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Ma ufactura, ingeniería y tecr1ologf a Cuarta edición
Sernpe Kalpakjian lllinois fnstítute of Technology
Steven R. Schmid of Notre Dame
lRADl!JCOÓN: Cabriel Sánchez García
A1ecánico electricista, Universidad Autónoma de !1;1éxico IUViS~ÓN TÉCNICA: U!ises Figueroa López Francisco Javier Sandoval Palafox ambos del Departamento de lnge:niería Mecánica, Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de
Monterrey
ESCUE:U~ POUTECN!GA SUPEf.\!CR
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MÉXICO• ARGENTINA• BRASIL• COLOMBIA• COSTA RICA• CHILE ESPAÑA• GUATEMALA• PERIÍ •PUERTO RICO• VENEZUELA
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Procesos de fonnado y mo!deo G.enernl
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35{1 357
Prncesos de remoción de material
Página
Procesos de unión
Página
Esquema
533
Esquema Características generales Símbolos de soldadura Soldabilidad Electrodos Soldaduras de estañado Adhesivos
772 773, 776. 829 834 828 787 840 848 850
Tecnología de superficies, acabado y tolerancias superficiales
Página
Procesos de nuH1uhmdo
Caractcrú;licas generales Parámetros de proceso Pista de desgaste admisible Rcquerirnientos de energía Fluidos de corte Acabado superficial y tolerancias Facilidad de maquinado lVI~l.quinas
596. 615 536 554 548 605 616,617, 748 561, 562
11er:ramicntas 607, 615, 65.S 1121
Posibilidades Costo
Extrusión llerrarl.tientas
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in!c1·valu de tcin[K'.raturas iürnina~; ¡¡r1ci:ú~icas
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Propiedades y características C!asificnción
571, 572, 57J. 582
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Posibilidades
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Procesos abrasivos Procesaniicnt.o de ccrÚnlikas
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E~qucma
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C'aractcrbticas gcn<:nlk;.
461
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240 262. 263. 312 286, 307. 308 25.1 267 ~104
Características generales Identificación de piedras de rect¡ficado Recomendaciones Requi~;itos de potencia Fluidos de rectificado
705 709, 710. 711 720 714 729
.Prototipos ráp~dos Carac1cn'sticas gencn.1les
513
Pro(.'.esos avanzados Características generales Acabado y tolerancias superficiales Aplicaciones de Já...;cr
•900063530•
873 31.5 616. 617. 748. 1118 616. 617, 748. 963. 964, 1i17
Símbolos de caracterí.'_;tica~ geométrica:-. Cvrncterístlcas de. instrnirn::nto~; de medición Tratam¡entos de superficie
965
903,916
Sistemas de mitomath:adón y de mam1fadura
Págim1
Clasificación de !~1 tccnologfa de automatización Características generales Historia de !a automa1izaci611 Tipo y volumen de producción Código Opitz GT Código Multiclass GT Código KK-3 GT
1022 1026. 1090. 1122 1024 1025 1084 lOB5 1085
947 961
1'1!adrndo RecoincndaL:iones
SJJdt_~ri:au1•,)
Terminología del acabado 8upcrficial Símbolos de direcciona!iclad Acabado superficial Toferancias
Torneacfo Recomendaciones Localización di:: foJ l;ts
¡(¡/
La tonado
746 748 759
bibliográfica
SEROPE y SCIIMm. S'fEVEN R. gen.leda y kcno!ogña CJ\CIÓN, Mcó
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Para
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Caris§a Arrni Kalpakjian :l.e b obra 1itu}ada Mww/i.icturing l:.'nginceriflg mu} Teclmo!ogy, Fourth Edi1io11. de SL:rope Kalpakjian y Stcvcn R. Schmid, ente en ingk:.; por Prentiet>Hu!l lnc., Uppcr Saddle River, Ncw krsey, lJ.S.A.
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¿editor: Vincc \)' i>i'icn a~~er: Trndy P'iscioui ose Kcnwn ~.\rnlc
: Dnnny Hoy~ _,aurie l'reklnur:
,¡, 2002 :ar.son Ech.1caci6n ck México, S./\. de C. V piso ce Blanco e Juár~z, Edo. de México
:: la Indmtria Editoriai Mcxicarrn. Reg. Núm. l 031 :t
marca registrada de Pearson Educación de México, S.A. de C. V.
>s derechos. N¡ la totalidad ni parte de esta pub!.icación pueden reproducirse, registrarse o transmitirse, por un sistema de rccu .. ición, en ninguna forma ni por ningún medio, sea electrónico, mecánico, fot.oquímico, magrn.5tico o e!ec.troóptico, por fotocopia, er otro, sin permiso previo por e~criLo del editor. ~ro
cualquier otra forma de cesión de uso de este ejemplar requerirá también la autorización
ISBN 970-26-0137-1
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1mprcso en México. Printcd in /Vlexico
1 2 3 4 5 6 7 8 9 . 04 03 02
Contenido Prefacio
xix
Acerca de los autores,
xx11
Introducción Ceneral l.1 l.2
L3 1.4 I.5 I.6
l.7 I.8 I.9 l.l O I.11 l. J2 l. i J
¿Qué es manufactura? 6 Ejemplos de productos manufacturados El proceso de diseño y la ingeniería concurrente 9 Diseño para la manufactura, ensamble, desensamble y servicio Selección de materiales 14 Selección de los procesos de manufactura 18 Manufactura integrada por computadora 24 Aseguramiento de la calidad y administración .total de la calidad 28 Competiüvidad global y costos de manufactura Producción sobria y manufactura ágil 29 Diseño y manufactura ambiental con conciencia social 30 Responsabilidad de los productos 31 Organiz~ción para la manufactura 32
Parte 1: fiundamelllltos de ~os y prnpiedades de malllllLllfad:mr:a La estructura de i. l.2 i.3
l.4 l.5
1.6 1.7
rneta
13
27
SIL!
37
39
Introducción 39 La estructura cristalina de los metales 40 Deformación y resistencia de monocristaies 41 Granos y fronteras de grano 45 47 Deformación plástica de los metales policristalinos 49 Recuperación, recristalización y crecimiento de granos Trabajo en frío, trabajo en tibio y trabajo en caliente 50
2
Comportamiento mecánico, prueba y propiedades de manufactura de los materiales 55
2.1
Introducción 55 56 Tensión Compresión 66 67 Torsión Doblado (flexión) 68 Dureza Fatiga 73 Cedencia 73
2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8
68
vii
Contenido
ido
cto 75 y fractura de los materiales en la manufactura y en el servicio :rzos residuales 82 •jo, calor y temperatura 84
los materiales :!ucción 90 idad 9l l de fos ión 94 ·específico 94 uctividad térmica 94 ación térmica 95 edades eléctricas, magnéticas y ópticas tencia a la corrosión 97
6.3 6.4
75
6.5 6.6 6.7
90
6.8 6.9
6.10 6.11 6.12 6.13 6.14
6.l5
95
:i.ciones su estructura y endurecimiento el tratamiento térmico 102 Jucción l.02 c.:tura de las aleaciones l 03 .106 ·amas de fase ,ten1(¡ hierro-carbono 09 1grarna de fases hierro-carburo de hierro y el desarrollo de rnicroesLructurn.s en lo.\ aceres os fundidos 1 3 miento térmico de las aleaciones ferrosas l. l 5 120 •labilidad de aleaciones ferrosas miento térmico de aleaciones no ferrosas y de acero~: inoxidables 122 l 24 recimict11o superficial cido i26 os y cqu ipo de JnJtarniento tónnico ¡ 30 iderac1oncs de diseño para el tratamiento térrnico 132
Poiímeros: estructura, propiedades generales y aplicaciones
7.i 7.2 7.3
Introducción 177 La estrnctura de los polímeros l 79 lermoplásticos 186 Plásticos termoestables 190 Aditivos en los plásticos 190 191 Propiedades generales y aplicaciones de Jos termoplásticos Propiedades generales y aplicaciones de los plásticos tennoestables Plásticos biodegradabíes l 95 EJastómeros (hules) 197
7.5 7.6 7.7 7.8 79
Cerámicos, grafito y diamante: estructura, propiedades generales y aplicaciones 203
8.J 8.2
Introducción 203 2()6, La estructura de los cerámicos Propiedades generales y aplicacionc;s de los cerámicos Vidrios 212 Vitrocerámicos 214 Grafito 214 Diamante 2 J6
8.4
137
icaciones
:!uccióa 137 1cci6n de hierro y acero l 38 ,do de lingotes 141 ia continua l42 )S al carbono y de aleados 144 )S inoxidables l 48 JS parn herramienta y dados 150
8.5 8.6
8.7
9
Materiales compositos: estructura, generales y aplicaciones 22·1
9.1
221 Introducción 222 La estrnctura de los plásticos reforzados 227 Propiedades de los plásticos reforzados 230 Aplicaciones de los plásticos reforzados 232 Compositos de matriz metálica (MMC) 233 Compositos de matriz de cerámica (CMC) Otros compositos 233
9.2
ales y aleaciones no ferrosas: producción, Jiedades generales y aplicaciones 156
9.3
facción 156 Linio y aleaciones de aluminio
9.6 9.7
157
194
8
83
y erales y
7
7.4
lil
161 Magnesio y aleaciones de magnesio Cobre y aleaciones de cobre J 63 164 Níquel y aleaciones de níquel Superaleaciones J65 Titanio y aleaciones de titanio l. 66 168 Metales refractarios y sus aleaciones Berilio 169 170 Zirconio Aleaciones de bajo punto de fusión J70 Metales preciosos 171 Aleaciones con memoria de forma l 72 Aleaciones amorfa;, (vidrios metálicos) 172 N anomateriales l 72
9.4
9.5
208
177
ix
Contenido
y
1!:
f1um1dkión de metales
para
239
l3.7
Operaciones de laminado de forma -331 Producción de tubos y tuberías sin costura 334 Colada y laminado continuos; laminadoras integradas y minilaminadoras
14
Forjado de los metales
14.l 14.2 14.3 !4.4 14.5 14.6 14.7 14.8
14.10 14.íl l4.J2 14.E
Introducción 340 Fo1jado con dado abierto 342 Dado impresor y fo~jado con dado cerrado 344 Operaciones relacionadas con el forjado 348 Forjado rotatorio 351 Diseño del dado de forjado 353 355 Materiales y lubricación de los dados Fo1jabilidad 355 357 Máquinas de forjado Práctica del forjado y posibilidades del proceso 360 Métodos de fabricación de dados 361 Fallas en los dados 362 La economía del forjado 363
15
Extrusión y estirado de metales
15.J
15.12 15. t3
Introducción 369 El proceso de extrusión 37 l Práctica de ia extrusión 373 374 Extrusión en caliente Extrusión en frío 377 379 Extrusión por impacto Extrusión hidrostática 380 Defectos de las exu·usiones 380 Equipo para extrusión 38 i El proceso de estirado 382 Práctica del estirado 383 Defectos y esfuerzos residuales 386 Equipo de estirado 386
16
Procesos de formado de hojas o láminas metálicas
16.l 16.2 !6.3 16.4 16.5 16.6 16.7 16.8 16.9 16.10 16.ll 16.12
Introducción 392 Cizallamiento 394 Características del metal laminado 402 Métodos de prueba para el formado de hojas o láminas metálicas Doblado de láminas y placas 407 Operaciones comunes de doblado 411 Doblado y conformación de tubos 414 Formado por extensión 416 Embutido profundo 417 Formado con hule 423 Rechazado 424 Formado superplástico 427
!3.5 13.6
imentos
la
de metales
241
:ción 241 :ación ele los metales 242 l fluido 246 del metal fundido 249 ·encia de calor 250
253
sos ción
ición
metales
261
261
)n en arena 264 en cáscara o en concha 272 ín en modelo consumibíe (poliestireno expandido) ín en molde de yeso 276 ín en molde cerámico 276 )n por rcvcsürniento 278 in al vacío 28 l in en molde permanente 281
14.9
274
)n en c6scar~~ o hueco 282 ín a presión 282 in por inyección en matriz o dados 283 ín centrífuga 286 in por di!do y formado de metai semisólido ; de colado par.a cornponcntes n1onocris1allnos ación rápida (ale«ciones amorfas) 29 i ón d~ las fundiciones 292 :; y hornos de fusión 292 ras y automatización de las fundidoras 294
económicas ción 301. :aciemes de disefio 30í ¡es para las fundiciones 306 ·aciones económicas de la fundición
15.2 15.3 15.4
ción
320
.o plano 321 del laminado plano para laminación
326 328
i5.8 15.9 15.10 15. l l
301
310
m: Procesos y equipo para el formado y modelado ) o laminado de metales
15.5 J5.6 15.7
288
290
320
317
335
340
369
404
392
xi
Contenido "Jntenido
Explosión, magnético, repujado y otros procesos de formado Fabricación de estructuras de panai 431 432 Resistencia de piezas de metal laminado al abollamienlo Equipo para el conformado de hojas o láminas metálicas 432 Economía de los procesos de formado de metal laminado 434
Procesamiento de metales en polvo, y superconductores
440
Introducción 440 442 Producción de metales en polvo 446 Compactación de polvos metálicos Sinterizado 453 Operaciones secundarias y de acabado 456 Consideraciones de diseño en metalurgia de poi vos Posibilidades del proceso 459 Economía de la metalurgia de polvos 460 Moldeado de cerámicos 460 Moldeado y formado del vidrio 466 Técnicas para reforzar y traíar el vidrio 470 Consideraciones de diseño para cerámicos y vidrios Procesamíenlo de superconductores 4 72
Y InLroducción
de
l?awte IV: Procesos y máquinas para remoción de material
428
458
20
Fundamentos del corte
20.i 20.2 20.3 20.4 20.5 20.6 20.7 20.S 20.9
Introducción 534 La mecánica ele la formación de virutas 537 Tipos de viruta producida en el corle de metales La mecánica del corte oblicuo 544 Fuerzas y potencia de corte 545 549 Temperatura en el corte Vida de las herramientas: desgaste y falla 551 Acabado e integridad de la superficie 558 Maquinabilidad 560
21
Materiales de herramientas y fluidos de corte
21.l 21.2 21.3
21.1.2 21.13
Introducción 569 Aceros al carbono y de media aleación 573 Aceros rápidos o de alta velocidad 573 574 Aleaciones de cobalto fundidas Carburos 57 4 He!Tamientas recubiertas 578 Cerámicas a base de alúmina 582 Nitrnro de boro cúbico 583 Cerámicas a base de nitruro de silicio 584 Diamante 584 íV!ateriales de herramienta reforzados con triquüas y nanocristalinos Re.acondicionamiento de herramientas de corte 585 585 Fluidos do corle
2
Procesos
22.1 22.2 223 22.4 22.5 22.6 22.7 22.8 22.9 22.10 22.11
Introducción 594 Parámetros del cilindrado 596 Tornos y operaciones en el torno 605 Maquinado de alta velocidad, ultrapreciso y torneado duro 6 l9 622 Maquinado de roscas Mandrinado y mandrinadora 626 Taladrado y brocas 627 Taladros 63 5 Escariado y cscmiadores 63 7 Machuelado y machuelos 638 Consideraciones ele diseño para taladrado, escariado y machuelado
23
Procesos de maquinado para producir formas diversas
23.l 23.2 23.3
Introducción 646 Operaciones de fresado Máquinas fresadoras
214 471
480
y
2l.10 21! ¡
480
Extrusión 4g l JVJoldeo por inyección 485 489 tv!oldeo por soplado Moldeo rotalivo 489 Tennoformaclo 491 Moldeo por compresión 492 Moldeo por transforcncia 493 Colado 494 Formado en fi ío y en fase sólida 495 Procesamiento de elastómeros 495 Procesamiento de plásticos reforzados 496 Procesamiento de materiales compositos con matriz de metal 503 Procesamiento de materiales compuestos con matriz de cerámico 504 Consideraciones de diseño y economía para el moldeo y conformación de plásticos
Operaciones rápidas de construcción de prototipos
21.5 21.6 2L7 2l.8 21.9
504
512
512 Introducción Procesos sustractivos 514 Procesos aditivos 5 l4 Construcción virtual del prototipo 523 Aplicaciones de la tecnología ele prototipo rápido a la fabricación de partes reales
523
rnaqui
534
539
569
585
594
para
647 661
639
646
531
xfü
Con len ido
;(Y
ntenido
:epi!!ado y contorneado 663 lrochado y brochadoras 664 \serrado 668 jmado y acabado 670 1abricación de engranes por maquinado
::entros de
Parte V: Procesos y equipos para rnnir
671
inado y de torneado, estructuras ientas y economía del maquinado
ntroducción 682 de maqutnado y de torneado 682 :lstrncluras de máquinas herramientas 690 vibración y traqueteo en las operaciones de maquinado ~conomía del maquinado 698
682
~entros
694
:Jperaciones de maquinado
v acabado con abrasivos
704
introducción 704 'l;brasivos 706 708 l\brasivos aglomerados (piedras abrasivas) El proceso de rectificado 7 !2 Desgaste de las piedras abrasivas 716 ~viétodos y máquinas de rectificado 72 l Fluidos de rectificado 729 Consideraciones de diseño para e.t rectificado 729 Maquinado ultrasónico 730 Operaciones de
Procesos
y
771
27
Procesos de soldadura por fusión
27.l 27.2 27.3 27.4 27.5 27.6 27.7 27.8 27.9 27.10
Introducción 77 5 775 Soldadura con oxígeno y combustible gaseosos Procesos de soldadura con arco: electrodo consumible 779 Electrodos 786 Procesos de soldadura con arco: electrodo no consumible 787 790 Soldadnra con termita 790 Soldadura con haz ele electrones 791 Soldadura con rayo láser Corte 792 Seguridad en la soldadura 794
28
Procesos de soldadura en estado sólido
28.l 28.2 28.3 28.4 28.5 28.6 28.7 28.8
Introducción 799 799 Soldadura en frío 800 Soldadura ultrasónica Soldadura por fricción 80 l Soldadura por resistencia 803 812 Soldadura por explosión Liga (soldadura) por difusión 812 Liga por difusión y formado superplástico
29
La metalurgia de la soldadura; El 19
775
799
814
de la
ra
y selección del proceso 738
744
744 Introducción Maquinado químico 745 750 Maquinado electroquímico Rectificado electroquímico 753 754 Maquinado con descarga eléctrica (electroerosionadora de penetración) 757 Maquinado con descarga eléctrica y alambre (electrnerosionadora de hilo) Maquinado con rayo láser 758 Maquinado con haz de electrones y corte con arco de plasma 761 Maquinado con chorro de agua 761 Maquinado con chorro abrasivo 763 Nanofabricación 764 Micromaquinado 765 Economía de los procesos avanzados de maquinado 766
29.l 29.2 29.3 29.4 29.5 29.6
Introducción 819 820 La unión soldada 823 Calidad de Ja soldadura Soldabilidad 828 Prueba de las uniones soldadas 830 Diseño de la soldadura y selección del proceso
30
Soldadura fuerte, soldadura blanda, adhesión y procesos de sujeción mecánica 839
30.1 30.2 30.3 30.4 30.5 30.6
Introducción 839 840 Soldadura fuerte 844 Soldadura blanda Unión adhesiva 850 856 Sujeción mecánica Unión de plásticos 860
833
il'Aii
Contenido
:::.~onlcnido
de superficies
Parte VI:.. Superficies, su
y medición
Introducción 869 Estructura y propiedades de las superficies 871 Integridad superficial Textllla superficial 872 Rugosidad superficial 873
Introducción
1
S96
902
de
902
Tratan1ienln i.necúnii..:o de superficies y rcves1irn1cnlos
903
Endurecjrnicrüll sii.pcrfici.a! rcvcstin11c11ío duro 906 Rociado térrnico 906 90S Deposición de vapor Jmplantación iónica 91 1 Revestimiento por difus]ón 0l1 9í l Electrodeposición, deposición sin dcci.ricidad y ek:élrofonm;.clo Anodi zad,J 9 l3 Recubrimiento de conversión 914 Inmersión en caliente 9 J4 Esmaltado de porcelana, recubrirnienio cerámico y recubrimientos orgánicos Recubrimiento de diamante 916 Pintura 917 Texturizado ,;uperficial 918 Limpieza de superficies 9 !9
Fabricación de dispositivos microelectrónicos Introducción 924 Semiconductores y silicio 925 Crecimiento de cristal y preparación de oblea {wafer) Deposición de película 928
928
930 Oxidación Litografía 93 ! Grabado (ataque) 932 933 Difusión e implantación de iones Metalización y prueba 934 Fijación y empaque 936 938 Rendimiento y confiabilidad 939 Tarjetas de circuito impreso
Parte VII: Aspectos com1L11J1es en la maiTllufadurn
882
Introducción 882 Fricción en los metales 883 Fricción en plásticos y cer:Unicos 884 Reducción de la fricción 884 Medición de la fricción 885 Desgaste 887 Desgaste de plásticos y cerámicos 890 Medición del. desgaste t\91 Lubricación 891 Fhddos para confonnado de n1elaies 893 Lubr.ican\es sólidos 895 Recubrimientos de conversión 896 Selección del fluido purzi conformado de mctaks
rnientos y
869
869
yl
Tratam
34.5 34.6 34.7 34.8 34.9 34.10 34.l l 34.12
867
924
915
943
945
35
Metrología e instrumentación industrial
35.l 35.2 35.3 35.4 35.5 35.6 35.7 35.8 35.9 35 .10 35. l l
Introducción 945 Patrones de medición 946 Instrumentos con graduación 948 Iostrnmcntos de medición longitudinal comparativa 95 l Propiedades geométricas: medición de rectitud, planiciclad, redondez y perfil Máquinas de medición por coordenadas y máquinas ele trazado 956 Galgas 958 lnslrumentos ópticos 960 960 Medición automatizada Caracterfsticas generales y selección de los instrumentos de medición 961 Dimensionamiento geométrico y establecimiento de tolerancias 961
36
Aseguramiento, prueba e inspección de !a calidad
36.l 36.2 36.l 36.4 36.5 36.6 36.7 36.8 36.9 36.10 36.l l 36.!2
lntroducción 971 Calidad del producto 972 Aseguramiento de la calidad 973 Administración de Ja calidad total 974 Métodos de Taguchi 976 Las normas ISO y QS 980 Métodos estadísticos ele control de calidad Control estadístico del proceso 985 Confiabilidad 992 Pruebas no destructivas 992 997 Pruebas destructivas 998 Inspección automatizada
37
Ingeniería de factores humanos, seguridad y responsabilidad 1 004 por el producto
37.l 37.2 37.3 37.4 37.5 37.6
Introducción 1004 Ingeniería de factores humanos l 005 Seguridad 1006 Consideraciones ambientales 1009 Responsabilidad por el producto 1O11 Ejemplos de demandas de responsabi!idad por ei producto
953
971
982
1014
xvii
Contenido
Pawte
vm:
fv~armfadura
Automatización de los procesos de manufactura !n1rnducción 1021 Automatización 1023 Control numérico (CN) !029 Programación del conlroi numérico 1036 Control adaptable (CA) 1038 Manejo y movimiento de materiales 1041 Robots industriales 1043 Tecnología ele sensores l 051 Soportes flexibles 054 Diseño para ensamblar, desarmar y dar servicio
Sistemas Introducción
HH9
er1 ambien!:e compefüivo
Prefacio
1021
1056
manufactura integrados por computadora
1067
1067
Sjste111as de manufactura
l 068 Manufactura integrada por cornputJ.dora (CIM, computer intcgrated manufacturing) Discfío e ingenieríD asislidos por computadora (CAD y CAE, en inglés) 107.i !Vfonufactura asistida pm- computadora (CAlVi) l 075
1069
Ptaneaci6u de proceso asislido por computadora (CAPP, computcr aided _process planning) Simulación de los procesos y sistemas de ;n,mufacl.ura por computadora 1079 'Tecnología de grupos (TG) 1079 I'v1anuí~1cl.ura cc"!ular J086 Si:-Jemas nexihks de manufactura (SFM) Pn=·,ducción _justo a ticn-tpo (J1T) 'J 09 !
Redes de comunicHcionc~; cr1 la manut'acrurn lnlellgenci;J artificial (~A) l 095 f~-ifJric~1
del Ü!1:11co
1076
El campo de la ingeniería y tecnología de la manufactura sigue avanzando rápidamente, más allá de las disciplinas e i.mpuls
1088
ESTUDIO
109~
Presentación de cada tema con un 1nayor contexto de ingeniería y tecnología de la 1nanufactura,
l 090 (CJ
la frnroducc1ón
1106
Selección ele rnaleridcs l l 07 Diseño dd producto y cantidad de materiales l J lO 111 O Sustitución de materiales Selección de los procesos de manufactura l 113 Posibilidades del proceso 11l5 Costos ele manufactura 1 l 19 Costos de manufactura y volumen de producción l 122 Ingeniería ele valores (del valor intrínseco) 1123
'1137
utihz~u :t;(
muchos diagrnnrns esquemáticos y diagramas ele flujo.
1106
É~nfasis en lo~ usos prácticos de los conceptos de infonnación presentados.
"' Analogías, análisis y problemas diseñados para estimular la curiosidad del estudiante sobre produc1cl,, de consumo e industriales y la forma en que se manufacturan. "' Amplio material de referencia, incluyendo numerosas tablas, ilustraciones: gráficas y bibliografías. " Numerosos ejemplos ilustrativos y estudios de caso para resaltar conceptos y técnicas de importanc:a. e Tablas comparando ventajas y limitaciones de los procesos de manufaCLura. "' Un resumen, una lista de términos clave, y una descripción concisa de las tendencias actuales al final de cada capítulo.
¿QUÉ ES NOVEDOSO EN ESTA EDICIÓN? e Se han agregado varios nuevo ejemplos y estudios de caso. " Existe ahora un total ele casi 2,200 preguntas y problemas, de las cuales la cuarta parte son nuevas para esta edición. " Los resúmenes al final de cada capítulo han sido totalmente reescritos y ampliados. " Las bibliografías al final de cada capítulo han ;sido completamente actualizadas. xúx
'!li'J
Prefacío
Prefacio
Se han hecho más referencias cruzadas n lodo io largo del texto con otras secciones y capítulos de libro. " Temas nuevos o ampliados incluyen lo siguiente:
as abrasivas; 1nicrorepllcación )Scopio de fuerza atómica cos biodegradables na de carbono in foam
Tema
Sección
Micromaquinado Nanofabricación Nanomateriales Nanopolvos Representación en octal Sobre moldeado Plásticos, nombres comerciales comunes Aluminio poroso Ejemplos de responsabilidad de productos Maquinado electroquímico pulsado Estándar QS 9000 Prototipaclo rápido Soldadura por reflujo Robustez Maquinado ultrasónico giratorio Procesamiento superconductor Función ele pérdida Taguchi Efectos técnicos en máquinas y herramientas Titanic: ejemplo de fractura frágil Mantenimiento productivo total Moldeo de transferencia /inyección Martilleo con chorro de agua Soldadura con onda
26.12 26.11
3l.5
:) mecánico químico
xirníentos x de extremo obediente de grafito conductor rrbado )fimiento de carbono de tipo diamante ; de dados los de manufactura de dados sivos eléctricamente conductores dura por névolturn ele fricción mientas para máquina con seis patas dar lS O l 4000 1 ele plásticos erometrfa. láser
l lco con láser ces lineales para rnúquinas hecramientas
s microencapsu!ados Jrosde
Sección 25.10 7.8 15.l J 8.6 25.íO 21.6 38.7
9.2.l 25.J J 33.13
14.12
14 . .1 J 30.6 28.4
24.3
36.4 30.6 35.5 33.2 24.3 17.21
2l.l.1
6.J5 17.2
39.4 18.3 7.6
6.2 37.6 26.3
36.4 Ch. 19 30.3 36.6 25.9
l7.l3 36.6 24.3 2. ]() 38.2
18.12 32.2 30.3
.Cn respucsu1 a cornentarios y sugerencias de Jnuchos que han revisado el libro, también se han hecho a todo lo larg<.> del texto varios cambios importantes mayores y menores. Una comparación página por página con la l.crccra cdíción rnostrarú que, para una n1cjor claridad y tolalidacL literalrnente se han hecho nüles de cambios.
ESTE UBRO? Como en las ediciones anteriores, esta cuarta edición ha siclo escrita pm·a .los estudiantes en los programas de ingeniería mecánica, de manufactura industrial, aerospacial, metalúrgica, y de materiales de ingeniería. Se espera que al leer y estudiar este libro, los estudiantes llegarán apreciar de la naturaleza vital de la ingeniería de manufactura como un tema académico que es excitante, retador e importante como cualquier otra disciplina de ingeniería y tecnología.
)NOCIMIENTOS Este texto, junto con las primeras tres ediciones, representa un total de casi diez años de esfuerzo; no pudo haberse escrito y producido sin la ayuda de muchos colegas y estudiantes. Nos da mucho placer el reconocer la ayuda de las siguientes personas en la preparación y publicación ele esta cuarta edición. Estamos muy agradecidos con Marcia Horton, y Laura Corless, Prentice Hall, por su apoyo entusiasta y a Rose Kernan por su supervisión de esta revisión. Reconocemos y agradecemos los siguientes revisadores por haber compartido sus conocimientos con nosotros y por su críticas y sygerencias constructivas:
xxi
Nuestros colegas del Illinois Institute ofTechnology: John Cesarone, Ali Cinar, Marek Dol!ar, Donald Duvall, Jerry Field, Craig Johnson, Marvin Levine, Keith Mckee, Satísh Parulekar, Mohamcd Tarabishy, Bharat Thakkar, y Calvin Tszang. Nuestros colegas en otras organizaciones: SL1brata Bhattacharyya, (anteriormente en el IlT Reserch Institute), J. T. Black, (Aubum University), Theodore Lach (Lucen\ Technologies), Blaine Lilly (Ohio State Universíty), y James Wingfield (Triodyne Inc.) Estudiantes de Illinois Institute of Technology: Brian Bosak, Kevin Iones, Milau Savic, .lohn Stocker, y Kristopher West. También tenemos mucho gusto en presentar a continuación una lista acumulada de todos aquellos individuos que de una manera u otra hicieron conlribuciones significativas a las varias ediciones de este libro: B.J. Aaronson S. Arellano R.A. Arlt V. Aronov A. Bagcbi E.D. Baker J. Barak J. Ben-Ari G.F. Benedict C. Blathras G. Boothroyd D. Boureli N.N. Breyer C.A. Brown R. G. Bruce T.-C. Chang R.L. Cheaney A. Cheda S. Chelikani S.-W. Choi R.O. Colanton[o D. Descot.eaux P. Demers R.C. Dix D.A. Dornfeld P. Cotnoir H.l. Douglas D. R. Durham S.A. Dynan J. ElGomayel M.G. Elliott E.C. Felcly G.W. Fischer D.A. Fowley
R.L. French B.R. Fruchter R. Giese P. Grigg B. Harriger D. Harry R.J. Hocken E.M. Honig, Jr. S.lmam R. Jaeger J. Kamman S.G. Kapoor R.L. Kegg W.J. Kennedy B.D. King J.E. Kopf R.J. Koronkowski J. Kotowski S. Krishnamachm·i L. Lm1gsetb B.S. Levy X.Z. Li D.A. Lucca L. Mapa R.J. Mattice C. Maziar T. McC!elland L. McGuire K.P. Meade R. Miller T.S. Milo S. lvlostovoy C. Nair P.O. Nash
J. Nazemetz E.M.Odom J. Penaluna M. Philpott J.M. Prince W.J. Riffe RJ. Rogalla A.A. Runyan G.S. Saletta M. Salimian W.J. Schoech J.E. Sma!Jwoocl J .P. Sobczak L. Strom K. Subramanian T. Taglialavore K. Taraman R. Taylor S.A. Schwartz L. Soisson B. Strong T. Sweeney W.G. Switalsb A. Tragcr J. Vigneau G.A. Volk G. Wal!ace K.J. Weinmann R. Wertheim J. Widmoyer G. Williamson B. Wiltjer P.K. Wright
Finalmente, muchas gracias a Jean Kalpal
Serope Kalpakjian Steven R. Schmid
··1
i ,
e lc)s a tores
El profesor Scropc Kalpakjian ha estado enseñando en el Illinois Institutc Technology desde 1963. Después ele graduarse ele Roberl College (con altos honores), Harvard University, y de Massachusetts Institute of Technology, se fue a Cincinnati Milacron, Inc., donde fue un supervisor de investigaciones a cargo de procesos avanzados de formación de metal. Ha publicado numerosos folletos y es el autor de varios artíclllos en enciclopedias y manuales; también ha editado diversos volúmenes y sirve en los consejos edi1ori;1les de varias revistas y de Enciclopedia Americana. Es el autor de tres libros de manufactura adicionales, dos de íos cuales han recibido el M. Eugene Mercl1ant Manufacluring Texl:book Award. fa un Lile Fellow de ia American Socicty of Mechanical Engíneers. Fellow y Life Member de ASM foternational, y Fellow de la Society of Manufacturing Engineers, y es miembro a tiempo completo (Emeritus) de International lnstitution for Production Engineering Research (C!RP). Es un miembro fundador y anterior presidente del North American Manufacturing Research ínslitulion. El profesm Kalpakjian ha recibido varias distinciones: Citación por el Forging Industry Educalional y Researcb FoundaLion por el mejor ensayo ( l 966); Citación por el Sociely of Carbide y Tool Engineers (1977); el "Excclknce in Teaching Award" de la lllinois !nsLituLe of Technology (1970); "Centennial .Meuallíon" de American Socicly of Mechanical Enginecrs (1980); el !nternational "Education Award'., por cí Society of rvíanufacluring Enginecrs ( 1989); y el Albert Easton Whitc' Distinguished Teacher Awarct por el American Society for Mela!s lnl<0rnalional (2000). El Dr. Steven R-_ Schmid es un Associatc Prnfessor en e! Departrnent or Aerospacc y Mcchanical Engíncering la Univcr~~ity of Notre Dame~ donde hact.~- invcsügc1ci6n en r:nanufaclu.ru, disefio de rnaquinas tribologfa. Como director de la Manufacturing Tribology Labora1ory ele la universidad, supervisa la inves·· ii_g;1ci6n industrial y gubeniarncntal de una arriplia diversidad de tem.as de lYinorcs) y su '.Vla:;ter y Ph.D. tanto en ambos en Mecbanical Enginecring, Northwestern University. El Dr. Schmid rccib.ió también el 1\icllional Science Foundation CAREERS Award y un ALCOA Foundation Young Faculty Aw:J.rd. Ha sido un proponente importante de la integración de la investigación y de la educación de' la ingcnierfo; NSF ha patrocinado clínicas a este respecto para el cual ha cumplido como jefo de los comités de dirección. Es el amor de más de 30 trabajos técnicos en diversos periódicos o revistas, ha edilado tres minutas de conferencia, y es coautor de "Fundamcntals of Machine Elements", y ha contribuido en dos capítulos en CRC "l-landbook of Modern Tribology", Forma parte del Tribology Division Executive Commitlee del American Society of Mechanical Engineers, y se ha desempeñado como funcionario en la Society of Manufacturing Engineers y la Society of Tribology y Lubrication Engineers. Es un Professional Engineer y un Certified Manufacturing Engineer registrado.
Introducción general 1.1.
1.2. 1.3. 1.4. 1.5.
1.6. 1.7. 1" •. u.
1.9. i.10.
1.11. 1.12 1.13.
¿Qué es manufactura? Ejemplo ele productos manufacturados El proceso ele clisei1o y la ingeniería concurrente Diseño para la manufactura, ensamble, desensamble y servicio Selección de materiales Selección de los procesos de manufactura Manufactura integ\ada por computadora Aseguramiento de la calidad y administración total de la ccdidad Competitividad y costos de manufactura Producción sobria y manufactura Di,;eilo y manufactura con conciencia ambienta! Responsabilidad de los productos , Organización para la rnanufacturá
1.1 ¿QUE ES
MA~'-JUFACTURA?
Al empezar a leer esta introducción, tómese uno cuantos momentos y eslLtdie varios de los objetos que le rodean: su pluma, un reloj, una calculadora, el teléfono, las sillas y las lámparas. De inmediato se dará cuenta que en algún otro momento todos esos objetos tenían una forma diferente. No podrá encontrarlos en la naturaleza tal como se presentan en la habitación, porque han sido transformados a partir de diversas materias primas y ensamblados hasta llegar a la forma que usted observa ahora. Algunos objetos están fabricado de una sola pieza, como los clavos, pernos, ganchos para la ropa ya sean de alambre o de plástico, ménsulas de metal y tenedores. Sin embargo, la mayor parte de los objetos, como los motores a chorro de las aeronaves (inventados en 1939; fig. 1.1.), los bolígrafos (1938), los tostadores (1926), la5 lavadoras (1910), los aparatos de aire acondicionado, (1928), los refrigeradores (1931), las fotocopiadoras (1949), todos los tipos de máquinas y miles de productos, han sido construidos mediante el ensamble de cierto numero de piezas fabricadas de una diversidad de materiales, como indica la sigLúente lista. Todos los productos mencionados fueron fabricados mediante varios procesos que llamamos manufactura.
""''l
Sección l. 1 /¿Qué es manufactura?
troducción general
Disefio ele ruido b<:tjo con un número y espacinmiento óptimos de aspas y a!etns
!
VSV de
maquinarias y operaciones, a través de un plan bien organizado para cada actividad requerida. La palabra producto significa algo producido, y las palabras producto y producción aparecieron por primera vez durante el si-
Toberas de combustible de cono dual
Compresor de
resistencia a la
detención, ac.rocar~ga . laminado C. ombustordec.oiio anillo j de alta elapa baja de emisión
Jdinúmica izada ilador
avanzada
.Control de tolerancia continuamente
J~~:~~:~~ª .;f ~iS i&t R. olor enfriado. con control de
1
/
1
/
/modulado de la turbina HP ""
1(tmi.ca ~cífo
de
isknci~t
~•!ta
positivo con cojinete
al FOD
cornbirrndo de
bolas y rodillos
(enfriado ¡)~)r aire)
1
!Juio !-IP rcdllcido~;
Aerodinámica de turbina i.,P av::mzada, diseño
Disei'io ele enfriamiento modificado pru:a bajas temperaturas
glo XV. La palabra producción se utiliza a menudo de manera intercambiable con la palabra manufactura. En tanto que en Estados Unidos, el término ampliamente utilizado para describir esta área de la actividad industrial es ingeniería de manufactura, en otros países el término equivalente es ingeniería de la producción. Debido a que un elemento manufacturado ha sufrido cierto número de procesos en los cuales la materia prima se ha convertido en un producto útil, tiene un valor, definido como un valor monetario o un precio de mercado. Por ejemplo, la arcilla, como materia prima, tiene cierto valor al salir de una mina. Cuando la arcilla se utiliza para hacer una herramienta de corte o un aislador eléctrico, se le agrega valor a la arcilla. De manera similar, un gancho para ropa de alambre, o un clavo, tiene un valor por arriba y más allá del costo del tramo ele alambre a ¡:iartir del cual fue fabricado, por Jo que la manufactura tiene una función importante de
valor agregado. La manufactura puede producir productos discretos, es decir piezas individuales, o productos continuos. Los clavos, engranes, bolas para cojinetes, latas de refresco y monobloques, son ejemplos de piezas discrems, aun cuando se fabriquen en masa a altas tasas de producción. Por otra parte, un rollo de alambre, una lámina de metal o de plástico, y tramos de manguera o de tubo son productos continuos, que pueden ser cortados en piezas individuales y luego convertirse en partes discretas. La manufactura es claramente una actividad compleja, que involucra una amplia variedad de recursos y actividades, corno lo siguiente:
., ®
e\ t
St?c:cic)1) transv2rsal
de un motor a chorro que muestra los diversos componentes. !v\uchos de los rnateriaíes
o'.; en este rnotor deben conservdr su resistencia y adern.ls no oxiddrse a altas temperaturas. Fuenle: Cortesía de i Electric Conipany.
