. Se tomaron diez muestras de igual tamaño para preparar una cana p. La cantidad total de partes en estas diez muestras fue de 900, y la cantidad total de defectos encontrados fue de 117. Determine el centro, el LCL y el UCL para la cana p. 42.18. El rendimiento de pastillas buenas durante cieno paso en el procesamiento de silicio de circuitos inte grados promedia 91%. La cantidad de pastillas por oblea es 200. Determine el centro, el LCL y UCL para la cana p que podría usarse para este proceso.
Capítulo 42 / Control de la calidad
42.19. Los límites de control superior e inferior para una can a p son LCL = 0.19 y UCL = 0.24. Determine el tamaño de muestra n que se usa con esta cana de control. 42.20. Los límites de control superior e inferior para una cana p son LCL = 0 y UCL = 0.10. Determine el tamaño de muestra mínimo posible n que sea com patible con esta carta de control. 42.21. Se inspeccionaron 12 carros después del ensam ble final. La cantidad de defectos encontrados oscila entre 87 y 139 defectos por automóvil, con un promedio de 116. Determine el centro y los límites de control superior e inferior para la carta c que pueden usarse en esta situación.
ÍNDICE ANALÍTICO A bocardado, 608 A brillantado, 677 ABS Acrilonitrilo-Butadieno-Estireno, 199 A cabado a chorro, 815 A cabado de superficies, véase R ugosidad de superficies A cabado en barril (Tumbling), 815 A cabado vibratorio. 816
A justes a presión, eléctricos. 901 m ecánicos. 798-799 Ajustes por contracción, 799-800 A lam bre M DE (m aquinado po r descar
robótica, 938-944 sistem as flexibles de manufactura, 957-964 soldadura. 716-717 Avellanado, 608
ga eléctrica),693-695 A leaciones. 110-111
Balanceo de líneas, 913-915
A leaciones de fundición de cobalto,
Barro. 163, 166,422
580-581
Biselado. 598
A ccesorios de agarre automático, 800-
A leaciones eutécticas, 114, 117, 251
B obinado de filamentos, 386-388
801 Acero de alta velocidad. 128, 129, 579-
A lto hom o, 117-119
B om bardeo de partículas atóm icas.
580
A lúm ina (véase también óxido de alu m inio), 168-170
830. 865 Borizado, 157
A cero galvanizado, 139
A lum inio 132-134
Boro. 177, 179-180, 225
Acero: al carbono, 123-124
Anillo de retención, 801
Broca helicoidal, 606-607
A nisotropía, 706, 865 C A D /C A M
com posición quím ica. 125, 127, 129
Anodizado, 827
de baja aleación, 124-126
A randelas, 794
definición, 123
A serrado, 627-629
elem entos aleantes, 123-125
A spersión m etálica, 839
C alandrado. 325, 364
elaboración del acero, 119-123
Autoclave, 382
Calentam iento por inducción, 158
herram ienta, 128-129
A utom atización program able:
Calentam iento por resistencia, 159,
inoxidable, 126-128 para fundición, 288-289
controladores lógicos program ables, 944-946
planeación de procesos, 973-975 program ación de partes por CN , 937
829 Calibración, 1007
control num érico. 925-938
Calibradores, 1014, 1017-1020
A cero inoxidable, 126-128
definición, 924-925
C alor de fusión. 39. 76. 245, 248
A ceros para herram ienta. 128-129,
robótica, 938-944
C alor específico, 78, 245
propiedades. 124, 126, 127
578-580 A cetal, 198 A coplam iento por expansión, 800
A utom atización: controladores lógicos program ables, 944-946
C antidades de producción, 7, 21-24 Capacidad de la planta, 9 C apacidad de los procesos, 1035-1037
A crílico. 198-199
control num érico, 925-938
Capacidad de producción. 9
A ctuador final, 941
inspección. 1011-1012
C arbonitruración, 156
líneas de producción, 915-920
Carbono, 177-179, 224
líneas de transferencia, 915-920
Carburizado, 156
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A cuñado, 467, 521 A huecado m ecanizado, alfarería, 424
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índice
Carburo de silicio, 168, 171, 657 Carburo de titanio. 171, 232. 832 Carburo de tungsteno, 171, 231 Carburos, 171-172 Carburos cementados: definición. 231-233 herramientas de corte, 581-582 historia, 171 recubiertos. 583 Carburos recubiertos, 583 Careado. 598 Celulósicos, 199-200 Centrado. 608 Centros de maquinado, 619-621 Centros de torneado, 620 Cerámica: cerámica tradicional, 166-169 definición, 11. 162 fibras en materiales compuestos, 225 guía para el procesamiento, 180 herramientas de corte. 583-584 historia, 167 importancia, 163-164 materias primas, 167-168 nuevos productos, 169-172 preparación de polvos. 428 procesamiento de, 419-432 propiedades. 40. 164-166 vidrio, 172-177 Cermets. 231-233, 430-432, 582-583 Chapeado, 822-826 Chapeado mecánico. 840-841 Chapeado sin electricidad, 825 Chavetas, 802 Circuitos integrados: definición, 844-846 encapsulado, 867-872 procesamiento. 846-850 procesamiento del silicio, 850-854 rendimientos, 872-874 Clasificación y codificado de partes, 952-955 Cloruro de polivinilo. 203-204 Cobre, 136-137 Colada continua, 122-123 Colado centrífugo verdadero, 278-280 Compuestos fenólicos, 206 Compuestos para moldeo de láminas, 377 Concentricidad, 88
Condiciones de corte: fresado, 614-616 maquinado, 546-547 torneado. 597-598 taladradado, 607-608 Conductividad. 81 Conectores eléctricos. 899-904 Conformado, 622 Consideraciones de diseño: cerámica, 432 ensamble, 803-807 fundición. 289-291 hule. 371 maquinado, 645-647 plásticos. 353-355 polvo de metales. 412-415 soldadura. 764-765 vidrio. 305-306 Contra embutido. 518 Contracción: en fundición. 252-253 en moldeo por inyección. 334-336 Control de calidad. 24, 1033-1048 Control de inventarios, 985, 988-992 Control de piso de fábrica. 999-1002 Control de producción, véase Planeación y control de la producción Control estadístico de procesos, 10431048 Control numérico: en centros de maquinado, 619-621 en fresado, 619 en taladrado, 611 en torneado, 603 tecnología del, 925-938 Control numérico computarizado, véase Control numérico Controladores lógicos programables, 944-946 Copolímeros, 192 Corte con arco de plasma, 698-699 Corte con arco eléctrico. 698-699 Corte con chorro de agua abrasiva, 685 Corte con chorro de agua, 684-685 Corte con cizalla, 438, 502 Corte con electrodo de carbón, 699 Corte con electrodo de carbón y aire, 699 Corte con oxígeno y gas combustible, 747-750
Corte de alambres por descarga eléctrica, 693-695 Corte de metal: en maquinado, véanse Maquinado de láminas metálicas, o Trabajado de láminas metálicas Corte en trozos maquinado. 598 láminas metálicas, 506 Corte ortogonal, 548-551 Corte por flama, 699-700 Costura. 802 Cromizado. 156-157 Cuartos limpios, 849-850 Cubilotes. 281 Curado de materiales compuestos en matriz de polímero, PMC, 382 Curva de flujo, 50-52, 438-439 Curva temperatura-tiempotransformación. 151-152 Dados progresivos, 525 Dados: de láminas metálicas, 532-534 de polímeros, 326 para estirado de alambre y barras, 487-492 para extrusión. 483-484 para forja, 469-470 para láminas metálicas, 523-525 Decisiones de hacer o comprar, 972973 Defectos: embutido, 520 extrusión, 486-487 extrusión plástica, 322-323 fundición, 285-287 moldeo por inyección, 336 soldadura, 760-763 Deformación: deslizamiento, 35-37 maclaje, 37 procesos de deformación volumétrica, 436-437, 447-492 procesos de formado. 16 Deposición epitaxiai. 861 Deposición física de vapor. 828-831 Deposición química de vapor. 831-834, 859-861 Desengrasado a vapor, 813-814
Desgaste: de hen-amientas de corte, 569-571 definición, 102 mecanismos de. 103-104 protección contra el, 104 tipos de. 102.104 Desgaste adhesivo, 103 Desgaste del flanco, 569-571 Desgaste en forma de cráter. 569 Desgaste por abrasión, 103 Deslizamiento en deformación plástica, 35-37 Desplegado, láminas metálicas, 521 Diagramas de fase: cobre-níquel, 112 general. 111-114 hierro-carbono, 116 plomo-estaño. 114 WC-Co, 432 Diamante: herramientas de corte, 584 propiedades, 177-179 rueda de esmeril, 657 Dieléctrico, definición, 82 Difusión de masa. 79-80 Difusión térmica, 861 Difusión: circuitos integrados, 861 de masa, 79-80 en metales, 156, 817-818 mecanismo de desgaste, 103 primera ley de Fick. 79 semiconductores, 818 Dimensiones, 86-88 Diseño del ciclo de vida, 980-981 Diseño para capacidad de manufactura, 967, 976-981 Diseño para ensamble, 976-979 Disposición de planta, 21-24 División del trabajo, 4 Doblado: láminas (hojas) metálicas. 17, 508513 tubo. 536-537 Doblado con rodillos, 531 Doblado de barriles conectores (crimping), 900 Doblado de tubos, 536,537 Doblez, láminas (hojas) metálicas. 512 Ductilidad, 47-48 Dureza Brinell, 57
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Dureza en caliente, 61-62 Dureza Knoop. 59 Dureza Rockwell, 57-58 Dureza Vickers, 58 Dureza: definición. 57 pruebas, 57-59 tratamientos térmicos, 149-160 maquinabilidad, 639 valores para diversos materiales, 60. 61 Durómetro, 59 Economía y m anufactura, 1-2 Ecuación de Merchant, 555-558 Ecuación de Taylor para el tiempo de vida de una herramienta, 573-574. 589. 641 Efecto del tamaño, maquinado. 560 Elastómeros (véase también, Hule): características. 208-210 de cadena transversal. 191-192, 208-