Número de
P-roducto Cortador d,;
c<.:~,pc:d
giralorio
JOO
Piano giratorio
12,000
Automóvil
15,000 >4,000,000 > 6.000,000
Avión de transpone
Boeing 747-400
3
La m21mRf[!d!11"a, en sL1 semido tmí;, amplio, es el proceso de convertir la materia prima en productos. Incluye(!) d diseño del producto, (2) la selección de la materia prima y (3) ia secuencia ele procesos a trnvés de los cuales será manufacturado el producto. La manufactura es la columna vertebral de cualquier nación industrializada. Su importancia queda enfatizada por el hecho que, como una actividad económica, comprende aproximadamente de 20 a 30 por ciento del valor ele todos los bienes y servicios producidos. El nivel de la actividad manufacturera de un país, está directamente relacionado con una economía saludable. Por lo general, mientras más elevado es el nivel de la actividad de manufactura de un país, más alto es el nivel de vicia de la población. La manufactura también involucra actividades en que el producto manufacturado mismo se utiliza para fabricar otros productos. Ejemplo de éstos son las grandes prensas para conformar la lámina de metal para las carrocerías ele automóvil, la maquinmia para fabricar pernos y tuercas, y las máquinas de coser. Un aspecto igualmente importante de las actividades de manufactura es el servicio y el mantenimiento de dicha maquinaria durante su vida útil. La palabra manufactura se deriva del latín manufactus, que significa hecho a mano. La palabra manufactura apareció por primera vez en 1567, y la palabra manufacturar en 1683. En el sentido moderno, lamanufactura involucra la fabricación de productos a partir de materias primas mediante varios procesos,
" ®
Diseño del producto Maquinaria y herramienta Planeación de procesos Materiales
" ".
Compras
®
Servicios de apoyo
Manufactura Control de producción
".,
" "
Marketing Ventas Embarques Servicio al cliente
Las actividddcs de ¡n~u1ufac1·ura deben responder a varias exigencias y tendencias:
l. Un producto debe llenar completamente los requeirimie11tos de disefüi y las especificaciollcS y est.á.!1··
2, Un producto debe ser manufacturado utilizando ambie1Jtai y económicamente los métodos más amigables. 3, La calidad debe ser incorporado en el producto en cada etapa, desde el diseño hasta el ensamble, en vez de ser probada después de que haya sido fabricado el producto. Lo que es más, el nivel de calidad debe ser apropiado al uso del producto. 4. En un ambiente altamente competitivo, los métodos de producción deben ser Jo suficientemente flexi.bles como para responder a 'los cambios en la demanda del mercado, en los tipos de productos, en las tasas de producción, en las cantidades de producción, y en los requerimientos de entrega a tiempo. 5, En cuanto a su implementación apropiada, oportuna y económica en una organización de manufactura, deben evaluarse de manera constante los nuevos desarrollos en materiales, métodos de producción e integración por computadora, tanto de las actividades tecnológicas como administrativas. 6, Las actividades de manufactura deben ser enfocadas como un gran sistema, estando interrelacionadas sus partes. Estos sistemas se pueden ahora modelar, a fin de estudiar los efectos de factores tales como fluctuación de la demanda en el mercado, en el diseño ele los productos y en los materiales. Otros factores y métodos de producción afectan la calidad y el costo del producto. 7. Una organización de manufactura debe tratar de alcanzar constantemente los más altos niveles de calidad y de productividad (uso óptimo de los recursos: materiales, máquinas, energía, capital, mano de obra y tecnología). Debe maximizarse la producción por empleado y por hora en todas las fases. También es una parte integral de la productividad el rechazo de piezas en base cero (y la reducción consecuente del desperdicio).
roducción gener<'ll
Una
Sección J.1 /¿Qué es manufactura?
Los primeros materiales utilizados para la manufactura ele utensilios domésticos y objetos ornamentales incluían metales como el oro, el cobre y el hieno, seguidos por la plata, el plomo, el estaño, el bronce y el latón. La producción de acero en aproximadamente alrededor de 600-800 cl.C., foe un desarrollo importante. Desde entonces, se han desarrollado una amplía variedad ele metales ferrosos y no ferrosos. Los materiales utilizados en productos avanzados como computadoras y aeronaves supersónicas tienen materiales de ingeniería o hechos a la medida con propiedades únicas como cerámicas, plásticos reforzados, materiales compuestos y metales de aleación especial. Hasta la Revolución Industrial, que se inició en lnglatena en los años ele 1750, los
historia de la manufactura
A pesar de que es difícil ser más preciso, Ja manufactura existe desde hace aproximadamente 5000-4000 a.C. Es más antigua que la historia registrada, porque las símbolos primitivos y los dibujos en las cuevas o grabados en piedra, se hacían con algún tipo de pincel o de instrumento primitivo utilizando una "pintura" o algún medio de grabar en la roca; para estas aplicaciones se tuvieron que hacer herramientas apropiadas. La manufactura de productos para diversos usos, se inició con la producción de artículos hechos de madera, cerámica, piedra y metal (tabla I. l ). Los materiales y procesos que se utilizaron primero pm·a formar productos mediante la fundición y Ja forja, han venido desarrollándose gradualmente a través de los siglos, utilizando nuevos materiales y operaciones m:ís complejas, a tasas crecientes de producción y niveles más elevados de calidad.
Ui Desarrolio histórico de los materiales y los procesos de manufactura Pe1ioclo cJ
. °'-,,¡.> r·l
('j
g
Procesos ele fundición
:; ::
_____ _
Procesos de formato
Antes de 4000 a.C. Oro, cobre y hjeJTo meteórico
Mai1illado
4000-3000 a. C.
Fundición de cobre, moldes de piedra y de metal. proceso a la cera perdida, platJ, p!omo, estafio, bronce
Estampado, joyería
3000-2000 a.C.
Fundición de bronl~C
Alambre cortundo hojas y csLirando; ho,ia de oro
a.c.
Hii.:.rro fo1jado, lutún
~
~~~ ~X E--;¡)
fJ -~
E .2
"§ "~ g.
ª ;:¡
E ·;:; <\)
,§
21100 i 000
Herramientas de piedra de pedernal, de madera, de hueso, de marfil y herramientas de composi tos
a.c.
llicrro funditlo, act:ro fundíd1)
J.
o.C'.
Zinc. acero
JO()()
Alto hornu, metaks de campanas y de
15f)0-!600
C<.1ñoncs de bkrro fundido, hímina estafiadD
i(l{lO- 1700
Estampado tle monedas Annaduras, acui'iado. fot~ja, cspod:.ts de acero
1000 -!5()0
-o ~ <;"J C¡)
w~
SoldaUura blanda (cobrc··<·,ro.
cobre-plomo.
1000--l
fundición
Fundiciones de molde permanente, Jai1)n
zinc me1·á!ico
Es!irado de alambre, oro y !rnbajo en oro y r!aia
'.)!'O.
r±it~rro fundido llltllcab!e. acero de crisol.
E!.trusión (tubería
j 800-- "j 900
FuJJdido centrífugo, proce:-,o Besserner. alumi~
Marlil!o 11ccinuado por vapor, laminado de acero, ·forado dt: tubos sin costura, laminado de 1·iel acero, laminado continuo, elect.r1JdepOsito
nio clectroliüco, aceros al níyueL aleaciones babbitt, acero galvm1izado. metalurgia de polvos, acero al tungsteno, ;¡cero de hogar ahieno l900--i92{)
Fabricación de az
para fabricación en hierro y madera
Esferas de vidrio. torno de alfarero, vasijas ele vidrio
Soídadura fo~jada d.;.; hierro
Ci11celes. sierras, limas y !orno para madt:ra mejürados
Prensado y soplado de vidrio
Grabado de armadur<.J.s
Vidrio
Lija de papel, sierra impulsad;:1 por molino de viento
Vidrio de cristal
y acero,
pcg~!mento
Tomo
Oxiacctileno; soldaduradc arco, resistencia eléc!rica.
y 1é1111ica Laminación Je lobos, extrusi6n en caliente Elt:ctrodos recubiertos
!920-1940
Fundición en dados
Alambre de tungsteno a parlir de polvos
1940-1950
Cera perdida pnra piezas de ingcnierfa
Extrusión (acero), suajeado. metales en polvo para piezas de ingcnicrfo.
1950--i%0
Moldes cerámicos, hieno nodular, semiconductores, colada continua
Extrusión en frío (acero), formado explosivo, tratamiento tcrmomecánico
l960-1970
Fundición por apachurramiento, alabes de turbina monocristalinas
Extrusión hidrostática; electroformado
l970-2000
Grafito compactado, fundición por vacío. arena aglutinada orgánicamente, automatización del moldeo y del vaciado, tecnología de la solidfficación rápida, compositos de matriz metálica, trabajado de metal semisólido, reofundición
For:ja de precisión, forja isotérmica, formado superplástico. dados fabricados mediante diseño y manufactura asistido por computadora, prototipado rápido, formado de fonna neta
;ún J. A. Schey, C. S. Srnith, R. F. Tylecote, T. K. Derry, T. l. Williams y S. Kalpakjian.
Corind611
Rcm
plata) rolado de i'orn;;J.
i700--J g()()
J'nstrumentos de barro, barnizados, fibras naturales
pio1ll\)-~Slal'io;
hidrúulirn para t.rabajaJo en metal, para tiras de monctlD.'> l,a11ünado (plomo. (plomo)
Materiales compositos y no metálicos
Herramientas, maquinado y sistemas de manufactura
Procesos ele unión
l.O
t-- ~ .,,.., -7 V O
5
de~
mano (madera)
v~neciano
Vidrio de placa fundida, vidrio de pedernal
Barrenado, torneado, maquinado de roscas, taladro
Porcelam~
Ccpi!1o de codo, fresado, torno copiador, para gu,mJ,im"nles de rir!es, tomo de torrclu, m~)quina universal, rueda esmcriladora vitrificada
Vidrio
Torno engranado, rn~lquina automfüica de tornillos, de Gngranes, herramientas de ;_i_cero altn velocidad, óxido de aluminio y carburo de silicio {sintético)
Fabricación automática de botellas, baquciito., vidrio de borosilicato
Carburo de tungsteno, producción en masa, máquinas de transferencia
Desarrollo de los plásticos, fundición, moldeo, PVC. acetato de celulosa, policlileno, fibras de vidrio Acrílicos, sintéticos, hules, epoxis, vidrios fotosensibles
SokladurJ de nrco sumergido Soldadura metálica con arco eléctrico y gas, de tungsteno con arco eléctrico, y e!ectrocscoria; soldadura explosiva
Maquinado eléctrico y químico, control automático
ABS, siliconas, fluorocarbonos, poliuretano, vidrios flotados, vidrio templado, cerámicas de vidrio
Arco de plasma y haz de electrones, unión adhesiva
Carburo de thanio, diamante sintético, control numérico
Acetales, policarbonatos, formado en frío de plástico, plástico reforzado, embobinado de filamentos
Rayo láser, unión por difusión (también combinado con formado superplástico)
Nltruro de boro cúbico, henarnientas recubiertas, torneado con diamante, maquinado de ultrapredsión. manufactura integrada por computadora, robots industriales, sistemas de manufactura flexible, fabrica sin personal
Adhesivos, materiales compositos, fibras ópticas, cerámicas estructurales, componentes cerámicos para motores automotrices y aerospaciales, compositos de matriz cerámico
-··"'''
troducción gencr¿¡J
Sección 1.2 /Ejemplos de productos manufacturados
dos, donde fue desarrollada aun más, incluyendo adelantos importantes en d diseño, manufactura y uso de pie-
La rigidez y la resistencia dependen también del diámetro del alambre y del disefio del sujetapapeles. Incluido en el proceso de disefio están consideraciones tales como el estilo, la apsriencia y el acabado superficial (es decir, la textura) del sujetapapeles. Obsérvese como, por ejemplo, para una mejor sujeción, algunos sujetapapeles incluyen supeliicies aserradas. Después de haber creado el diseño, debe seleccionarne el material más adecuado. La selección del material requiere de un conocimiento de la función y !os requerimientos de servicio del producto, y nos lleva a escoger materiales que, de manera preferible, estén comercialmente disponibles, a fin de cumplir con estos requisitos al costo más bajo posible. La selección del material también involucra la consideración de su resistencia a la corrosión, porgue el sujetapapeles se maneja a menudo y está sujeto a la humedad, y a otros atagnes por parte del ambiente. Obsérvese, por ejemplo, las marcas de óxido que dejan los sujetapapeles en los documentos guardados durante mucho tiempo en los archiveros. Deben contestarse muchas preguntas relacionadas con la producción de sujetapapeles ¿Durante Jamanufactura el material .seleccionado es capaz de soportar el doblez, sin romperse o agrietarse? ¿Puede el alambre cortarse con facilidad a partir de un tramo largo, sin causar un desgaste excesivo en el he1ran1ental? ¿Producir:\ el proceso de corte un borde suave sobre el alambre, o dejará rebaba (un borde filoso)? (Una rebaba no es deseable al usar un sujetapapeles ya qne puede romper el papel, o incluso cortar el dedo del usuario). Finalmente, ¿cuál es el método m:ís económico para manufacturar esta pieza a la tasa de producción deseada, de manera qne resulte competitiva en los mercados nacional e internacional, y que el fabricante pueda obtener utilidades? Deberá seleccionarse un método adecuado de manufactura y de herramientas, maquinaría y equipo relacionados para transformar el alambre en un sujetapapeles confiable.
zas i11tim::amlliab!es. Antes de Ja introducción de estas últimas, era necesario gran cantidad de '\juste a mano, porque no había dos piezas que fueran exactamente iguales. En comparación, ahora tormm1os como un hecho que podemos reemplazar un perno roto de cierto tamaño con otro idéntico, adquirido después en una ferretena local. Pronto siguieron más desarrollos, clanclo por resultado numerosos productos, los cuales ahora ya son tan comunes. A partir del inicio de la década de 1940, surgieron varios hilos en todos los aspectos de la manufactura. Por ejemplo, observése en la tabla 1 el progreso logrado durante los últimos 100 años. y especialmente en las últimas dos décadas, con el inicio de la era de la computadora, en comparación con el largo período ele 4000 a.C., hasta l a.C. Aunque los romanos tenían fabl'icas de producción en masa de productos de vidrio, los métodos de manufactura en un principio eran muy primitivos y por lo general muy lentos, incluyendo mucha mano de obra en el manejo ele piezas y la operación ele la maquinaria. Hoy en día, con la ayuda de los sistemas de m:mufacirnra integrntlos por computadorn, Jos métodos ele producción han avanzado de tal suerte que, por ejemplo, los orificios en la lámina de metal se efectúan a tasas de 800 por minuto y las latas de refresco de aluminio se manufacturan a velocidades de 500 unidades por minuto.
PRODUCTOS MANUFACTURADOS
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En esta sección repasan1os breven1ent1~ los procedimientos y la planeación involucrada en el diseno y nKtnU·· factura de algunos productos comunes. Nuestro propósito es identificar los importantes factores involucrados y, con ejemplos específicos, rnoswir la forma tan estrecha en que el diseño y la manufactura están interrelacionad.os.
i.2.2 Lámpara incandescente La primera lámpara incandescente foe fabricada por T. A. Edison (1847-1931); fne encendida en 1879. Desde entonces se han hecho muchas mejoras en los materiales y métodos de manufactura en la fabricación de focos. Los componentes de un foco aparecen en la figura I.2. La parte emisora de luz es el filamento, el cual mediante el paso de una corriente a través de su resistencia eléctrica, se calienta hasta la incandescencia, esto es, a temperaturas desde 2200ºC y 3000ºC (4000ºF y 5400ºF). La primera lámpara exitosa ele Ec!ison teiút un filamento de carbono, aunque él y otros probaron diversos materiales como papel carbonizado, osmio, i :-i, ·
El sttjcl:apapcles, como !o conocemos hoy en día, fue desarrol.lado por un no.ruego, Johan Vaaler, guíen recibió una patente r.orlearnericana en 190.i. S11póngase que se pide usted que disefie y produzca lH1 sujetapapeles ¿Qué tipo de material escogería para Ütbr.ic:arlo? ¿Nt~ccsita ser rnet{~Jico o puede ser no Jneüilico con10 e! plüstko? ¿Si escoge un 1nctal, qué tipo debe ser? Si. es alair1bre ¿cuál dehe ser su diámetro'! ¿Debe ser redondo o debe tener alguna otra sección transversal? importante el acabado y ia apariencia supedicial clel alambre y de ser así, ¿cuál debe sc1· ~.;u
:-1spcrcza?
¿De qué maner1,1 tomaría usted un tramo de alambre y lo transformaría en un sujetapapeles? Lo haría :; mano,, en un dispositivo sencillo o de lo conirnrio, ¿qué tipo de máquina cliseñana o adquiriría para la fabricación del sujetapapeles'! Si, como propietario de una empresa, le hicieran un pedido de i 00 sujetapapeles en comparación cort otro de un millón de piezas ¿ resuilarfa distinta su manufactura? El sujetapapeles debe llenar el requerimiento funcional básico: sujetar juntas hojas de papel, con suficiente foerza para evitar que se desprendan. Debe estar diseñado apropiadamente en cuanto a forma y tamaño. El proceso de diseño se basa parcialmente en nuestro conocimiento de la resistencia de los materiales y :ie la mecánica de íos sólidos. El material seleccionado para fabricar el sujetapapeles, debe tener cierta rigidez y resistencia. Por ejemJlo, si la rig.idez (una medida de qne tanto se puede flexionar bajo una fuerza dada) es demasiado elevada, pujiera reqnerirse un mayor nivel de fuerza, poco confortable o inconveniente, por parte de Jos usuarios para abrir el sujetapapeles, de la misma forma que para un resorte rígido se requiere de una fuerza mayor para estirarlo ) comprimirlo. Si por Olra parte, la rigidez es demasiado baja, el sujetapapeles no ejercerá suficiente presión ;obre las hojas de papel. Y lo que es más, si el esfuerzo a la cedencia del material (el esfuerzo requerido paa causar una clefonnación permanente) es demasiado bajo, durante el uso normal el sujetapapeles se dobla'á de manera permanente, y será difícil volverlo a utilizar. Por tanto, es de gran importancia la elección correcta leJ material básico.
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Botón para sop01tru los alamb1es de soporte
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Vástagos --------de vidrio
Disco deflector ténnico, utilizado en lámparas de alto voltaje para proteger las porciones inferiores contra un calor excesivo
--....._Fusible, que se funde y abre Tubo de_,//,escape
el circuito, si ocurre un arco o un corto circuito, evitando
que se rompa el bulbo
Base
FIGURA L2 Componentes de una lámpara incandescente. Fuente: cortesía de General Electric Company.
11Lmclucci6n gener,;i.J
Secc.ión 1.3 /El proceso de diseho y la ingenieria concurrente
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i.2.3 Motores de propulsión a chorro
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En comparación con los ejemplos anteriores, el diseño y manufactura de un motor a chorro (fig. U) repre· senta un mayor reto y una tarea demandante. Presentamos esta imagen simplemente para apuntar la compk· jidad de este producto importante el cual, dependiendo del tamafio y capacidad, cuesta muchos millones de dólares y constituye aproximadamente 20% del costo de una aeronave comercial común. La selección, ins· pección, pruebas y control ele calidad de los materiales y procesos, son particularmente críticos para este mo· tor, debido a la necesidad ele una muy elevada confiabilidad. La falla de cualesquiera de sus componentes principales puede resultar catastrófica. Los diversos ejemplos arriba descritos nos muestran que cada una de las operaciones de manufactura re· quieren de procesos comunes para todas las manufacturas. En las secciones que siguen, presentamos un pano· rama general de las interrelaciones de importancia entre el diselio del producto, la selección del material y los procesos ele manufactura. El resultado final debe ser un producto que:
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4
fiGURA l.3 Pasos de manufactura en la fabricación de un foco (véase el texto para m~s detalles). Fuente: cortesía de G.E. Company.
a. Llene los estándares de calidad y los requerimientos esperados ele servicio del el ientc, b. puede ser producido con un rechazo y clesperclicio basado en cero, y dio y tantalio. Sin embargo, ninguno de esos materiales tiene la resistencia y larga vida a alta temperatura del tungsteno (sección 6.8), que es ahor:i el material para filamento de uso más común. E! primer paso para la manufactura de un foco es fabricar ei vástago ele vidrio, que da el apoyo a los alambres tcrrninales y al fiiarncnlo y los conecta con la bLise de bulbo (fig. L3). Estas piezas se colocan, ensan1biao y sellan mientras el vidrio es calentado con flama ele gas. El filamenlo se conecta entonces a los alambres ler· minales. Estas y otras operaciones en la fabricación de focos se llevan a cabo en máquinas altamente auto· malÍ7.aela:.,, a velocidades de 1000 por minuto o más. El ensmTible terminado (montaje) del vástago se transfiere tonlonces a una máquina, que baja un bulbo de vidrio alreckdo1·. Se u1·iliza flama de gas para sellar el borde del rnonLaje con el cudlo del bu!bo. El aire en el bulho es extraído a través clel rubo de escape (parte integral de! vástago ele vidrio) y Juego el bulbo es vaciado o llem1do con un gas inerte. Para focos de 40 W o más, el gas es comünmen!e una mezcla de nitró ge .. y argón. Luego se sella e! tubo de escape. El úlürno paso de ln producción consisle en unir 1,, base rd bulbo, utilizando un cemento especial. La iniquina que efect\ía esta operac-ión también sueldn (parte 5) los ~darnbrcs terrninal.es a hi base de metal par~J h 1
conexión eléctric;;L
El fiiamcmo se fabrica cornpri1niendo primero poivo de tungsteno en hngotes y sinterizcindo!o {calentái1dolo sin fw,ión: sección 17.4). El lingote es enloncec; formado a barras reclonclas mediante el suajeado, y las barras son e~tiracla.') a través de un dado, en un numero de pasos, en almnbre delgado (secci.ón J5. i 0). E! alambre es cetorcido en u¡1a bobina parrr incrementar la capacidad generadora ele IL\Z clel filamento. El diáme· trn del alamb1·c para una lámpara de 60 .. W, J 20· V es de 0.045 mm (0.0018 pL!lg), y debe ser con!rolada cu1t nrnclrn precisión. Si el diámetro del alambre es solamente l % menor al especificado, la vida de la lámpara puc· de quedar reducida tanto como en un 25%. E! esraciamiento entre espirns debe ser muy preciso, a fin de i1n-. pedir una concentración localizada ele calor y un posible corto. Los alambres terminales por lo general están fabricados de níquel, cobre. molibdeno, y los alambres de soporte se hacen de molibdeno (sección 6.8). La porción de alambre terminal que está incrustado en el vásta .. go se fabrica de una aleación de hierro y níquel, recubierto con cobre, y tiene esencialmente el mismo coefi.ciente de expansión térmica qLte el vidrio (capítulos 3 y 8). De esta manera, no se desarrollan los esfuerzos térmicos que de otra forma harían que se rompiera el vástago. La base por lo general se fabrica ele aluminio, lubricada especialmente para permitir Ja fácil inserción en el receptáculo. El bulbo se fabrica soplando vidrio fundido en un molde (sección 17.10). Se utilizan varios tipos de vidrio, dependiendo del bulbo deseado. El interior del bulbo es esmerilado, para reducir el brillo y difundir mejor la luz. El gas ele relleno debe ser puro, de lo contrario se ennegrecerá la superficie interior del bulbo. Por ejemplo, apenas una gota ele agua en el gas utilizado para medio miilón de lámparas puede causar un ennegrecimiento en todas ellas.
ce, es económico en su producción en un mercado cada vez más globalizado y competitivo.
1.3
PROCESO DE DISEÑO Y U\ INGENIERÍA COl'ICURREl'HE El proceso de diseño para un producto requiere primero ele la comprensión clara de las fmriciones y del ren-
dimiento esperado del producto, el cual puede ser nuevo o una versión revisada de un producto ya existente. Todos hemos observado, por ejemplo, como ha cambiado el disefio y el estilo de los rndim;, tostadores, reío·
jes, automóviles y iavadorns. El mercado ele un producto y sus usos anticipados deben ser definidos con claridad, con la ayuda dei persona.! de ventas, de los analistas del mercado y otros dentro de la organización. El diseño del producto e' una actividad crítica porque se ha estimado que de 70 a 80% ele! costo de desarrollo del producto y su rna· nufacLura, queda determinado por las decisiones tomadas en las etapas iniciales del diseño. Tradicionalmente . las actividades de diseño y ele mamifactura han ocurrido de manera secuencial, ma:i que ele manera concurrente o simultánea (fig. L4a). Los Jiseñadores ocuparían un esfuerzo y tiempo consid:;rabies en el análisis ele los componentes y en ia preparación de dibujos detallados de las piezas; estos dibujo:: serían enviados a los departamentos de la organización, como por ejemplo, los departamentos de materiales donde se iclentificm·ían las aleaciones y las fuentes particulares de proveedores. Las especificaciones se enviarían entonces a un departamento ele manufactura, donde los dibujos deta· ilados serían revisados y se seleccionarían los procesos para una producción eficiente. Aunque este procedí· miento parece lógico y sencillo en teoría, se ha encontrado en la práctica que es un procedí miento que en l'orrna extrema desperdicia los recursos. En teoría, un producto puede fluir en una organización de un departamento a otro y ele al1í directamente al mercado, pero en la práctica, comúnmente se presentan dificultades. Por ejemplo, un ingeniero de manufac .. tura desearía poner alguna inclinación en la brida de alguna pieza para aumentar su faciliclacl de fundición o po· dría decidir si es deseable una aleación diferente; estos cambios necesitan una repetición de la etapa de anáiisis ele diseño, a fin ele asegurar que el producto seguirá funcionando de manera satisfactoria. Estas iteraciones, que también se muestran en la figura l.4a, ciertamente desperdician los recursos, pero ele manera más importante desperdician el tiempo. Existe un gran deseo, impulsado originalmente por la industlia electrónica ele consumo, en llevar los pro· duetos al mercado tan rápidamente como sea posible. La idea subyacente es que los productos que se intro· clucen pronto disfrutan de un porcentaje más grande del mercado y por tanto de mayores utilidades. y tienen una vicia más larga antes ele su obsolescencia (claramente una preocupación en la electrónica ele consumo). Por estas razones, ha saltado a la arena la ingeniería concurrente, llamada tambiél} ingeniería simultánea.
-
Introducción gen<:~1·al
Sección 1.3 í El proceso de diseño y la ingeniería concurrente
(a)
(b)
lM~cado
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E::-;pecificación
i_ Diseño asistido por computadora (CAD)
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das de interacción entre subdisciplinas de ingeniería, por ejemplo, diseño para manufactura, reciclabilidad de diseño, diseño para la seguridad. El proceso ele diseño empieza con el desarrollo de un concepto original del producto. Para que tenga éxito el producto en el mercado en esta etapa es muy deseable, incluso esencial, un procedimiento innovador para diseñar. Los procedimientos innovadores también pueden llevar a ahorros importantes en costos de material y producción. El ingeniero de diseño o el ingeniero ele producto deben tener conocimientos sobre las interrelaciones entre materiales de diseño y manufactura, así como la economía general de la operación. La ingeniería concurrente es un procedimiento sistemático que integra el diseño y la manufactura de los productos, manteni.cndo a la vista la optimización de todos los elementos involucrados en el ciclo de vida del producto. El ciclo de vida significa que todos los aspectos de un producto, como diseño, desarrollo, producción, distribución, uso, eliminación y reciclado se consideran de una manera simultánea. Las metas básicas de Ja ingeniería concurrente son reducir los cambios en diseúo, ingeniería de producto y reducir el tiempo de los costos involucrados en tomar el producto de su concepto de diseño a su producción e introducción en el mercado. La filosofía de la ingeniería del ciclo de vida requiere que toda la vida de un producto sea considerada en la etapa de diseño: el diseño, producción, distribución, uso y eliminación/reciclado deben ser considerados de manera simultánea. Por lo que un producto bien diseñado es funcional (diseño), bien fabricado (producción), bien empacado (de manera que llegue con seguridad al usuario final, es decir al cliente--distribución), durable (funciona efectivamente durante sn vida pretendida), mantenible (tiene componentes que se pueden reemplazar, mantener o reparar con facilidad, uso) y es eficiente en recursos (se puede desarmar, de manera que los componentes puedan ser reciclados o eliminados). Aunque este libro hace énfasis en los aspectos de producción del ciclo de vida de un producto, la necesidad de la integración de múltiples disciplinas en el desarrollo del producto se presenta en todo ese ciclo. Por ejemplo, la producción de desechos se encara mejor durante el desatTollo del producto, al seleccionar materiales fácilmente reciclables. Además, cada uno ele los reque1imientos demanda nuevns habilidades del equipo de cJ,3sarrollo del producto, y así cada uno de ellos demanda la aplicación de la ingeniería concurrente. A pesar de que parece lógico y eficiente el concepto de ingenieria concurrente, su implementación pqede involucrar esfuerzo y tiempo considerable-;, cuando aquellos que lo utilizan o no trabajan como un equi · po, o no comprenden y aprecian sus beneficio:i reales. Es aparente que, para que tenga éxito la ingeniería concurrente, debed:
E1npaquc mercadeo y íileratura d~ ventas
a, Contar con el apoyo total ele la administración superior; ti. Efectuar un trabajo en equipo multifuncional e interactivo, incluyendo grupos de apoyo; y
c. Utilizar todas las tecnologías disponibles. RA t4 (a) Diagrama que muestra varios pasos involucrados en el diseño y manufactura de un producto. ncliendo cie la complejidad del producto y del tipo de materiales utilizados, el tiempo entre concepto original y 1cleo de u11 producto, puede extenderse desde unos cuantos meses hasta muchos a1'1os. (b) Diagrama que rnues11·a o general del producto, desde el análisis de mercado hasta la venta del producto, y que muestra ingeniería mente. Fuente: Según S. Pugh, Total Oesign. Acldison-Wesley, 1991.
Un procedimiento de desarrollo de productos más moderno aparece en la figura L4b. Aunque todavía incluye el flujo ele producto general del análisis de mercado a diseño y a manufactura, contiene iteraciones deliberadas. La diferencia principal con el procedimiento más antiguo es que todas las disciplinas están involucradas en las primeras etapas de diseño, por lo que las iteraciones que por naturaleza ocurren resultan en menos esfuerzo desperdiciado y menos tiempo perdido. Clave para el nuevo procedimiento es la importancia ahora bien reconocida de la comunicación entre y dentro de las disciplinas. Esto es, en tanto debe existir comunicación entre las funciones de ingeniería, mercadeo y servicio, de la misma manera deben existir aveni-
Existen numerosos ejemplos de los beneficios de la ingeniería concurrente. Una empresa automotriz, por ejemplo, ha reducido el numero de componentes en uno de sus mol ores en un 30%, y como resultado ha reducido el peso del mol.oren un 25% y su tiempo de manufactura en 50%. El concepto ele ingeniería concurrente se puede implementar en empresas tanto grandes como pequeñas, una aplicabilidad que es de particular valor en vista ele] hecho de que 98% de los establecimientos de manufactura norteamericana tienen menos de 500 empleados. Para empresas tanto graneles como pequeñas, el diseño del producto a menudo involucra preparar modelos analíticos y físicos del mismo, como ayuda para estudiar factores tales como fuerzas, esfuerzos, deflexiones y forma óptima de la pieza. La necesidad de estos modelos depende de la complejidad del producto. Hoy en día, la construcción del estudio en modelos analíticos se ha simplificado a través del uso del diseño (CAD), y ele las técnicas de ingeniería (CAE)y de manufactura (CAM) asistidos por computadora. El diseño asistido por computadora (sección 39.4) permite al diseñador conceptualizar objetos con mayor facilidad, sin tener que elaborar ilustraciones, modelos, o prototipos costosos. Los sistemas CAD son ahora capaces de analizar rápida y completamenle los diseños, desde una simple ménsula hasta estructuras
li1troduc:c.1ún genc1Ji Sección 1.4 / Dbeño. pJra la manufactura, ens,1rnble, desensJmble y servicio
C\)mpic_ias. E! aeroplano de d1.;s moiores Bocing 777 para pasajeros, fue d]señado cornpictamente por compuladorn (dise;io sin. papel), con 200() cstac.i
TABlA ~Forma~ alguno~r:i..1étoclos comunes de producción Fomrn o característica
se han constn.iido prototipos o modelos. Utilizando ingenli~rú-1 asistftda pior con11pt~iadoira, ahora se puede sin1Ldar, analizar y probar con mayor precisión y iwís rápido que nunca el dcsempefio de estructuras sujetas a cm·gas estáticas o fluctuantes y a temperaturas variables. La información desarrollada se puede aimacenar, recuperar, desplegar_ imprimir y trnnsforir a ettalquier parle ele lit organi;;:ación. En cualquier momenlo los disefios se pueden optimizar, y las modificaciones se pueden efectuar, directa y füci.in1ente.
perficial, y los materiales componentes. A menudo, la selección de 11-.ateriales se efectúa con ci consejo y cooperación de los ingenieros de rnateríales, a menos ele que e! ingeniero de diseño tainbién sea experünentado y califie~1do en esta área. Una consideración de diseño d.::. importancia es la forn1H es qne un componen-
ie parLicu.\ar puede ser ern
El sobrediseño puede aumentar de una manera significativa el costo de un producto. Debe hacerse notar, sin en1bargo, que todo este tema es algo controversial. Desde el punto de vista del consumidor, un automóvil, una máquina lavadora o una podadora de césped que durante muchos añ?s operan de manera
Piezas con cavicbde.•;
Fresado Je acabado, maquinado por desc~1rga déctrica,
Piezas con característica:.; agudas
Fundición de molde pcnnanc.nte, maquinado, esmcriladl), fabricación, mctulurgia de los polvos
Formas huecas Lklgad<.1s
Fundición en cáscara, clccLroforrnado. fobricación
Formas tubulares
Extrusión, estirado, formado por rodillos. girado. fundición centrifuga
Piezas tubulares
formado con hule, exrxmsión con presión hiJrúulica, formado explosivo, rcch:v.adq
CurvalunL en üíminas c1<:1gadas
En bw;c a los modelos desarrollados utilizando las técnicas antes mencionadas., el disefiador del produc-
Sobrediseño. Las encuestas han indicado que muchos productos en ei pasado han sido sobrediseñados, eso es, que eran dernaBiado voluminosos, fabricados de materiaies de una calidad demasiado elevada, o fabricados con una precisión y calidad no necesaria para los Lisos pretendidos. El sobreclisefio puede resultar de incertidumbre en los cálculos de diseño o de la preocupación por parte del diseñador o fabricante en relación con la seguridad del producto, a fin de evitar lesiones o hasta la muerte del usuario y ias demandas por responsabilidad de producto resultantes. Muchos diseños están basados en la experiencia y la intuición pasada, más que en nn análisis y una experimentación a fondo.
c.sm~rilacio
Laminado, cep!J!ndo, brochado, fresado, forrn:.id1.\
Aperturas en
lo selecciona y específica la forma y dimensiones finales del producto, su precisión dimensional., acabado su-
1
Método de producción
Superficies plnnas
maquinado electroquirnico, m,1quínado ultrasónico, ft1ndiciún
La um¡¡mfüctuni asísfüla por computadorn (sección 39.5) involucra todas las foses de la manufactura, al :1tili:wr y proccsm aun más la gran cantidad lle información sobre materiales y procesos recolectados y al·rnucen::Hlos tm la base de datos de la organización ..Las cornputadoras ahora asisten a los ingenieros de manufactura y a sus asociados en la organizadún de tareas co1110 ]a píogrmnación del control numérico de las inúquinas~ la programación de robots para el ffrnnejo y ensarnble de materü1ks; el diseño de hcrran1ientas, dados y nditamentos; y el mantenimiento del control de la calidad.
licos o no metálicos) para producir prototipos de manera rápida, en forma de un modeio de una pieza física sóiic!o y a un bajo co.slo. Por ejemplo, el prolotipaclo de nuevos componentes automotrices utiliz
1' '> ~>
hoja~;
dclg;.iclas
¡~·orrnado
estirado. rormado por g\)lpeatlo, fabricación, c-.nc;ambk
Troquelado, troquelado químico, lroqw~lado foloquí111ico
Secciones trnnsvcr~:ales
Estirado, exlruí
B(mles
Troquelado fino, maquinado, rasurado, esrncriludo con banda
ü
escuadra
ü
rci:;lificado sin cen<.ros
Pequefü1¡; orificios
Láser. electi·ocrositín maquina
TexLura~, superficialc~;
Molctcack>, cepillado con alambre, esmerilado, c~mterilado con banda, gr
Cara..::ierísticns dc!aJladas de las st1pcdicies
AcL1iiado, fundición a la cera penJfdn, Cun
P::i11es 1·oscacl:1s
Corte de roscas, laminado de rosca;.,, esmerilado dtJ roscLlS, brufiido
Pieza;., muy gnmdes
Fundición, forja, fabricación, ensamble
Pic:u.is muy pequtl1as
Fundición a la ccru perdida. maquinado, grabado, mclalurgia
-·-------~------------------~e p(Jlvos, nnnofabricación,
micromaquinado
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satisfactoria, sin necesidad de reparaciones o de reemplazo de piezas, puede ser un buen producto a pesar su elevado precio injciaL En un mercado globalizado y competitivo en expansión, los fabricantes son sensibles a 1a imagen pública de sus productos. De hecho, algunos produc\Os que requieren de reparaciones poco frecuentes, como doras, secadoras y auLon1óvUes, han sido anunciados en los medios con todas estas características. Muchos fabricantes creen que si u11 producto funciona hien durante un periodo largo de tiempo, pudiera haber sido sobrediseñado. En estos casos, la empresa pudiera considerar el reducir los materiales y/o los procesos utilizado:;
L4
LA MANUFACTURA, ENSAMBLE, DESEl'lSAi\/\BLE Y SERVICIO Como hemos visto, el diseño y la manufactura deben estar estrechamente interrelacionados; no deberán ser nunca vistos como disciplinas o actividades por separado. Cada pieza o componente de un producto debe ser clisz:. ñado no sólo para que llene los requerimientos y las especificaciones de diseño, sino también para que pueda ser manufacturado económica y eficientemente. Este procedimiento mejora Ja productividad y permite que un fabricante se mantenga competitivo. Esta visión ensanchada ha sido reconocida como el área de diseño para la manufactura (DFM). E:; un procedimiento completo para la producción de bienes, e integra el proceso de diseño con los materiaies, métodos de manufactura, planeación de procesos, ensamble, prueba y aseguramiento de la calidad. La implementación efectiva del diseño para la manufactura requiere que los diseñadores tengan una comprensión básica de las características, capacidades y limitaciones de los materiales, de los procesos de manufactura y operaciones, maquinaria y equipo relacionados. Este conocimiento incluye características como: la variabilidad del desempeño de las máquinas, en precisión dimensional y en el acabado superficial de la pieza de trabajo; el tiempo de proceso; y el efecto del método de procesamiento sobre la calidad de la pieza.