210 definición, 11-184 elastómeros comerciales. 210-217 historia. 210-211,212 termoplásticos, 210, 216-217, 370 Elastómeros termoplásticos, 210, 216217, 370 Electrochapeado. 83, 822-825 Electrodos: soldadura de arco eléctrico, 730-738 soldadura por resistencia eléctrica, 739-744 Electroformado, 825 Electrólisis, 83 Elementos, 28-30 Encapsulado dual en línea, 869 Encapsulado electrónico, 878-904 Encapsulado, componentes electrónicos: circuitos impresos, 878-899 circuitos integrados, 867-872 tecnología de conectores. 899-904 tecnología de inserción en agujeros, 890-894 tecnología de montaje superficial, 894-899 Endurecimiento por deformación, 50, 145-146 Endurecimiento por flama, 158
Endurecimiento por trabajo, véase Endurecimiento por deformación Engargolado, láminas metálicas (o empate al engargolado), 512 Engrapado, 802 Enlace covalente. 31 Enlace iónico. 30-31 Enlace metálico, 31 Enlaces, átomos y moléculas, 30-32 Ensamble: automatizado, 917-918 electrónico, 878-904 historia de. 5, 14 líneas de ensamble manual, 911-915 mecánico, 789-807 planeación de procesos, 971-972 procesos de soldadura, 728-758 soldadura blanda. 777-781 soldadura fuerte, 771-777 visión general de las operaciones. 19 unión con adhesivos, 781-787 Ensayo de torsión, 55-57 Envoltura de alambre, 902 Escariado, 608, 624-626 Escleroscopio, 59 Esfuerzo de fluencia, 438-439 Esmalte de porcelana, 838-839 Esmerilado con banda, 673 Esmerilado: definición, 657 en cerámica, 421-422 proceso, 661-674 rueda de esmeril, 657-661, 665-666 Esmerilado electroquímico, 690 Esmerilado profundo, 672 Esmerilado sin centros, 671-672 Espuma, polímeros, 336-337, 351-353 Estampado. 521 Estampado a forja, 472 Estaño: datos básicos, 141 bronce. 13, 136 aleaciones de soldadura blanda, 114 Estereolitografía, 981-982 Estereorregularidad, 190-191 Estirado: de alambre y barras, 437, 487-492 de láminas metálicas, 438, 513-520 Estirado de alambre, 487-492 Estirado de barras, 487-492 Estructura amorfa de materiales, 38-40
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índice
índice
Estructura de panal. 230 Estructuras cristalinas: W definición, 32 | deformación en metales, 35-37 * en polímeros, 193-194 | en metales. 33 imperfecciones, 33-35 ^vaporación al vacío. 828-829 Extrusión: ) cerámica, 424 definición, 17, 475 ^ de hule. 364 . de plásticos, 313-325 * de polvos metálicos, 410
de metal, 476-487 £xtrusión en caliente. 479 Extrusión en frío. 479 Extrusión hidrostática, 486 ^xtrusión por impacto, 485
fa c to r de ataque químico, 701, 706 Factor de empaque. 399 Familia de partes, 952 Fibras: ' de vidrio. 303 l en materiales compuestos, 223-225 plásticas, 326-327 producción de, 376 Fluidez (véase también. Viscosidad ), | 248 Fluidos para corte, 588-590. 684 ^luoropolímeros. 200 Forja abierta con dados cóncavos, 463 rorja con dados de superficie convexa, | 463 rorja radial, 472 forjado: dados. 469-470 | definición, 17, 458 historia, 459 | metales. 436 metales pulverizados. 411 ) martinetes y prensas, 467-469 . operaciones, 459-467.470-475 Forjado con dados abiertos, 459, 460| 463 rorjado con dados en caliente, 475 |otjado con rodillos. 472-473 -orjado de precisión, 466 forjado isotérmico, 475 Forjado orbital, 473
Forjado por secciones, 463 Forjado sin rebaba, 466-467 Formado con rodillos, 454, 531 Formado de metales: clasificación de procesos, 436-438 definición, 435 explosivo. 534 torneado. 598 Formado electrohidráulico, 535 Formado electromagnético, 535 Formado isotérmico, 441 Formado por estiramiento, 530-531 Formado por explosión, 534 Fotolitografía. 855-858, 885 Fresado localizado, 608 Fresado, maquinado, 545, 611-619 Fricción: teoría de la adhesión, 101-102 coeficiente de, 100-102 definición, 99 en estirado de alambre y barras, 489-490 en extrusión, 480-483, 486 en formado de metales, 444 en laminado, 452 en forjado. 46 en maquinado, 553-556. 588-589 en procesos de manufactura, 99 Fundición: calentamiento y vaciado, 244-248, 265-266, 281-284 calidad, 285-287 continua (colada), 122-123 consideraciones para el diseño de productos. 289-291 defectos, 285-287 definición, 15, 24, 242 deslizante, 423 historia. 241-242, 269-270, 288 hornos, 281-283 importancia, 241 lingotes, 122 metales para, 287-289 plásticos, 350-352 práctica, 281-285 procesos. 242-244, 260-281 solidificación, 248-255 Fundición a baja presión, 274 Fundición al vacío en molde permanente, 274 Fundición centrifugado, 280
Fundición centrífugo, 277-281, 390 Fundición en arena, 244, 261-266 Fundición en dados, 275-277 Fundición en molde permanente. 272-281 Fundición hueca, 274 Fundición por revestimiento, 269-271 Fundición semicentrífuga, 280 Fundido en moldes cerámicos, 272 Grabado con plasm a, 864-865 Gráficas de control, 1043-1048 Grafito, 178 Granos y límites de grano, 37-38 imperfecciones (defectos), 33-35 tipos de. 33 Gravedad específica, 75 t Habilitado de herram ientas: de corte, véase Herramientas de cone, definición y clasificación, 20 dados, véase Dados rodillos, véase Laminación Herramientas de corte: clasificación. 545-546 geometría, 546, 584-587 historia, 576 láminas metálicas, 523-525 materiales para herramientas, 575-584 vida de la herramienta y desgaste, 569-575 Hidroformado, 523 Hierro (véase también. Acero): datos básicos, 115 fundición de hierro o hierro colado, 129-131 historia, 115-116 menas. 117 producción, 117-119 superaleaciones, 143-144 Hierro fundido: definición. 129 fundición, 287 historia. 288 propiedades, 130 tipos de. 130-131 Hierro gris, 130 Hilado fundido (extrusión de polímeros fundidos), 326
Historia: del acero, 115-116 del aluminio, 132 de la línea de ensamble, 5, 911-912 de las uniones adhesivas, 781 de los procesos abrasivos, 656 del sistema americano, 5 Edad del Bronce, 13 del hierro fundido, 288 de fundiciones, 241-242, 276, 269270 de la cerámica, 167 del cobre, 136 de la fundición a presión, 276 de la extrusión, 476 de los sistemas flexibles de manufactura, 958 Ford, Henry, 5 del forjado. 459 del vidrio. 173, 301 de la tecnología de grupos, 952 Revolución Industrial, 4, 5 de los circuitos integrados, 845 partes intercambiables, 4 de la fundición por revestimiento, 269-270 Edad del Hierro, 14 del hierro y del acero, 115-116 de las máquinas herramienta, 4, 14, 596 de la manufactura, 4-5 de los procesos de manufactura, 1214 de los materiales, 12-14 de los sistemas de medición, 10091010 del control numérico, 925-926 de los plásticos, 185-186 de la metalurgia de polvos, 395-396 de las tarjetas de circuitos impresos, 881-882 de las líneas de producción, 911912.917 de los robots industriales. 938-939 del laminado, 450 del hule natural, 210-211 del hule sintético, 212 de la administración científica, 5 Smith, Adam, 4 de la tecnología del montado super
ficial, 895 www.FreeLibros.com
Taylor, Frederick W., 5 de las líneas de transferencia, 917 del carburo de tungsteno, 171 de la soldadura. 713-714 Whitney. Eli, 4 Hoja de ruta, 970-971 Homo básico de oxígeno (BOF), 119121
Hornos de lecho fluidizado, 158 Hornos: alto homo, 117-119 al vacío, 157-158 básico de oxígeno, 119-121 eléctrico, 121-122. 157,283 de combustible, 157, 281-282 de crisol, 282-283 de fundición. 281-283 tipos de. 157-158 Hule: características, 208-212 consideraciones para el diseño de productos, 371 historia. 210-211, 212 hules comerciales, 211,213-217 mezclado, 363 preparación, 362 procesos de formado, 363-365 producción de, 361-362 producción de llantas de, 366-369 productos de, 366-370 vulcanización, 209. 365-366 Hule butadiénico, 213 Hule butílico, 213 Hule cloroprénico, 213 Hule estireno-butadiénico, 216 Hule etilen-propilénico, 213 Hule isoprénico, 214 Imperfecciones (defectos) en cristales, 33-35 Implante de iones, 818-819, 862 Impregnado de polvos metálicos, 408 Impresión con malla, 701, 703-704, 885 Impresiones de la forja con dados, 459, 463-466 Indicador de aguja ,1017 índice de flujo en la mezcla fluida, 312-313 Infiltración de polvos metálicos, 408 Ingeniería concurrente, 976, 979-981