Introducción general
Los diseñadores y los ingenieros de producto deben ser capaces de juzgar el impacto de las modificaciones de diseño sobre la selección del proceso de manufactura y sobre el ensamble, inspección, herramientas y dados, así corno el costo ele producción. El establecimiento de relaciones cuantitativas es esencial a fin de optimizar el diseño para su facilidad de manufactura y ensamble a un costo de producto mínimo (concepto conocido como producibilidad). El diseño, ingeniería y manufactura asistidos por computadora, y las técnicas de planeación de procesos, utifüando poderosos programas de computadora, se han hecho indispensables para aquellos que llevan a cabo dichos análisis. Los nuevos desarrollos incluyen sistemas expertos, que tienen capacidades de optimi7.ación y por lo tanto pueden acelerar el proceso iterativo tradicional de la optimización del diseño. Una vez que se han manufacturado las partes individuales, deben ensamblarse en tm producto. El ens:nnMe una parte importante de la operación general de manufactura y requiere consideración sobre Ja facilidad, velocidad y costo de unir las piezas, También, muchos productos deben ser diseñados de manera que sea posible su desensamble, a fin de permitir que se desarme el producto para su mantenimiento, servicio o el reciclaje de sus componentes. Dado que las operaciones de ensamble pueden contribuir significativamente al costo del producto, el disefüi p:l!ra el ensamble {DFA) así como el disefü¡ parn el desensamble se reconocen ahora como aspectos importantes de la manufactura. Comúnmente, un producto que es fácil de ensamblar también será fácil ele desensmnblar. La tendencia más reciente ahora incluye el diseño p:ura el servicio, cuya meta es que las partes individuales y subensambles de un producto sean fáciles de a!c.tnzJr y dar servicio. Las metodologías y el software ele computadora han sido desarrollados para el diseño del ensamble, utilizando diseños conceptuales en tres dimensiones y modelos sólidos. Mediante su uso, se han minimizado los tiempos, así como los costos de subensamble y ele ensambi.e, en tanto que se ha mantenido la integridad y el cle,scmpefio de los prodL1ctos; el sistema también mejora la facilidad de desensamble dei producto. La tendencia ahora es combinar el discfio para Ja manufacr.ura y el disefio para el cnsarnb!e en un disefio más completo paira la mllimfüd1J1rn y eiisamMe (DFIWA) que reconoce la relación inherente entre la manufactura de los componentes y su. ensarnbk en un producto final Eilisten varios métodos de ensamble (por ejemplo, utilizando sujetadores o adhesivos, o median.te soldadura con o sin aporte blanda o dura) cada uno con sus propias características y cada uno requiriendo de opcdi.fcrcntcr~. uso del perno y de la tuerca, por eje1nplo, requiere la prcparaclón de perforaciones que ck~ben coincidir en Iocalizací6n y tan1añn. generación de orificios a su vez, requlere de operaciones conir) ci barrcaadn o punzonado . que toma tiempo adiciona!, requiere de operaciones por separado y produce ck-sperdicio. Por otra parle, los productos ensamblados con pernos y tuercas se pueden desarmar y rcensamblar con una fac]J idad relativa.
Las pi<~zas también se pueden ensamblar con adhesivos. Este método, que está siendo utilizado de manera amplia en la producción de aeronaves y automóviles, no requiere de perforaciones. Sin embargo, las superficies que deben ensamblarse deben coincidir correctamente y estar limpias, porgue la fuerza de la unión es afectada de manera adversa por la presencia de contaminantes como polvo, suciedad, aceite y humedad. A cliferencia de los componentes sujetos mecánicamente, los componentes unidos con adhesivos y los que es!án soldados no han sido disefiados para ser desarmados y re.ensamblados; por tanto, no son adecuados parn el propósito importante de reciclaje de partes individuales dentro del producto. Las parles pueden ser ensambladas ya sea a mano o con equipo automático y de robots. La elección dependerá de factores como Ja complejidad del producto, el número de piezas a ensamblarse, la protección requerida para evitar dafio o rayadura a las superficies terminadas de la pieza, y el costo relativo de la mano de obra, en comparación con la de la maquinaria requerida para el ensamble automatizado.
SELECCIÓN DE MATERIALES Ahora está disponible una mayor variedad de materiales, cada uno con sus propias características, aplicaciones, ventajas y limitaciones (parte I). Lo siguiente son los tipos generales de materiales utilizados hoy en día en Ja manufactura, ya sea de manera individual o en combinación:
Sección L.S /Selección de materialP-s
15
"' Metales ferrosos: aceros al carbono y aleados, acero .inoxidable, y aceros para herramientas y dados (capítulo 5),
., Metales no ferrosos: aluminio, magnesio, cobre, níquel, titanio, superal.eaciones, metales refractarios, berilio, circonio, aleaciones de bajo pumo de fusión y metales preci.osos (capítulo 6). e Plásticos: termoplásticos, termoestables y elastómeros (capítulo 7).
'" Cerámicas, cerámicas vitrificadas, vidrios, grafitos, diamaHJ.te y materiales parecidos al diam:am-
te (capítulo 8), ., Materiales compositos: plástico reforzados, matriz de metal y matriz de cerámica (capítnlo 9). Estos también se conocen como materiales de ingeniería. "' Nm:iomateriales, aleaciones con memoria de forma, aleadones amorfas, Sl!llpercom:luctores y otros materiales diversos con propiedades únicas (capítulo 6). Conforme se van desarrollando nuevos materiales, la selección de materiales apropiados se convierte cada vez más en un reto. Las estructuras aerospaciales y los productos deportivos han ocupado la primera línea en la aplicación del nuevos materiales. Para las estructuras de las aeronaves comerciales la tendencia es utilizar más titanio y compositos, con una reducción gradual en el uso de aluminio y acero. En todos los productos se observan tendencias en continuo movimiento en el uso de materiales, tendencias impulsadas p1incipalrnente por consideraciones económicas, pero también por otras consideraciones, según se describirá.
1.5.1 Propiedades de los materiales Al seleccionar los materiales para los productos, primero consideraremos sus propiedades mecánicas: resistencia, tenacidad, ductilidad, dureza, elasticidad, fatiga y cedencia (capítulo 2). Las relaciones resistencia a pe-· so y rigidez a peso también son importantes, particularmente en aplicaciones aerospaciales y automotrices. El aluminio, titanio y los plásticos reforzados, por ejemplo, tienen relaciones de este tipo más elevadas que los aceros y hierros fundidos. Las propiedades mec{micas especificadas para un producto y sus componentes deberán naturalmente ser apropiados a las condiciones bajo la cuales se espera el prodncto funcione. A continuación veremos las prnpiedade8 físicas de los materiales: densidad, calor específico, dilatación y conductividad térmica, punto ele fusión y propiedades eléctricas y magnéticas (capítulo 3). Las propiedacies químicas también juegan un papel significativo, tanto en entornos hostiles como normales. La oxidación, corrosión, degradación general de las propiedades, toxicidad, e inflamabilidad ele los materiales están entre lm: factores importantes que se van a considerar. En algunos desastres de aerolíneas comerciales, por ejemplo, muchas muertes han sido causadas por los humos tóxicos provenientes de materiales no metálicos en combustión dentro de la cabina de pasajeros de la aeropave. Las propiedades de mannfactnra de.los materiales determina si pueden ser fundidos, formados, ma-· quinados, soldados o sujetos a tratamiento térmico con relativa facilidad (tabla L3), Los métodos utilizados para procesar los materiales hasta la forma deseada pueden afectar de manera adversa las propiedades finales, vida de servicio y costo del producto.
1.5.2 Costo y disponibilidad El costo y la disponibilidad de los materiales en bruto y procesados y de los componentes manufacturados son consideraciones de importancia en la manufactura. Los aspectos económicos de la selección de los materiales son tan importantes como las consideraciones tecnológicas de las propiedades y de las características de los mismos (capítulo 40), Si no hay disponibles materias primas procesadas o componentes manufacturados en la forma, dimensión y cantidad deseadas, se hará necesario recurrir a sustitutos y/o a procesamiento adicional y estos pueden contribuir de manera significativa al costo del producto. Por ejemplo, si necesitamos una barra redonda de un cierto diámetro y ésta no está disponible en forma estándar, entonces tenemos que adquirir una barra más grande y reducir su diámetro mediante algún procedimiento (quizás maquinado, estirado a través de un dado, o esmerilado). Debe hacerse notar, sin embargo, que a menudo un dj¡;eño de producto se puede modificar pa-
!11t1'CHlucción gen(·'r,11
lAiS:tA L3
Sección 1.5 / Seiección de mater!vles
Carac:ei-ísticas
Aleación
Capacidad de fundición
Aluminio
E
CGhrc
de manufactura de diversas aieaciones de soldadura F F
F-Ci
Fundicr6n gri,'>
Fundición hla11c;1
Níc¡ud Aecros /,jnc
Maquinabilidacl
------------------G--E
F--G
o
E G F F E
G
VP
VP
F E D
F F E
i864-l962 1943 (JJ Guerra i\1undial)
95% cobré, 5% estaño y zinc (bronce)
1962-1982
95'ih cobre,5% zinc (bronce) 97.5% zinc, recubierto con 2.5'7'· cobre
1982- a la fecha
l7
Acero lrecuhicrto de zinc)
Obviamente, estos matcriaks, o sus combinaciones, neecs!tan impmtir !as propiedades apropiadas a los centavos dur:mte su circul¡ición_
Ejemplo: Selección .del materia! para bates de béisbol
Noto: E, cxr.:ckme; G, bueno; E a1,.:cptablc: D, difki_l; VP, muy
ra aprovechar ias dúnensiones estúncbr de "Ja materias prünas, y por to.nto, evhar los costos de n1anufactura adi cíonales. La confiabilidad del suministro, así como la demanda, afecta al costo. La mayor pa11e de los países importan numerosas materias primas esenciales para la producción. Estados Unidos, por ejemplo. importa la ma-· yor pai1e de los volúmenes que utiliza en cada una de los siguientes materias primas: hLtle natural, diamante, cobaíto, titanio, cromo, aluminio y níquel. Las amplias implicaciones políticas de tener que confiar en otras naciones pudieran ser negativas. 1
Ei procesamiento de materiales según !os diferentes métodos invoJucran diferentes costos. Algunos métodos requieren de nrnquinaria co.stos~t, otros requieren de extensa rnano de obra, y aun otros requieren de per·sonal con hab11idade:~ especiales, un a!lo nivd de educación, o una capacitación especializada.
Los bates de béisbol para las grand<:s ligas son por lo general fabrícados de fresno blanco debido a su ~'la bilidad dimensional. módulo elástico, relación de resistencia a peso, y su alta resistcnci;, al impacto y ln1j:1 densidad. Los bates se fabrican en tornos semiautomáticos y después se some1en a operaciones de acabado. El grano uniforme recto requerido para estos bates. han sido cada vez más difícil de encontrar, purticularmcn · te cuando Ja mejor madera proviene de los fresnos· ele por lo menos 45 años ele vid:::. En consecuencia. se i«t considerado emplear otrns materiales para producir los bates. Para el mercado de aficionados, durante algunos años se han fabricado bates de aluminio (parte superior de figura I.5) mediante diversas técnicas de formado del metal, al!nque al principio su rendimicn.to era tan bueno como el de los bates de madera. La tecnología ha sido mejorada de manera que los baics aluminio se fabrican ahora a partir de un tubo dé a!umin.io de alta resistencia y poseen Ja distribución cuada de peso, centro de percusión, sonido y dinámica de impacto. Pór io general, es¡án de poliLi·· retano _o de corcho para amortiguar el sonido y controlar el balance del barc. Sin en1bargo, los bates a_luminío pueden ser sensibles a efectos superficiales debido su uso y fallan por lo general debido u L tiga por carga cíclica. Los nuevos productos para bates incluyen los materiales tomposítos, que consisten en grafito de alta sistcncia y fibras de vidrio, en una matriz de resina de epóxiea (capítulo 9). La camisa tejida interior (pu'ción inferior de Ja figura I.5) está fabricada de fibras de Kevlar, que impurtcn résistencia y amortiguan vibraciones c1e1 bate. Estos bates cuestan aproximadamente 125 dólares y füncionan y suenan de una nmwra muy parecidas al bate de maderu.. Fuente: Mizuno Sports, lnc.
a
servicio y reciclado La apariencia de los Yriateriales una vez que han sido manufacturados en productos influencia su atractivo h,\. cia el consumidor. El color, la sensacjón y la textura superficial son características que todos considera~nos al Lomar una decisión sobre la adquisición de un producto. Son fenómenos impor!anles que dependen del tiempo y dei servicio como el desgaste, la fatiga, el de:;!tzarrü~nco y la eslabi1idad dünensionaL Esos fenómenos pueden afectar de manera significativa el. desempcí'í.u de un producto y,, de no ser controlados, pueden !levar a Ja faHa i·ota1 dd misrno. De tnanera s1milnr, es importanle la cornpatíbilidad de los tnateriales que se utilizan en un produclo. La fricción y e! desgaste, 1a corrosión y otrvs fonómcnos pueden reducir la vida de un producto o hacer que falle de manera prematura. Un ejemplo e~ b corrosión galvánica entre partes en contacto fabricadas con metales diferentes. El reciciad<, ele los materiales o la elnninación apropiada de sus componentes, al final de la vida de servicio útil de! producto, se ha lomado cada vez mús importante, conforme nos hemos vuelto cada vez mús conscientes de ía necesidad de conservar los recursos y de mantener un entorno limpio y s;iludable. NC>t(:sc, por ejemplo, el uso de materiales de empaque biodegradables, de botellas de vidrio y latas de aluminio reciclables. El tratamiento y eliminación apropiada de los desperdicios y materiales tóxicos también es una considen1clón vital.
Ejemplo: Selección del material para el acuñado de un centavo norteamericano Los materiales.utilizados por el U.S. M_ínt para acuñar loscen,ta119sl;an $i1ff;idoc~i;r¡bí9s s¡gníficaiivos a través de la historia, principalmente debido a la escasez de mat~rfal9s y d99sto <;JeJ~s máteri.as primas. Todos los años se acuñan miles de millones de centavos. Lasig1,üepfe!~f.illí.J;nppslr~·updesap:0Ho cronológico ele la sustitución de materiales .en los centavos:
1793-1837
1837-1857 J 857-1863
·
·
·
l00%cobÍ'e
95% cobre, 5% ~~i:cifioszÍfi'.c (~ronce) 88% cobre, >12o/~ níq~el (~íq~~Í-bro~c~)
.FIGURA 1.5 Seccfones transversales de Jps bates de béisbd fabridados de alllÍnlrJiO (porció~ supeíiPr) yde material comrJosito (pOrción ihfüriorl.
_,
Sec:ción L6 /Selección de los procesos de manufactura
19
lntl"Oducción general
DE LOS PROCESOS DE MANUFAC (a)
Muchos procesos se utilizan para producir componentes y formas (tabla I.2), y por lo general existe más de un método para la manufactura de una pieza a partir de un material dado. Las amplias clases de métodos de procesamiento para materiales son como siguen, referenciados a una pieza particular en este texto e ilustradas mec!iantc un simple ejemplo de cada uno: Torneado
a. Fmullición: r-l!olde desechable y molde permanente (parte Il); figura 1.6. Formado y 1:1mformado: Laminación, forja, extrusión, estirado, formado de lámina, metalurgia ele polvos y moldeo (parte III); Figura I.7a-d. (d)
(e)
(h)
Taiadrado
FIGURA u; ilustración
de fundición para una rueda de ferrocarril.
Fresado de acabado
Fresado pcrifúico o cilindrado
esquemática de una operación
(f)
(e)
Suministro diekctrico
!lustraciones esquemáticas de varios procPSOs de formado. (b)
(;¡)
Esmerilado Brochado
~
FIGURA Ul
ilustraciones esquemáticas de varios procesos de maquinado.
Estirado de varilla o de alambre
Laminado
c. Maquinado: Torneado, taladrado, barrenado, fresado, cepillado, brochado y esmerilado, maquinado ultrasónico; maquinado químico, eléctrico y electroquímico; y maquinado de haz de alta energía (par(d)
(e)
~101
Disco
Extrusión
Taza embutida
Embutido profundo
te IV); figura I.8a-g. d. Unión: Soldadura sin apone, soldadura con aporte, soldadura blanda, unión por difusión, unión adhesiva, y unión mecánica (parte V); figura l.9a-b. e. Acabado: Asentado, !apeado, pulido, bruñido, desbarbado, tratamiento superficial, recubrimiento y depósito (capítulos 25 y 33). La selección de un proceso de manufactura en particular, o de una secuencia de procesos en particular, depende no sólo de la forma a producirse sino también de muchos otros factores correspondientes a las pro-
Sqcción 1.6 /Selección ck~ lo~ pmc:esos de manufactura
11~1.roduu 1ón gcni::'ml
(al
(b)
Unión trasb1pada
Unión
1-J
21
tope
Uniones t9 Do~ tipos ele uniones solrl;icias. (d) Unión tras!0pada; (b) unión a tope.
1
1
flGURA i. HJ ilustraciones esquem.'.ilicas de una mi~nsula de de acero, que se' puede mediante procesos (a) Fundición
FIGURA 1.11 Corte de lámina de rnetai utilizando un rayo láser. Fuente: cortesía de Rofin-Sinar, lnc., y J\!lanufactudng Engineering i\!1agazjne1 Society of Manufacturing Engineers.
de fundición o medinnte proce'.:.>os de (b) Estampado
eslarnpado,
piedades de! material (tabla 3). Lo:; maleriaks frágiles y duros, por ejemplo, no pueden ser formados fácil-· ffl":nl.e, sin embargo pueden sc1· fundidos o maquinados fücilmente mcdi;.inte el uso ele varios métodos. Ei prncesq de nwnnfactura por lo gcnerai a!tera las propiedades de los rnateriales. Los metales que se forn1an ltTnpcratura í.1111bienie., pGr tjernplc, st:: hacen más resistentes, n1ás duros y rnen.os dúctiles de io que eran an-·· tes de su procesamiento.
la figuni: L JO se dos 1nénsuh)s de n1ont,\je de acero., una fabr.tcada mediante ft.indlción, y Lt otra por estan1pado de l~ln1irn1 metálica. Obsérvese que existen a\gunrls diferencias en los diseños, aunque las pi.e;. z~1s ~on básicarnente iguaks. Cada uno de estos dos procesos de manufactura tiene sus propias vent<"1jas y lirnitacloncs, así como sus propias tasas de producción y costos de manufactura. L,os ingenieros de n1ar1uh1ctura conlinuamcntc se enfrentan al reto de encontrar nuevas soluciones a pro blemas de manufactura y de reducción de co,;tos. Durante largo tiempo, por ejemplo, la pieza:.; de lámina se cor·· 1·aba11 y fabricaban util izaodo hc1rnmicnlas, punzones y dacios tradicionales. Aunque estos últimos siguen siendo utilizados ampliamente, algunas de estas operaciones están siendo reemplazadas por técnicas de corte por láser {figura I.11). Con avances en la tecnología de la computación, podemos controlar ele manera automütica la trayectoria del láser, incrementando así la capacidad de producir una amplia variedad de formas con precisión, de manera repetida y económicamente.
de apariencia (capítulo 33). El manera\ en la parte superior del pimentero se fabrJca por maquinado (par· te IV) y ~s roscado en su ínterior pm-a pennílir que se atornille y destomílk. Una varilla cuadrada. que conetta la porción superior del molino de pimienta con las dos piezas qm' se muestran en la parte inferior d~ la figura. se fabrica por el método de laminado (capítulo 13). Los des componentes de moler están fabricados de acero inoxidable 4 J() medí ante técnicas de metalurgia de peí vos (capítulo 17): la fondición o maquinado de esas piezas pudiera resultar dcmasi<1do costoso. Obser' e que los m'ateriaks y íos pi'ocesos involucrados se seieccionan de manera de minimizar el costo de estos productos y :.il mismo tiempo llenando los requcrinüentos de diseño y de servicio.
Ejemplo: Manufactura de un salero y un pimentero Un producto domestic,o de uso común es un jµego de salero y pi!Uenterp:Elque$e mµestra en la figura U.2 contiene componentes metálicos así como no metálicos, y es fabricado;mediapJeyariosprocesos _de manufactura. Los cuerpos principales se fabrican por moldeo por inyección (sécción 18.3) de un terinoplástíco como el acrílico (capítulo 7), que tiene transparencia y otras, características deseables y que es fácil de moldear. La parte superior del salero .se fabrica de lárnina metálica (capítulo, 16) y es cromada.por razones
"1;,':i
., Jntroducción general ,Sección 1.6 /Selección de los procesos de manufactura
).
Preri~iltn
23
y acabado superficial 16.2 Costos de operación y de fabricación
El tamafio, el espesor y la complejidad de forma ele la pieza tienen una importancia principal sobre el proceso de manufactura seleccionado para su producción. Las partes planas con secciones transversales delgadas, por no se pueden fundir correctamente. Las partes complejas no se pueden fom1ar fácil y económicamente, en tanto que pueden ser fundidas o por tanto fabricadas a partir ele piezas individuales. Las tolerancias y el acabado superficial que se obtienen en operadones ele trabajo en caliente no pueden ser tan buenas como las que se obtienen en trabajo en frío (temperatura ambiente) por Íos cambios dimensionales, deformación y oxidación superficial que ocurren durante los procesos a temperaturas elevadas. Algunos procesos ele fundición producen un acabado superficial mejor que Otrós, debido a los diferentes tipos ele materiales ele molde utilizados y sus acabados superficiales. Los lamaños y formas ele los productos manufacturados varían ampliamente. Por ejemplo, el tren de aterrizaje de un avión a chorro Boeing 777 para 400 pasajeros y ele dos motores tiene una altura ele 4.3 metros (l 4 pies) de alto, con tres ejes y seis ruedas; se fabrica mediante procesos ele forja y maquinado. En el otro extremo está la generación de un orificio de 0.05 mm (0.002 pulg) ele diámetro en un extremo ele una agL1ja de 0.35 milímetros (0.0l 4 pulg) de diámetro, ntilizando un proceso que se llama electroerosionaclo (EDM, Electrical Discharge Machining (sección 26.5). El orificio e8tá libre ele rebabas y tiene una precisión de localización de± 0.003 mm (0.0001 pulg) Otro ejemplo de manufactura en pequeña escala se da en Ja figura I.13, que muestra engranes tan pe·queños como ele 100 micrómetros (0.004 pulg) ele diámetro. Estos engranes tienen aplicaciones posibles como en microrrobots para la reparación ele células humanas, en microbisturís para cirugía, y en obiuradores de cámara para Los engranes se fabrican utilizando una técnica especial que involucra el electrodepósito y el grabado por rayos X de placas de metal recubiertas ele una película ele polímero. La perforación centra! en estos engranes es tan pc:queña que un cabello humano no puede pasar a través. Este tipo de operaciones a escala tan pequeña se conoce como na11otecm1logía y nanofabricación ("nano" significa una millonésima parte). Actualmente se están desarrnllando técnicas y maquinarias m.aimfacturndas de ulfraprecisióll y se es· t;fo haciendo de uso cada vez más comunes. Para el maquinado de superficie con terminado ele espejo, por ejemplo, !a herramienta de corte es una punta de diamante muy afiiada y el equipo tiene una rigidez muy elevada; debe ser operado en una habitación donde la lemperatura se controla hasta J ºC. Se están implementando üScnícas muy complejas como la epitaxia de rayos moleculares y la ingeniería ele los túneles de rastreo, par:.1 obtener precisiones del orden de la malla atómica (0. J nanometros; l 0-3 pulg).
Son importantes consideraciones el diseño y costo del herramental, el tiempo de espera requerido para iniciarla prodncción, y el efecto del material de la pieza de trabajo sobre la vida de la herramienta y de los dados. Dependiendo del tamaño, forma y vicia esperada del producto, el costo del herramental puede ser sustancial. Por ejemplo, un juego de ciado ele acero para el estampado ele salpicacleras ele !{unina para automóviles, puede costar aproximadamente 2 millones ele dólares. Para piezas fab1icaclas ele materiales costosos, mientras menor sea la tasa de desperdicio, más económico será el proceso de producción; por lo que debe hacerse tocio intento posible hacia un desperdicio de base cero. Dado que genera virutas, siendo todos los demás factores los mismos, el maquinado pudiera no ser más económico que operaciones de formado. La disponibilidad de máquinas y ele eqnipo y la experiencia de operación dentro ele la instalación de manufactura también son factores ele costo importantes. Sí no están disponibles, algunas piezas deberán ser fabricadas por empresas del exterior. Los fabricantes ele automóviles, por ejemplo, adquieren muchas piezas de proveedores externos, o hacen que sean fabricadas por empresas del exterior ele acuerdo con sus especificaciones. El número ele piezas requeiiclas (cantidad) y la tasa requerida ele producción (piezas por hora) son imporlantes en la clete1minación de los procesos a utilizarse y la economía de la producción. Las latas ele refres-co o los transistores, por ejemplo, se consumen en cantidades y a tasas mucho más elevadas que los telescopios y las hélices de los buques. La operación ele la maquinaria tiene implicaciones significativas en el ambiente y la seguridad. Algunos procesos afectan de manera adversa al entorno, como el uso ele lubricantes a base petróleo en Jos procesos de trabajado ele metal en calienle. A menos que se controlen adecuadamente, estos procesos pueden causar contaminación ele! aire, del agua y ruido. El uso seguro ele la maquinaria es otra consideración ele importancia, requiriendo precanciones para eliminar riesgos en el lugar de trabajo.
i.6.3 Consecuencias de una inadecuada selección de materiales y procesos Numerosos ejemplos de falla en el producto pueden ser rastreados a Lma inadecuada selección del material o de los procesos de manufactura o a un control inadecuado ele las variables del proceso. Un componente o un producto se considera generalmente que ha fallado cuando: Deja de funciouar (por ejemplo una flecha rota, un engrane roto, un perno, un cable, o el alabe de una turbina, todos rotos). " No funciona adecuadamente o no se desempeña dentro de los límites de especificación requeridos (por ejemplo, cojinetes, engranes, herramientas y dados desgastados).
©
Cabello humano
" Se convierte en no confiable o no seguro para uso futuro (por ejemplo, un cable deshilachado en un malacate, una grieta en una flecha, una mala conexión en un tablero ele circuito impreso, o cleslaminación de un componente ele plástico reforzado). A tocio lo largo de este libro, describiremos los tipos ele rallas de un componente o producto que resultan ele deficiencias en el diseño, en la selección inaclecuacla del material, defectos del material, defectos incluciclos por la manufactura, del ensamble inadecuado ele los componentes y del mal uso del producto. FIGURA 1.13 Engrane microscópico, con un diámetro del orden de los 100 micrómetros, fabricado utilizando un proceso de grabado especial. Fuente: cortesía de Wisconsin Center for Applied Microelectronics, University of Wisconsin-Madison.
1.6.4 Manufactura de forma neta Dacio que no tocias las operaciones ele manufactura producen piezas terminadas, serán necesarias otras operaciones adicionales. Por ejemplo, una pieza forjada pudiera no tener las dimensiones o el acabado superficial deseado; como resultado, podrían ser necesarias operaciones adicionales, como el maquinado o el esmerilado. De la misma manera, pudiera ser difícil, imposible o económicamente no deseable producir una pieza con perforaciones utilizando solamente un proceso de manufactura, y por lo tanto pudiera requerirse un
. Sección l.7 / tv~anuf;:,ctura integra.cid por compulaclora
!11trod11cción ge11t-:r;i)
2S
proceso subsecuenle (adicion:ü) como el de bam;nado. Además, Jos barrenos producidos para un proceso par·· lícu!ar de manufactura pudieran no tener IJ redondez, la precisión dimensional o el acabado superficial apropiados, creando así la necesidad de una operación adiciona! como el asentado. Las operaciones de acabado pueden contribuir de manera significativa al costo de un producto. En consecuencia, Ja tendencia ha sido ele la mam1factmra
U
INTEGRADA POR COMPUTADORA
La metas principales de !a automatización en insi-alaciones de manufactura son integrar diversas operc1cioncs de manera de mejorar la pwductividad, incrementar la calidad y uniformidad del producto, minimizar los tiempos del ciclo, y reducir los costos de la mano de obra. Empezando en la década de 1940, la automatilación se ha acelerado, debido a los rápidos avances en !os sistemas de control para las máquinas y la lecnolo-· gía de las cornputado1·;1s. Pocos desarrollos en la historia de la n1anufactura han tenido un in1pacto rnús signlficalivo que {as computadoras, las cuales se utilizan ahora en una amplia gama de aplicaciones, incluyendo el comrol y ia oniímiz:ición de los procesos de manufaetura, manejo de materiales, ensamble, inspección y prueba autornai:jzada de los productos, control de inventarios, y numerosas actividades administrativas. Empezando con los gráficos por computadora y el elisefio y manufactura asistido por computadora, el uso ele las computadoras se ha exl.cndido a la mmrnfoctt1rn integrm:il::l por computmlor.a (C!lVI). La manufactura integrada por compu!adorn es particulannentr; efectiva, debido a su capacidad de: su rapidez de respuesta a cambios rápidos en la demanda del mercado y modificación de los prodt1cto!;: t~n rnejor uso de materiales., rnaquinaria y personal, y reducción en inventarios~ el mejor control de la producción y adnünlstración de toda la open1ciún de manufocll!ra: y la 1mrnJ1foctura de productos de all<1 caliclacl a bajo costo.
A. continuación aparece un esquenrn. de las nplicacioncs pri11cipales de las computadoras en la manufactura (capítuJ.o.s 38 y 39): a. Contrnl numérico por computadora (CNC). Este es un método para controlar los movimientos de los componentes de las máquinas, mediante Ja inserción directa de instrucciones codificadas en forma de datos numéricos. El control numérico fue implementado por primera vez a principios de la década ele i 950 siendo un adelanto de importancia en la automatización ele las máquinas. b. Controi adaptativo (AC). Los parámetros en un proceso de manufactura se ajustan ele manera automática pm·a optimizar la tasa de producción y la cal.idad del producto y minimizar el costo. Los parámetros como fuerza, temperaturas, acabado superficial, y dimensiones de la pieza se vigilan de manera constante. Si se mueven hacia fuera del rango aceptable, el sistema ajusta la,<; variables del proceso, hasta qne los pm·ámetros de nuevo quedan dentro de un rango aceptable. c. Robots industriales. Introducidos a principios de la década de 1960, los robots industriales (fig. L14) han venido reemplazando a los seres humanos en operaciones repetitivas, aburridas y peligrosas, reduciendo así la posibilidad del error humano, disminuyendo la variabilidad en la calidad del producto, y mejorando la productividad. Se están desarrollando robots con capacidades de percepción sensorial (robots inteligentes) con movimientos que simulan los de los seres humanos.
FIGURA 1.14 Soldadura de puntos automatizada de las carrocerías automotrices en una línea de producción en masa. fuente: cortesía de Ford Motor Cornpany. d. Manejo :mtomatizado die ios materiales. Las computadoras han hecho posible un manejo alta111entt eficiente ele los materiales y de los produclos en las varias etapas de terminación (trabajo en proce.so). corno ser movidos del almacenami
]¡~
Sección J.8 / ;\.scgurJmie.nto de !J calidad y administración total de la calidad
27
lntroducción general
Ejemplo: Aplicación de CAD/CAM para fabricar un molde para un recipiente de plástiéo para licuadora El molde de metal utilizado para el moldeo por inyección de recipientes plásticos para licuadora se fabri-
ca en una imíquina fresadora CNC mediante el uso de una fresa ele acabado ele extremo semiesférico, según se ilustra en la figura L16. El recipiente tiene aproximadamente 230 mm (9 pulg) de altura y tiene
flGURA U 5 Vista general de un sistem..i de manufactura flexible, mostrando varias máquinas (centros de maquinado) y un sistema de transferencia en línea que se mueve a lo largo del pasillo. Fuente: cortr~sía de Cincinnz.íi
Mi!acron, lnc.
un diámetro máximo de l 27 mrn (5 pulg). Primero, se hace un modelo tridimensional en estructura de alambre del molde, según se observa en la forografía de la izquierda, mismo que es estudiado e inspeccionado en sns diversas características geométricas (véase también la sección 39.4). A continuación, se agrega un desplazamiento a cada una de las superficie,¡, para tornar en consideración el radío de la nariz de Ja fresa: el resultado determina la lrayectoi'ia del conador. esto es, el centro del husillo de Ja máquina. EJ. sof1ware de programación NC entonces lleva a cabo este programa de mecanizado eE la m:íguina fresadora CNC. produciendo por tanto la cavidad del dado, con las dimensiones y precisión adecuadas. Se puede utiliza una electroerosionadora de electrodo para la fabricación de este molde; sin embargo, se encontró que esta operación es aproximadamente dos veces más costosa que el maquinado dei molde y tiene menos precisión dimensional. Fuente: Mold Threads Inc., y Man1ifacturi11g Engineering i\!!agazi11e. Marzo 199 l, Society of Manufacturing Engineers.
Sisü::n11~·1s expertos. Estos son, básica1nente, programas cornplejos de coinputadora. Están dc.'.;arrollando con rapidez la capacidad de llevar a cabo tareas y ele resolver problemas difíciles de la vida real, de una 1n8nera n1uy simi1ar a b fon11a en que lo barfan los seres hurnanos. t fateJige11da artifü:ial (Aí!). Este campo involucra al uso de máquinas y de computadoras para reemplazar ia ilHeligencia hurnana. Los sislen1as controlados por con1putaclora se están haciendo cada vez más capaces de aprender de la experiencia y de tornar decisiones que optiniizan las operaciones y que n1inimizan los costos. Las redes neuralies artiífidafos, que se diseñan para sirnular los proceso:-; de pensarnien1o deJ cerebro humano, tiene!·1 la capacidad de n1odc!ar y sinm.lar instalaciones de prod1.Jcción, y monirorenr y controlar procesos de manufoctura, de diagnos6car problenias en ei desempeño de la~~ n1álkv::ir a cabo pkmeación financiera, y de administrar la estratcgüt de manuractura de [3 ernpre:·;a. l\f;í.~nufact:ura cüinrapartk]a, A pesar que las grandes cc•rporacion.es pueden darse e1 lujo de irnplen1cn-
k"
tecnología rnoderna y ton1ar riesgos, L:is einpresas más pequeñas genernhnenle tienen dificu!tadc;; en hacerlo con su personaL recursos y capital !imitados. Jv!ás recienten1ente, se ha proruestu la ide ..1de. !a manufacinr;.l compartida. Esto consistiría de una red regional o nacional de instalac:lones de nrnnuü11..> tura~ con equipo de punta para !a cap{Kitación. desarrollo de prototipos y lotes de producción en pcrptefü¡ escala. y estaría disponible para ayudar a pequefias empresas a desarrollar productos que compitan
FIGURA 1.16
tar
1
en el mercado g!obal. En vista de estos adelantos y de su potencial, algunos expertos han llegado a una visión de la fábrica 11"! fllülll'o. AunqLte todavía muy controversia! y vista por algunos como fuera de la realidad, se trata de un sistema en la cual la producción ocurrirá con muy poca o ninguna intervención humana directa. El papel humano se espera que quedará limitado a la supervisión, mantenimiento y actualización de ias máquinas, computadoras y software. La implementación de algunas tecnologías modernas brevemente arriba delineadas requieren de habilidades técnicas y económicas, tiempo e inversión en capital significativos. Alguna de la alta tecnología puede ser aplicada de una manera incorrecta, o puede ser implementada en una escala demasiado grande o ambiciosa, una que involucra desembolsos de importancia con un rendimiento sobre la inversión dudoso. En consecuencia, es esencial efectuar un enjuiciamiento completo de las necesidades real y específicas de una empresa y del mercado de sus productos, así como ver que exista una buena comunicación entre las partes involucradas, como los proveedores, suministradores, personal técnico, y administración de la empresa
L8 ASEGURAMIENTO LA CALIDAD Y ADMINISTRACIÓN TOTAL DE LA CALIDAD Todos hemos utilizpiedacl formada por varias consideraciones técnicas (por tanto, objetivas) y estéticas (por tanto, subjetivas) bien definidas. La percepción por parte del público en general es que un producto de alta calidad funciona de una manera confiable y tal y como se espera a lo largo de un periodo de tiempo. La calidad del producto es uno de lo aspectos de mayor importancia de la manufactura, porque influencia de man.era directa la capacidad de mercadeo del producto antes de su venta y ta satisfacción del cliente después. De manera tradicional, el aseguramiento de la calidad se ha obtenido al inspeccionar las piezas después de su manufactura. Éstas son inspeccionadas para asegurarse que se apegan a las especificacio11es detalladas y normas, tales como dimensiones, acabado superficial, y propiedades mecánicas y físicas. Sin embargo, la calidad no puede ser inspeccionada en una unidad individual del producto una vez que éste ha sido fabricado. La práctica de inspeccionar productos una vez fabricad?s ha sido por lo tanto reem-
!11!roducción gener;iJ
'.:iec:.ción l.9 / Compe!itividad global y coslos de manufactura
plazacla con rapidez por una visión más amplia de que lo calidad debe estar inc011!orada en un pmducto, desde la etapa de diseño, a través de todas las etapas subsecuentes de manufactura y ensamble. Dado que los productos se fabrican utilizando varios procesos de manufactura, pudiendo tener cada uno de ellos una variación significativa en su desempeño, incluso dentro de un periodo corto de tiempo, el control de los procesos es un factor crítico en la calidad de los productos, por lo que, el objetivo será de controlar procesos y no productos. La producción de productos defectuosos puede resultar muy costosa para el fabricante, creando dificultades en las operaciones de ensamble, necesitando reparaciones en el campo, y danclo como resultado la no satisfacción del cliente. Contrario a la opinión general del público, los productos ele b<úa calidad no necesariamente cuestan menos en su manufactura que los productos ele alta calidad. Aunque se puede describir de varias maneras, la integridad die! producto es un témüno que se puede milizar para definir el grado en el cual un producto (a) es adecuado para su propósito pretendido, (b) llena una necesidad real del mercado, (c) funciona de una manera confiable dentro de su vida esperada y (el) puede ser mantenido con una facilidad relativa. La integridad del producto también hn sido definida como la experiencia total del producto en relación con el cliente, o como la totalidad de las cualidades necesarias para concebir, producir, y poner en el mercado con éxito al producto. La administrnción total de la calidad (TQM)y el aseguramiento de la calidad son ahora la responsabilidad de todos los que están involucrados en el diseño y manufactura de un prnducto. Nuestra concientización de la importancia tecnológica y económica de la calidad incorporada en el producto ha sido aumentada aun m¡ís por pioneros en el contwl de la calidad. principalmente Deming, Taguchi, y Juran. Ellos hicieron notar la importancia del compromiso por parte de la administración a la calidad del. producto, el orgullo de un trabajo bien hecho en todos los niveles de la producción, y el uso de técnicas poderosas como el control estadístico de los ¡irneesos (SPC) y los diagrnmas de control (capítulo 36) para la vigilancia en línea de la producción Je piezas y para identii1car con rapidez fuentes y problemas de calidad. La meta principal es impedir que ocurran defectos, en vez de detectarlos y rechazar producto;; defectuosos una vez que estén fabricados. Por ejemplo, tenemos ahora la capaddad de producir chips de computadora de manera que sólo unas cuantas piezas en un millón pudieran ser defectuosas. Desarrollos de importancia en el aseguramiento de la calidad incluyen la implementación del diseifo ex¡Yeh-imr.:nüil, una t<.~cnica en el cual los factores involucrados en un proceso de manufactura, así como sus inLeracciones) se estudian de una ma11era sünnltánca, por ejemplo, mediante el uso de esta herramienta se pueden identi lic11r de inmediato variables gue afectan la precisión dimens.ional o eí acabado superficial en una operación de rnaquinado, este conocimiento puede hacer posible que se tcHnen acciones preventiva.-..;
~tpn)piadas.