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Ingeniería de manufactura, 24, 966-967 Inmersión en caliente, 826 Insertos enfriadores en fundición, 254 Inspección: definición, 1007, 1010-1012 en ensambles electrónicos. 893, 898-899 en fundición, 287 en tarjetas de circuitos impresos, 889 en soldadura. 762-763 Instalaciones, producción, 21-24 Integridad de la superficie, 89, 93-94, 1023 Kanban, 998-999 Kevlar, fibra, 225 Laminado: historia, 450 definición, 17. 448 de metales. 436. 448-458 de polvos metálicos, 410 molinos de laminación, 455-456 Laminado continuo. 390-391 Laminado de anillos, 457 Laminado de tubos, 390 Laminado en caliente, 448 Laminado en frío, 449 Laminado plano, 450-454 Ley de Hook. 46 Ley de Ohm, 80 Leyes de Faraday, 84 Limpieza ultrasónica, 814 Limpieza, 811-817 Limpieza con ácido, 814 Limpieza con solventes, 813-814 Limpieza química, 812-815 Líneas de producción: análisis de, 910-911 automatizadas, 915-920 definición, 23, 908 ensamble electrónico, 892, 987 historia, 5. 911-912. 917 líneas de ensamble, 911-915 Líneas de transferencia, 916-920 Litografía, 854-858 Litografía con rayos x, 858 Litografía iónica, 858 Litografía óptica, 855 Llantas, 367-369
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índice
índice
Lote económico de pedido, 989-982 Lubricación y lubricantes: lubricantes para el trabajado de metales, 107, 444-445 sus funciones en el trabajado de metales. 106 en maquinado, 588, 589 tipos de, 105-106 M aclaje en deformación plástica, 37 Magnesio, 133-135 Manufactura celular, 23, 955-957 Manufactura: clasificación de procesos, 12-19, 968-970 clasificación de productos, 6 definición, 3 economía, 1-2 instalaciones y disposición de planta, 21-24 limitaciones técnicas y físicas, 8-9 importancia de, 1-2 industrias, 5-6 materiales en, 9-12 significado histórico, 2 tecnología, 1 Máquina de carátula indicadora, 916917 Máquina medidora de coordenadas, 1024-1025 Maquinabilidad. 637-639 Maquinado: acabado de superficies, 631-637 clasificación de operaciones, 17-18, 544-545 definición, 17, 543 economía, 641-645 esmerilado, 655-674 fuerzas, 552-555 geometría, partes, 629-630 herramientas de cone, 545-546 importancia de, 543-544 no tradicional. 681-699, 700-708 potencia y energía, 558-561 procesos abrasivos, 655-677 temperaturas, 562-563 tolerancias, 630-631, 633 Maquinado con chorro abrasivo, 685-
686 Maquinado electroquímico, 83, 686689
Maquinado fotoquímico, 705-706 Maquinado por descarga eléctrica, 691 693 Maquinado químico, 700-706 Maquinado ultrasónico, 682-684 Máquinas colocadoras de cinta, 380 Máquinas con sistema de visión, 10271029 Máquinas herramienta: centros de maquinado, 619-621 cepillo mecánico, 623 cepillo perfilador, 622 definición y clasificación, 19-20, 547-548 escariadoras, 626 estiradoras de alambre y barras, 491-492 forjadoras, 467-469 fresadoras, 616, 619 historia, 4, 14, 596 perforadoras, 603-605 prensas. 525-530 prensas de extrusión, 484 taladros prensa, 609-611 torneadoras (tomos), 598-603 Martensita, 150-154 Martillado con perdigones, 815 Materiales compuestos de matriz cerámica, 233-234 Materiales compuestos en matriz de polímero (PMCs): definición. 234 polímeros reforzados con fibra, 234237 procesos de formado, 373-391 Materiales: cerámicos, 162-177 elementos, 28-30 enlaces, 30-32 en manufactura, 9-12 estructura atómica, 28-30 metales, 109-146 polímeros, 183-217 propiedades contra estructura, 40-41 propiedades físicas, 73-84 propiedades mecánicas, 43-67 vidrio, 172-177 Materiales compuestos: clasificación de, 221 definición. 11-12, 220
estructuras de materiales compuestos, 229-230 guía de procesamiento, 237-238 importancia de los. 220-221 matriz cerámica, 233-234 matriz metálica, 222, 230-233 matriz polimérica, 234-237 propiedades. 220-221, 227-229 tecnología de los, 221-229 Materiales compuestos en matriz metálica. 230-233 Mazarotas (en fundición), 244, 254255 Medición. 1006-1030 Mejora continua, 966, 975-976 Metales: aleaciones, 110-111 diagramas de fase, 111-114 ferrosos, 10, 114-131 guía para el procesamiento, 145-146 no ferrosos, 10-11, 131-143 propiedades generales, 40, 110 superaleaciones, 143-144 Metales ferrosos, 114-131 Metales no ferrosos para fundición. 289 tecnología básica, 131-143 Metales refractarios, 141-142 Metalización, 862-863 Metalurgia de polvos, 393-406 Métodos de circuitización, 886 Métodos Taguchi, 1039-1043 Metrología, 1007-1009 Micrómetro, 1016,1018 Modelado por deposición fundida, 982 Modelo mixto de producción, 23 Modelos en fundición con arena, 262263 Módulo de elasticidad, 46 Molde de yeso para fundición, 271-272 Molde semipermanente de fundición, 273 Moldeado: definición, 15 de hule. 365 de plásticos, 328-346 insertos. 802-803 por compresión, 339-340, 383-384 por inyección, 328-339 por transferencia, 340, 384-385 procesos de molde abierto, 378-382