La tendencia principal hacia competitividad global ha creado una necesidad para la aceptación inlemacional eio el uso y en e! rnnsenso en relación con el establecimiento de métodos de control de calidad. Esa necesidad ha resultado en la serie iSO 9000 de la lnternational Organization for Standardiu1 ion of Qiwlily, Mamgement and Quality Assurance Standards, así como en el QS 9000 (capítulo 36). lJ n registro de un ernpresa para este cstúndar, que es una cert~ficación de procesos de {'{tlidad y no una certificación ele productos, significa que la empresa cumple con prácticas consistentes, según se especifica en su propio sistema de calidad. ISO 9000 y QS 9000 han influenciado de manera permanente la forma en que .las empresas llevan a cabo los negocios en el comercio mundial, y se han convertido en la norma mundial de calidad.
COMPETITIVIDAD GLOBAL Y COSTOS DE MANUFACTURA La economía de la manufactura siempre ha resultado un factor principal, y todavía más conforme la competencia internacional (competitividad global) para productos de alta calidad (mannfactnr:a de clase mundial) y los precios bajos se han convertido en un hecho simple en los mercados mnndiales.
29
A partir de la década de 1960, se han desarrollado las tendencias siguientes, que han tenido un importante impacto sobre la manufacl:ura: " La competencia global se ha incrementado rápidamente, y los mercados se convirtieron en multinacionales y dinámicos. ., Las condiciones de mercado fluctuaron de una manera amplia. "' Los clientes demandaban alta caliclacl, productos de bajo costo y entregas a tiempo. '" La variedad de los productos se incrementó substancialmente y se hicieron técnicamente complejos. ., Los ciclos de la vida de los productos se hizo más corta. Hacer frente a esas necesidades y al mismo tiempo mantener bajos lo costos resulta un reto consrnnte para las compafíías de manufactura y es un problema vital para su propia supervivencia. El costo de un producto es a menudo la consideración única de importancia para su capacidad de mercadeo y en ger11:rai para la satisfacción del cliente en relación con el mismo. Comúnmente, los costos de manufactura representan aproximadamente 40 % del precio de venta de un producto. El concepto del diseño para la manufactura y ensamble y de la ingeniería concurrente, descrito en la ''ec· ción 4, también incluye principios de diseño para la producción económica: "' El disefio debe hacer que el producto sea tan simple como rosible en su manufactL!fa. ensamble, c1es,:n-samble y reciclaje. " Los materiales deben ser ;;eleccionados en función a sus características apropiadas de manufactura. " La precisión dimcnsion~ü y el acabado superficial deben ser espccificaclos tan ampliamente como perm.isib!e, a fin de minimizar los costos de manufactura. §
Las operaciones secundarias y de acabado ele las piezas deben ser evitadas o minimizadas. porque aumentan de manera signiJicativa los costos.
Ei costo totrnl de manufactura de un producto consiste del costo de los materiales, herramental no de obra, los costos fijos y los costos de capital. Están involucrados varios factores en cada una de la:' t.cgorías ele costos. Los costos ele manufactura se pueden minimizar analizando el diseño del producto determinar si el. tamaño y la forma ele la pieza son óptimas y si los materiales seleccionados son los me;co:; costosos con las propiedades y características deseadas. La posibilidad ele sustituir o reemplazar un m:.m·rial por otro es una consiclerncicin imporlanle en la minimización de los costos. Los costos de herramental dependen de la complejidad de ia forma de la pieza, de los materiales in volucraclos, del proceso de manufactura y del número de piezas que se deben fabricar. Las formas jas, los materiales difíciles ele maquinar, y los requerimientos severos de precisión dimensional, todo cllu aumenta el costo del herramentaL Los costos de mano de obra directa por lo general soo sólo una pequeña porción del costo total. y comúnmente oscilan de 10 a 15%. La tendencia hacia una mayor automatización y un control por computadora de todos los aspectos de la manufactura, ayuda a minimizar la mano de obra y por consiguiente a reducir los costos directos por mano de obra, que continúan reduciéndose de manera continua como Ltn porcentaje del costo total. Los cotos fijos y los costos de capital dependen del fabricante y de las instalaciones de planta específicos. La maquinaria controlada por computadora, que constituye un costo de capital, puede resultar m~1y costosa. Los análisis económicos indican, sin embargo, que con mayor frecuencia este tipo de desembolso se justifica en vista de sus beneficios a largo plazo. En la producción en masa de Jos productos, corno los motores de automóvil, se organizan máquinas especializadas en diversas líneas de flujo de producto. Esas máquinas, también, requieren de. una inversión importante ele capital, y aun así la elevada tasa de producción hace que sea competitivo el costo por cada pieza.
i!:ill
31)
l111Toclucc1(i11
general
Sección U 1 '/ Disef\o y manufactura ambiental con conciencia social
U O
SOBRIA Y MANUFACTURA ÁGIL Las tendencias descritas hasta ahora han llevado a la idea de la producción sobria o Ja manufactura sobria. Aunque no se trata de un concepto novedoso, básicamente involucra un enjuiciamiento importante de cada una ele las actividades ele una empresa: la eficiencia y efectividad ele sus diversas operaciones, la posible no necesidad ele algunas de sus operaciones y administradores, la eficiencia de la maquinaria y equipo de la producción, y el número ele: personas involucradas en cada operación en particular. Continúa con un análisis completo de los costos de cada actividad, incluyendo aquellos debidos a la mano ele obra productiva y no productiva. Este concepto requiere de un cambio fundamental en la cultLtra corporativa, así como un discernimiento de la im.portancia de la cooperación y del trabajo en equipo entre la administración y la fuerza de trabajo. Sus resultados no necesariamente requieren el recorte de recursos; más bien, están dirigidos a mejorar de manera continua la eficiencia y la reclituabiliclacl de la empresa, al eliminru· todo tipo ele desperdicio ele las operaci(mes (clesperclicio en base cero) y al encarar los problemas ele inmediato, incluyendo los rroblemas de lipo ambiental. La ma¡¡mfadura ágil es un término que ha sido acuñado P'U"a ir1clicar el uso de los principios de la producción sobria en una escala amplia. El principio tras la manufactura ágil ·es asegurar la agilidad, por lo tanto la fiexfüfüdad, en la empresa de manufactura, ele manera que pueda responder rápidamente a los cambios en la demanda del producto y en las necesidades ele los clientes. Esta flexibilidad debe ele lograrse a través de las personas del equipo y del hardware y software de computadoras, así como sistemas complejos de comunicacion~s. Co1no un ejernplo, se ha predicho que la industria automotriz puede configurar y fabricar un automóvil en tres días y que, finalmente, la línea tradicional de ensamble será reemplazada por un sistema en el cual automóviles hechos sobre pedido prácticamente serán producido.s conecl.anclo módulos individuales. Estos prnccdimientos requieren que un fabricante tenga una marca de refo~encia de sus operacionc~s; este rnétodo supone comprender Ja posicióll competüiva de otros fabricantes respecto a la suya propia, y entonces, establecer métodos realistas para el futuro. Desde esía perspectiva, las inarcas de n:ferencio se conv;~rü;n en un punto de partida a partir de cual se pueden efectuar diversas mediciones y con las cuales se pue .. dr..::n efectuar comparaciones.
En Estados Unidos solamente, toc!m; los afios se descartan nueve millones de automóviles y 285 millones de llantas; aproximadamente lOO millones de estas llantas se reutilizan de diversas manera.';. Tbdos los ai1o;; se descartan aproximadamente S mil millones de 1,i!ogramos ele productos plásticos. Cada tres meses, las indus· trias y los consumidores desechan suficiente aluminio como para volver a construir la flotilla aérea comercial de tod;1 la nación. Y lo que es más, en Alemania, todos los afias se desechan 800,000 toneladas métricas de 1.elevisorcs, radios y equipos ele computación. ¡,De qué manera reciclamos, tratarnos o eliminamos este desperdicio? ¿Cuáles son los efectos colaterales del desperdicio y de qué manera nos ocupamos de él? En operaciones de manufactura específicamente, podernos citar diversos ejemplos. A menudo se utilizan lubricantes y refrigerantes en el maquinado, esmerilado y operaciones ele formado. Se utilizm1 varios Duidos y solventes en la limpieza de productos manufacturados. Algunos de estos fluidos contan1inan durante su uso el aire y las aguas. Muchos subproductos provenientes de las plantas ele manufactura se han descartado durante el transcurso de los años. Arena que contiene aditivos utilizados los procesos ele fundición ele metal; agua, aceite y otros f'luiclos ele instalaciones de tratamiento térmico y ele operaciones ele electrodepósito; escorias ele las funclidorns y ele operaciones ele soldadura; y una amplia variedad de desperdicio metálico y no metálico, producido en operaciones como el formado ele láminas, la fundición y el moldeo.
3·1
Los adversos efectos presentes y futuros de estas actividades, su daño a nuestro entorno y al ecosistema de Ja tierra y de manera última su efecto en la calidad de la vida humana está ahora bien reconocida por el público, así como por los gobiernos locales y federales. Piense en los efectos de la contaminación del agua y del aire, ele la lluvia ácida, de la desaparición del ozono, del efecto invernadero, de los desperdicios peligrosos, de las infiltraciones ele tierra de relleno y del calentamiento global. En respuesta a estas preocupaciones de importancia, se han promulgado muchas y diversas leyes y reglamentaciones por gobiernos locales, estatales y federales, así como por organizaciones profesionales, tan to ele Estados Unidos como ele otros países. Estas reglamentaciones por lo general son severas y su implementación tiene un impacto de importancia en la operación económica y en la salud financiera de las or ganizaciones industriales. Se puede ganar mucho mediante un análisis cuidadoso de los productos, su diseño, los materiales que se utilizan en los mismos y los procesos y prácticas de manufactura que se emplean en su fabricación. En este análisis se pueden seguir ciertas guías de acción: ., reducir el desperdicio de materiales en su fuente, mediante refinamientos en el diseño del producto y reduciendo la cantidad de materiales utilizados; "' llevando a cabo investigación y desarrollo en productos ambientalmente seguros.y en tecnologías de manufactura; " reducir el uso de materiales ricsgosos en productos y procesos; <> asegurar un manejo y disposición apropiada de todo el desperdicio;
" efectuar mejmias en el reciclaje, en el tratamiento del desperdicio y en la reutilización de los materiales. Están ocurriendo muchos desarrollos en relación con todos estos asuntos, y e! término diseño y manufactura con condencia ambiental se ha hecho ahora de uso común en la industria, lo que es un desarrollo que indica un alcance amplio del problema. Un énfasis ele importancia se encuentra en el diseí'i.o para el entorno (DFE) o diseño verde. Este procedimiento anticipa el impacto ambiental negativo posible ele materiales, productos y procesos, para que puedan ser tomadas en consideración en las primerísimas etapas del diseño de la producción. Los objetivos principales ahora son evitar la contaminación en la fuente y promover el reciclaje y reutilización c:n vez de la eliminación. Estas metas han llevado al concepto del diseiio para el. reciclaje (DFR). Por ejemplo en la industria automotriz norteamericana, aproximadamente 75% de las partes de automóviles, la mayor parte metales, se reciclan ahora, y existen planes para reciclar lo demás también, incluyendo las piezas ele plástico, vidrio, hule y espuma. En vista ele su impacto económico el tiempo requerido para desensamblar un automóvil para su reciclaje es otro factor que se está estudiando. Volkswagen, por ejemplo, ha desarrollado la metodología para desarmar un automóvil en sólo 20 minutos. Los beneficios del reciclaje son también evidentes de un estudio que muestra que la obtención del aluminio a partir del desperdicio, en vez del mineral de bauxita, cuesta sólo una tercera parte y reduce el consumo ele energía y la contaminación en más de 90%. Los cartuchos ele copiadoras e impresoras, ahora son retornados por el consumidor al fabricante, que re·· para, reemplaza algunas de las piezas y entonces vuelve a vender el cartucho. Esto significa que el can:ucho tuvo que ser diseñado para el reemplazo ele partes desgastadas y para facilidad ele desensamble (como el uso de ajustes a presión en vez de tornillos). Las empresas automotrices japonesas y alemanas ahora recogen defensas de plástico reemplazables para su reciclaje y reuso. La serie nueva "3" BMW utiliza 81 % de materiales reciclados: las piezas automotJices de plástico con más de 100 gramos de peso están estampadas con códigos para identificarlas para su clasificación y reciclado, En Estados Unidos, las botellas de refrescos de plástico se reciclan ahora a una tasa de 42% y esta tasa está en crecimiento. Algunos ele los plásticos reciclados se utilizan para la fabricación de señalizaciones, aceras y bancas de parqne. La vela ele poliéster tejido de una réplica a plena escala de una fragata británica del siglo XVIII está fabricada ele l 00% de plástico reciclado proveniente ele las defensas ele automóvil y de las botellas de refrescos.
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lnlroduc ción generai
Sección U 3 /Organización para la manufactura
L12 RESPONSf\BlUDAD DE LOS PRODUCTOS Todos nosotros estamos familiarizados con las consecuencias del mal funcionamiento de un producto y de la posibilidad de qL1e cause lesiones corporales (incluso la muerte) y pérdidas financieras a una persona u organización. Este importante tema se conoce comúnmente como responsabilidad de !os prnductos (capítulo 37). Debido a los aspectos técn[cos y legales relacionados, en los cuales las leyes pueden variar de un estado a otro y de un país a otro, se trata de un tema complejo, que puede tener un impacto económico importante en las partes involucradas. El diseño y la manufactura ele productos seguros es una parte importante e integral de las responsabilidades de un fabricante. Todos aquelios involL1crados en el diseño, manufactura y mercadeo de un producto deben i:ecot1ocer totalmente las consecuencias de la falla del producto, incluyendo fallas que ocurren durante un posible mal uso del mismo. Se han presentado una proliferación ele demandas ele responsabilidad de productos efectuadas contra fabricantes de equipos de consumo e industrial, parlicularmenrc en Estados Unidos, demandas con diversos grados de éxito. Lo que sigue es un ejemplo típico de una demanda efectuada contra un fabricante y su resultado. U11 fobricante de una sierra de inglete recta fue demandado por el operador, mismo que se lesionó (al intentar retirat· una pic~a de madera cortada) cuando su mano entró en contacto con Ja parle inferior de la hoja circular en rotación. La parte inferior de la hoja de la sierra cst~í protegida por una guarda actuada por gravedad. rn operador alegaba que la guarda era inadecuada y que la sierra debería estar equipada con !a guarda de huj<1. El jurndo decidió en favor del fabricante de la sierra, en base a que razonablemente no podría esperarse que fo. guarda, protegiera at usuario contra todo tipo de lesiones, aunque si impedía la mayoc parte de !as k:;iones de contacto con la boja. fl operador testificó que d accidente ocurrió en Llíl instante. por !o que el jurado estuvo de acnerdo en que la presencia de un freno no podría haber detenido b hoja de la sierra lo suficicnte1ncnle aprisa para evitar h1 lesión. PLicden ser citados numerosos otros ejemplos de productos qu,c puedan involucrar responsabíiidad, cumo: (a) una rueda de esmeril que se rompe y deja ciego a un trabajador. (b) un cable que se rompe, permitiendo que se caiga una plataforma. (e) frenos que dejan de operar debido a la falla de un componente, (d) ndquinas sin guardas o con guardas lnaproplacfas, (e) herrarnientas eléctricas o netunáticas tün ias adecuada~~ advertencias. Consideraciones de ~ngenieria y ergonoUt1Í2t de Eos facto.res hllintUBHus (interacciones entre ci ser humano y la máquina) son aspectos de importancia en e[ diseño y la manufactura de productos seguru0. Ejemplos incluyen (a) una bnnca o silla incómoda o inestable, (b l un mecanismo de operación manual, cansando daños a la columna y (e) un teclado mal diseñado, que causa dolor en Jas rnanos y en los bnizos del usuario después de un uso repetilivo.
Lí3
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PARA LA MANUFACTURA Las diversas acti vidadcs y funciones de manufactura que se han descrito deben estar organizadas y administradas eficiente y efectivamente, a fin de maximizar la productividad y minimizar los costos y al mismo liempo, mantener elevados estándares ele calidad. Debido a las complejas interacciones entre los diversos factores involucrados en la manufactura (materiales, máquinas, personas, información, energía y capital), es esencial una coordinación y administración apropiada de las diversas funciones y responsabilidades. Los ingenieros de manufactura tradicionalmente han asumido varias responsabilidades principales: " Planean la manufactura de un producto y los procesos a utilizarse. Esta función requiere un completo conocimiento del producto y ele su desempeño esperado.
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"' Identifican las máquinas, equipo, herramental, personal que va a llevar a cabo el plan. Esta función requiere evaluación de las capacidades de las máquinas, herramientas y de los trabajadores, ele manera que se puedan asignar las funciones y responsabilidades apropiadas. "' Interactúan con Jos ingenieros ele diseño y de materiales para optimizar Ja productividad y minim[zar ios costos de producción. "' Cooperan con los ingenieros industriales al planear actividades en el piso de la planta, en asuntos como la disposición física de la planta, el arreglo de máquinas, la selección del equipo.de manejo ele materiales, los estudios de tiempos y movimientos, los análisis de métodos ele producción, la planeación y la programación de la producción, y el mantenimiento. Algunas de estas actividades se lleva a cabo bajo el nombre ele ingeniería de planta, y algunas se llevan a cabo ele manera intercambiable tanto por los ingenieros de manufactura como por los ingenieros industriales. Los ingenieros ele manufactura, en cooperación con los ingenieros indusUfales, también son responsábies de evaluar nuevas tecnologías y la forma en que pueden ser aplicadas e implementadas. En vista del volumen en rápido crecimiento de información técnica, esta tarea por sí misma puede presentar un reto de importancia. fa importante adquii-ir una amplia perspectiva sobre las capacidades, aplicaciones e integraciones de las compu·· tadoras en todas las fases de las operaciones de manufactura. Este conocimiento es particulannente vital para iu planeación a largo plazo ele las instalaciones de producción, en vista de los cambios constantes en las demanda'; el mercado y la mezcla de los productos. Ha habido tendencias importantes en la filosofía operacional de las organizaciones de man11fac1.urci.. particularmente en Estados Unidos. Tradicionalmente, el énfasis era en comunicación de mTiba hacia aba jo en la organización y en un fuerte control por parte de Ja administración, con prioridades para un rendimiento financiero rápido (utilidades en pi-imer término) y crecimiento y tamaño (economía de escala). Sin embargo, ahora Ja tendencia es hacia una comunicadón de base amplia a través de la organización. Tradicionalmente las estrategias corporativas en Estados Unidos han hecho énfasis en los aspectos cumerciales y financieros ele una empresa, manteniendo a la manufactura en un plan subordinado al plan general de mercadeo. Con la competencia global como una realidad y habiéndose convertido la manufacü1rn dase mum:liafi para mercados múltiples en una necesidad, las esu·ategias corporativas han estado sufriendo car;c · bios de importancia. La manufactura se ha convertido en una parte integral ele Ja planeación de los negoci,is a largo plazo para las empresas que desean mantener sus posiciones competitivas y mantener su particípaó' ·' en el mercado. Estos son ternas complejo,-; porque involucran una amplia gama de consideraciones como el tipo del pro· dueto, el tamaño de Ja empresa, los sindicatos, las actitudes de los accionistas, los mercados cambiantes, las leyes y las prácticas existentes, tarifas y restricciones de importación en diversos países, y la geopolítica. El fin de responder a estos cambios de importancia, es esencial en una organización de manufacl1!ra el que: <> se considere a las personas en la organización como un activo ele importancia;
"' se haga énfasis en la importancia y necesidad ele un trabajo en equipo y el involucrarse en la resolución de problemas y en Jos procesos de toma de decisiones en todos los aspectos ele las operaciones; ,. alentar la innovación de los productos y las mejorías en la productividad; <> relacionar la innovación y manufactura de los productos con el cliente y con el mercado; el producto
debe ser considerado como llenando una necesidad; e incrementar la flexibilidad de la operación para una respuesta más rápida a las demandas de producw, tanto en el mercado doméstico como en el mercado global (economía de tiempo); • alentar esfuerzos para una mejoría continua en la calidad (calidad primero); e como último y más importante punto, enfocarse en la satisfacción del cliente.
Términos clave
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35
Introducción _general
Ejemplo: Diseño de si!!a de medas como una farea multidisciplinaria
RESUMEN
En la figura L 17 aparece una siíla de rncdas manual moderna con mejorías.significativas sobre .sus antece·sores. De muchas maneras. .los atributos de diseño de esta silla cié ban sido detennínados por los deseos y necesidades únicos ele los usuarios. Entre otros; .las siguientes di.sCiplinas y puntos de vista han contribuido al disefío y manufactura de este producto:
"' En esta introducción general, hemos presentado un amplio esquema de Jos aspectos de importancia de la ingeniería y tecnología de la manufactura, incluyendo una amplia gama de temas (a menudo con fronteras que se superponen) y la fom1a en que interactúan entre sí. También fueron presentadas las tendencias impo11antes en Ja manufactura global y en la competitividad. e Dacio que se han convertido en temas ele importancia, también fueron motivo de énfasis la manufactma de clase mundial, el diseño y la manufactura con conciencia ambiental, la manufactura sobria y ágil, la calidad del producto y la satisfacción del cliente. ., La complejidad inherente a estos conceptos y tecnologías de manufactura puede llevamos a una controversia sobre sus méritos individuales, controversia que involucra diferentes puntos ele vista, desde personas con diferenles antecedentes y experiencias en :íreas significativamente distintas. La implementación oportuna de estos conceptos y Lecnologías, tomadas en su totalidad y con su evaluación apropiada ele costo beneficio, se ha convertido en una prioridad ele primera importancia en la estrategia y planeación corporativa en el cada vez más competitivo mercado global ele
rueda
1. Us,., final. Los usuarios de silla de ruedas fueron eonsulhidosdelnane'.adirecta d_esde el principio del ciclo ele desarrollo ele! producto, y sus evaluadones yfoco1i1e?claCionesftierm i~éorJi?radas en todo ·el proceso de diseño. La silla ha siclo diseñada pára facfütár la iransfe.réncia a. automóviles y baños y parn permitir Sll fácil alma<.:enamiento. · 2. Enfermeras. Las enfermeras fueron traídas como Mesore~·ciu~ilnte'.rh·~iapa de diseñ
frenos eficiente>;. Las ruedas motrice;; se han inclinado hada el usuario, para facilitar el empujar, y la silla de medas se ha hecho más angost:i. para poder dar vueltas en pasillos o maniobrar detrás ele escritorios. El marco es ;tjnstah!e, para adecuarse a las dimensiones indivídua!es del usuario. 6. A1crcadf'o. Los ustrnr)os de siJla de ruedas, igual que los ddístas y los conductores dc·auto1nóviles. se preocupan rnucho de !a apariencia. Las encuestas de usuarios llevaron a1 uso de colores vibrantes y de una «pariencía acrodinárnica. RGsu.lt;i muy difícil que una persona lleve todos estos conodmientos al diseño del concepto. Este ejemplo ilustra [a importancia y los beneficios de Jos esfuerzos multidisciplinarios e.n el diseño de Jos pro
hoy en día.
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TtRMI
CLAVE
Administración to!al de la calidad Aseguramiento de l:.l calidad
Ciclo de vida Competitividad global Control adaptativü Controi estadístico de Jos procesos Control numérico Control numéricq por co1nputJ.dora Desperdicio de base cero Diseño experiinenlal DiE:cño para el en1.or110 Diseño para ei reciclaje Diseño para la manufactura, ensamble, desensamble y s1~rv1cio Diseño verde Diseño y manufactura coo concicnc:ia social
Diseño, ingenierfa y manufactura asistida por computadora Economía de escala ingeniería concurrente Ingeniería de manufactura Ingeniería de producción Integridad del producto
Inteligencia artifici<:l! Manejo (k malcriales automalizado ManufacLura Manufactura ágil 1\1anufactura celular Manufactura compartida Manufactura
Manufactura de ultraprecisión 1V1anufacturn integrada por computadora Marca de referencia
HGURAU7 Una sílla de ruédas: Hustfaciori cortesfa de Sunrise ..Medícal Equipment t:;o.
Na110Cn.bricación Nanolecnologla Partes i ntercambiablcs Planeación de prócesos asistido por comptitadorn
Producción justo a tiempo Producción sobria Producibilidad
Productos continuos Productos discretos Prolotipado rápido Redes neurales artificiales Responsabilidad del producto Sistemas expertos Sistemas flexibles de 1nanufactura Sobrecliseño
Tecnología de grupo Valor agregado
PARTE!
Fundamentos de los materiales: su comportamiento y propiedades de manufactura La parte [ele este libro empieza presentando las propiedades fundamentales y aplicaciones de los materiales. Su comportamiento y propiedades de ingeniería se explican a todo Jo largü de los siguientes nueve cipítulos, así como las características, ventajas y limitaciones que influyen en la elección de materiales en el diseño y manufactura de productos. A fin de hacer énfasis en la importancia de los temas que se van a analizar, utilicemos un automóvil como ejemplo de un producto común, que contiene una amplia variedad de materiales (fig. l.1 ). Dichos materiales fueron seleccionados porque, de entre todos los materiales que poseen las propiedades y características deseadas para las funcionics pretendidas de las partes específicas del automóvil, fueron los que se pueden manufacturar al costo más bajo. Se escogió el acero para la mayor parte de la carrocería porgue es fuerte, fácil de formar y de bajo costo. Los plásticos fueron utilizados en muchos componentes, debido a que se presentan en um; amplia selección de colores, son de peso ligero, y fácil de manufacturar en diversas formas a b
Algunos de los materiales metálicos y no metálicos utiliz
Carroccríu de acero
de hierro o de
o de plástico reforzado
/
Defensas, lablcros, asientos de plástico
Ventanillas de vidrio
Difusores de plástico
para las Ju ces traseras
Conduclorcs
Filamento Je
Depósito'Ó; -
plástico para
tungsteno
de los faros
el fluido de limpiaparabrisas acero o de aluminio
de acero
Neum<'iticos de hule o de aluminio
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38
Parte l /Fundamentos de !os rnaleriales: su comportamiento y propiecbdes de manufactur;i.
¡-------=1 - - - -[-M-~-:-: -:", :-~-."L"_'~' '"' ·--I,--, T~F
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[r~::'Silil 1
Termoplásticos )
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r--~-
l:_morfos
1
(capítulo 6) Aceros. acero~; Alumin)o, cobre, 1
Acrílicos, ABS, nylon, po\ietilenos, PVC, otros (capítulo 7)
~oestablcs] ~stómeros I
Epóxicos.
fer_161i~os, poham1das, otros
í e~omposHos -
1
y otros
Óxidos, . mtruros,
-¡-·-_J
Hules, si.liconas, polm~etanos. (capitulo 7)
(capítulo 7)
ca~~t~ros,
c::á:~~~s de vidrio. grafito,
Plú~;;ticos
reforzados, de matriz metálica. de matriz.
cerámica. b.minados (capítulo 9)
diamante. (capítulo 8)
La estructura de los metales
Litanio. dndos. hierros fundidos
tungsteno,
(capitulo 5)
(capÍlulo 6)
flGü!!A t2
otros
Esquema de los mateliales de ingeniería descritos en ia parte L
u 1.2 -¡
-3
1A _5 ·1 .6 1 -7
Propiedades y '..':omporlamienw de manufactura de. los materia!e:;
Introducción La estructura cristalina de los metales Déormación y resistencia de monocristales Granos y fronteras de grano Deformación pbstica de los metales policristalinos Recuperación, recristalización y crecimiento de granos Trabajo en frío, en i-ibio y en caliente
--- . _J_ __l Eslrudur;i
PropicJa
de k,s matcrii1 ll;:,
mednicas
Enl<1cc~; a161nicm,:
Resistencia. ductilidad, elasticidad, dureza, fatígu.
Jll(-:V.í!ica, covalcnlc.
ceclencia. tenw..:idaU,
Densidad.
punto de fusión,
1
j
! Tratarnii.:nto térmico, endurecimiento
por precipitación, térmica, e[éclrica,
fractura
propiedades magnéticas.
(capítulo 2)
oxidación, corrosión (capítulo 3)
fiGURA !.3
íVfodificación
de !a:-i propiedades
recocido, revenido, lratamicnto supedicíal. atl!ac!6n. refuerzos, comwisilos, laminados. r~:llenos
(capítulos 4, 7 y 9)
Un esquema del comportamiento y de las propiedades de manufactura de los
maleriales descritos en la parte l.
En esta parte, se presenta lo fundamental de los materiales, de manera que el lector pueda comprender y explicar su comportamiento y aprovechar completamente sus capacidades. En la fig_ L3 se da una descripción general de los diversos temas presentados. El conocimiento fundamental presentado en la parte I sobre el comportamiento, propiedades y características de los materiales, ayudará al lector a comprender los procesos de manufactura descritos en las partes lI-IV de este libro_ Este conocimiento también hará posible analizar las relaciones a menudo complejas entre los materiales, procesos de manufactura, maquinaria y herramental, así como la economía de las operaciones de manufactura_
1.1 l ¿Por qué algunos metales son duros y otros blandos? ¿Por qué algunos metales son frágiles, en tanto que~ otros son dúctiles y se pueden conformar fácilmente sin fracturar? ¿Por qué es que algunos metales pueden resistir altas temperaturas, en tanto gue otros no? Podemos responder a estas preguntas y otras al estudiar la estn1ctura de los metales, esto es, el arreglo de los átomos dentro de eilos, La estructura de los metales influye de manera importante en su comportamiento y propiedades, El conocimiento de las estructuras nos guía en el control y la predicción del comportamiento y desempe.ño de los metales en diversos procesos de manufactura, Comprender la estructura de los metales también nos permite predecir y evaluar sus propiedades. Esto nos ayuda a hacer selecciones apropiadas para aplicaciones específicas bajo condiciones externas y de entorno particulares, como fuerzas y temperatura_ Además de la estructura atómica, varios factores también infü1yen en las propiedades y el comportamiento de los metales_ Entre ellos está la composición del metal, las impurezas y vacantes eu · la estructura atómica, el tama.ño del grano, las fronteras del grano, el entorno, el tamaño y estado superficial del metal, y los métodos mediante Jos cuales los metales y las aleaciones se han convertido en productos útiles. Los temas tratados en este capítulo y .su secuencia se esquematizan en la fig_ 1.1. La estructura y las propiedades generales de materiales distintos a los metales se describen en el capítulo 7 (polímeros), capítulo 8 (cerámicas) y capítulo 9 (materiales compuestos). En el capítulo 4 se describe la estructura de las aleaciones metálicas, el control de su estructura, y los procesos de tratamiento térmico,
39
40
~ección '\
C.-ipílulo l /La estructura de los metales
o
Metal í~Fiido
~ Produclos: dispositivos de ! estado sólido, alabes
Celda Solidificación unitaria (0.1 nano~ metros)
de turbina
Cristales
r'
L·--~-~-
Cúbico centrado en el cuerpo. cúbico centrado en la cara,
nGURA 1.-~
Productos: sujetapa~c~es. resortes. ligas, Je aeronaves
RA
NA DE
Cuando los metales se solidifican a partir de un estado líquido, los átomos se reorganizan en varias configuracioneo ordenadas, llamados nistaks. Este arregio de los átomos en el cristal se conoce como estructura i;JrÍSía.HÜRi!a. El grupo más pequeño de átomos que muestra la estn..acll:a.u-a de red característica de un metal particular se conoce como cekl.a irntitarit&. Es el bloque constructivo de nn crJslal, y uu monocrisuil puede tener much;;.¡s ceJda.s unitaria~. A contümación aparecen tres arreglos atómicos básicos y algunos de los metales que utilizan cada de
ellos: c~u11trado en. ej cu.er¡_HJ
CúUvko c:entltado 3.
:Ch1
(bcc) hierro alfa, cromo, rnolibde110, tantalio, tung.-:teno, y vanadio.
Ka c~ra Hice) hierro gama, aluminio, cobre~ níquel, plomtJ., plata, oro, platino.
eon11p~acto (hcp) berilio, cadrnío, cobalto, n1ag11cs10, titanio alfa, zinc, y circonio.
Estas cstrucf i!ras están representadas por fas ilustraciones que se dan en las figé). 1.2- l .4. Cada esfera en
cs.;-¡,i:; tlustracionr~;::, n:~_pre~")c111an un üton10. Et orden de magnitud de l~i distancia entre 6tomos en estas estructuras cnst~ilinas de O. 1 nanosnetros (1 o-H pulg). Los modelos se conoct..:n como moddos de c~feras duras o h·nl21i~ sr_; pueden comparar a pc!otas de ien¡s organizadas en varias configuraciones dentr0 de una ce:~ja. L.:.1 fonrta en que estos áromos se organjzan delermina las propiedades de un meta! particular. Pode1nos müdificar estos a:rregios agregando átomos Je algún otro metal o metales, conocidos como aleante: a mcnu-· do ello mejoru las propiedades del metal (capítulo 4). flGURA -~ . 2 LJ. eslruc!lirc¡ cristalinJ uíbico. centrada en e! cuerpo (bcc, por sus siglas en inglés): (a) rnc,deío de bola dura; (b) celda unilaría y (e) rnonocristal, con muchas celdas unitu.rias. Fuente: W. t~. Moffatt 1 el .:i!. 1 Thr: Structure Jnri Propcrties of /v1atcrh1/s 1 Vol. l, Joh11 Wiley 81 Sons 1 l 976.
(a)
b)
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FIGURA L3 La estructura cristalina cúbica centrada en la carel (Ice¡: (a) modelo ele bola dura; ib) celda unitaria; \c) monocristal con muchas celdas unitarias- Fuente: W. C. Moífatt, et al., The Structure :me! Properties oí Materials, Vol. 1, John Wiley & Sons, 1976 .
Un esquema de Jos esquemas descritos en el capítulo 1.
.2 LA
(a)
.3 /Deformación y resistencia di;;' monocrísta!es
Según se observa en la fig_ 1-2 cada átomo en Ja estructura bcc tiene ocho átomos vecinos. De las tres c;,•;.tructuras que se han mostrado, los cristales fcc y hcp tienen las configuraciones empacadas más densamente. C1: la estructura hcp, los plm1os inferior y superior se conocen como basales. La razón por la cual los metales forman estructuras cristalinas diferentes es a fin de minimizar la energl;i requerida pttra ajustarse entre sí formando un patrón regular. El tungsteno, por ejemplo, forma una esr.ructur<\ porque dicha estiuctura involucra menos energía que otras. Por la misma razón, el aluminio forma una estructura kc. A diferentes temperaturas, sin embargo, un mismo metal puede formar estructuras diferentes, debido a requerimiento menor de energía a dicha temperatura. Por ejemplo, por debajo de 912ºC ( 1674ºF) y por cncim:; de J394ºC (2541ºF) el bien-o fomia una estructura bcc (hierro alfa), pero entre 912ºC y l394ºC forma un
Cuando se sujela un cristal a urw fuerza externa, primero sufre una deformación elástica., esto es, al clí111l·· narse la fuerza vuelve a su fot-ma original. Una analogía con este tipo ele comportamiento es un resorte bc\icoiclal, que se estira cuando está cargado y que vuel\'c a su forma original cuando se retira la carga. embarg(\ si la fuerza sobre la estructura cristalina se incrementa lo suficiente, el cristal sufre una dlefoinrm·· ción plástica o dlcformadón pern1anente, o sea, no vuelve a su forma original al eliminarse la fuerza. Existen dos mecanismos básicos en estructuras cristalinas mediante los cuales puede ocurrir la deformación plástica_ Una es el deslizamiento de un plano de átomos sobre un plano adyacente (plal11o de desliza-
(e) (b)
(a) 1-~-·ll--·
FIGURA 1.4
La estructura cristalina
hexagondl compacta (hcp, por sus siglas en inglés): (a) celda unitaria: (b! monocristal con muchas celdas unitarias_ Fuente:W. G- Moffatt, et al., The Structure and Propertíes of Materials, Vol. 1, John Wiley & Sons, 1976_
42
Sección 1 .3 /Deformación y resistencia de monocristales
C
(a)
h
a
·¡
Planos atómicot;
1-·
Deformación permanente (también conocida como deforrnaciún plástica) de un monocristal, sujeto a un esfuerzo cortante: (a) estructura antes de la deformación; (b) deformación permanente debido al deslizamiento. El tamaño de la relación b/a influencia la magnitud del FIGURA 1.5
(b) --·;>-
Esfuerzo
E-----------:l-• -_-___
cnrtontc
--
-+----
~~;;;:·
43
f-rnmcrai:
esfuerzo cortante requerido para causar el
des! izilrniento.
mie;rnil1l, fig. l.Sa) bajo un esfuerzo coi:tanle (fig. l-5b). El esfuerzo cortante es la relación de la fuerza cortante aplicacla al área de la sección transversal que se está cortando. La deformación de un espécimen de un monocristal mediante deslizamiento se muestra esquemáticamente en la fig. l .6a. Esa situación es muy parecida al dcsl.izamienlo de los naipes entre sí. Ai igual que se requiere cierta cantidad de fuerza para deslizar los naipes entre sí, de igual forma un cristal requiere de cierta cantidad de esfuerzo cortante (esfuen:n cort:mte critico) para sufrir una deformación permanente. Así que para que ocurra una deformación plástica, debe existir un esfuerzo cortante de magnitud suficiente dentro del cristal.
FIGURA 1.7 Ilustración esquemática de las líneas de deslizamiento y de las bandas de deslizamiento en un monocristal (grano) sujeto a esfuerzo cortante. Una banda de deslizamiento consiste en un cierto número de planos de deslizamiento. El cristal en el centro de la ilustración superior es un grano individual, rodeado por otros granos.
1. En los cristales cúbicos centrados en el cuerpo, existen 48 posibles sistemas de deslizamiento. Por (b)
(a)
tanto, es alta la probabilidad de que un esfuerzo cortante externamente aplicado opere en uno de esos siswmas y cm1se deslizamiento. Sin embargo, debido a la relativamente elevada relación b!a. en el cristal, el esfuerzo cortante requerido es alto. Los metales con estructuras bcc comúnmente tienen bueria reflGU~iA 1.&
(a) Deforn1ació11 permanente de un monocrislal bajo una carga a 1~1 tensión. Obsérvese que !os planos de desliza.miento tienden J t1linearse en !a dírccción de !a fuerza de cstirarriiento. Esté curnporl
+
tensión.
81 e~Juerzo cortante requerido para causar desllzamiento. en cristales indivúJuaies es directan:1cnle proporcional a la relación b/o de la fig. l .5a, donde a es el espacimniento de los planos atórnicos y bes inversamente proporcional a la densidad atómica en el plano atómico. Conforme se reduce h!a, se reduce el esruerzo cortante requerido para causar deslizamiento. Por Ianto, podemos decir que el deslizamiento en un cristai m:urre a lo Lu·go de planos de máxima densidad atómica, o en otras palabras, que el deslízamicmo ocurre e11 planos muy compactados y en direcciones muy empacadas. Dado que la relación b!a es diferente para diferentes direcciones dentro del cristal, un monocristal tiene diferentes propiedades cuando se le prueba en diferentes direcciones. Decimos que un monocristal es anisotirópico. Un ejemplo común de anisou·opía es el tejido de tela, que se alarga de manera diferente cum1do la estiramos en diferentes direcciones, o el tri play, que es mucbo más fuerte en la dirección planar que a lo largo de sn dirección del espesor (se rompe fácilmente). El segundo mecanismo de deformación plástica es el maclado (fig. J.6b), en el cual una porción del cristal forma una imagen a espejo de sí mismo a través del plano ele maclado. Las maclas se forman de una manern. abrupta y son la causa de un sonido de ruptura ("chillido de metal") que ocurre cuando una varilla de estaño o de zinc es doblada a Ja temperatura ambiente. El maclado por lo general ocurre en metales hcp. Sistemas de deslizamiento. La combinación de un plano ele deslizamiento y su dirección de deslizamiento se conoce como sislema. de desliza.miento. En general, los metales con sistemas ele deslizamiento de 5 o mayor son dúctiles, en tunlo que aqLtellos con sistemas de deslizamiento por debajo de 5 no lo son.
sisténcia y una ductilidad moderada.
2. En los cristales cúbicos centrados en la cara, existen 12 sistemas de deslizamiento. La probabilidad ele deslizamiento es moderada, y el corte requerido es bajo, debido a la relativamente baja relación h/o. Comúnmente, estos metales tienen una resistencia moderada y buena ductilidad. 3. El cristal hexagonal compacto tiene tres sistemas de deslizamiento, por Jo que tiene baja probabilidad de deslizmniento. Sin embargo, a temperaturas elevadas se activan más sistemas ele deslizamiento. Lvs metales con estructuras hcp, son por lo general frágiles a temperatura ambiente. Nótese en la fig. l .6a, que las porciones del cristal que se han deslizado han girado alejándose de suposición angular original hacia la dirección de la fuerza a la tensión. Nótese. también, que ha ocurrido el deslizamiento sólo a lo largo de ciertos planos. Con el uso de la microscopía electrónica, se ha podido observar que lo que aparece como un solo plano de deslizamiento es realmente una banda de deslizamiento, formada por un numero de planos de deslizamiento (fig. 1. 7).
1.3.1 Imperfecciones en la estructura cristalina de los metales La resistencia real de los metales es aproximadamente de uno o dos órdenes de magnitud inferior a los niveles de referencia obtenidos de los cálculos teó1icos. Esta discrepancia ha sido explicada en función de defectos e imperfecciones en la estructura cristalina. A diferencia de los modelos idealizados que bemos descrito, los cristales metálicos reales contienen un gran número de defectos e imperfecciones, que se clasifican como sig11e: • Defectos de línea, conocidos como dislocaciones (fig. l.8); Defectos de punto, como una vacante (átomo faltante), un átomo intersticial (un átomo adicional dentro de la red) o una impureza (átomo extraño) que ha reemplazado al átomo del metal puro (fig. 1.9); Imperfecciones de volumen, como las cavidades o inclusiones (elementos no metálicos como óxidos, sulfuros y silicatos); • Imperfecciones planares, como son las fronteras de grano (sección 1.4).
(,.qJi!uJo ·¡ / !_;:1 es!ructt!rCI de los !TK"t.:l/r.:•.:,
Sección 1.4 /Granos y fronieras de grano (;.\)
{b)
45
Existen dos tipos de dislocaciones: de borde y en tornillo (fig. 1.8). Una analogía utilizada para describir el movimiento de una dislocación de borde es la lombriz de tierra, que se mueve hacia delante mediante un engrosamiento que se inicia en la cola y que se traslada hacia la cabeza. Otra analogía de una dislocación de borde es el movimiento de un tapete grande formando una onda en un extremo y moviéndola hacia el otro extremo. La fuerza requerida para mover un tapete de esta manera es mucho menor a la requerida para deslizar todo el tapete sobre el piso. Las dislocaciones en tornillo se llaman así porque los planos atómicos forman una rampa en espira L
!flGURA ·~ .8 Tipos de dislocaciones en un rnonocrístal. (a) Dislocación de borde; y (b) Dislocación de tornillo o helirnicfa!. Fuente: (a) Segcín Guy y Hren, Elements of Physical Meta/lurgy, ! 974. (b) L. Van Vlack, Materia Is for fnginecring, 11a edición. 1 19BO.
Alomo
Aunque la presencia de una dislocación reduce el esfuerzo cortanlc requeiido para causar deslizamiento, las dislocaciones pueden:
L enmarañarse e interferir entre sí; y 2. quedar restringidas por barreras, como fronteras de grano e impurezas e inclusiones dentro del materi,:i.
Hueco
Los enmarañamientos y las restricciones incrementan el esfuerzo cortante requerido para el dc,sliz:.1 .. miento. El enmarañamiento es igual a mover dos arrugas a ángulos diferentes a través de un tapete: donde se cruzan, las dos arrugas interfieren cnt.re sí, y su efecto combinado es diticultar el mo1·imiento del tapete.
i.\1r11rn, tl1: imp1:rc7.a ui)·;urlJ(_l!J!l:1J
·¡ .3.2 Endurecimiento por trabajo (endurecimiento por deformación)
Atolllu
El efecto de un incremento del esfu.erzo cortante que causa un incremenLo en la rcsistencja generai del
di;1111purc;·a 1H1cr~1icial
~ Ilustración esquemática de tipos de deíectos en una red de un monocristal: auto:nte!'sticia!, vdc
r;:
fHGUHV\ 'lO lviovimiento de una dislocación de horde
que prrxlice la leoria.
Las propiedades mecánicas y eléctricas de los metales, como es la cedencia, la resistencia, la fractura y la conductividad eléctrica, son afectadas ele manera adversa por estos defectos y se conocen como propiedades sensibles a la estrnctura; por otra parte, sus propiedades físicas y químicas, como punto de fusión. ca1or especifico, coeficiente de dilatación tE'rmica y constantes elásticas (por ejemplo, el módulo de elasticidad y el móduio ele rigidez) no son sensibles a estos defectos; se conocen como propiedades insensibles a la estructura. Oisiocacio11es. Observadas por primera vez en la década de 1930, las dislocaciones son defectos del arreglo ordenado de la estructura atómica de un metal. Son los defectos más significativos, que ayudan a explicar la discrepancia entre la resistencia real y teórica de los metales. Un plano de deslizamiento que contiene una dislocación (fig. l. l O) requiere menos esfuerzo co1tante para permitir el deslizamiento qL1e un plano en um red perfecta.
metal se conoce como em:i!urecimiento por trabajo o endm·ecimiento por deformación. Mientras mayor sea la deformación, mayor será el mímero de enmarañamientos, de ahí el incremento en la resistencia del metal. El endurecimiento por trabajo se utiliza ele manera común para aumentar la resistencia de Jos metales en los procesos ele trabajo de metal a temperatura ambiente. Ejemplos típicos son la producción ele metal iaminado para carrocerías de automóvil y füseh\jcs ele aeronaves mediante el laminado (capitulo 13), la fabricación de la cabeza de un perno mediante la fo1ja (capítulo 14) y el aumento ele resistencia del alambre al reducir su sección tran;:versal estirándolo a través de un dado (capítulo 15).
·¡ .4 G
Y
DE G
Los metales co1rn'.!nmente utilizados p lacionadas (fig. I. l l ). Cada uno de estos cristales crece formando una estructura cristalina es decir un grano. El numero y tamaño de los granos desarrollados en la unidad ele volumen del metal depende ele la tasa a la cual ocurre la nucleadón (la etapa inicial de formación ele los cl'istales). El número de sitios diferentes en el cual se empiezan a formar los monocristales (siete en la fig. l. l la) y a la velocidad a la cual crecen estos cristales influencian de forma importante el tamaño medio de lo granos que se desarrollan. Si la rapidez ele nucleación del cristal es elevada, será grande el número ele granos por unidad de volumen de metal; en consecuencia, el tamaño del grano será pequeño. Por lo mismo, si la velocidad de crecimiento de los cristales es elevado (comparado con su rapidez ele nucleación), habrá menos granos por unidad de volumen y su tamaño será más grande. Por lo general, un enfriamiento rápido produce granos más pequeños, en tanto que un enfüamiento lento produce granos más grandes. Obsérvese en la fig. l. l ld, la forma en que los granos en crecimiento finalmente interfieren ent.re sí y se estorban. Las superficies que separan estos granos individuales se conocen como fronteras de grano. Cada grano está formado, ya sea por un monocristal (para metales puros) o en un agregado policristalino (para aleaciones). Obsérv.ese que de un grano al siguiente la orientación cristalográfica cambia de manera abrupta a
CJpílulo 1 / Lc.1 estructur¿1 de los met~des
Sección 1 .4 /Granos y fronteras de grano (b)
TABLA U No.ASTM
<>(
Granos/mm 2 1
-2
2
--]
10
4 8 16 32 64 128 256 512 l,024 2,048 4,096 8,200
11
16,400
2 (e)
4 5 6 7 8 9
HGU~~A L'H Ilustración esquemática de las etapas durante la solidificación del metal fundido cada pequdio cuadrado reptcscnta Uild celda unitariu. (.a) Nucleadón de cristales en sitios aleatorios dentro de!
Tamaño de granos
-3
o
47
Granos/mm3 0.7 2 5.6 16 45 128 360 1,020 2,900 8,200 23,000 65,000 185,000 520,000 J ,500,000
12
1
metal fundido; observe que Ja orientación cristalog1-áfica de cada sitio es diferente. (b) y (e) creclmiento de críst;:_-iles conforme continua la solidificación. (d) Metal solidificado, mostrando granos individuales y frontt;ras de grano; observe !os ángulos diferentes en los cu¡_1les los granos vecinos se encuentran uno con ei otro. Fue1.'f-e· VV. Rosenhain.
'1.4.2 Influencia de las fronteras de grano Las fronteras de grano tienen una influencia importante en la resistencia y ductilidad de los metales. Dado que interfieren con el movimiento de las dislocaciones, las fronteras de grano también influencian el endurecimiento por deformación. Estos efectos dependen de la temperatura, la rapidez de deformación, y del tipo y cantidad de impurezas presentes a lo largo de las fronteras de grano. Las fronteras de grano son más reactivas que los granos mismos, ya que los átomos a lo largo de las fronteras de grano están empacados de una manera menos eficiente y más desordenados. Como resultado, tienen una energía más elevada que los átomos en la red ordenada dentro de los granos. Por esta razón, una supedicie pulida y atacada químicamente puede hacerse áspera (véase, también, grano basto hereditario en li! .fór· ja, en la sección 14.8). A temperaturas elevadas, y en materiales cuyas propiedades dependen de Ja rapidez de deformación, ocurre también la deformación plástica mediante el desHizamiento de las fronteras de grano. El mecanismo de cedencia plástica, elongación bajo esfuerzo a Jo largo de un periodo de tiempo por lo general a temperaturas elevadas; cedencia es resultado del deslizamiento de fronteras de grano (sección 2.8). .Fragiiización de las fronteras de grano. Cuando se pone en contacto atómico íntimo con ciertos metales de bajo punto de fusión, un metal normalmente dúctil y resistente puede agrietarse bajo esfuerzos muy bajos. Ejemplos son (a) aluminio humedecido con una amalgama de mercurio y zinc o de galio líquido; y (b) cobre (a temperatura elevada, humedecido con plomo o bismuto). Estos elementos de fragilización debilitan las fronteras de grano del metal mediante fragilización. El término fragilización por metal líquido se utiliza para describir este fenómeno, dado que el elemento fragilizador aparece en estado líquido. Sin embargo, la fragilización también puede ocurrir a temperatura muy por debajo del punto de fusión del elemento fragiliz.ador. y este fenómeno se conoce como fragilización de metal sólido. Fragilidad en caliente es causada por la fusión local de un constituyente o de una impureza en la frontera de grano a una temperatura por debajo del punto de fusión del metal mismo. Cuando está sujeta a deformación plástica a temperaturas elevadas (trabajo en caliente), la pieza de metal se desmorona y se desintegra a lo largo de las fronteras de grano. Ejemplos son antimonio en el cobre, aceros al plomo (sección 20.9. J), y ei latón al plomo. A fin de evitar la fragilidad, el metal es trabajado a una temperatura inferior, a fin de evitar el reblandecimiento y la fusión a lo largo de las fronteras ele grano. Otra forma de fragilización es la fragilización de revenido de los aceros aleados, causado por la segregación (movimiento) de las impurezas a las fronteras de grano.
travé:~ de las fronteras de grano. Recuerde, de la sección 1.3, que el comportamiento de un .monocrist::d o de un grano i11dividual es anisotrópico. El comportamiento ideal de una pieza de metal policristalino e:, por lanto R;;;ot,-ópirn porque sus granos lienen. orien!aciones cristalogr{ificas alentorias, sus propiedades no varían en functó'1 ;1
Ja direcci6n del cns.nyo.
Tzirna
de grano
fammíiío !!le g.nmo influye c!e manern significativa en las propiedades mecánicas de los metJles. A tcmpenttura ambiente, un lamafio de grano grande por lo general se asocia con una baja resistencia, una haja dure za, y una b~\1u ductilidad. Los granos grandes, pmticularmente en [os metales laminados, wmbién cau:-;~in '.ma apariencia SLtperficial áspera una vez que ei metal ha sido estirado (cáscara de naranja, sección 1.6). El tamai\o del grano por lo general se mide contando el numero ele granos en un área dada, o contando el numero de granos qLte se cruzan en la longitud de una línea dibujada al azar en una fotografía ampliada de !os granos (tornada bajo un microscopio en un espécimen pulido y mordentado). El tamaño de grano también puede determinarse comparándolo con un diagrama estándar. El número ASTM (1he American Socíety for 1esting ancl Materials), de tamaño del grano, n., está relacionado con el número de granos N por pulgada cua-· drada en 1.1na ampliación 1OOX (igual a 0.0645 rnm 2 de área real) mediante la formula
N
=
2"- 1•
(U)
Dado que por lo general los granos son extremadamente pequeños, muchos de ellos pueden ocup
----
4¡¡
Cap11ulo ·¡ / L.,1 es!ruclLir·;J
de !os metJles
Sr:cción 1.6 (Recuperación, recristaliza-eión y crecimiento de gro.nos -·--
DE LOS lv1ETALES POUCR!STA.U
1 .S
4'l
·--·-------··-
Si nna pieza de metal policrista!ino con granos equia.xiales uniformes (que tienen iguales dimensiones en tocias direcciones, según se observa en el modelo de la fig. l. l 2a) es sujeto a la deformación plástica a la temperatura ambiente (trabajo enji-ío), los gnmos se deforman y alargan. El proceso ele deformación se puede llevax a cabo ya sea comprimiendo el metal, como se hace en la forja para fabricar un .disco de turbina (capítulo i4) o poniéndolo a la tensión, como se hace al estirar el metal laminado para fabricar la carrocería de un automóvil {capítulo f 6). La deformación dentro de cada grano ocurre según los mecanismos descritos en la sección 1.3 para un monocrjsta]. Durante la deformación plástica, tas fronteras de grano se mantienen intactas y so conserva la continuidad de la masa. El metal deformado exhibe una mayor resistencia. debido ai enmarañamiento de dislocaciones con las fronteras de grano. El incremento en resistencia depende de la cantidad ele deformación a la cual se sujeta el metal: mientras mayor es la deformación, más resistente se hace el metal. Además, el incremento de la resistencia es más elevado para los metales con granos más pequeños, porque t icncn un jrea de frontera de grano más grande por unidad volumétrica de metal. (textt1ra). La fig. l .12b mues1ra que, corno resultado ele una deformación plástica, los granos se han alargado en una dirección y se han contraído en la otra. En consecuencia, esta pieza de met.al se ha convertido en onisotrópica, y sus propiedades en dirección vertical son diferentes a las correspondicnLC:s a ! a horizontal. Muchos productos desarrollan anisotropía de las propiedades mecánicas una vez procesados utilizando técnicas de conformado metálico Uig. ! .13). El grado de anisotropía depende de que tan uniformemente ha sido deformado el metal. Nótese (de la dirección ele la grieta de la fig. l. l 3a) por ejemplo, que la ductíiidad de la lámina rolada en frío en la éfüccción transversal (veitical) es inferior a la correspondiente a la dirección ele rolado (Ion .. gitudirml). (Véase taml>ién la sección 6.5.) La aniso1ropía influencia las propiedades mecánicas y físicas de los metales, por ejemplo, la chapa de acero de los transformadores eléctricos se lamina de forma que la deformación resultante imparta propiedades magnéticas anisotrópicus a la lámina. Este arreglo reduce las pérdidas por histéresis magnética y mejora la efickncia de los tnrns1~)l·rnadores. (Véase tarnbién, aleaciones amorfas~ sección frl4.) En los metales hay do;,; tipos generales de anisntropía: orientación. preferida y formación mecónica de.flbras.
1Ddentadón prefedda.
Tarnbién conocida corno an~sotropfa crisía~ográfica, la orientación prefe-
rida se puede d~scr.íbir mejor haciendo referencia a la fig. l .6a. Cuando un cristal de 1nelal se sujeta a tensión, los bloques en deslizamiento giran hacia la dirección de la fuerza de estirado. Como resultado, los planos de deslizamiento y las bandas de desliz.amiento tienden a alinearse en la dirección de la deformación. De manera similar, en un agregado policristalino con granos en varias orientaciones, todas las orientaciones de deslizamiento tienden a alinearse en la dirección ele la fuerza de estirado. De la misma manera, los planos de
(a)
(bJ FIGURA 1.12
t
Deformación plástica de granos idealizados (equiaxiales) en un espécimen sujeto a la compresión (como el que ocurre en el laminado o forjado de metales): (a) antes de la deformación y (b) después de la deformación. Obsérvese la alineación de las fronteras de grano a lo largo de una dirección horizontal, este efecto se conoce como orientación
preferida.
Vista lateral
FIGURA 1.13 (a) Ilustración esquemática ele una grieta en el metal laminado sujeto a abombamiento icausado, por ejemplo, por forzar una bala de acero contra la lámina). Nótese la orientación de la grieta respecto a la dirección de laminado de la lámina; ésta es anisotrópica. (b) L;ímina de aluminio con una griet;i (línea oscura vertical en el centro) desarrollado en una prueba de abombamiento; la dirección de laminado de la hoja fue vertical. Fuente: J. S. l
deslizamiento bajo compresión tienden a alinearse en dirección perpendicular a la dirección de la fuer::01 de compresión. Formación mecánica de fibras. La formación mednica de fibras resulta de la alineación de impu rezas, inclusiones (estrias), y huecos en el mela! durante la deformación. Obsérvese que si los granos esl',';·: · cos ele la fig. l .12a estuvieran recubiertos de impurezas, estas impurezas se alinearían comCtnmcnte en dirccci
1.6- REÓJPERACIÓN, RECRISTALlZAÓÓN y CREC!MIEl'HO DE G Hemos mostrado que la deformación plástica a temperatura ambiente causa la deformación de los granos y de las fronteras de los granos, un incremento general en resistencia, y una reducción en ductilidad causa " su vez un comportamiento anisotrópico. Estos efectos pueden ser invertidos, y las propiedades del metal pueck;; ser devueltas a sus niveles originales, calentando la pieza en un rango específico de temperatura durante un periodo de tiempo. Este proceso por lo general se conoce como recocido (sección 4.11). El rango de temperatura y cantidad ele tiempo depende del material y de otros factores. Estos eventos ocurren consecutivam,"nte durante el proceso de calentamiento:
l. Recuperación. Durante la recuperación, que ocurre a un cierto nivel de temperatura por debajo de la temperatura de recristalización del metal, se eliminan los esfuerzos en las regiones altamente deformadas. Se empiezan a formar fronteras de subgrano (proceso conocido como poligonización), sin ningún cambio apreciable en las propiedades mecánicas como dureza y resistencia (fig. 1.14). 2. Recristalización. El proceso, identificado como recristalización, en el cual, a cierto rango de temperatura, se forman nuevos granos equiaxiales y libres de deformación, reemplazando los granos antiguos. La temperatura para la recristalización va entre aproximadamente 0.3Tm y 0.STm, siendo T,,, el punto de fusión del metal en la escala absoluta. La temperatura de recristalización se define generalmente como la temperatura a la cual ocurre la recristalízación completa en aproximadamente una hora. La recristalización reduce la densidad de las dis-
51)
Capítulo 1 /La ei.;fructura de los rneta!es
'°''"º""' residuales
Resumen
r-·· ~
producen una apariencia superficial áspera en los metales laminados, conocido como cáscara de naranja, cuando son estirados para formar una pieza, o cuando la pieza de metal es sujeta a compresión (como en operaciones de forja).
1.7 TRABAJO EN FRÍO, TRABAJO EN TIBIO Y TRABAJO EN CALIEt'-.JTE
J---:--~----1 Ductilidad
Resistencia, dnrcza, ductilidad
Dureza
FIGURA 1.14 Ilustración esquemática de los efectos de Tamaño
recuperación, recristalización y
de grano
crecimiento de grano sobre las propiedades mecánicas v !a forma
i
~ Crecimiento de gra1~
_________l lJZi'.CIO~l::_-[-~_--Recuperación
5-¡
/
R_eoicta-
El trabajo en frío se refiere a la deformación plástica que se lleva a cabo normal, aunque no necesariamente, a la temperatura ambiente. Cuando la deformación se efectúa por encima de la temperatura de recristalización, se conoce como trabajo en caliente. "Frío" y "caliente" son términos relativos, como podemos ver del hecho de que la deformación del plomo a la cemperatura ambiente es un proceso de trabajo en caliente, dado que su temperatura de rccristalización es de aproximadamente la temperatura ambiente. Como el nombre implica, el trabajo en tibio se lleva a cabo a temperaturas intermedias. Por lo que el trabajo en templado es un punto intermedio entre el trabajo en frío y el trabajo en caliente. Los rangos de temperatura para estas tres clases de deformación plástica aparecen en la tabla 1.2 en función de relaciones, donde Tes la temperatura de trabajo y T mes el punto de fusión del metal, ambos en la escala absoluta. Aunque se trata de una cantidad sin dimensiones, esta relación se conoce como la temperatura homóloga. En la parte III describiremos las importantes diferencias tecnológicas en productos que se procesan mediante el trabajo en frío, tibio y caliente.
tamaño de los granos. Nótese la
TABLA·¡ .2 Rangos de iemperatura ___f_1o_m_óioga para varios procesos
Tempcwtur.ci
Procesos Jocadones, baja la resistencia y eleva la ductilidad del metal (tig. 1.I4). El plomo, el estaño, el cadmio y el zinc se recristalizan a la temperatura ambiente; como resultado, al ser trabajado en frío, no se endurecen por el lrab¡\jo. La recrislalización depende del grado de trabajo en frío anterior (endurecimiento por trabajo): mientras más trabajo en frío, menor será Ja lcmperntura requerida parn que ocurra la recristalización. Las razones es que conforme se incremenüt el trnbajo en frío~ también se incrementan el nt:íinero de dislocaciones y la cantidad de energía almacenada en dichas dislocaciones (energfo almacenada). Est'a energía suministi-a el trabajo requerido para la recristaUzación. La recóstalización es una función del tiempo, ya que involLtcra la difusión, o sea, movimiento e intercambio de átomos a través de las fronteras de grano. Los efectos sobre la recristalízación de la temperatura, del tiempo y de la reducción en el espesor o la altura ele J.a pieza de trabajo mediante el trabajo en frío son como sigue: a. para una cantidad constante ele deformación por trabajo en frío, el tiempo requerido para recrístali-· zación se reduce con una mayor temperntura; b. mientras mayor sea el trabajo en frío anterior, menor será la temperatura requerida para la recristalización; c. mientras mayor sea la cantidad ele deforn1ación, menor será el tamaño del grano después de la .recristalización, este efecto es un método común de convertir una estructura de grano grande a una con un grano más fino, y por tanto, con mejores propiedades; d. la anisotropía debida a la orientación preferida por lo general persiste después de la recristalización. Para restaurar la isotropía, pudiera ser necesaria una temperatura más elevada que la requerida para la recristalización. 3. Crecimiento del grano. Si seguimos incrementando la temperatura del metal, los granos empiezan a crecer, y su tamaño puede eventualmente exceder el tamaño del grano original. Este fenómeno se conoce como crecimiento del grano, y afecta las propiedades mecánicas (fig. l.14). Los granos graneles
TIT,,,
Trabajo en frío
< 0.3
Trabajo en tibio
0.3 a 0.5
Trabajo en caliente
> 0.6
RESUMEN "' Existen tres estructuras ctistalinas básicas en los metales: cúbica centrada en ei cuerpo (bcc), cúbica ecntrada en la cara (fcc), y hexagonal compacta (hcp). Los granos hechos de estos cristales no son perfectos; contienen varios defectos e imperfecciones, como dislocaciones, vacantes, impurezas, inclusiones y fronteras de grano. Los metales de uso común son policristalinos, esto es, están compuestos de mu·· chos cristales o granos en otientaciones aleatorias. ® La deformación plástica en los metales ocurre mediante un mecanismo de deslizamiento. A pesar de que es muy elevado el esfuerzo cortante teórico requerido para causar el deslizamiento, los esfuerzos reales son mucho menores, debido a la presencia de dislocaciones (de tipo de borde o de tipo de tornillo). Las dislocaciones se enmarañan entre sí o se encuentra restringidas por barreras, como por ejemplo, las fronteras de grano, las impurezas y las inclusiones. Como resultado, se incrementa el esfuerzo cortante requerido para causar un deslizamiento adicional; en consecuencia, Ja resistencia y dureza general del metal también aumenta (efecto conocido como endnrecirniento por trabajo o endurecimiento por deformación). " El tamaño del grano tiene un efecto significativo en la resistencia de los metales. Mientras menor sea el tamaño, más resistente será el metal. " Las fronteras de grano tienen una influencia importante en el comportamiento del metal. Pueden sufrir fragilización, lo que a temperaturas elevadas reduce de un manera severa la ductilidad (un efecto que se conoce corno fragilidad en caliente); también son responsables de la cedencia, debida al deslizamiento de las fronteras de grano.
........................................................................................................................
~~~~~~~~--
52
~;
C1pítu!o r /La (-'Strucllll'd de los metales f)rob!ernas cualitativos
"' Los metales se pueden deformar plásticamente a temperatura
53
l.7 Haga una lista de cada uno de los tipos principales de imperfecciones en la estructura cristalina de los metales, y c!escríbalas. 1.8 ¿Qué influencia tiene el larnaño del grano en las propiedades mecánicas de los metales? l.9 ¿Cuál es la relación entre la tabla de nucleación y el número de granos por unidad volumétrica de un metal? 1.10 ¿Que es un sistema de deslizamiento, y cuál es su significado?
Los efectos del trabajo en frío se pueden invertir mediante el recocido de un metal: calentándolo a "º cieito rango de temperatura durante cierto tiempo, y por tanto permitir que ocurran los procesos sucesivos de recuperación, recristalización y crecimiento del grano.
1.11 Explique la diferencia entrn recuperación y recristalización.
l.12 ¿Qué es fragilidad, y qué significa? 1.13 Explique las diferencias en trabajo en frío. en libio y en caliente de los metales.
1.14 Describa el efecto de cáscara de naranja. 1.15 ¿Por qué no pueden algunos metales como e1 plomo hacerse m<Ís resistentes al ser "trabajados en frío"? 1.16 Describa las diferencias entre la odentación preferida y la fibras mecánicas. AJotrnpismo
Anisotropfa Banda de desli:;,amiemo Cáscara de narnnj a Ccdencia Celda unitaria CrecirniC'nto de grano Crísta¡cs Cúbico basado en d ctwr;x) Cúbicc centrado en !a cara Derormación eldslica
Defornrnctó11 plüstica Dislocaciones Undurccimicnlo por dc-forn1.:.1ci611
Endurecjmiento por lrabajo Esfuerzo cortante Estructura reticular Fíbración mecánica Fragilidad en caliente Fragilización Fronteras de grano Granos Hexagonal compacto fo.sensible a la es(ructura fVfaclación Orientación preferida Plano basal Plano de des1izamiento
1.17 En microscopía, es práctica común someter a ataque químico a un metal, a fin de resaltar las fronteras de grano y las microcstructuras. Explique por qué.
Pollcristales Poligonjzacíó11 Polimorfismo Recristalízación Recuperación Sensible a la estructura Sistema de dcslizarnicnto Tamaño del grano Temperatura homólng<,~ Trnbajo en caliente Trabajo en frío Trabajo en tfü]o (temperaturas intermedias) Vacante
1.18 ¿Qué es maclaciún? ¿En qué manera difiere del deslizamiento'?
PROBLEMAS CUALITATIVOS 1.19 Explique lo guc usted comprende de por qué debemos estudiar la estructura cristalina de los metales. 1.20 ¿Cuál es la significación del hecho que algunos metales sufren de alotropismo'? l.21 ¿Será posible que dos pie1.as del mismo metal tengan diferentes lemperaluras de rccristalización? ¿Será posible CJ'"' ocurra la reciistaliznci6n c:n algunas regiones de una pieza antes que ocuna en otras regiones de la misma pieza? pliqne. L22 De;;criba lo yuc usted entiende sobre por qué diferentes estructuras cristalinas exhiben diferentes resistencias y tilidw.fr~s.
Asl1by,
y
D.R.H. Jones, J:,l'lginr:ert"rtg materials, \IOL 1,
/i11 In1rodurfio11 ro iheir properries mu./ application.s (2~ t;d.) !996; Vol. 2, ,1n inlroduction to microstructures, ,Dron.:ssing and desif{n, i 986. Pcrgamon Press. /\skc.!and, D. R., Thl' scienn: ofengineering mareria/s (3ª cd.)
PWS Pub. Co., 1994. Callister, W.D., Jr., JV!r1teriu!s science tznd engiru:ering (5ª 1'X1.). Wilcy, 2000.
1.23 Una pieza de metal trabajada en frío ha sido recrislalizada. Al ser ensayada se encuentra que que la razón probnble.
Flinn, R.A., y E K. Trojan, Enghu:ering plications (t.!Yed.). 'Houghton Miíflin, 1990. Shackelford, J.F., lntroduc1iou to materials science for e1cgi~ neering (5" cd.). Prcniicc Hall, 2000 Smíth, W.F., (3" cd.). McGraw-Hill, 1995.
l:S
:misotrópica. Ex pli·
1.24 Explique las vcnlajas y llnütaciones del trabajo en frío, en libio y caliente, rc:spectivamenLc. l .25 Se lrnn fabricado dos piezas del mismo material, pero una fue formada mediante trabajo en frío y [a otra meJiantt: t:«.:· bajo en caliente. Explique las diferencias que pudiera usted observar entre ambas. 1.26 ¿Piensa usted que pudiera ser importante saber si la mate.ría prima para un proceso de manufactura tiene anisotrópicas? Y ¿qué se diría de la anisotropfa en el producto terminado? Explique.
propiedadc~;
1.27 Expllque por qué la resistencia de un metal policristalino a la temperatura ambiente baja conforme se incrementa .su tamaño de grano. 1.28 Describa la técnica que usted utilizatía para reducir el efecto de cáscara de naranja en la superficie de las piezas de trabajo.
UNTAS DE REPASO
1.29 ¿Cuál es el significado del hecho que metales como el plomo y el estaño tienen temperaturas de recrislalización a aproximadamente la temperatura ambiente?
1..1 Explique la d.iferencia entre una celda unitaria y un monocristal.
l.30 Como sabemos, la temperatura corresponde a la amplitud de la vibración de átomos individuales. Explique por qué l.2 En las tablas sobre estructuras cristalinas, el hierro aparece listado con estructura tanto bcc como fcc ¿Por qué?
se necesitan de altas temperaturas para el crecimiento de los granos.
l.3 Defina anisolropía ¿Qué materiales puede usted pensar distintos a los metales que exhiban un comportamiento ani-
1.31 Se ha notado que mientras más trabajo en frío tenga un metal, menor será su endurecimiento por deformación. Explique por qué.
1.4 ¿Qué efectos tiene la recristalización en las propiedades de los metales?
1.32 ¿Es o no posible trabajar en frío un metal a temperaturas por encima del punto de ebullición del agua? Explique.
1.5 ¿Qué es endurecimiento por deformación, y qué efectos tiene en las propiedades de los metales?
1.33 Una forma de tratamiento superficial de una pieza de metal involucra el trabajo en frío de la capa superficial, por ejemplo, impactándola con granalla. (véase también la sección 33.2) ¿De qué manera este proceso afecta la dureza del material? ¿Por qné no funcionatía este proceso con (a) plomo y con (b) magnesio?
sotrópico?
1.6 Explique lo que quiere decir las propiedades sensible a la estructura e insensible a la estructura de los metales.
...-........
54
C:1piLuJo 1 /La e~lructur·a de Jo.s metales
---------
CUANTíTATIVOS
X.34 Trace los datos dados en la tabla 1.1 en función de grn1:1os/mm 2 en comparación con granos/mm?!, y exprese sus observaciones. l.3S Si el balín de un bolígrat\) ti\me u.n diámetro de 2 mm y tiene un tamaño de grano ASTM de 1O, ¿cuantos granos existen en el balín? ].36 Mediante eJ trabajo en frío, una tira de rnctal se reduce un espesor de 40 mm a 20 mm, una tira similar se reduce de una manera similar de 40 mm a 30 mm ¿Cu<.'íl de estas tiras trabajadas en frío se rccrist.alizad. a una temperatura menor? ¿Por qué?
J.37 Un sujetapapeieo se fabrica de un alambre que tiene 6 pulg de largo y 1/32 de pulg de diámetro. Si el tamaño de grn· no AST.IVI es 9, ¿cuántos granos existe11 en el sujetapapeles? ].38 Las celdas unitarias que se muestran de !a fig. 1.2 hasta la J .4 se pueden representar por pelotas de tenis organizadas en di.versas configuraciones dentro de una caja. En un arreglo de este tipo, el/actor de empaque atómico (APF) se define como Ja relación de la suma de los volúmenes de los átomos en relación con el volumen de la celda unitaria. Demuestre que el factor de empaque es de 0.68 para ia estructura bcc y de 0.74 para la. estructura fcc. 139 Demuestre que Ja constante de red a en Ja fig. l .3(a) se relaciona con el radio atómico mediante la formula a::.:: 2W?, siendo R el rndio del átomo, según se muestra en e! modelo de la pelota de tenis.
~ .40
Demuestre que para la celda unitaria fcc, el radio R del hueco más grande está dado por r maño del hueco más grand.: para lo,.., átomos de hierro en la estruclura fcc.
~ 0.414R. Determine el ta-
Comportamiento mecánico, prueba y propiedades de rnanufactura de los materiales
Un técnico determina que cI tamaño del grano de un espécimen atacado es 8. Después de ia verificación adiciomil, se cncucn!Ta que !a ampliación que se utilizó fue de 180x en vez Je l OOx, que es la requerida por Jos estándares ASTM. Determine el tamaño correcto del grano.