Moldeado de bolsas, 381-382 Moldeado de espuma estructural, 336 Moldeado por transferencia de resina, 384-385 Moldeo al vacío, 266-267 Moldeo en concha, 266 Moldeo por compresión, 339-340, 383 Moldeo por doble inyección. 337 Moldeo por inyección de espuma, 336 Moldeo por inyección de polvos, 409410 Moldeo por inyección de reactivos, 338-339, 385 Moldeo por inyección múltiple, 337 Moldeo por inyección. 328-339, 409410, 429 Moldeo por soplado. 341-345 Moldeo rotacional, 345-346 Moldes: en moldeo de plásticos, 331-333, 339-341, 342-346, 347-349 para fundición en arena, 263-265 para llantas, 369 para materiales compuestos en matriz de polimérica, 378-387 Moldes de transferencia. 340-341 M oldeado, 598 Molibdeno, 141-142, 580 Molino de rodillos, 422 Muescado, láminas metálicas, 507 NC, véase Control numérico Níquel. 137-138 Nimio, hule, 214 Nitruración, 156 Nitruro de boro cúbico, 172, 584, 657 Nitruro de boro, 172 Nitruro de titanio, 172, 832 Nitruros cerámicos, 172 Nylon, 200-201 Ojetes u ojillos, 797 Operaciones de procesado de superficies, 18-19 Oro, 142-143 Oxidación térmica, 859 Óxido de aluminio: abrasivo, 657 cermets a base de óxido, 233 herramientas de corte. 583
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óxidos cerámicos, 170 recubrimiento, 832 Paralelismo, 88 Partido, láminas metálicas, 507 Patrones de calibración, 1013 Perforado de rodillos, 458 Perforado, láminas metálicas. 503, 507 Pernos, 790 Perpendicularidad (ortogonalidad), 88 Pintura por atomización, 836 Pintura, 834-838 Planchado, 520-521 Planeación de la capacidad, 992, 995-997 Planeación de los requerimientos de material. 992-995 Planeación de procesos asistidos por computadora, 973-975 Planeación de procesos, 966. 967-975 Planeación del proceso asistido por computadora (PPAC), 973-975 Planeación y control de la producción, 24, 985-1002 Planeación. 622. 623 Planicidad. 88 Plata, 142-143 Platino, 142-143 Plomo: aleaciones para soldadura blanda. 114 datos básicos, 141 Poli-isopreno. 210-211, 214 Poliamidas, 200-201 Policarbonato, 201 Poliésteres. 201-202. 206-207 Poliestireno, 203 Polietileno, 186-202 Polímeros: aditivos, 195-196 ciencia y tecnología, 186-187 comportamiento térmico, 194-195 copolímeros, 192 cristalinidad, 193-194 definición, 11, 183 elastómeros, 184, 208-217 estructuras, 190-192 historia. 185. 186,310 lincamientos para el diseño, 353-355 polímeros fundidos, 310-313 polimerización, 187-190
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procesamiento del hule, 361-365 procesos de formado, 308-353 propiedades de, 40-41, 184-185 termofijos, 184, 204-208 termoplásticos, 184, 196-204 tipos de, 11, 184 Polímeros de cadena transversal. 191-192 Polímeros reforzados con fibras: aplicaciones. 236-237 definición, 234-235 procesos de formado, 373-391 propiedades, 228-229, 235-236 Polímeros sensibles a la radiación de la luz ( Photoresist), 701, 855 Polímeros termofijos (TF), 11, 184, 191-192, 204-208 Polímeros termoplásticos (TP), 11, 184, 198-204 Polipropileno, 190, 203 Poliuretano. 207-208, 215 Precisión: medición, 1007-1008 posicionamiento, 933-935 Prensado en caliente, 411 Prensado isostático. 408-409, 429 Prensas: para extrusión, 484 para forja, 467-469 para láminas metálicas, 525-530 Prepregs (preimpregnados), 378, 379 Primera ley de Fick, 79 Procesado de partículas, 16 Proceso Colbum, 301 Proceso con pérdida de los modelos, 267-269 Proceso Czochralsky, 851-852 Proceso Danner, 302 Proceso de espuma perdida, 267-269 Proceso de extrusión de película soplada. 324-325 Proceso de flotación, 302 Proceso de recubrimiento flexible, 840 Proceso Fourcault, 301 Proceso Guerin. 522-523 Procesos abrasivos: acabados masivos. 815-817 definición. 655 esmerilado, 657-674 historia, 656 importancia, 655
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índice
Indice