Si el diámetro de] átonm de aluminio es de 0.5 nm, ¿cuá.ntos átomos existen en un grano con un !ama.ti.o de grano ASTlvI de 5? 2 ..5
Introducción Tensión Compresión Torsión Doblado (flexión) Dureza
Fatiga 2.il 2.1 O Iv'lediant.e el estira.miento de una tira dclgad<.1 de rnetaf pulido, corno en una müquina Je ens.c;yo por 1rc y comente lo que le ocurre a su refícctividad conforme es estirado.
le~isióu, demu,;s-
Cedencia Impacto Falla y fractura de los materiales en la manufactur;:¡ y en el servicio Esfuerzos residuales Trabajo, calor y temperatura
Haga algunas analogías a la fibración mecánica, por ejemplo, capas de masa delgada rocim!as con harina o con manl"cquiHa entre cada capa. t45 Presente algunas analogías respecto ai fenómeno de fragilidad en caliente.
L46 Obtenga un cierto número de pequeñas bolas hechas de plástico, madera, m<:lrmol, y así s11cesiv•.i111cnte, y c.olóquch1s en la ruano o péguelas juntas para representar Las estructuras cristalinas mostradas en his figs. 1.2·· 1.4. Conicn\c sus oliscrvacione0. 1.47 Tome un mazo de cartas, coloque una banda elástica a su alrededor, y deslícelas unas contra las otras para representar las figs. 1.6a y 1.7. Si repite el mismo experimento con más y más bandas de hule alrededor de un mismo mazo, ¿qué es lo que está logrando en referencia al comportamiento del malerial?
2.1 ii'JTRODUCCIÓ~"\) En las operaciones de manufactura sefonnan. muchas partes a varias configuraciones al aplicarles fücr· zas externas a las piezas de trabajo mediante herramientas y dados. Las operaciones típicas son el for-· jada.de un disco de turbina, la extrusión de diversas piezas para una escalera de aluminio. el laminado de una hoja plana para ser procesada en una carrocería de automóvil. Debido a que en estos proce· sos la deformación se efectúa mediante medios mecánicos, es importante comprender el comporta· miento de Jos materiales en respuesta a las fuerzas aplicadas externamente. La operaciones de formado pueden llevarse a cabo a temperatura ambiente o a temperaturas elevadas y a velocidades de deformación altas o bajas. El comportamiento de una pieza manufacturada durante su vida esperada de servicio es una consideración importante. Por ejemplo, las alas de una aeronave, el cigüeñal de un motor de automóvil, y los dientes de engrane en una transmisión automotriz están todas ellas sujetas a fuerzas estúti· cas, así como fluctuantes. Sí son excesivas, las fuerzas fluctuantes pueden generar grietas y causar la falla total de los componentes a través de un mecanismo llamado fatiga. De manera similar, un disco de turbina y las alabes de un motor a chorro de una aeronave, es· tán sujetos a elevados esfuerzos y temperaturas durante el vuelo. En cierto periodo de tiempo, estos
55
Sección 2.2 /Tensión
56
5j"
CJpítulo 2 í Comportamiento mecánico, prueba y propiedades de mélnufactura de los materiales
IA!UA 2.1
Propiedades mecánicas relativas de varios materiales a temperatura ambiente, en orden decreciente. Los metales están en su forma aleada Tenacidad
Resistencia
Dureza
Fibras de vidrío Fibras de grafito
Diamante
Metales dúctiles
Fibras dr. Kcvlor Carburo:-,
Nitruro de boro cúbico Carburos Aceros enJurecidos
Plástico reforzado Termoplústicos
Molibc/e-n(J
Tirnnio
Aceros Tantalio Titanio Cobre Tcrmocstablc.s rcforl'.Jdos
Hierros fundidos
Madera Termocstahlc;-; Cerámicos
Cobre
Vidrio
Tt:nnop!fü:ticos reforzado:-. Tcrrnopbst1co.c; Plomo
Rigidez
Resistencia/ densidad
Diamante Carburos
Plástico reíorwdo Titanio
Tungsteno
Acero
Acero
Aluminio
Cohre Titanio Aluminio
Magnes10 Berilio Cobre
Tcrmoestabk:s Magnesio Terrnoplüstkos
Cerámicos
Tanlalio
Estaño
Tcrmocstables
Plonx1
T~mnopl~b,tlcos
Plústico re.forzado
Madcrn
Comúnmeme. el espécimen tiene una longitud calfüirada original, 11,, por lo general de 50 milímetros (2 pulgadas), y un área transversal A 0 , con un diámetro de 12.5 milímetros (0.5 pulgadas). El espécimen se monta entre las mordazas de una máquina de ensayo a la tensión. Estas máquinas están equipadas con varios controles, de manera que el espécimen puede ser ensayado a velocidades diferentes de deformación y temperatura.
2.2.I Curvas de esfuerzo .. deformación Una secuencia típica de deformación del espécimen de ensayo a la tensión aparece en la fig. 2.2. Cuando se aplica la carga, al principio el espécimen se alarga en proporción con la carga. Este efecto se conoce como comportamiento elástico linea!. Si se retira la carga, el espécimen regresa a su longitud y forma original, en un proceso elástico sim'tlar al estiramiento de una banda de hule y su liberación. El esfoeirzo ingenieril, o esfüerzo nominal se define como la relación de la carga aplicada P con el área transversal A0 del espécimen:
p Esfoerzo de ingenieril, ,;
(2.'.i¡
Aº.
Hule~~
La defo1·madón ingenieril se define como: componentes sufren cedcncia, un fenómeno en el cual los componentes se alargan permanentemente bajo escuerzos ap1icados; la cedencia, puede finalmente ocasionar la faHa. 'Hd como se sefialó en Ja fig. L2, está ahora disponible una a1np!ia variedad de n1ateriaks n1etálicos y no rnetüiicos, con una gama igualmente ampl.ia de propiedades, según se puede ver cualitativamente en la tabla 2. l. Este capítulo se ocupa de los aspectos de las propiedades mecánicas y del comportamiento de los me-. tales q11e son de importancia para el diseño y manufactura de piezas, incluyendo pruebas de uso común empleadas ai cvaiuar las (l]v~rsas propiedades de los materiales.
(1 --- 1,,) . .. . . ·¡ I) e fonnac1on mgemen , e = - - .--·--,
(23)
1,,
donde 1 es la longitud instantánea del espécimen. Conforme se incrementa la carga, el espécimen empieza. a cierto nivel de esfuerzo, a sufrir una defor·· mación pe:rm:mente o plástirn. Más allá de ese nivel, el esfuerzo y la deformación ya no son proporcíonaks. corno lo eran en la región elástica. El esfuerzo al cual ocurre este fenómeno ¡,e conoce como el esfuerzo de \'.'cdencia, Y, del material. El término límite prnpol"cional también es Lllilizado para especificar el punto donde el esfuerzo y la deformación dejan de ser proporcionales. En la labia 2.2 aparecen los esfuerLos de cedencü otras propiedades de varios materiales metálicos y no metálicos.
pnH:':ha de kns1iórn es la prueba más común para deterrninar las propiedades nwcánicas de ]os materiales corno resistencia, ductilidad, tenacidad, módu!o elástico y endurecimiento por deformación. El cn~ayo primern requiere fa pn"rarac.ión de un espécimen de pn.1el:la, típicamente corno el que se muestra en la fig. 2. 1a. En Estddos Uní.dos, el espécimen se prepara de acuerdo con las er;pecificaciones ASTM (por sus siglas en inglés, Am.erican ::::ociely for Tesling of TVf::1teria!s); en otros países se prepara según 1as especificaciones apropiadas de lm~ organizaciones correspondientes. A pesar que la mayor parte de los especímenes de prueba a la tensión son sólidos y rndondos, algunos son de boja plana o lL!bular. FlGUP:A 2.1 (a) Un espécimen de prueba de tensión estándar antes y después de haber sido estirado, que muestra la longitud de calibración original y final. (b) Una máquina común de pruebas de tensión.
flGURA 2.2
Una curva de esfuerzo-deformación típica, obtenida de una prueba de tensión, mostrando va
ria:; característk:as. Esfuerzo, (T
:::::: -
p
¡.
, . .
!\,¡ ..,. __ Ehistico--~.. -----·---·-·Plastico------
Resi,tenc~úl:~~~ (UTS,porsussighis en inglés) Esfue~zode
.- '
í
1
j
~··-11
:
t------·-¡------:---....\: \ ': ! 1 1
_______
cedcnc1a (Y)
(a)
___
1
(b)
.,
i
1 1 1
1 1 \
1
1
Fractura
,}.Elongación _____ J...---.Formación / uniforme : de cuello
I I
l
'ílw_ ··t l
I
Longitud de calibración original e(!
I I I
I I
¡--
I I
I
Fractura
I
L
I
¡51
~
-frCompensación
Deformación, e
l-
Sección 2 .2 /Tensión
:;¡¡
Capílulo 2 /Comportamiento mecánico, prueba y propieclJde" el~ manubciura de los mav2ria!es
llARILA 2.2
Propiedades mecánicas ele varios rnateriales a temperatura ambiente
Metales (foijados)
E (GPa)
Y(MPa)
l'i 41-45 330-360 180-214 190-200 80-130 350-400
35-550 76-l 100 14 130-305 80-2070 105·-1200 205·-l 725 34<1-1380 550-690
---·--------------AJumíniG y sus aleaciones 69-79 Cobre y ;-;us akac:oncs 105-150 P)omo y sus alcacionet-: Magnesio y sus aleacionc!'l M.c;libdenn y sus aleaciones Níqncl y sus aleucioncs
Aceros Titanio y sus aleaciones Tungsteno y sus alcacíones
Materiales no meláiicos 70-1000 820-1050 70-80 0.01-0.1 1A--3.4 2-50
Cerúmica
Diamante Vidrio y porcelana Hules TermoDhíslico TcTrnoplúslicos. reforzados
lrr
i ~l
°""""
1
60-5 65-2 25-7
fiGURA 2.3 Ilustración esquemál ice< de la carga y descarga de un espécimen de prueba a la tensión. Obsérvese que, durante la descarga la curva sigue una trayectoria paralela a la pendiente elástica original.
Carga
J
--·...¡ ¡...--.-. Deformación Recuperación. eJ;/,stica
Deformación L
·---·· 1
permanente
1 --
140
7--80 20-120 35-170 3500 2000--3000 3500-4600 2800
62-117 Multiplique gigapascalc:;
65-3 50-9 21-5 40-30
140-2600
73-85
Nora: En la í·abla sup¡_;rior los valore::; rnüs b<\ios para E, Y,
45·-4
-----·---------
380 275--115
Fibr:is de vid1 io Fibra:¡ de Kevh1í
gapascnlcs (MPa} por
90-600 140-131() 20-55 240-380 90-2340 345-1450 415-1750 415-1450 620-7ó0
~.5-·!7
Tcrn1oestablc:; F'ibras de boro Fibras de carbono
óón .::e refieren a metales
UTS (MPa)
Elongación en 50 milímetros (%)
59
E tiene las mismas unidades que el esfuerzo. Mientras más elevado sea el valor E, más alta será la carga requerida parn estirar el espécimen la misma cantidad, y por tanto más rígido será el material. Compárese, por ejemplo, la rigidez ele una pieza de metal con la correspondiente a una pieza de hule o de plástico, cuando us-
1000-5 10-1
ted intenta estirarlo en la misma cantidad. La elongación del espécimen bajo tensión es acompañado de una contracción lateral; este efecto se puede observar al estirar una banda de hule. El valor absoluto de la relación en este espécimen de la defom1ación lateral en relación con la deformación longitudinal se conoce como la relación de Poisson (según S. D. Pois-
(J
re~;istencia
icnsil máxima, a.:;;í como los v:.llures mús elevados de elong:<~. por 145,000 para obteik.:r !ibras por pulgadas ct.mdradas, (p.-,i\ y rnc-
ptira obll~ner psi.
son, 1781-1840); y se identifica con la letraµ,.
2.2.2
Para maieriak:; blandos y dúctile~, quizá no s1..~a fácil determinar e! punto exacto en !a curva c~ruerzo~ dcfon:n;tcÜ)11 donde inicie fa ccclencia, porque la pen(!lente de la porción recta (c1úsüca) de la curva empiez;_1 a dís111inui~r lentarnente. Por tanlo, definimos Y co1n<) et punlo de la curv:: esfuerzo-deformación que está cmm11fJ'!(;Jr1J.S3ldllll por una deformación de 0.002, es decir, por una elongación dd 0.20ZJ. Este simple procedimiento apa··· n:x:e en d lado i;:quierdo de Ja fig. 2.2. Conforn-ie, bajo una carga creciente, sigue el espécin1en alargándose n1ás allá de Y, su área transversal
se reduce de manera permanente y unifürme en lo
i.
.
donde 1 y l se mielen según se observa en la fig. 2.la. Observe que Ja elongación se basa en la longitud cali1
0
brada original del espécimen y que se calcula como Lm porcentaje. La segunda medida de ductilidad es la :reducción de área:
(A 0
-
A¡)
Reducción de área = - - - - X 100,
(2.5)
Aº
dondeA y A son las áreas transversales original y final (fractura) respectivamente, del espécimen ele ensayo. La 0 1 reducción del área y la elongación por lo general están interrelacionados; este efecto se muestra en la fig. 2.4 para algunos metales ele ingeniería típicos. Por lo que la ductilidad de una pieza de gis es cero, porque no se estira de ninguna manera ni se reduce en su sección transversal; en comparación, un espécimen dúctil, como una pieza ele arcilla o de goma ele mascar, se estira y se fonna un cuello considerable antes que falle. La reducción del área a tensión ha sido demostrada para predecir la capacidad de doblado (sección 16.5) y de formado de lámina (sección 16.11) de los metales.
2.2.3 Esfuerzo real y deformación real Hemos visto que el esfuerzo ingenieril se basa en el área transversal original A, del espécimen. Sabemos, sin embargo, que el área transversal instantánea del espécimen se hace más pequeña conforme se alarga, igual que el área en una banda de hule. Por lo que el esfuerzo ingenieril no representa el esfuerzo real al cual está sujeto el espécimen.
~~
60
C1¡Jitulo :2 / Cornpor·121miento rnec<'rnico, prueba y propiedades de inanufac1ura de los materíd!es
60 ~ 50
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Sección 2.2 /Tensión
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12
L~-~- __ _j~_J _J _
O
0.2
Extensión. Al (pulgadas)
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110
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"1{) JO
1(\
40
51)
60
70
80
(e)
90
Reducción d~ área(%)
flGURA 2A de rnelJ.ies.
O"
=
p A.
(2.6)
ir
ecff~~ la deformación real, priJnc:-o consideran1os la elongación del espécirnen en incrementos de cambius instantáneos en la longitud. Después, L!tilizando el cálculo, podemos la deformarión re>1l rúJormaci/m na!ural o logarítmica) se calcula de la forma DeCormación verdadera
\t
(2.7)
Observe dte las ecuaciones (2.2) y (2.7) que, para valores de deformación pequeños, las deformaciones de ingeniería y reai son aproximadamente iguales. Sin embargo, divergen rápidamente conforme aumenta la carga. Po.r ejemplo, cuando e= 0. l, e= 0.095, y cuando e= 1,
6'
=0.69.
A dift:rer1cia ele !a~ deformaciones de ingenieriles, las deformaciones reales corresponden a Jos fenüincnos ílsico.s re~des en ia deformación ele los materiales. Supongamos, por ejemplo, una situaci<ín hipotdica: u11 espécimen de a!lura de 50 milímetros (2 pulgadas) se comprime entre dos platinas planas a una altura final de cem. En oi:ras palabras, hemos deformado el espécimen de manera infinita. De acuerdo con sus definiciones, la defor-rnación ingenieril que sufre el espécimen es -1, pero la deformación real es -co. Claramente, Ja deformación real describe correctamente la extensión de la deformación, ya que en este caso ésta es ciertamente infinita.
2,2,4 Elaboración de curvas esfuerzo-deformación El procedimiento para la elaboración de un curva esfuerzo-deformación ingenieril, es tomar la curva de carga-elongación (fig. 2.5a; también, la fig. 2.2) y entonces dividir la carga (eje vertical) entre el área transversal original, A0 y la elongación (eje horizontal) entre la longitud calibrada original, 1 . Dado que estas dos 0 cantidades se d.ividen por constantes, la curva ele esfuerzo-deformación ingenieril obtenida (mostrada en la fig. 2.5b) tiene la misma forma que la curva ele carga elongación que aparece en la fig. 2.Sa. (En este ejemplo, A 0.056 pulgadas 2 • y A1 0.016 pulgadas 2 .) 0
=
al
o
~uello
j
Carga máxima
1
50
_ _ L_ __
1.0
_ _ __J~-1
X
100
o L ______:_____ o 0.5
-------1
1000 r-
debido
Deformación real (s)
1\
e : : : ln (1 - - } •
w
(d)
//
lSO 1
1
E0foerm rcaí,
/
i l ~,é,;,:~L ,. ~
0.6
/,
~
~
OA
Deformación (e)
1
200
Relación aproximada entre la elongación y la reducción dei área a tensión para varios grupos
E! esil'!1erzo real se define corno la relación de la carga Pal área transversal real (instantánea) por tanto verdadera A del espécimen:
=
~
1 1 1 1 1 1
o
en frío
8
1
~o
~
75
~
1 1
u
alumrnio, recocidos
rolados o
s 4
3
/
AJ_,,,: __ _
/~~al
o
•o
f:D
~
y
á3 20 ,_
¡;j
//
(b)
(a)
/ ''''" Are'::;~'',7~~~abks;aleaci7c~~~;idos
61
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100
1
w 10
1.5
_J
~
¿
-
0.01
LO
O.J Deformación real
(e)
flGU!RA 2.5 (a) Curva carga-elongación en un ensayo de tensión de un esf)écimen de acero inoxidable. (h) Curva de esfuerzo ingenieril y deformación inge11ieril, dibujada a partir de los datos de la fig. 2.Sa. (c) Curva real de esfuerzo-deformación, dibujada a partir de los datos de la fig. 2.Sb. Obsérvese que esta cunn 1·iene una pendiente positiva indicando que el material se está haciendo más resistente conforme se deforma. (d) Curva esfuerzo-defo1rnación reales trazada en papel log-log y basada en la curva corregida de la fig. 2.5c. La corrección se debe al estado tríaxial de! esfuerzo que existe en la región del cuello del espécimen.
Las curvas de esfuerzo-deformación reales se obtienen de manera similar, dividiendo la carga entre ~i área transversal instantánea y la deformación real obtenida de la ecuación (2.7). El resultado aparece en 1a fig. 2.Sc. Obsérvese la corrección hecha a la curva; esto refleja el hecho que ia región del cuello del espécimen está sujeto a esfuerzos !ensiles tridimensionales, como se describe en textos o libros más avanzados. Este estado da valores de esfuerzo más elevados que el esfuerzo real actual; para compensar, la curva debe ser corre gida hacia abajo. Podemos representar la curva esfuerzo-deformación reales de la fig. 2.Sc mediante la ecuación
cr = Ksn,
(2.8)
donde K se conoce como el coeficiente de resistencia y n como el exponente de endurecimiento por deformacíón (o endurecimiento por trabajo). Los valores ele Ky n para varios metales aparecen en Ja tabla 2.3. Si trazamos la curva corregida mostrada en la fig. 2.5c en una gráfica log-Jog, encontramos que es aproximadamente una línea recta (fig. 2.5d). La pendiente de la curva es igual al exponente n. Por lo que, mien-
62
Capitulo 1 / Cornportarniento llK::'CCínico, pruebJ y prop1edJdes de manufactura de los mJ.teriales Sección 2.2 /Tensión
1iAIH.A 2.3
Valores
de K y den a temperatura ambiente K"
Aluminio l l00--0
rn,
180
2024.:r4
410 400
0.20 0.16 0.20 0.05 0.17
690 205
6061--0
7075--0 Latón 70-30, recocido 85-J 5. laminado Aleación ba.se coballo con tratamiento ttrrni::.:o Cobre, recocido 1\t:cro Bajo C, recocido 4135 recocido 4 ! 35 laminado 4340 recocido 3(),::¡ inoxidable. recocido
41 O inoxidable, rccncido
900
0.49
580
0.34
2070 315
0.54
530 !015 1iOO 640 1275
0.26 0.17 0.14 0.15 0.45
960
O.JO
0.50
tras más elevada sea fa pendiente, mayor será la capacidad de endured miento por deformación cJci n1aferiaL c~~tu es., más fuerte y 1nás duro se convert]rá conforme es deformado. En !a fig. 2.6 se dan curvas esfuerzo-deforn1ación reales para una variedad de 1netales. (Cuando se revisan en detalle, se notarán algunas diferencias entre ia tabla 2.3 y la fig. 2.6; estas discrepancias son el resuliado del hecho que están involucradas diferentes fuentes de datos y diferentes condiciones de ensayo.) NóLGse que la:;; regiones elásticas han sido eliminadas, dado que la pend]ente de esta rcgjón es muy elevada. Con10 resultado, el pun10 de intersección de cada curva con el eje vertical en esta figura es el esfuerzo de cedcncia, Y deJ material.
El área bajo la curva de esfuerzo-defomiación real se conoce como tenacidad del material, esto es, la cantidad de energía por unidad volumétrica que disipa al material, antes de la fractura. La tenacidad, por consiguiente, involucra tanto el ancho como la altura de la curva de esfuerzo-deformación del mate1ial, en tanlo que la resistencia está relacionada únicamente con la altura de la curva, y la ductilidad está relacionada únicamente con el ancho de la curva.
2.2.5 Deformación en el cuello en un ensayo a la tensión Como hemos observado, el inicio de la formación del cuello del espécimen en un ensayo a la tensión corresponde a la resistencia a la tensión máxima del material. Nótese que la pendiente de la curva de carga-elongación en este punto es cero, y que en este punto el espécimen empieza a generar un cuello. El espécimen no puede soportar la carga. porque el área transversal del cuello se está haciendo más pequeña a una tasa que es más alta que la tasa a la cual el material se hace más resistente (endurecimiento por deformación). La deformación real al inicio de la fom1ación del cuello es numéricamente igual al exponente de endurecimiento por deformación n, del material. Por lo que mientras más elevado sea el valor de n, mayor ser
Ejemplo: Cálculo de la resistencia tensil máxima Este ejemplo inostrnrá que se puede calcular la resistencia tensil máxima del material a par1ir ele los 1 res K y 1i. Suponga que un material tiene una curva de esfüerzo"defonnación real dada por O"
= l00.000Bº5 psi.
Calcule la resistencia tensil máxima final real y la resistencia tensil máxima ingenieril de este malcriai. 2.6 Curvas esfuerzo-defom1ación re~des a la tensi011,. o iernperalura ambiente par.a varios rn12L;:iles. cunns se inician a lin nivel finito de esfuer-zo: las regiones elásticas tiene11 unJ. pendiente demv.sia.do eleva da par·,, se1· rnoslrild<:
Solución: Dado qu;; la deformación en Ja formación del cuello corresponde a Ja c
=
11
= 0.5.
tenemos que, como resistencia tensíl máxima real 1200 O"
,./'l'""
1/ l.
1
'~
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X
o.
1 /
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-
~'1'"'~(1"~A~ero 1020
1
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"~
1
recocido
80
1000
Knº = !00,000(0.5) 11 •5 = 70.710 psi.
El área verdadera al inicio de la formación de cncl lo se obtiene a. partir de In -A,, - - ). =
(
-¡ soo 1 ¿-: ·-¡ 600 ;;E
11
= OS
Anock
Por lo que Amxk
·-~
w
y Ja earga máxima? es
p =
O"Ancck
= ifAoe'"'OS,,
donde .u es fa resistencia tensil máxima real.. Por tanto
06
08
LO
1.2
Deformación real (e)
JA
J~
o 1.8
2.0
63
_
P = (70,7l0}(0.606)(A6)= 42,850;4:,,lb.
dado que resistencia tensil máxima .=, PI A,,,
UTS = 42,850 psL
~..
6L~.
C:ipítulo 2 / Crnnportamiento mecc:í11ico, prneba y propied;xJes de manufouur;i de los malerialcs
Sección 2.2 /Tensión
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1 1 1 J
1 1 ¡ i
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Dcforniaci6n
2.2
FIGURA 2.7
Deformación real
que la temperatura afecta el
Proceso
móduio de elasticidad, al esfuerzo de c:edencia, la resistencia !ensil
Trabajo en frío Forja. laminado Estirado de alambre: y de tubo Formado explosivo Trabajo en caliente y en tibio F01jado, laminado Extrusión
máxima, y la tenacidad (área bajo la curva) de los materiales.
ia temperatura
0.1-100 O.l-·100 10-10()
O, l-0.5 2-.S l-·10 0.1-0.5
0.1-30 0.1-1 0.1-IOO 0.05-2 10-4 -10- 2
0.2-3
menta la resistencia del material (end11recimie111to por velocidad de deformación). La pendiente de estas curv<1s se conoce como el exponente de sensibilidad a la velocidad de deformación, m. El valor de m se obtiene '' través de trazos log-log, siempre y cuando las escalas vertical y horizontal sean las mismas (a diferencia de las d'°' !a
Eieva la ductilidad y la tenacidad, y
t.. Reduce el esfuerzo de cedencia y el módulo de elasticidad.
fig. 2.8). Una pendiente de 45º indicaiia, por tanto, un vaior de m
La temperalLira también afecta el exponente de endurecimiento por deformación de la mayo.- parle ele (J
los metales, en d hecJ10 de que n se reduce al aumentar la temperatura. La influencia de la temperatura, queda sin c:mbargo, mejor descrita en conjunto con la velocidad de deformación.
L2.7
Rapidez de deformación (mis)
0.1-0.5 0.05-0.5 0.05-0.2
Maquinado Fonnado de lámina melálica Formado super plástico
El incremento de la temperatura generalmente tiene los siguientes efectos en las curvas de esfuerzo deformación. (Véase fig. 2. 7) :ai.
Rangos típicos ele rapidez y velocidad de deformación en los procesos de manufactura
TABLA 2.4
Efectos típicos de Ja temperatura en !as curvas de esfuerzo deformación. Nótese
GS
';::::;
= l. La relación está dacia por la ecuación
csm,
donde C es un coeficiente d<é resistencia, similar a, pero que no debe confundirse con, el coeficiente Je resistencia J( de ta ecuación 2.8. La constante C tiene unidades de esfuerzo; é es Ja velocidad de deformación real, definida como la deformación real que sufre el material por unidad ele tiempo. Nótese, en Ja fig. 2.8, que la sensibilidad de la resistencia a la velocidad de deformación se incrementa con 1a temperatura; en otras palabras, m anmenta a temperaturas crecientes. Nótese, sin embargo, que la diente es relativamente plana a la temperatura ambiente, esto es. que ahí mes muy bajo. Esta situación es dadera para la mayor parte de los metales, pero no para aquellos que se recristalizan a temperatura ambicfüe. como el plomo y el estaño. Algunos rangos típicos de m para metales son como sigue:
de la rapidez de deformación* De la misma manera que podemos inflar un globo o estirar una banda de hule a velocidades diferentes," podemos conformar una pieza de material en un proceso de manufactura a velocidades diferentes. Algunas máquinas. como las prensas hidráulicas, conforman los materiales a baja velocidad; otras como las prensas mecánicas, lo hacen a atta velocidad. A fin de simular estas diferencias, el espécimen se puede deformar a una velocidad que corresponda 11 la que va a experimentar en el proceso real de manufactura.
La rnpidez de defoJrm~1ción se define como la velocidad a la cual el ensayo de la tensión se efec!iía, en unidades de digamos m/s o pies/min. La velocidad de deformación, por otra parte, es función de la longi!ud del espécimen. Un espécimen corto se alarga pn:>porcionalmente más durante el mismo periodo de tiempo que un espécimen largo_
Trabajo en frío: hasla 0.05. Trabajo en caliente: 0.05 a 0.4. Materiales super piásticos: 0.3 a 0.85.
Por ejemplo. tomemos dos bandas de hule, una de 20 milímetros y otra de 100 milímetros respectivamente de longitud calibrada, y alarguemos ambas l Omilímetros en un período de l segundo. La deformación ingenieril en el espécimen más corto 0.5; el del más largo es ,j¡¡¡ =O. J. Por lo que las velocidades de 1 deformación son 0.5 s-' y O. l s- , respectivamente, estando sujeta la banda más corta a una velocidad de de·· formación cinco veces más elevada que la de la banda larga, a pesar que ambas han sido estiradas a la misma velocidad de deformación.
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100
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Las velocidades de deformación empleadas comúnmente en varios procesos de ensayos y procesos de conformado de metal, y los esfuerzos reales involucrados, se presentan en la tabla 2.4. Obsérvese la considerable diferencia en magnitndes. Debido a esta amplia gama, las tasas de deformación se presentan nsualmente en términos de ordenes de magnitud, como 102s- 1, 104.i--', etcétera.
~ fil "
50
Los efectos típicos que la temperatura y la velocidad ele deformación tienen de manera conjunta sobre la resistencia de los metales se muestran en la fig. 2.8. Notamos que al incrementar la velocidad de deformación au-
&
·•N. de los RT.: La traducción de "deformation rate" y "strain rate" es idéntica: velocidad de deformación, sin embargo, en su contexto original el término "deformation rate" se usa para designar Ja rapidez del cabezal móvil durante el ensayo de una probeta; de ahí sus unidades mis o in/s, etc,, por lo que se ha decidido traducirlo como "rapidez de defo1mación .. , parn diforenciarlo con relación a Ja velocidad desudeformación (strain qoe se usa para definir la cantidad de deformación por unidad de tiempo que se aplica a una probeta durante ensayo, de
10
~ l 10·6
10·~
10·~
W'
lü2
10''
Velocidad de deformación (s~l)
----
10'
"
~
FIGURA 2.8 Efecto de la velocidad de deformación en la resistencia tensil final para el aluminio. Obsérvese que, conforme se incrementa !a temperatura, aumentan las pendientes de las curvas; por lo que conforme se incrementa la temperatura la resistencia se hace más y más sensible a la velocidad de defori:iación. Fuente: J. H. Hollomon.
66 Capítulo 2 / Cornpmtomiento mecánico, prueba y propiedades de manufactura de los inateriales
Sección 2.4 /Torsión
La magnitud del exponente ele sensibilidad a la velocidad de deformación, 111, influcnci.a de manera significativa la formación del cuello en un ensayo a tensión. Con un rn en incremento, el material se estira más antes que falle, por lo que el incremento de rn retrasa la formación de cuello. La mejoría en la ductilidad causada por la elevada sensibilidad de velocidad de deformación de algunos materiales ha sido explotada en el fol'mado superpláslico del metal laminado (sección 16. l 2).
teriales fnígiles, que son por lo general más resistentes y más dúctiles a la comprensión que a la tensión (véase Ja tabla 8.1 ). Cuando un metal con un cierto esfuerzo de cedencia tensil es sujeto a tensión en el rango plástlco, y entonces la carga se libera.y se aplica a compresión, el esfuerzo de cedencia a compresión p es inferior al con-espondiente a la tensión. Este fenómeno es conocido como el efecto Bauschiuger (según J. Bauschínger, que lo detectó en 1881), y ocurre en varios grados en todos _.-Fractura los metales y aleaciones. Dado el menor esfuerzo de ceclencia en dirección opuesta a la aplicación original de la carga, este fenómeno también se conoce como rebhmdecimiento por deformación o reblandecimiento por trabajo.
t
Superplasticidad. El término superplasticidad se refiere a la capacidad ele algunos materiales ele sufrir una elongación uniforme ele consideración, antes de formar cuellos y fracturarse a la tensión. La elongación puede ser desde unos cuantos por ciento hasta tantos como 2000 por ciento. Los materiaíes comunes que exhiben un comportamiento superplástico son el chicle y el vidrio (a temperaturas elevadas) y los termoplásticos. Como resultado, el vidrio y los termopl<ísticos se pueden formar con éxito en formas complejas como botellas de refrescos y letreros de publicidad luminosos.
p
Entre los metales que exhiben un comportamiento superplástico están las aleaciones ele titanio ele grano muy fino (!O a 15 micrómetros) y las aleaciones de zinc y aluminio; al ser calentados, se pueden alargar a muchas veces su longitud original. El comportamiento superplástico ha sido explotado en el formado superplástico de los metales.
2.2.8
67
FIGURA 2.9 disco en
u11
Ensayo de material
frágl!, mostrando !a dirección de la carga y la trayectoria de la fractura.
Ensayo de disco. Para materiales frágiles como Jos cerámicos o los vidrios, se ha desmTOllaclo un ensayo de disco, en el cual el disco se sujeta a la compresión entre dos platinas planas endurecidas (fig. 2.9). Cuando el material se carga como se muestra, se desarrollan esfuerzos a la tensión perpendiculares a la línea central vertical a lo largo del disco, se inicia la fractura, y el disco se parte por la mitad verticalmente. El esfuerzo a la tensión o- en el disco es uniforme a lo largo ele la línea central y se puede calcular partiendo ele la fórmula
de la presión hidrostática Esfuerzo tensi!,
Se han llevado a cabo varias pruebas bajo presión hidrostática para determinar defecto de ia presión hidros·· !ática en !as propiedades rnec
la
------
2~4- TORSIÓ~I
En visla del uso ele muchos metales y aleaciones en aplicaciones nucieares, se han llevado a cabo extensos esü.1dios sobre los cfoctos de Ja radiación en las propiedades mecánicas, Los cambios típicos en las propiedades de Jo;: aceros y uiros metales expuestos a radiaciones de alta energfo son el incremento del esfuerzo para cedencia, resislcncia a la tensión y dureza, así corno una reducción en ductilidad y tenacidad. La radi11ci6n tiene un ei'eclü nocivo similar sobre el comportamiento de los plásticos (capítulo 7).
--------·-~-
Además ele la teusión y de la compresión, una pieza de trabajo puede quedar sujeta a deformaciones cort:m!es (fig. 2. JO) como d punzonaclo ele orificios en metales laminados (sección 16.2) y en el corte de metales (scc-ción 20.2). El método de ensayo ulilízado generalmente para la determinación de las propiedades de tos materiales por cortante es el ensayo de im1·sión. A fin de obtener una distribución ele esfuerzo y deformación aproximadamente uniforme a Jo largo de la sección trarn;versal, esta prueba por lo general se lleva a cabo en un espécimen tubular delgado E.l espécimen ele torsión por lo general tiene una sección transversal reducida, a fin de confinar la deformación a una zona angosta. El esfoerzo cortante se puede calcular a partir de la fórmula
2 Muclias operacione> en la manufactura, particuLumente procesos como la forja, el laminado y la extrusión (parte lll) se llevan a cabo sujetando a la pieza de trabajo a fuerzas de compresión, La prneha de cm:nprcsi.ón o ensayo ele compresión, en el cual el espécimen queda sujeto a una carga ele compresión, nos da información útil para estos procesos.
Esfuerzo cortante,
r3El~f4--
T
T
(2,H)
= ~-,-,
2m·-¡
donde Tes el par torsor, res el radio promedio del tubo y L es el espesor del tubo.
Este ensayo por lo general se lleva a cabo comprimiendo un espécimen cilíndrico sólido entre dos da.. dos planos (platinas). Debido a la fricción entre el espécimen y las platinas, la superficie cilíndrica del espécimcri se abomba; esle efecto se conoce como barrilaclo (fig. 14.3). La fricción impide que las superficies superior e inferior se expandan con libertad.
_-H
Dado que el área transversal ele] espécimen cambia ahora a lo largo ele su altura, con una máxima en la parte media, resulta difícil la obtención de curvas de esfuerzo deformación a la compresión. Además, la fricción disipa energía, por lo que la fuerza de compresión es más elevada ele lo que por otra parte tendría que ser, a fin de suministrar el trabajo requerido para vencer la fricción. Con una lubricación efectiva se puede minimizar la fricción, y es posible mantener un área transversal razonablemente constante durante el ensayo. Cuando se comparan los resultados del ensayo a la compresión y a la tensión en metales dúctiles, las curvas reales ele esfuerzo-clefo1mación de ambos ensayos coinciden. Esta comparación no se presenta en ma-
_;;.....;==-·-······'~---
(2.HI)
1Tdt'
donde Pes Ja carga a la fractura, des el diámetro del disco, y tes su espesor. A fin ele evitar una falla prematura en los puntos ele contacto, entre el disco y la platina se colocan tiras clelgaclas ele metal blando. Estas tiras también protegen las platinas contra daño durante el ensayo. La fractura en el centro del espécimen ha sido utilizada en la manufactura de tubería sin costura (sección l 3.6)
Este efecto benéfico de la presión hiclrostática ha .sido explotado en los proceso:; ele trabajado de metal, particubrmc;ntc en la extrusión hitb·ostática (sección i 5.7) y en la compactación de polvos met1ilicos (sección 17.3 ).
_____________________
2P O'
~
-..,~
__ ,
-·--o --·-
-- _....L ,
--1 / 1.=r"P
.........
r
FIGURA 2.10 Un espécimen típico ele ensayo a la torsión; está montado entre los dos cabezales de una máquina de ensayo y es torcido. Nótese la deformación cortante de un elemento en la sección reducida del espécimen .
62:
Capítulo 2 / Comportamienlo mecánico, prueba y pmpiedades dt' manufactura de los matl'ría!es
Sección 2.6 /Dureza
69
La defolt"mación cortante se puede calculm- de la fórmula
., D f e onnacwn cortante, -y =
r
2.6.1 Ensayos de dureza (2.12)
donde les la longitud del tubo sujeto a torsión y ef> el ángulo ele torsión en radianes. La relación del esfuerzo cortante a la deforrnación cortante en el rango elástico se conoce como el mócfo-
fo de co:rte. es decir, el mód11lo de rigidez, G, una camidad que está relacionada con el módulo de elasticidad, E. El á¡¡gulo de torsión cp a la fractura en la torsión ele barras sólidas redondas a temperaturas elevadas también resulta ú!d en la estimación de la capacidad de forja de los metales. Mientras mayor sea el número de vueltas antes de la falla, mayor será la capacidad de forja (sección 14.8)
2.5
(FLEXIÓN) La preparación de especímenes a partir de materiales frágiles, como los cerámicos y los carburos, es difícii en razón de los problemas involucrados en e! formado y maquinado de los mismos a las dimensiones correctas. Además, debido a su sensibilidad a defectos y muescas superficiales, es diffciJ 1" sujeción de especímenes de ensayo frágiles para su prueba. Una alineación inadecuada de! espécimen de prueba puede resultar en una distribución de esfuerzos no uniforme a lo !argo de ta sección transversal del espécimen. Un método de ensayo comúnmente utilizado para los materiales frágiles es el ensayo lle flexión. Por lo general involucra un espécimen que tiene una seccióa transversal rectangular y está soportado en sus extremos (fig_ 2.11 ). La carga es aplicada verticalmente, ya sea en un punto o en dos; como resultado, estos ensayos se conocen como flexión en tres ¡n.mfos o en cuatrn pm!tos, respectivamente. Los esfuerzos longitudinales en estos especímenes son a tensión en sus superficies inferiores y a Ja compresión en sus superficies superiores. Es!os esfuerzos se pueden caicular utilizando ecuaciones de viga simples descritas en los textos de me. cánica de sólidos. Los esfuerzos a la fractura en ílexión se conoce como módulo lle .ruptura, o resistencia a na rupiln-a t!:ansversal (véase la tabla 8.l). Obsérvese que, debido al mayor volumen de material sujeto al mismo momento de flexión en la fig. 2. ]_lb, exisíe una probabilidad más elevada que existan defectos en este volumen c¡ue el correspondiente a !a fig. 2. l 1a. En consecuencia, el ensayo de cuatro punios da tm módulo de ruptura inferior que e] ensayo de tres puntos.