" rotado en tambor, 815-817 jrocesos con haz de electrones: ^calentamiento, 159 | litografía, 858 maquinado. 696 | soldadura. 750-751 ’rocesos con rayo láser | calentamiento, 160 . maquinado. 696-697 v medición, 1025-1026 k sinterización selectiva con láser, 982 * soldadura. 751-752 ¡recesos de ampliación de propiedades, 18 Procesos de corte: láminas metálicas, 501-508 ^ maquinado, véase Maquinado materiales compuestos en matriz de } polímero, 391 . recortado. 475 locesos de deformación volumétrica I (masiva): ” definición y clasificación, 436-437 L estirado de alambre y barras, 487492 p estirado de tubos, 492-493 extrusión, 475-487 forjado. 458-475 historia, 450. 459, 476 y laminado. 448. 458 , importancia de los, 448 Tocesos de formado casi neto, 18, | 466 Tocesos de formado neto, 18,466 procesos de moldeo abierto, 378 'recesos de poiiestireno expandido, | 267-269 'recesos evaporativos de espuma, 267I 269 ‘reducción contra manufactura, 3 taxiucción de láminas (plásticas), 323. 326 reducción de películas, 323-326 ^rxiucción justo-a-tiempo, 997-999 'reducción masiva, 23, 986 ^oducción por lotes, 23 reducción rápida de modelos, 981I 982 Tograma maestro de producción, 9871 988 j-ogramación de panes, 935-937
Propiedades de corte de los materiales, 55-57 Propiedades de los fluidos, 62-65 Propiedades de los materiales bajo compresión. 52-54 Propiedades de los materiales en ten sión. 44-52, 59-60 Propiedades eléctricas. 80-82 Propiedades electroquímicas, 83-84 Propiedades físicas: densidad, 75 eléctricas, 80-82 expansión térmica, 75 fusión, 74, 75-77 volumétricas, 74-77 Propiedades mecánicas: ductilidad, 47-48 efecto de la temperatura. 61-62 mejoramiento de las, 145-146 relaciones esfuerzo-deformación, 44-57 Propiedades térmicas: conductividad térmica, 77, 78 en manufactura, 78-79 expansión térmica, 74, 75 Propiedades: físicas, véase Propiedades físicas mecánicas, véase Propiedades mecánicas Prueba. 1011 Prueba de doblado, 54-55 Prueba de Jominy para templado final, 154 Prueba de tensión. 44-48 Pulformado. 389-390 Pulido o lapiado. 676 Pulido. 677 Pultrusión, 388-389 Puntillado, 801 Punto de reorden, 992 Punzonado. 473 Punzonado de láminas metálicas, 503 Punzonado fino. 508 Quemado, véase Sinterizado Ranurado, láminas metálicas, 507 Rebordeado de láminas metálicas, 512 Recalcado por forja, 470-472 Recalcado, 470-472
Recocido: del vidrio, 304 de metales, 150 estirado de alambre, 492 Recortado, 475, 508 Recristalización, 62, 150 Rectificado, 674-676 Recubrimiento con cromato, 827 Recubrimiento con polvos, 837-838 Recubrimiento iónico, 831 Recubrimiento manual, 379-380 Recubrimiento: alambre y cable, 321-322 conversión, 826-827 deposición física de vapores, 828831 deposición química de vapores, 831834 enchapado, 822-826 enchapado mecánico, 840-841 lámina y película, 327-328 orgánico. 834-838 porcelana, 838-839 térmico. 839-840 Recubrimiento térmico, 839-840 Recubrimientos de conversión, 826827 Recubrimientos fosfatados, 827 Recubrimientos orgánicos, 834-838 Recuperación elástica, 510 Reembutido. 518 Regla de Chvorinov, 251-254 Regla de Rent, 868 Relación de dilatación, 312 Relación de espesores entre virutas, 549 Relación resistencia-peso, 75 Relaciones de esfuerzo-deformación, 44-57 Remaches. 796-797 Remoción de material, véase Maquinado Remoción electroquímica de virutas, 689-690 Remoción por ataque, 863-865, 885 Rendimientos en circuitos integrados, 872-874 Resinas aminadas. 205 Resinas epóxicas, 206 Resistencia a la fluencia, 46-47 Resistencia a la ruptura transversal, 55
Resistividad, 81. 82 Revestimiento duro, 840 Revolución Industrial, 4 Robots industriales, 717, 892, 938-944 Rociado térmico, 839 Rolado de engranes, 458 Rompe virutas, 585-586 Roscado interno, 608 Roscado por laminación, 457-458 Roscado, 598 Rotado en tambor. 815-817 Rugosidad de superficies: definición. 90-92 en esmerilado, 662-663, 667. 675 en fundición, 290-291 en maquinado, 631-637 en procesos de manufactura. 95-96 especificación. 92 medición. 1020-1023 procesos abrasivos, 675 Semiconductores, 82, 846 Seudoplasticidad, 311 Sialon, 172 Sílice, 163. 167, 173 Silicio: en circuitos integrados. 844, 846 procesado, 850-854 propiedades, 179 Silicones (polímeros), 208, 215-216 Sinterizado por chispas eléctricas, 411 Sinterizado selectivo con láser, 982 Sinterizado: cerámicos. 427, 430, 431 fase líquida, 411 metales en polvo. 406-407 por chispas eléctricas, 411 Sistemas de control: control numérico, 928-935 robótica. 942-943 líneas de transferencia. 925 Sistemas de producción, 20-24 Sistemas expertos, 975 Sistemas flexibles de manufactura, 957-964 Sistemas, producción, 20-24 Soldabilidad, 763-764 Soldado por forja, 754 Soldadura:
definición. 712 www.FreeLibros.com