Se han desarrollado varios métodos para medir la dureza, utilizando diferentes materiales y formas para ei indentador. Los ensayos comunes de dureza se describen a continuación. Ensayo Brineil. Introducido por J. A. Brinell en 1900, este ensayo involucra la compresión de una bola de acero de carburo de tungsteno, ele un diámetro ele 10 mm (0.4 pulg), contra una superficie, con una carga de 500 kilos, 1500 kilos o 3000 kilos (fig. 2.12). El número de dureza Brinell (HB, antes BHN) [Nota: en México normalmente se usa "HB"] se define como la relación de la carga Pal área de superficie curvada de la indentación o impresión_ Mientras más duro sea el material que se va a ensayar, menor será la impresión_ por lo que en general se recomienda una carga de 1500 o de 3000 kg a fin de obtener impresiones lo suficientemente grandes para lograr una medición precisa. Dependiendo del estado de material, se desarrollan uno o dos tipos de impresiones en la superficie después de realizar un ensayo Brinell (fig. 2.13) o ele cualesquiera otros ensayos de dureza que se describen en esta sección. Las impresiones en los metales aleados por lo general tienen un perfil redondeado; en metales trabajados en frío tienen un perfil afilado (fig. 2. !3b). El método conecto de medir el diámetro de indentación, d, se muestra en la figura. El indentador, que tiene un módulo elástico finito, también sufre una deformación elástica bajo la carga aplicada. Como resultado, las mediciones de dureza pudieran no ser tan precisas como se espera. Un método para minimizar este efecto es el uso de bolas de carburo de tungsteno que, debido a su elevado móciulo de elasticidad, se distorsionan menos que las bolas de acero_ Las bolas de carburo se recomiendan por lo gc-neral para números de clurr:oza Brinell superiores a 500. FIGURA 2. 11 Características generales do los métodos ele ensayo de dureza y fórmulas para el cálculo de fa dureza. La cantidad Pes la carga aplicada. Fuente: H. W. Hayden, et al., The Structure and Properties of Malerials, Vol. 111 (John Wiley ,'5, Sons, 1965).
Ensayo
Forma de la indcntación Vista lalCral Vista superior
Tndenlador
(:t)
JO milímetros o de c11rburo de lungslcno
(b)
Dos métodos de ensayo de fi<"xión de materiales frcígi/es: (a) flexión en tres puntos; (b) flexión en cuatro puntos_ Las ¿frcas en ias vigas representan lu'., de momento de flexión, descritos c:n textos sobre mecánica de sólidos. ObS<'rvese la región de momento de flexión máximo constante en (b); en comparación, en (a) ei momento de máxima flexión ocurre sólo en el centro del espécimen_
Número de dureza
500 kg !500 kg 3000 kg
Bola de acero de
Brine!l
Carga, P
FlGURA 2.11
Momento
2.6 DUREZA La dureza es una propiedad usada comúnmente; da una indicación general de la resistencia del material y de su resistencia al rayado y al desgaste. De manera más específica, la dureza por lo general se especifica como la resistencia a la indentación o impresión permanente. Por lo que, por ejemplo, el acero es más duro que el aluminio, y el aluminio es más duro que el plomo. La dureza no es, sin embargo, una propiedadfitndamental, dado qL1e la resistencia a la indentación depende de la forma del indentador y de Ja carga aplicada.
Vickcrs
Pirámide de diamante
Knoop
Pirámide de diamame
-~----
c:=--r---i
1.-120 kg
HV- L85'1P
25g-5kg
HK ~ 14.2}' L'
-
-¡~;
1!
··--·~~-L.
-i -
- ~. - - U/J = 7.11
bit= 4.00 Rockwell
~
kg
(
Cono de diamante
D
J
B
1
~ J E
JWl,
°"':~~L
--
----Tt-=mm
Bola de acero de 1116" de djámctro_Q it::::mm
J_ --T Bola de acero de 1/8" de diámetro
o o
60 150 100
!-IRA 1:-IRC HRD
100 150
1:-IRB HRF HRG
100
HRE
60
= 100-5001
= 130-500!
7()
C1pi'iulo
/ Compmtarnlenlo mecánico, prueba y propiecJJdcs de manufac1ur<1 de !os rnaterízdes
(a)
(b)
1-··d·
Sección 2.6 (Dureza
71
Dureza Mohs. Desarrollado en 1822 por F. Mohs, este ensayo se basa en la capacidad de un material de rayar a otro. La dureza Mohs se basa en una escala del l al 10, siendo l la medida del talco y 1OJa del diamante (la sustancia más dura conocida). Un material con un número ele dureza Mohs más elevado siempre rayará a otro con un número más bajo. Los metales blandos tienen una dureza Mohs ele 2 a 3, los aceros endurecidos de aproximadamente 6, el óxido ele aluminio (utilizado para herramientas ele corte y corno abrasivo en las ruedas de esmeril) ele 9. Aunque la escala ele Mohs es cualitativa, y es utilizada principalmente por los mineralogistas, se relaciona bien con Ja dureza Knoop.
··-!
¡. .··rl·-·: (e)
FIGURA 2.13 Geometría de la indenlación en los ensayos Brinell: (a) metal recocido; (b) metal endurecido por trabajo; (e) deformación de acero dulce bajo un indentador esférico. Observe que la profundidad de la zona permanentemente deformada es de aproxim0d;1menre un orden de magnitud más que la profundidad de indentación. Para que sea un ensayo de dureza 1 esta zona debe estar totalmente desarrollada en el material. Fuente: M. C. Shaw y C. T. Yang.
!Ensayo Rockwei!. Desarrollado por S.P. Rockwell en 1922, este ensayo mide Ja profi.mdidad de penetración, en vez del diámetro de la indentación. E! inclentaclor se oprime sobre la superficie, primero con una carga menor y después con una carga mayor. La diferencia en las profundidades de penetración es una medida ele Ja dureza del mate1ial. En 1.a fig. 2. 12 aparecen algunas de ias escalas ele dureza Rockwell más comunes (así como los indentaclores utilizados). También se han desarrollado ensayos de dl!reza Sllperf!cfal Rockwdl, utilizando el mismo tipo de indentaclores, pero con ca1·gm; mús ligeras. !Ensayo Vkkers. El ensayo de dureza Vickers, de;;arrolbclo en 1922 y antes conocido corno en.sayo de durr:::.a de lo pirámide de diamante titfliza un h:ndentador de diamante en forma de pirámide (fig. 2. J 2) y una carga que va desde l kilo hasta 20 kilos. Ei número de dureza Vickers se indica mediante HV (antes, DPHj. ixnprnsioncs obtenidas son lípicamenk ini'c1·iores a 0.5 milímetros (0.020 pulgadas) en diagonal. Ei en.')ayo Vkkers d:1 esencialmente d misrno nümero de dureza~ ü1dependientemente de la carga. y es adecuado ¡.-nffa d ensayo de materiales con una amplia gam~1 de dureza, inciuyendo los aceros trJ.tados térmicamente. 1
¡:1
El ensayo Knoop Knoop en 1.939) utiliza un indentador de diamante en forma de una pirámide alargada {fig. 2.12), con cargas aplicadas que van general.mente de 25 gramos a 5 kilogramos. El número de durez¡¡ Knoop qucd2 indicado por HK (antes, KHN). Debido a ias bajas cargas que .ie aplican, se trata ele un ensayo de microrlm:-cza. Por tanto, es adecuado para espccimenes muy peque-· fios ,J muy delgados, y para materiales frágile>:, como carburos, cerámicas y vidrios. Este ensayo también es utilizado para medir Ja dL1reza de los granos y componentes individuales en una aleación de metal. El tamafio ele Ja indentación se encuentra generalmente en el rango ele 0.01mma0.10 mm (0.0004 pulga 0.004 pulg); en consecuencia, la preparación de la superficie es muy importante. Debido a que el número de dureza depende ele la carga aplicada, los resultados del ensayo Knoop siempre deben citar cual fue la carga utilizada. Esdemscopio. El escleroscopio (del griego skleros, que significa duro) es un instrumento en el cual un indentador ele puma de diamante (martillo) encerrado en un tubo ele vidrio, es dejado caer desde cierta altura sobre el espécimen. La dureza está relacionada con el rebote del indentador: mientras más alto sea el rebote, más duro será el material. La impresión que hace un escleroscopio es muy pequeña; en consecuencia, a menudo es utilizado para superficies recubiertas, como rodillos para laminado de metales y arietes hidráulicos. El instrumento es portátil, y simplemente se coloca sobre la superficie de la pieza; por tanto, resulta útil para medir la dureza ele objetos graneles, que ele lo contrario no cabrían en el espacio limitado ele los ensayadores ele dureza convencionales.
Durómetro. La dureza de los hules, plásticos y materiales no metálicos similares, blandos y elásticos, por lo general se miele con un instrumento conocido como durómetro (del latín durus, que significa duro). Este es un ensayo empírico, en el cual un inclentaclor es oprimido contra la superficie y luego se le aplica una carga constante. La profundidad de la penetración se miele después de l segundo; la dureza está inversamente relacionada con la penetración. Existen dos escalas diferentes para este ensayo. El tipo A tiene un indentaclor obtuso y una carga de 1 kg; se utiliza para los materiales más blandos, el tipo B tiene un indentador más agudo y una carga de 5 kg; se utiliza para materiales más duros. Los números de dureza en estos ensayos van del O al 100. Dureza en caliente. La dureza de los maleriales a temperaturas elevadas (véase la fig. 2L 1) es importante en aplicaciones en las cuales se involucran temperaturas más elevadas, corno en el uso de herramientas ele corte en el maquinado y de dados en operaciones ele trabajo en caliente y en fundición. Los ensayos de dureza se pueden llevar a cabo a temperaturas elevadas utilizando los probadores convencionales, con algunas modificaciones, como es encerrar el espécimen y el indentador en un pequefio horno eléctrico.
2.6.2 Dureza y resistencia Dado que la dureza es la resistencia contra una indentación permanente, podemos asimilarlo con llevar a C'1bo un ensayo a comprensión en un pequeño volumen de un bloque ele material (fig. 2.l3c). Los estudios han demosc~ado que, en las mismas unidades, la dureza de un metal trabajado en frío, es aproximadamente 3 veces su esfuerzo a la cedencia, Y; para metales recocidos, es de aproximadamente 5 veces Y. Se ha establecido una relación entre la resistencia tensil máxima (UTS) y la dureza Brinell (HB) para los aceros. En unidades SI, l.a relación es lJTS = 3.5(HB),
(2"J3)
donde resistencia tensil máxima está en MPa. En unidades tradicionales,
UTS
= 500(HB),
(2.J.4)
donde resistencia tensil máxima aparece en HB en Kg/mm', tal y como se miele para una carga ele 3000 kg.
2,6.3 Procedimientos de ensayo de dureza Para que un ensayo ele dureza sea significativo y confiable, debe permitirse que la zona de deformación bajo el indentaclor (véase la fíg. 2.13c) se desarrolle con libertad. En consecuencia, la localización del indentaclor (respecto a los bordes del espécimen a probar) y el espesor del espécimen, son consideraciones ele importancia, Comúnmente, la localización debe quedar alejado a por lo menos 2 diámetros del indentador del borde del espécimen, y el espesor del espécimen debe ser por lo menos 10 veces la profundidad de penetmción del inclentador. Indentaciones sucesivas sobre Ja misma superficie de la pieza ele trabajo, deben estar separadas lo suficiente para que no interfieran entre sí. Además, la inclentación debe ser lo suficientemente grande corno para dar un valor de dureza representativo en el volumen del material. Si las variaciones de dureza necesitan detectarse en un área pequeña, o si debe determinarse la dureza de los constituyentes individuales de una matriz o ele una aleación, las inclentaciones deben ser muy pequeñas, como por ejemplo, las de los ensayos Knoop o Vickers con cargas ligeras. A pesar de que la preparación de la superficie no es crítica para el ensayo Brinell, es importante para el ensayo Rockwell y aun más importante para los demás ensayos ele dureza, debido al tamafio pequeño ele
72
Capitulo 2 /Comportamiento rnecónico, p1ueba y propiedades Je fflJnufactura de los rn¡¡1eriales
!as indentaciones. La superficie pudiern requerir pulido a fin de permitir una medición correcta de las dimensiones de la impresión. Los valores obtenidos de diferentes ensayos de dureza, sobre escalas diferentes, se pueden interrelacionar, y se pueden convertir utilizando la fig. 2.14. Se debe tener cuidado en el uso de estos diagramas, debido a las muchas variables en las características de! material y en la forma de la indcntación.
Diagrama para la conversión de varias escalas de durez<0. Observe el rango limitado de lamayor parie de las escalas. Debido a los muchos factores involucrados, estas conversiones son aproximadas. FIGURA 2. 14
10000 ,_
8000
10
Diamante
Sección. 2.8 / Cedencia
g, soo 1
"'2
400
~
300
!l
""'""'
Límite
~
%tOO ~
o
/de fatiga
"~
200
10'
Diamante
180
Acero 1045
6
Aleación de aluminio 2014-T6 __ _J
J(f
10'
W'
lff1 10"
Númt:ro de ciclos, N
~~~~ [ 9
2000 ,_
~
1400
~ifü
1100
t
gg ~
800 700 . 60(1 -
8()
500
75 70
110
40 30
60 50
65
1011
20
40
3110
3011
200 1- 200 ,__
150 ,_ ((J(l
{)()
l()O
70
120
6(J
55
90
511 45 40
so
50 ·!11
311
.10
20
20
1() 9
10
~
Curhuro de boro
Carburo de titanio
"fopacio
Carburo de
Cuarzo
"-1~
'ºo
6U
6
1-
Üt"locla,<.,a
500 400
5
¡-
Apatila
300
4 ~- Fluorita
.~ ~,!:'!¡ r .
7(1
~
80
70 60 50 40
l
g
7
1
700
400
Corindón
80
8il8 F 85
1
50(1 100
600
30
[ 200
,;, L1so 5:1 -, "'
~
30 20
t
o
"')
"" :::: ~
~3
3
1-
2
¡- Yeso
1
l
"' ::::
150
1
~
13"
~
Ccrr:cnllta Placa de cromo duro Mancn~ita
Acero de herramienta totalmente cndunxido
Acero 0.5%C cstirwJo en Crío
Acero 0.25%,C estirado en frío Titanio
Calcita
1 ,~ Talco -"
5 4
Hierro gris Hierro maleable Acero dulce recocido Latón 7U-30
Níquel
"';.:;'~
Hierru puro
Baquelita Zinc. oro,
2
Aluminio puro Resina de vinilo
Grafüo
Plomo
2
1
1
ti§
~
mag11c,~in
Plata Polic.stireuo
Estaño
3
tungs1~nn
Vidrio
200
]()()
()
dl.2 100
50 40
'S ;< ·g_
7
5 4
l
'°
20
o
1Ql!l
;:; X
'" FIGURA 2.15 Curvas 5-N típicas para dos metales. Observe que;¡ diferencia con e! acero, el aluminio no tiene un límite de fatiga.
Nitruro
3000
3000
HlílO
60
i__L__J___J
10'
73
2.7 FATIGA Diversas estructuras y componentes en las operaciones de manufactura, como las herramientas. dados, engranes, levas, flechas y resortes, están sujetos a cargas en rápida fluctuación (cíclicas o periódicas), además de cargas estáticas. Los esfüer:ws cíclicos pueden ser causados por cargas mecánicas en fluctuación, como los causados sobre los dientes de los engranes, o por esfuerzos térmicos, como en un dado frío en repetido contacto con piezas de trabajo calientes. Bajo estas condiciones, la pieza falla a un nivel de esfuerzo por debajo del cual fallaría bajo una carga estática. Este fenómeno se conoce como falla por fatiga, y es responsable de Ja mayor parte de las fallas de los componentes mecánicos. Los métodos de ensayo a la fatiga ínvolucr;m la prueba de especímenes bajo varios estados de esfuerzo, por lo general en una combinación de tensión y compresión en torsión. La prueba se lleva a cabo co11 varias amplitudes de esjiierzo (S); queda registrado el número de ciclos (N) que se necesitan para causar la fai:a total del espécimen o de la pieza. La amplitud del esfuerzo se define como el esfuerzo máximo, en tensión y en comprensión, al cual se sujeta el espécimen. Un trazo típico, conocido como c11rvas S-N se muestra en la fig. 2.15. Estas curvas se basan en la inversión completa del esfuerzo, esto es, tensión múxima, y después compresión máxima, y después tensión máxi:xn y así sucesivamente. como los que se imponen al doblar un borrador o una pieza de alambre de manera altenn en una dirección y después en la otra. La prueba también se puede llevar a cabo en un flecha en rotación con una carga const;mte hacia abajo. El esfuerzo máximo al cual se puede sujetar el material sin falla a la fatiga, independientemente del número de ciclos, se conoce como límite de resistencia o fatiga, o límite a la fatiga. Aunque muchos metales, especialmente los aceros, tienen un límite a la fatiga definido, las aleaciones ele aluminio no tienen límite, y la curva S-N continua su tendencia hacia abajo. Para metales que exhiben le tipo de comportamiento, la resistencia a la fatiga se especifica a un cierto número de ciclos, como por ejem·· plo 107 . De esta manera, es posible especificar la vida de servicio útil del componente. El límite de fatiga para los metales puede relacionarse aproximadamente con su resistencia tensíl máxima (fig. 2.16). Para aceros ai carbono, el límite de fatiga es por lo general 0.4-0.5 veces la resistencia tensil máxima, aunque valores partiCLJ!ares pueden variar.
2.a CEDENCIA La cedencia es la elongación permanente de un componente bajo una carga estática mantenida durante un cier·· to periodo de tiempo. Es un fenómeno de los metales y de ciertos materiales no metálicos, como los tennoplásticos y los hules, y puede ocurrir a cualquier temperatura. El plomo, por ejemplo, fluye bajo una carga a la tensión constante a temperatura ambiente. Para los metales y sus aleaciones, los flujos de importancia ocurren a temperaturas elevadas, empezando aproximadamente a 200ºC (400ºF) para las aleaciones de aluminio y aproximadamente a 1500°C (2800°F) para aleaciones refractarias. El mecanismo de cedencia a temperaturas elevadas en los metales por lo general se atribuye al deslizamiento de las fronteras de grano (sección 1.4).
, 74
Capítulo 2 / Comportamienlo mecánico, prueba y propiedades de manufactura de los materiales Sección 2.1 O/ Falla y fractura de los rflateria!es en la manufactura y en el servicio
0.8
·1
o
200
400
600
800
lOOO
Relajación de! esfuerzo. La relajación del esfuerzo está relacionada íntimamente con la cedencia. En Ja relajación del esfuerzo, los esfuerzos resultados de una carga de un componente estructural se reducen en magnitud a lo largo de un periodo de tiempo, aun cuando las dimensiones del componente se conservan constantes. Un ejemplo es la reducción en esfuerzo a la tensión de un alambre a tensión entre dos extremos fijos: otros ejemplos in elu yen reipaches, pernos, cables guías y otras partes similares a tensión, compresión o flexión. Este fenómeno es particularmente común e importante en los termoplásticos (sección 7.3).
0.7 Tit
_;;¡ 0.6 ~
'Q 0.5 ,_
*""
Acero
·;; ~
2
0.4
~ 0.3
~\
\\
~
Alcac10nc.s E 0.2 /-de magnesio 1 fl;ndido -l 0.1 [
:§
- - - Hierros fundidos - - Aleaciones de cobre
\
\
FIGURA 2.16 Relación del limite de fatiga a la resistenci<1
Aleacio11es de aluminio
'\ Aleaciones de
100
metales, como una función de
En muchas operaciones de manufactura, así como durante la vida de servicio de los componentes, los materiales están sujetos a cargas por impacto (o cargas dinámicas), por ejemplo, en operaciones de conformado de metal de alta velocidad como la forja de caída libre o por proyección (sección 14.9). Un ensayo de impacto típico consiste en colocar un espécimen con muesca en un probador de impacto, y romperlo con un péndulo en oscilación. En la prueba Charpy, el espécimen es soportado en ambos extremos (Figura 2. l 8a); la prueba Izod está soportado sólo en un extremo, como una viga en canti!ever (ftg. 2.l8b). Puede calcularse la energía disipada en la ruptura del espécimen partiendo del monto de oscilación del péndulo. Esta energía es la tenadd:,11.l al impacto del material. A diferencia de las conversiones de la prueba de dureza (ftg. 2.14) no se han establecido todavía relaciones cuantitativas entre las pruebas Charpy e Izod. Las pruebas de impacto son particularmente útiles en la determinación de la temperatura de transición dúctil frágil de los materiales (véase la sección 2.10.1). Los materiales que tienen una elevada resistencia de impacto son comúnmente aquellos que tienen una elevada resistencia y ductilidad, y por tanto, una elevada tenacidad. La sensibilidad a Jos defectos superficiales (sensibilidad a las muescas) es importante; reduce de manera s.ignificativa la tenacidad al impacto.
la resistencia a la tensión.
Dado que el aluminio no tiene un límite i1 la fctigil, las
L _ _ _ _J_ ___ _
50
2.9 IMPACTO
tensi! máxima de v.::1rios
niagnesio forjado
o o
150
Resistencia a la tensión (psi x 103)
200
correlaciones para el aluminio se basan en un número
específico de ciclos, como se observa en la fig. 2.15.
La cedencia es especialmente importante en aplicaciones de alta temperatura, como alabes de turbinas de gas y componentes similares en motores a chorro. También están sujetos a cedencia las tuberías de vapor de alta presión y los elementos de combustible nuclem·. La deformación por cedencia tmnbién puede ocurrir en berram ieotas y dados sujetos a elevados esfuerzos a temperaturas elevadas durante operaciones de lrnbajo en caliente, como la fo1ja, y ia extrusión. El ensayo de cedencia típicamente consiste eu sujetar un espécimen a una carga constante a tensión (de ahí, un esfuerzo ingenieril constante) a una cierta temperatura y medir los cambios en la longitud en varios incrementos en el tiempo. Una curva de cedencia típica por lo general consiste en etapas primarias, secundaria y terciaria (fig. 2. 17). Eventualmente el espécimen folla, debido a formación de cuello y fractura, conocida corno 1·w¡J1ü1r;,1 o n;píurn por flwc11d:1. Como sería de esperar. la velocidad de fluencia se incremenla con h1 temperatura y J;-1 carga ap1ic~1da.
2.1 O FALLA Y FRACTURA DE LOS MATERIALES [~,¡ LA MANUFACTURA Y EN EL SERVICIO La fa]fa es uno de Jos aspectos de mayor 1n1portancja del comportamiento de los materiales, ya que influye de nera directa en la selección ele un ma!lória! para una cierta aplicación, los métodos de manufactura y la vida de S·et· vicio del componente. Debido a los muchos factores involucrados, la falla y fractura de los materiales es un ;\u.:.ci
El diseño a fin de evit:u· la cede11cia por lo general involucm un conocimiento del rango secundario (lineal) y de su pendiente, dado que la velocidad de fluencia se puede determinar de manera confiable iínicamente cuando ta curva tiene una pendiente constante. Por lo general, la resistencia a la cedencia se incrementa con la temperatura de fusión de un material: este hecho sirve como una guía general para propósitos de diseño. En aplicaciones donde se requiere la resistencia a la cedencia, se utilizan de manera coinún aceros inoxidables, superaleaciones y metales y aleaciones refractm'ios.
(a)
t
1
V
Péndulo
Espécimen (JOxlOx55mm)
Rup1u 1
'~i
/1 t ~--------1'''"'"'"J,
O ~P11mana " -- - -:.j
""E /
--,- -
Muesc8.
.---..--
f: .
Secunddna
1
pefo;maci)en msfantánea __L
Tiempo
75
MPa
(b)
FIGURA 2.17 Ilustración esquemática de una curva de termofluencia típica. El segmento lineal de la curva (secundaria) es la utilizada en el diseño de componentes para una vida de fluencia específica.
Péndulo
(10 x 10 x 75 mm)
FIGURA 2.18 Especímenes de prueba de impacto: (a) Charpy; (b) lzod.
-----
.....
r 76 C1pítulo 2 /
(a)
Comportami(~nto mecánico, prueba y propiedade:;, de rnanufoctura efe Jos materiales (b)
Sección 2.1 O/ Falla y fraqura ~e !os materit1!es en la manufactura y en el servicio
77
(d)
(e)
FIGURA 2.21 Superficie de una fractu1·a dúctil en un acero
al bajo carbono, mostrando hoyuelos. La fractura por lo general se inicia en las impurezas, inclusiones o
flGURA 2.19 ilustración esquemática de los tipos de falla en los rnateriaies: (a) formación de cuello y fractur;¡ ele los materiak;s dúctiles; (b) pandeo de los rnatc1·iales dúctiles bajo una cmgd a compresión; le) fractura ele los
rnateriales frágiles (a)
(b)
,1
huecos preexistentes (microporosiclad) del metaL Fuente: l<.-H. Habig y D. l
compresión; (el) ruptura de la superficie dbarrilada de los materiales dúctiles a compresión. (e)
(el)
FIGURA 2.20 llustcación esquemótica de los tipos de (ractura a tensión: {a) fractura fr<ígil en metales po/ic1·istalinos; (h) fractura por corte en monocrista/es dúctiles, véase también la fig. 1.6a; (e) fractur;::i dúctil en copu y cono en metales policristalinos; (d) fractura dúctil completa en metaies policris(aJinos, con una reducción ele 1 oocx) del área.
En un espécimen de ensayo a la tensión. la fractura se inicia en el centro de la región de cuello. como resultado del crecimiento y ck la unión de las cavidades (fig. 2.22). La región central se convierte en unü grieta grande. como se puede observar en la sección media del espécimen de ensayo a la tensión en la fig. 2.22d:. esta grieta entonces se propaga hacia la periferia de la región del cuello. Debido a su apariencia, la superficie de la fractura en un espécimen ele prueba a la tensión se conoce como fracturn en copa y cono.
Efecto de las i11dusiones. Debido a que se trata de sitios de nucleación parn los huecos, las inclusio¡¡es tienen una influencia importante en una fractura dúctil y en consecuencia. en la capacidad de trabajar de de esíudio compleja; esta sección se enfoca únicamente en aqudlos aspectos de la falla que lienen un significado panicub,- para la selección y procesamiento de los malcriaies. Existen dos lipos generales de falla: Fa·acturn y separación del material, debido ya sea a grietas internas o exiernas. la fractura se subclasifica aun m;ís en dos ca1egorías generales, dúctil yfi"ági! (figs. 2. 19 y 2.20). PJ.Hiiílea~Jn ( fig. 2. 19b ).
Aunque la folla de los materiales por io general se considera como no deseable, algunos pwductos '" discofiw1 de manera que la falla sea esencial en su función. Los ejemplos Hpicos son, los recipientes (a) de alimentos y refwscos, con cejas o tapas completas que son reiíradas al desgarrar Ja lámina de metal a lo .largo de una 1rnyec1oria prescrita, y (b) los tapones de rosca par:t las botellas.
2. O. gue ar1tccecle a !a falla de !a pieza (fig. 2. J%). En L1 fractura dú
trónjibroso con hoyuelos, como si sobre la superficie de fractura se hubieran efectuado un cierto numero de ensayos muy pequeños a la tensión. La falla se inicia con la fo1mación de pequeños huecos, por lo general alrededor de pequeñas inclusiones o de huecos preexistentes, gue entonces crecen y se juntan desarrollándose
en grietas gL1c crecen en tamaño y que llevan a Ja fractura.
los materiales. Las inclusiones pueden estar formadas de impurezas de varios tipos y de partículas de segLmda fase. corno óxidos, carburos y sulfuros. La extensión de su inf1Liencia depende ele factores tales como su forma, su dureza, su distribución y gué fracción representan del volumen totaL Mientras mayor sea la frac· ción por volumen ele las inclusiones. menor sed la ductilidad del mate1iaL Los huecos y la porosidad desarrollados durame el procesamiento, como aquellos resultado ele la fundición (sección 10.3.6). reducen la ductilidad de un material. Dos factores ~1fectan la formación de huecos: >i.
la resistencia ele ia unión en la interfaz entre la inclusión y la matriz, si la unión es fuerte, enlonces hay menos tendencia a la formación de huecos durante la deformación plástica;
b. Ja dureza de la inclusión. Si es blanda corno una de sulfuro de magnesio. aceptará el cambio general de forma del espécimen o pieza de trabajo durante la deformación plástica; si la inclusión es dura (por ejemplo, carburos y óxidos. véase también la sección 8.2) podría resultar en la formación de huecos (fig. 2.23). Las inclusiones duras, debido a su naturaleza foígil, también se pL1eden romper en partículas más pequeñas durante la deformación.
Secuencia de eventos en la formación de cuello y fractura en un espécimen de ensayo a tensión: (a) etapa primera de la formación del cuello; (b) se empiezan a formar pequeños huecos dentro de la región del cuello; (c) los huecos se unen, produciendo una grieta interna; (d) el resto de la sección transversal empieza a fallar en la periferia por corle; (e) la fractura final llega a la superficie, conocida corno una fractura en copa (superficie superior a la fractura) y cono (superficie inferior).
FIGURA 2.22
Q
(a) B~~~· B(c) B(d)
º
.
..
·'· .
Corte
O'
Fibroso
713
C1plluio 1 /Comportamiento rned.níco, prueba y propiechdcs de manufoctura de lm, mJ!erialc"; Sección 2.1 O/ Falla y fraclura de los materiales en la manufactura y en el servicio (a) A11les de la dcfornwción
(b)
Matnz ..
Despué~ de Ja deformación
e~
~~~
Jnclusjón blanda
Dirct:ci6~-c.J;1~~rcvaiecc
/ 1 1
-
general de la matriz dúctil, las inclusiones duras pueden causar huecos internos.
~·~u~ 1 g
Q
2/
8
( jl
-
Engineering Associates, !ne.
1
111
Superficie de fractura del acero que ha fallado de manera frágil. La trayectoria de la fractura es transgranular (a través de los granos). Ampliación: 200X. Fuente: cortesía de B. J. Shulze y de S. L. /v\eiley y Packer FIGURA 2.25
Inclusión dura
FIGURA 2.23 Ilustración esquernálica de la deformación ele inclusiones blandas y duras y de su efecto en la ío1 rnación de huecos en la deformación plástica. Obsérvese que, dado que no cumplen con !a deformación
.¿
79
Hueco
/' Tt:mpi.muur~J
l____-- ·:./
de transición
-----~--..u!.__
1Cmpcrnwra --· ~ - ~
flGURA 2.24 Ilustración esqucmtüica de Ia ~emperatura de transición An los metales.
La alineación de las inclusiones durante Ja deformación plástica lleva a la formación de fil:mis mecliinirns (sección 1.5). Un procesamiento subsecuente de ese ma1erial, deberá involucrar consideraciones de la dirección apropiada del trabajo para una máxima ductilidad y re~i:-:;tencia.
de transición. Muchos materiales sufren un cambio brnsco en ductilidad y tenacid<1d en mi rango corto de temperatura, conocido como temperntiira de trnnsición (fig. 2.24). Es!e fenómeno ocurre en rnateriales cúbicos centrados en el cuerpo y en algunos hexagonales compactos; raramente aparece en los metales cúbicos centrados en la cara. La temperatura de transición depende de fr1c1ores como la composición. la microcs!.rnctura, el tamaño ciel grano, el acabado superficinI y la forma del espécimen y la velocidad de dcfonnación. La velocidades elevadas, los cambios abruptos eJl la fonna y las muesc¡¡s superficiales van 1a ternpcratura de transición.
elc~
Eswej,~dmiesito por deformación. El e11vejedmiento por deformación es un fenómeno en el cual !os átomos de carbono en Jos aceros se segregan en dislocaciones, fijándolos por tanto., y de esla manera irrcremcntc:.ndo la resistencia al movimiento de ias dislocaciones. El resultado es una mayo1 resistencia y uwi menor ductilidad. En vez de que ocurra a lo largo de varios días a temperatura ambiente, este fenómeno puede ocu1Tir en apenas unas cuantas horas a temperaturas más elevadas; se conoce entonces como envejecimiento acelerndrr por deformación. Un ejemplo de un envejecinúento acelerado por deformación en los aceros es la fragilidad azul, que se llama así por que ocurre en el rango de "calor azul", cuando el acero desarrolla una película de óxido azulado. Este fenómeno causa una reducción marcada en la ductilidad y la tenacidad, y un incremento en la resistencia de los aceros de carbono simple y de algunas aleaciones.
2.10.2 Fractura frágil La fracturn frágil ocurre con muy poca o ninguna deformación plástica. A la tensión, la fractura ocurre a lo !argo de un plano cristalográfico (plano de separación) en el cual el esfuerzo normal a la tensión es máxi-
mo. Los metales cúbicos centrados en Ja cara por lo general no fallan por fractura frágil, en tanto que Jos metales cúbicos centrados en el cuerpo (y alguno hexagonales compactos) si fallan por clivaje. En general, las bajas temperaturas y una alta velocidad de deformación promueve la fractura frágil. En un metal poli cristalino bajo tensión, la superficie de fractura tiene una apariencia granular brifüin·· te, debido a los cambios en dirección de los planos de separación conforme se propaga Ja grieta de un grano a otro (fig. 2.25). La fractura frágil de un espécimen a compresión es más complejo; incluso puede seguir 1ma trayectoria léóricarncnte a un üngulo ele 45° en relación con la dirección de Ja fuerza aplicada. Los ejemplos de fractura a lo !argo ele un plano de clivaje son la ruptura de la sal de roca y la peladura de capas ele mica. Los esfuerzo;; tensiles normales al plano de separación, causados por tensión se inician y controlan la propagación de la fractura. Otro ejemplo es el comportamiento ele materiales frágiles a tensión. como el gis, el hierro fundido gris y el concrelo fallan como se muestra en la fig. 2.20a. En torsión, fallan a lo largo de un plano en un ángulo de 45" relativo al eje de torsión (fig. 2.1 O), esto es, a lo largo de un plano en el cual el esfuerzo tensil es un máximo.
Defectos. Un factor importante en ia fractura es la presencia de defecws, como rayaduras. hendidura;; y grietas exten1as o internas preexistentes. Bajo tensión, la aguda punta de la grict
esfuerzos tensiles. lo que propaga la grieta rúpidamente, porque ei material tiene poca capacidad para disipar la energía. La presencia de defectos es esencial en la explicación ele por qué los materiales frágiles exhiben tal debilidad a la tensión (cuando se comparan con su resistencia a la compresión); véase la tabla 8.1. La diferencia es del orden de l O para roca y materiales similares, de aproximadamente 5 para el vidrio, y de aproximadamente 3 para el hierro fundido gris. Bajo esfuerzos a tensión, las hendiduras se propagan con rnpidez, causando lo que se conoce como unafalla catastrófica. En los metales policristalinos, las trayectorias de fractura más comúnmente observados son transgranulares (transcrista!inas o intragranulares); esto es, la grieta se propaga a través del grano. La fractura inlergrnnular, donde la grieta se propaga a lo largo de las fronteras de grano (fig. 2.26) ocurre generalmente cuando las fronteras de grano son blandas, contiene una fase frágil, o han sido debilitados por una fragilización ele metal líquido o sólido (sección 1.4). Fractura por fatiga. La fractura por fatiga ocurre típicamente en los materiales de naturaleza básicamente frágil. Se desarrollan grietas diminutas, externas o internas en los defectos preexistentes en el material; estas grietas entonces se propagan y finalmente, llevan a lil. falla total de la pieza. La superficie de la fractura por fatiga por lo general se caracteriza por el término marcas de playa,.por su apariencia (fig. 2.27). Bajo una gran amplificación (comúnmente más de lOOOX), se puede observar una serie de estrías sobre la superficie de la fractura, estando cada marca de playa formada por varias estrías.
(l(l
Capitulo 2 / Cornport;::imicnto mcc;,ínico, prueba y propiedades de manufacturG. de lo.s materiales
Sección 2.1 O/ Faila y frac~ura de Jos materiales en la manufactura y en el servicio
3·¡
MPa ;----¡-;----¡
c-¡---·--
500
FIGURA 2.26 Fractura intergranular a dos ampliaciones diferentes. Los granos y las frontera de grano son claramente visibles en esta micrografía. La trayectoria de la fractura sigue las fronteras de grano. Ampliaéión: izquierda, ·¡ OOX; derecha SOOX. Fuente: cortesía de B. J. Shulze y S. L. Meiley y Packe1· Engineering Associates, l1w.
Mejoría de ia resistencia a la fatiga. La vida a la fatiga es influenciada de manera importante por el método de preparación de las superficies de la parte o del espécimen (fig. 2.28). En general, la resistencia a la fatiga de productos manufacturados se puede mejorar utilizando los métodos siguientes:
o
800
induciendo esfuerzos residuales a cornpresión acero o el bruñido con rodiHo (sección 33.2);
sobr~ la superficie: por ejen1plo, rnediante la granalla de
endurecimiento superficial (cementación) mediante diversos métodos (sección 4.10);
1
Pulido Esmerilado
JO
~ "º" ~
20
·G
30
.."!
.i ~
5
40
~
:g ·e
o¿
Torneado fino
1-"
~
s.,_,ªº 0'0¡ <)'ºlo'c
50
60
c. proporcionando un acabado superficial fino, y por tanto, reduciendo el efecto de muescas y otras irnpcrfecciones superficiales; 70
d. seleccionando materiales apropiados y asegurándose que están libres de cantidades significativas de inclusiones) hueco:.-;. e impurezas. Por el contrario, íos Ütctorcs y procesos siguientes pueden reducir 1a resistencia al.a ·fatiga: clecarburación, picaduras superficiales (debidos a la CO!Tosión) que actúan como elevadores de esfuerzos, fragilización por bi· drógeno, gal vunización y elcctrodeposición.