consideraciones para el diseño, 764-765 calidad. 758-763 física de, 720-723 historia, 713-714 importancia de, 712-713 juntas. 717-719, 724-725 procesos. 728-758 seguridad, 716 soldabilidad, 763-764 tipos de, 714-715 Soldadura a presión en caliente, 755 Soldadura a tope con recalcado, 746 Soldadura blanda, 777-781. 893, 895-897 Soldadura con arco de plasma. 738 Soldadura con arco eléctrico729-739 Soldadura con electrodo de carbón, 738 Soldadura con electroescoria, 752-753 Soldadura con oxígeno y gas com bustible, 699-700 Soldadura con rodillos, 755 Soldadura de arco con núcleo fundente. 735 Soldadura de arco sumergido, 736-737 Soldadura de espárragos. 738-739 Soldadura de estado sólido. 715, 728, 753-758 Soldadura de termita, 753 Soldadura de tungsteno con arco eléc trico y gas, 737-738 Soldadura electrogaseosa, 735-736 Soldadura en frío, 754-755 Soldadura fuerte, 771-777 Soldadura metálica con arco eléctrico y gas. 733-734 Soldadura metálica con arco protegido. 732-733 Soldadura M1G, metal gas inerte, 734 Soldadura oxiacetilénica, 747-749 Soldadura por descarga localizada. 745 Soldadura por difusión, 755 Soldadura por explosión. 756 Soldadura por fluido líquido, 780, 893, 895-896 Soldadura por fricción, 756-758 Soldadura por fusión. 714-715, 728753 Soldadura por inducción de alta frecuencia, 746
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Soldadura por percusión, 746 Soldadura por puntos, 741-743 Soldadura por resistencia de alta frecuencia. 746 Soldadura por resistencia, 739-746 Soldadura TIG. tungsteno gas inerte. 737-738 Soldadura ultrasónica, 758 Solidificación (en fundición) 249, 251, 253-254 Soplado de vidrio, 173, 299-300 Sujeción de la pieza de trabajo. 600601 Sujetadores, ensamble. 789-798. 802 Sujetadores integrales, 803 Sujetadores roscados, 790-796 Superacabado. 676-677 Superaleaciones. 143-144 Superconductor, 82 Superficies (véase también. Rugosidad de superficies): definición, 86-88 en procesos de manufactura, 95-96 fricción y desgaste, 99 integridad de la superficie, 89. 93-94. 1023 nominal. 88 tecnología de superficie, 89 textura superficial, 89-90 Sustancias de ataque químico, 701 Taladrado, 545, 598. 605-611, 884 Taladrado, 598, 603-605 Taller especializado, 21, 985 Tarjetas de circuito impreso, 881-890 Tecnología de conectores, 899-904 Tecnología de grupo. 23, 951 -957 Tecnología del montaje. 894-899 Tecnología y manufactura, 1 Temperatura de transición vitrea, 39 Templabilidad, 153-154 Templado o revenido: de martensita. 153 templado del vidrio. 304-306 Teorema de Bemoulli, 246 Termoformado a presión, 347-349 Termoformado al vacío, 347 Termoformado mecánico, 349 Termoformado. 346-350 Termopar herramienta-viruta. 562 Titanio, 139-140
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índice
Tolerancia de doblado, 510 Tolerancias: definición, 86. 87 en fundición. 290, 291 en maquinado, 630-631 en moldeado de plásticos, 355 en procesos de manufactura, 94-95 tipos de. 87-88 tolerancias por estadística, 10361039 Torcido, láminas metálicas, 522 Torneado de contomos, 598 Torneado mecanizado, alfarería, 424 Torneado, 545, 596-603 Tomillos, 790-792 Tomo. 598-603 Trabajado metálico de láminas: definición y clasificación, 437-438 doblado. 508-513 embutido. 513-520 importancia del, 501 operaciones de corte, 501-508 Trabajo en caliente. 62. 440 Trabajo en frío, 440
Trabajo por debajo de la temperatura de recristalización, 440 Tratamiento térmico: recocido, 150 acero, 150-154 endurecimiento por precipitación, 154-155 endurecimiento superficial, 156-157 hornos para. 157-158 metales, 146, 149-160 metales no ferrosos, 154-155 polvos metálicos, 406-407 vidrio, 304-305 Tribología, 99 Triturado de materiales frágiles, 420422 Triturado, 421 Tuercas, 790 Tungsteno, 142, 579
Vibración, maquinado, 637 Vidrio: consideraciones para el diseño de productos. 305-306 definición. 173 fibras en materiales compuestos. 224 historia. 173, 301 materiales vitro-cerámicos, 176-177 procesamiento, 295-305 productos, 174-176, 299-303 química y propiedades, 173-174 Viscoelasticidad: definición, 65-67 de polímeros fundidos, 311-312 Viscosidad: definida, 63-64 en manufactura, 64-65 en polímeros fundidos. 310-311 Visión de máquina, 1027-1029
Unión con adhesivos, 781-787
Vulcanización, 209, 365-366
Variedad del producto, 7, 8 Velocidad de deformación. 441-443
Zona afectada por el calor, 724
Zinc, 140
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