Agl'ietamienfo por esfoerzo-corrosión. Un metal que por cualquier otra razón es dúctil, puede fallar por fragilidad por agiietamiento por esfuerzo-corrosión (también conocido corno agrietamientos por esfuerzo o agrietamiento estacional). La piezas libres de defectos pueden desarrollar grietas, ya sc:.i a lo lar-
FIGURA 2.27 Superficie típica de fractura por fatiga de los metales, mostrando marcas de playa. Amplificación: izquierda SOOX; derecha 1OOOX. Fuente: cortesía de B. J. Shulze y S. L. Meiley y Packer Engineering Associates, /ne.
1300
Pulido fino
g
ª"
,--------------.,---
1000
L_i_ 50
100
~
150
200
Resistencia tensil máxima (psi x 103)
FIGURA 2.2!1 Reducciones en la resistencia a la fatiga de aceros fundidos, sujetos a diferentes,.,,.,,,,.,,,_,,.,,"'" de acabado superficial. Observe que la reducción se hace más grande conforme se hace más aspereza supe1ficiJl y la resistencia del acero. Fuente: M. R. /v\itchell.
go de un periodo de tiempo o pronto después de haber sido manufacturadas a un producto. La propagación de gríetas puede ser intergranular o transgranular. La susceptibilidad de los metales a las grietas de esfuerzo-corrosión depende principalmente del material, de la presencia y magnitud de esfuerzos residuales tensiles y del entorno. El latón y los aceros inoxidables m1steníticos son de los metales altamente susceptibles al agrietamiento por esfuerzo. El entorno pLiedc incluir medios corrosivos corno agua salada u otros productos químicos. El procedimiento usual para evitar las grietas de esfuerzo-corrosión es relevar el e.1fuerzo de la pieza justo después de haber sido formada. Se puede llevar a cabo un recocido completo, pero este tratamiento reduce la resistencia de piezas trabajadas en frío. Fragilización por hidrógeno. La presencia ele hidrógeno puede reducir la ductilidad y causar una fra· gilización severa y la falla prematura en muchos metales, aleaciones y materiales no metálicos. Este fenómeno se conoce como fragilización por hidrógeno, y es especialmente severa en aceros de alta resistencia. Se presentan fuentes posibles de hidrógeno durante la fusión del metal, durante el limpiado químico (eliminación de los óxidos superficiales mediante reacción química o electroquímica), y durante la electrólisis durante la electrodeposición; otras son vapor de agua en la atmósfera y los electrodos húmedos y los fundentes utilizados en la soldadura. El oxígeno también puede causar fragilización, particularmente en aleaciones de cobre.
82
Cap(tulo 2 /Comportamiento mecánico, prueba y propiedades de manuf.:icturJ de los materiales
Sección 2.11 /Esfuerzos residuJle~
Ejemplo: fractura frágil de placas de acero utilizadas en la construcción de! Titanic Un análisis detallado del desastre del 7itanic en 1912, ha indicado que el barco se hundió, no tanto por haber chocado contra un témpano de hielo, sino por debilidades estructurales en las placas de acero. Las placas estaban hechas de acero de bajo grado, con un el.evado contenido de azufre; tenían poca tenacidad (según delerminado mediante la pmeba Ch,u·py, sec.ción 2.9) a! ser enfriadas (como ocurre en el Océano Atlántico¡ y sujetas a una carga de impacto cxtc Con este tipo de material. una grieta que se """'.'"<'""uª parw ae; casco .de acero soldado, pucGe propagarse rápidamente alrededor de todo el cascoyc;.aúsargµé !in.barco grande se pmta en dos. Una placa con una tenacidad más alta hubiese reducido lat~~ét\jfa ypennitído que el barco se mantuviese a flote durante más tiempo y se inundara más lentamente,
A pesar de que el 771anic estaba construido ccm pfacas frágiles, comó sabemos ahora partiendo ele hLs obsci·vaciones ffsícas y fotográficas del barco hun
2. 1'f
----------------------------------·· Cuando las piezas de trabajo se sujetan a una deformación no uniforme a lo largo de la pieza, desarrollan esfüerzos residuales. Se trata de esfuerzos que quedan dentro de la pieza una vez formada y eliminadas todas !as fuerzas exteriores. Un ejempío típico es la flexión de una pieza de metal (fig. 2.29).
El momento de flexió11 primero produce una distribución de esfuerzo lineal elástica (fig. 2.29a). Con .. forme se incrementa el momento externo, la fibras exteriores de !a pieza llegan a un nivel de esfuerzo lo suficientemente elevado para causar cedencia. Para un material de endurecimiento por deformación típico, se alcanza finaimente urw dislribLición de esfuerzos corno !a mostrada en la fig. 2.29b, y la pieza ha sufrido un doblado permanente.
(
t; - -v _~F~·w' -1
1
\
(e)
=e;;?.·
Retiremos ahora el momento externo sobre la pieza; esta operación es equivalente a aplicar momento igual pero opuesto. En consecuencia, los momentos de las úreas oab y oac de la fig. 2.29c deben ser iguales. La línea oc, que representa el momento opuesto, es lineal, porque toda descarga y recuperación es elástica (fig. 2.3). La diferencia entre ambas distribuciones de esfuerzo nos da un patrón de esfuerzo residual dentro de la pieza, según se observa la fig. 2.29d. Nótese que los esfuerzos residuales a compresión aparecen en capas ad y oe, y los esfuerzos residuales a tensión en las capas do y ej. Dado que no hay ninguna fuerza externa aplicada, las fuerzas internas resultado de estos esfuerzos residuales deben estar en equilibrio estático. Aunque este ejemplo involucra únicamente esfuerzos residuales en la dirección longitudinal de la viga, en la mayor parte de los casos en operaciones de manufactura estos es· fuerzas son tridimensionales. El equilibrio de los esfuerzos residuales de la fig. 2.29d puede ser en algún momento alterado, debido a la eliminación de una capa de material de la pieza. La viga entonces adquiere un nuevo radio de curvatura, a fin de equilibrar las fuerzas internas. Estas alteraciones de Jos esfuerzos residuales llevan a la distorsión de la pieza (fig. 2.30). El equilibrio de los esfuerzos residuales puede también ser destruido mediante la rela¡ación ele estos esfuerzos a lo largo de un cierto periodo de tiempo (véase abajo). Los esfuerzos residuales también pueden ser causados por gradientes de temperatura dentro de un cuerpo, como ocurre durante el enfriamiento de una fundición o de una forja. Las expansiones y contracciones locales causadas por los gradientes de temperatura dentro del material producen una deformación no unifor111c, como se ve en el doblado permanente de una viga. Por lo general no son deseables los esfuerzos residuales tensiles de la superficie ele una pieza, porque reducen la vida a la fatiga y la resistencia a la fractura de la misma. Estas situaciones resultan porque una superficie con esfuerzos residuales tensiles, no pueden sostener esfuerzos tensiles adicionales tan elevados provenientes de fuerzas externas, como los que soportaría una superficie libre de esfuerzos residuales. Este debilitamiento es particularmente característico de materiales frágiles (o menos dúctiles), en los cuales ocurre la fractura con muy poca o casi ninguna deformación plástica anterior. Los esfuerzos residuales le!lsiles pueden conduciT, a lo largo de un periodo de tiempo, a grietas por eófí;erzo y corrosión de los productos manufacturados. Los esfuerzos residuales a compresión de una superficie, por otra parte, son por lo general deseables. De hecbo, como hemos dicho anteriormente, a fin de incrementar la vida a la fatiga de los componentes, se imparten esfuerzos residuales a compresión de las superficies mediante técnicas como el granallado y el lw:u-
ífü:fo (sección 33.2).
HGURA 2.29 Esfuerzos residuales desarro!lé!do::. e11 la flexión de una viga con una sección transversJ./ rectangulJr. Obsérvese que las iuerz;:¡s y monwntos causados por los esfuerzos residu,;les en la viga dr•ben quedar Pquilibrados internamente. Debido a la ddonnación no uniforme de las oper
~(a~Jr=-
=·j-,
Redw::ción y e!iminación de esfoerzos residuales, Los esfuerzos residuales se pueden reducir o eliminar ya sea mediante el recocido de eliminación de esfuerzos o mediante una deformación adicionai de la pieza, como su estirado. Dado un tiempo suficiente, los esfuerzos residuales también pueden disminuir a temperatura ambiente. mediante la relajación de los esfuerzos residuales. El tiempo requerido para la relajación puede reducirse de manera importante elevando la temperatura de la pieza de trabajo.
Antes
Después
compresión
2¡~1
w A'i
1) 1
(')¡
1
lª
1
°e
/
f
33
FIGURA 2.30 Distorsión de piezas, con esfuerzos residuales, después de cortar o de ranurar: (a) hoja plana o placa; (b) varilla redonda sólida; (c) tubo o tubería de pared delgada.
ll4
Capitulo 2 / Comporlzimiento rnecánico, prueba y propic:-'dadP.s de manufzictura de los materiales Términos clave
2.·12 TRABAJO, CALOR Y TEMPERATURA Pníclicamente todo el trabajo mecánico de deformación en el trabajo plástico se convierte en calor. Esta conversión no es completa, porque una porción de este trabajo queda almacenado dentro del materia! deformado como energía elástica. Ese trabajo residual se conoce como energía almacenada (sección !.6), y representa comúnmente 5 o J0% de la energía total de entrada; en algunas aleaciones, sin embargo, puede ser tan alto como 30%. En un proceso simple sin fricción, suponiendo que el trabajo se convierte totalmente en calor, la elevación de temperatura teórica (adiabática). ilT, está dada por
ilT = !'_, pe
(2.15)
donde u es la energía específica (trabajo de deformación por unidad de volumen), pes la densidad. y e es el calor específico del material. Se puede observar que están asociadas las temperaturas más elevadas con graneles áreas bajo la curva ele esfuerzo-deformación y con valores más pequeños de calor específico. Debe observarse que estas propiedades como calor específico y conductividad térmica también dependen de la temperatura, y deben ser.tomadas en consideración en los cálculos. La elevación de temperatura para una deformación real de l (como ocurre en un espécimen de 27 mm de al lo cuando se comprime hacia abajo hasta 10 mm), se puede calcular como sigue: aluminio 75ºC (165ºF): cobre 140ºC (285ºF); acero de bajo carbono 280ºC (535ºF); titanio 570ºC (l060ºF). En operaciones reales, e! calor se pierde en el entorno, a las herramientas y dados y hacia cualquier lubricante y refrigerante que se haya utilizado. S·i el proceso se lleva a cabo con mucha rapidez. estas pérdidas pueden ser relativamente pequeñas en dicho periodo. Si el procesu se ílcva a cabo lentamente, la elevación real de ternperntura será únicamente una pcgueíía porción del valor calculado.
Cákulo de la elevadón de temperatura Calcule la encrgfo específica y la elevación teóríca ele lempcrarura para un clemcnro en él área deí cuello de un espécünen de ensayo a fa tensíón utilizando Jos datos dildos en Ja fig. 2.5. 1
Solución: La energía específica de un elemcn!o en eí flrea del cuello (a fa fractura) es ci ;irca bajo la curva rea! (comegida) de esfuerzo-deformación real de la fig. 2.Sc. Se estima ésü1 coi:no de 155/lOO pulgadas· fi. La elevación teórica de temperatura se obtiene de la ecuación (2. l 5). Suponiendo que el espécimen es[ú fabricado de acero inoxiclabk con un r = 0.29 libras/pulg3 y e= O.J 2 Btu/libra · "F. renemos
ilT = l55,000/(0.29J(O.l2)(778)(12) =.477ºF"" 247"C. Observe que l;J elevación real de temperatura serd inferior, debido a las pérdidas de calor durante el ensayo. de la zona del cuello al resto del espécimen y hacia el entorno.
RESUMEN "' Muchos procesos de manufactura involucran el formado de materiales mediante la deformación plástica; son por tanto factores importantes propiedades tales como la resistencia (cedencia, resistencia Y, y resistencia tensil máxima, UTS), módulo de elasticidad (E), ductilidad (elongación total y reducción del área), dureza y energía requerida para la deformación plástica. Esas propiedades a su vez dependen del material en particular y de su estado, temperatura, velocidad de deformación, estado superficial y entorno.
35
" Para determinar las propiedades mecánicas se utilizan comúnmente ensayos de tensión; de éstos, se desarrollan curvas de esfuerzo real-deformación real que son importantes en Ja determinación del coeficiente de resistencia (K), el exponente de endurecimiento por deformación (nJ, el exponente de sensibilidad a la velocidad de deformación (m) y Ja tenacidad de los materiales. <> Los ensayos de compresión sufren de inexactitud debido a la presencia ele la fricción y al abarrilamicn-
to resultante en el espécimen. Los ensayos de torsión se llevan a cabo en especímenes tubulares sujetos a torcedura. Los ensayos ele flexión o doblez se utilizan comúnmente para materiales frágiles, para determinar el módulo de ruptura o la resistencia a la rnptura transversal. " Se utiliza una diversidad de ensayos ele dureza para determinar la resistencia de un material contra la indentación o rayaduras permanentes. La dureza está relacionada con la resistencia mecánica y la resistencia al desgaste, pero no es, por sí misma, propiedad fundamental de un material. " Los ensayos de fatiga indican límites de resistencia a la fatiga o límites de fatiga de los materiales, esto es, el esfuerzo máximo aí cual se puede sujetar un matetial sin que exista falla por fatiga, independientemente dd nnmero ele ciclos. " La ceclencia es la elongación permanente de un componente bajo una carga estática mantenida durante un cicrlo periodo de tiempo. El espécimen finalmente falla por ruptura (formación de cuello y ele fractura), como ocurre en un ensayo a la tensión. " Los ensayos por impacto determinan la energía requerida para Ja ruptura (romper completamente el espécimen); esta energía se conoce como la tenacidad al impacto del material. Los ensayos por impacto también son útiles para determinar la temperatura de transición dúctil a frágil ele los materiales. " Los esfuerzos residuales son aquellos que quedan en una pieza de trabajo una vez que se ha deform;i·do plásticamente y se han retirado todas las fuerzas externas. Los esfuerzos residuales superficiales a tensión son generalmente no deseables; se pueden reducir o eliminar mediante recocido ele alivio de esfuerzos, mediante una deformación plástica adicional, o mediante relajación a lo largo del tiempo. " La falla y fractura es un aspecto importante del comportamiento de un matetial cuando está sujeto a deformación en las operaciones de manufactura. La fractura dúctil se e
TENDENCIAS ,, Se está diseñando y manufacturando equipo de prueba con controles por computadora para una mayor precisión y eficiencia de operación. ., Se están desanollando nuevos probadores de dureza para medir la dureza ele recubrimientos tan de!g
TÉRMINOS CLAVE Agrietamiento por esfuerzo-corrosión Carga por impacto Cedencia Coeficiente de resistencia
Compresión Corte Deformación ingenieril Deformación reai
Ductilidad Dureza Efecto Bauschinger Elongación
86
C
Ensayo de torsión Envejecimiento por deformación Esfuer;;:o a la cedencia Esfuerzo ingenieril Esfuerzo real Esfuerzos residuales Exponente de endurecimiento por deformación Exponente· de sensibilidad a !a vcloddad de deformación
Fa! la por f"atign
de:~
mv.nufactwa de !os materizdes
Fatiga Fractura Fragilidad azul Inclusiones Microdureza Módulo ele corte Módulo de elasticidad Módulo de rigidez Módulo de rupturn Pandeo
Problemas cualitalivos
Prueba de disco Reducción de área Relación de Poisson Resistencia tensil máxima Ruptura Superplasticidad Temperntura de transición Tenacidad
87
2.15 ¿Qué es la formación de cuello? 2.16 ¿Cuál es la razón por la que la rcsistenda a la cedencia se define como el 0.2% de la resistencia compensada? 2J.7 ¿Por qué la resistencia a la fatiga de un espécimen o de una parte o de una pieza depende de su acabado superficial? 2.18 Si bajo el ex.amen microscópico de una superficie
Tensión
Velocidad Je deformación
PROBLEMAS CUALITATIVOS
BI
2.20 Utilizando Ja misma escala para el esfuerzo tensil, la curva cte esfuerzo real contra
A0hby, M.F., iYlaLerials selecl.ion in mechoniral design (2a Ed.). Pergamon, J999.
Ashby, M.E, y D.RH. Jones, Engineering materia/,\', Vol. I, An introduction to their properties nnd applications (2a ed.), 1996; Vol. 2, An inLruduction to microstructures, processing and design (2n ed.), 1998: Vol. 3, Materia!s failure anafysis: case studies and d('sign implications, ! 993. Pcrgamon.
ASJV! Handbook, Vol. 8: 1!4echanicaf testing. ASM fnternationaL l 91\5.
Boycr, H.E. (de.), Alfas ofslress-strain curves. ASM fnlernaüonal, ~ 986. Budinski, K.G., Engineering malerials: properties and selectio11, (5a cd.), Prcnticc Hall, 1996.
ChawJa, KK., y M.A. Majers, Mechanicai behavior (!/'mawria/s. Prentice Hall, 1998. Counney, T.I-L !viechcmical behc;.i;ior of materials, J\kGrawHill, 1990. Davis, H.E., G.E. Tmxeil, y G.F.W. ffauck, 'llze testing ofengineering materia/,\ (4a ed.), McGraw- Hill, l 982. Dicter, G.E_ Mechanical metallurgy (3a c.d.). McGru.w-HilJ,
1986. D0'0iling,
compresión. 2.21 Con la ayuda ele un esquema simple, explique si es necesario utilizar el método de compensación para determinar el esfuerzo a la cedencia, Y, de un material que ha sido trabajado en frío de manera importante. 2.22 Explique por qué la diferencia entre la deformación ingenieril y la deformación real se hace más grande conforme se incrementa la defonnación ¿Ocurre esa diferencia para deformaciones ten siles y compresivas? Explique. 2.23 Si un material no Llene un límite de fatiga (por ejemplo, eJ aluminio), de qué manera estim8ría usted su vida a la fatiga? 2.24 ¿Qué ensayos y escala de dureza utilizaría usted para tiras muy delgadas de metal como el papel de aluminio? ¿Por qué? 2.25 ¿Cuál de las dos pruebas, la de tensión o !a de compresión, requiere de una máquina de ensayo de mayor capacidad,
engineerinJt
niethods o.f dtformati011, fractu.re, andfati¿;ue. (2a ed.). Prentice Hall, 1999. 11ardness Testing, ASM I.ni.ernational, 1987.
y por qué? 2,2(, Liste y brevemente explique las condiciones que !levan a la fractura frágil de un metal, que por otra parte es dúctil. 2.27 Liste los factores que usted consideraría en !a selección de un ensayo a la dureza y entonces en la interpretación de los -resultados de este ensayo. 2.28 Utilizando la fig. 2.6 únicamente, explique por qué usted no puede calcular la elongación porcentual de los materia-
les listados. 2.29 Si usted estira y ro!Ti.pe un espécimen a la prneba de tensión con rapidez. ¿dónde aparecería la tempcra!t1rn más ele~
DE 2.] Disünga cnlrc esfuerzo ingenieril y esfuerzo real. 2.2 Describa los eventos que ocurren cuando un espécimen sufre Llíl ensayo a !a tensión. Trace una curva de esfuerzo-deformación, iden1.ifigue todas las regiones y los pumos ;.;ignificativos enlre los mismos. Suponga que Ja carg~i contimrn
basta Ja fractura.
2.3 ¿Que es ductilidad y cómo se mide? 2.4 En la ecuaclón cr:::: Kf/', que representa la curva de esfuerzo-deformadón de un material, ¿cu:-il e::; el significado del exponente n? 2.5 ¿Qw¿ es sensibilidad a la velocidad de deformación, y cómo se mide? 2.6 ¿Qué prueba puede medir la propiedades de un material que está sufriendo deformación cortanle?
vada y por qué? 2.30 Comente sobre sus observaciones en rcladón con í:'l contenido de !a tabla 2.2. 2.3.! ¿Es la banda de hule un ejemplo de un material frágU o dúctil, cuando se le prueba a temperaturas diferentes?
2.32 ¿Sería la prueba de disco aplicable a un material dúctil? 2.33 ¿Qué ensayo a la dureza es adecuado para determinar la dureza de un recubrimíento cerámico delgado? 2.34 Un incremento en la aspereza superficial lleva a reducciones en la resistencia a la fatiga. En una superficie de acero, una operación de granallado de acero lleva a un incremento en la resistencia a la fatiga, aun cuando la aspereza :~u perficial aumenta. Explique esta paradoja. 2.35 El cable de acero está formado de muchos alambres que se tuercen y se enderezan conforme el cable es pasado por una polca. Una falla del cable de alambre es investigado, y se encuentra que alguno de los alambres, al ser examinados bajo un microscopio electrónico de barrido, despliega hoyuelos, en tanto que otros despliegan superficies de frac-
2.8 Describa las djferendas entre fractura frágil y fractura dúctil.
tura transgranular. Explique estas observaciones. 2.36 En un material se lleva a cabo un muestreo estadístico de los ensayos a la dureza Rockwel 1C, y se determina que el material es defectuoso debido a una dureza insuficiente. El proveedor insiste que !os ensayos están sujetos a error, porgue el indentador de cono de diamante probablemente estaba sin punta ¿Es ésta una preocupación válida? Explique
2.9 Explique la diferencia entre relajación de esfuerzos y fluencia (de cedencia).
2.37 En un ensayo de dureza Brinell, la impresión resultante se encuentra ser una elipse. De una explicación posible para
2.7 ¡,Qué procedimiento de prueba se puede utilizar para medir las propiedades de materiales frágiles, como los cerámicos y los carburos?
2.10 Describa la diferencia entre comportamiento elástico y comportamiento plástico. 2.11 Explique qué es la elongación uniforme en el ensayo de tensión. 2.12 Escriba las diferencias entre rapidez de defo1mación y velocidad de deformación ¿Qué unidad tiene cada una de ellas? 2.13 Describa las dificultades involucradas en Ja elaboración de un ensayo de compresión.
2.14 ¿Qué es Ja ley de Hooke? ¿El módulo de Young? ¿La relación de Poisson')
este resultado. 2.38 Algunos recubrimientos son extremadamente delgados, algunos, tan delgados como unos cuantos nanómetros_ Ex-
plique por qué incluso !a prueba Knoop es incapaz de obtener resultados razonables para estos recubrimientos. Investigaciones recientes han intentado utilizar diamantes muy pulidos (radio de la punta de alrededor de 5 nanómetros) para in dentar estos recubrimientos en microscopios de fuerza atómica ¿Qué preocupaciones tendria usted en relación con lo apropiado ele los resultados?
-.4'!
83
C.1µí1ulo 2 / Comportarnicnlo mecánico, prueba y propiedades rfrJ manufactura de los materiales
Síntesis y diseño
PROBLEMAS CUANTITATIVOS
89
2.57 Si un material tiene una dureza objetivo de 400 HB, ¿cuál es el diámetro esperado de indentación? 2.58 Se prueba un material a tensión. En una longitud calibrada de 1. pulgada, las mediciones ele deformación ingenicrii son de 0.01, 0.02, 0.03, 0.04, 0.05, 0.1, 0.15, 0.2, 0.5, y LO. Trace la deformación real, en función de la deformación de ingeniería para estas lecturas.
2.39 Un sujelapapeles está fabricado ele alambre de 1.2 mm de diámetro. Si el material original del cual se fabric(, el alambre es una varilla de 18 mm de diámetro, calcule las deformaciones inge11ie1il y real longitudinales que ha sufrido el alambre durante su proceso.
2.4iJ Una Lira de metal tiene 200 mm de largo. Se ie estira en dos pasos, primero hasta 350 mm y después a 400 mw. De-
SÍNTESIS Y DISEÑO
muestre que la deformación real totcil e:; la smna de la.s deformaciones reales de cada pas0, esto es, que las deformaciones verdaderas son aditivas. Dcmueslre que, en el caso de las deformaciones ingenieriles, lao deformaciones no se pueden sumar para obtener la deformación total.
2.59 Liste y explique las propiedades mecánicas deseables para (a) un cable de elevador, (b) un sujetapapeles, (e) un muelle de hoja para un camión, (d) una ménsula para un librero, (e) un alambre de piano, (f) un colgador de ropa de alambre, (g) un alabe de turbina de gas, y (h) una grapa.
2.41 Identifique los dos materiales de la fig. 2.6 que tienen las elongaciones uniformes más bajas y más altas. Calcule estas cG.n1.idades como porcentajes de las longitudes calibradas originales.
2.42 Si usted elimina la capa de material i abajo usted tiene resortes a compresión, a tensión, a compresión y tensión).
2.60 ¿Cuando se prepara una hamburguesa ha observado usted eJ Lipo de grietas que se muestran en la fig. 2.19d? ¿qué es lo que usted puede hacer para evitarlas? (Nota: pruebe las hamburguesas sin cocer, comprimiéndolas a diversas temperaturas y obsene la trayectoria de la grieta, es decir a través de las partículas de grasa. las partículas de carne o su interfaz.)
2.43 La elongación porcentual siempre se describe en función de ia longitud original de calibración, como SO mm o 2 pulgadas. Explique como varía Ja elongación conforme se incrementa la longitud ele calibración del espécimen de tensión. (Sugerencia: recuerde que la formación del cuello es un fenómeno local, y piense en Jo que ocurre con la elongación conforme la longitud calibrada ;-;e hace muy pequeña.)
2.61 Un material arcilloso económico, que se conoce como "Silly putty", a menudo eslá disponible en las tiendas que venden juguetes y juegos. Obtenga un poco y efectúe los siguientes experimentos. (a) Fórmelo en una bola, y déjelo C8er sobre una superficie plana. (b) Coloque la bola otra vez redondeada sobre una mesa, y coloque un libro pesado encima. (e) Fórmelo en una pieza cilíndrica larga, y cstírclo hasta romperlo, primero ientamentc y después rápidamente. Describa sus observacione::;, y refiérase a las secciones específicas de este capítulo, donde. corresponda cada una de las übservacicmes particulares.
2.44 Haga un esbozo mostrando la naturaleza de distribución de los esfuerzos residuales de la fig. 2.30a y b, antes de que se corlaran. (Su¡;eren.cia: suponga que las partes cortadas ~stán libres de cualquier esfuerzo: enrunces obligue a estas partes de regreso a la fomia que tuvieron anlcs de que fueran cortadas.)
2.62 Haga dibujos individuales de !os mecanismos de las máquinas de ensayo que en su opinión serían apropiados para ei ensayo a tensión, a torsión y a compresión de especímenes a diferentes velocidades de deformación ¿Que modificaciones haría usted para incluir los erectos de la tem.peratura en las propiedades de material?
2.45 Se ie dan a usted los valores K y n de dos metales diferentes ¿Es esta información suficiente para determinar cual ele los dos metales es más tenaz? ¿De lo contrarlo, que información adicional necesita?
2.63 En las pruebas de tensión de los especímenes, se utilizan instrumentos mecánicos y electrónicos para medir la elongación. Haga esquemas de los in.strumenLos que serían adecuados para este fin. Comente sobre su precisión ¿Qué modificaciones haría usted para incluir los efectos de ]a temperatura en las propiedades de los materiales?
2.4(> Un cable est;í hecho de dos lrenzas Je mal.eriales diferentes, a y b, y con secciones transversales como sigue. Del material A: K
=70,000 psi, n =0.5, A0 = 0.6 pu1g2.
2.64 En 1:.~ sección 2.6.1 describimos el ensayo de dureza Mohs. Obtenga pequeñas piezas de mate1iales metálicos y no me· tálicos, incluyendo piedras. Frótelas una contra la otra, observe las rayaduras que resultaron. y ordénelas de una manera similar ai sistema de numeración Mobs.
De! material B: K = 25,000 psi, n = 0.5, A0 = 0.3 plJ!g 2•
2A7 En base a la información dada en la fig. 2.6. calcule la rcsislcncia lensiJ máxima (ingenieril) del cobre recocido.
2.65 Demuestre la rch~jación de los esfuerzos al estirar fuertemente hilos delgados Je plástico entre dos clavos en una larga pieza de madera. Tire de las cuc:rdas con frecuencia, para probar la Lcn1'ión corno una función del tiempo y de la temperatura. (Cambie la temperatura colocando el dispositivo en un horno ajustado en "baja".)
2.48 En una prueba de disco efectuada en un espécimen de 1.25 pulgadas y de Ji& de pulgada de espesor, el espécimen se fractura a un esfuerzo de 30,000 psi ¿Cuál fue la carga .sobre el mismo?
2.66 Demuestre la tenacidad al impacto de una pieza redonda de gis primero utilizando una lima triangular para produclr una muesca en V, segün se mucslrn en la fig. 2. l 8a, y después doblando el gis para romperlo.
2.49 Una pieza de acero tiene una dureza de 350 HB. Calcule la resistencia a la tensión en MPa y en psi.
2.67 Utilizando una banda de hule grande y un juego de pesas, obtenga la curva de fuerza-desplazamiento de la banda de hule ¿De qué manera esto difiere de las curvas esfuerzo-deformación que se muestran en la lig. 2.5?
Calcuk la fuena m;:lxirna a la tensión que este cabk puede resis1lr, antes ch:. formar cuello.
2.5() Un material tiene las propiedades siguientes: resistencia lensil máJlima = 50,000 psi y n =' 0.3. Calcule su <:odicientc de resistencia, K.
=
=
2.51 Un material tiene un coeficiente de resistencia K 100,000 psi y n 0.2. Suponiendo que un espécimen de ensayo a tensión se fabrica de este material y empieza a formar cuello a una deformación real de 0.2, muestre que la resistencia tensii máxima de este material es 59,340 psi. 2.52 Se define el módulo de resilencia como el área bajo la región elástica de la curva esfuerzo defonnación del material; tiene las unidades de energía por volumen unitario. Deduzca una expresión para el módulo de resilencia en función al esfuerzo de cedencia y del módulo de elasticidad del material. 2.53 ¿Cuál es el módulo de resilencia para una pieza de acero muy trabajada en frío, que tiene una dureza de 260 HB '! ¿Y para una pieza de cobre muy trabajada en frío, con una dureza de 100 HRB? 2.54 Utilizando únicamente la fig. 2.6, calcule la carga máxima a la prueba a la tensión de un espécimen de acero inoxidable 304 con un diámetro original de 7mm. 2.55 Trace las curvas esfuerzo-defonnación reales para los materiales de la tabla 2.3. 2.56 La especificación de diseño para un metal requiere de una dureza mínima de 75 HRA. Si se lleva a cabo una prueba Rockwell y la profundidad de penetración es de 75 µm, es el material aceptable?
----
Sección 3.2 /Densidad
3
3.2 DENSIDAD
Propiedades físicas de los materiales 3.'I
3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8
introducción Densidad Punto de fusión Calor específico Conductividad térrnic:i Dilatación térmica Propiedades eléctricas, ma¡:n<;ticas y ópticas Resistencia a la corrosión
3.
La densidad de un material es la masa por unidad ele volumen. Otra manera de exprr;sar la densidad de un material es en relación con la del agua; esta canti.clacl se conoce como gravedad específica, y no tiene unidades. En las tablas 3. J y 3.2 aparece el rango de densidad para una variedad de materiales a temperatura ambiente, además ele otras propiedades. El ahorro en peso es de particular importancia para estructuras de aeronaves y naves espaciales, para ca· rrocerías automotrices y sus componentes, y para otros productos donde la mayor preocupación es el consumo de energía y las limitaciones de la misma. La sustitución del material en función del ahorro en peso y en la economía es un factor importante en el diseño, tanto ele equipo y maquinaria avanzada como en productos de consumo como los automóviles. La densidad juega un papel significativo en la resistenci.i específica (relación de resistencia a peso) y en la rigidez específica (relación de rigidez a peso) de materiales y estructuras. La tabla a continuación muestra la relación del esfuerzo de cedencia máxima a densidad para una diversidad de aleaciones metálicas. Nótese que el titanio y ei alLiminio están c11 la parte superior de ia lista; en consecuencia, y corno se describe en el capílulo 6, son de los metales ele uso más común para aplicaciones en aeroaaves y en naves espaciales.
lA!UA 3.1
Propiedades físicas de materiales seleccionados a temperatura ambiente_ Densidad
Aluminio A~cacioncs
de aluminio
Este capítulo describe la importancia de las relaciones resistencia a peso y rigidez a peso, particularmente para estructuras ele aeronaves y aerospaciales, y se explicará la importancia de la densidad. Por ejemplo, el equipo de alta velocidad, como la maquinaria textil y de imprenta y las mfíquinas de formado y corte, requieren de componentes ligeros para reducir las fuerzas de inercia. También se analizan otros ejemplos de Ja importancia de las propiedades físicas. Cada propiedad ílsica se presenta desde el punto de vista de la selección del material y de la manufactura, y ele su importancia respecto a la vida de servicio del componente.
Conductividad térmica (W/m Kl
Punto ele fusión (ºC)
Calor específico (J/kg K)
2700
060
900
222
2630-2820
476-654
880-920
!21--239
(kgírn
Metal
3
)
·-----------------
Berilio
1854
1278
1884
146
Colombic (niobio)
8580
2468
272
Cobre
8970
1082
385
Ak:
7470-8940
885-1260
377--135
52 39'3 29-234
Hierro
7860 6920-9 !30
1537
46()
7-~
l.17.1-1532
-148-502
3'27 182·-326
126-138
15-52 35 24-46
Aceros Plomo
En adición a las propiedades mecánicas descritas en el capítulo 2) en la selección y procesamiento de Jos materiales también e.e deben considerar las propiedades físicas. Las propiedades de intcrcs particu!~r son Ja densidad, ei punto de fusión, el calor específico, la conductividad y dilatación k'r. rnica, las propiedades elécíricas y magnéticas, y la resisLcncia a !a oxidación y a !a corro1'ii(m. ¿Por qué, por ejemplo, el alambrado eléctrico por lo general está fabricado de cobre'' ¿Por qL1é se utilizan tan comúnmente en utensilios de cocina metales corno el aluminio, el acero inoxidable y el cobre? ¿Por qué sus agaffaderas están normalmente fabricadas de madera y de plástico, en tanto que otro tipos de agaffaderas se fabrican de metal?¿ Qué tipo de material debernos elegir para los elementos calefactores en los tostadores? ¿Por qué las naves :i.éreas comerciales son comúnmente fabricadas de aluminio y de algo ele titanio, y por qué algunos componentes ele aeroplanos están siendo gradualmente reemplazados por otros fabricados de plásticos reforzados?
90
91
Aleaciones de plomo
1 i..150 8850-1 l _350
!30
1745
650
1025
154
Aleaciones de magnesio
1770-178()
610·.{)21
1046
75-138
Aleaciones de molibdeno
10,210
2610
276
142
8910
1453
440
92
Aleaciones de níquel
7750-8850
1110-1454
381-544
12-63
Aleaciones de lanlalio
16.600
2996
142
54
Titanio
4510
1668
519
17
4430-4700
1549-1649
502-544
8-12
19,290
3410
138
166
7140
419
385
6640-7200
386-525
402
113 105-l !3
Magnesio
Níque!
Aleaciones de titanio
Tungsteno Zinc Aleaciones de zinc
No metálicos Cerámicos
2300-5500
Vidrios
2400-2700
Grafito
1900-2200
Plásticos
900-2000
Madera
400-700
750-950
10-17
580-1540
500-850
0.6-l.7 5-10
110-330
1000-2000
0.1-0.4
2400-2800
0.1-0.4
840
92
Capítt.do J /Propiedades físicas dE· ios rn;:ireri21íes
Sección 3 .2 /Densidad
TAJBu:, 3:.2 Densidad
Propiedades físicas de los materiales, en orden descendente Punto de fusión
Calor específico Madera Berilio Porcelana Alumini<1 Grafito Vidrio Titanio
------------PI ali no
Oro
Tungsteno T<.mtalio
Tungsteno
Molibdeno
'T8ntalio
Plomo Plata
Coínmbio Titilnio Hierro
Molibdeno
Berdio
Cobre Acero Titanio
Cobre
Aluminio
Oro Plaln Aluminio
Berilio
Magnc.sio
Vidrio Magnesio Plásticos
Plomo Estaño Pl<ísticn;.:
Hierro Cobre i\!Iolibdi.:::110 Tungsteno Plomo
111 X ¡()4
Conductividad
térnlica Plata Cobre
Oro Aluminio Magnesio Grafito Tungsteno Berilio Zinc Acero Tantalio Cerámicas Titanio
Dilatación térmica
Conductividad
eléctrica
Plásticos Plomo
Plata Cobre
Estai1o
Oro
(a)
------
Gr~.fito/rnalriz
Aluminio
Aluminio
Magnesio
Titanio Aluminio
Oro Cerümicas
Estuñ<>
Vidrio Tungsteno
Grafito Cerámicas Vidrio
Vidrio
..
A et.: ro
=~, Resistencia a la tensión/densidad (pu!g x Jü6 )
mx 106 (h)
Plásüco:.; Cuurzo
Plásticos
--------
7.5
Vidrio/mati·iz epóxica
Cobre Acero
epóxic<
Boro/matriz epóxica
fvlagncsio
Tungsteno Berilio Acero
5.0
2.5
10
Grafito/matriz epóxica -----~··--
15
t'.;:;;:;:;:;¡:;::s;;;:=;;-:.:;:;:;¡:;:;;;:;;::;;;;i
Boro/Jrn.Hriz ep(íxica Berilio
En !a fig. 3. J se rnuestra d rango de resisLcnc]a y rigidez específicos a tcínperatura an1bicntc, para una variedad de materi,iles metálicos y no metálicos. Nótense las posiciones de los maleriales compositos, en comparnción con las de los mclale~, en lo que se refiere a esras propiedades; estas ventajas han hecho que Jos compositos se han hecho de los materiales más importantes (véase el capítulo 9). A temperaturas elevadas, la resistencia y 1~ rigidez específicas iarnbi15n son importantes consideraciones, dadas las temperaturas ;¡ las cuales operan
Vidrio/matriz cpóxica
TiLanio
FIGURA 3.1 Resistencia específica (resistencia a la tensión/densidad) y rigidez específica (móciulo elástico/ densidad) pa1-a varios materiales a lemperatura ambiente. (Véase tambiér: el capítulo 9.) Fuente: M.J_ Sa!kind_
Acero
Aluminio
ív'lódu[o el~btico/den:)td.td (pulg X 1OH)
Esfuerzo máximo de cede;ncia/ Aleación Titanio A!mninif) Acero 1\1;u;n~;si(1
Níquel C)brc T<111talio fVflilibdcn(J
Plomo
dens!dad
x
1250 800
FIGURA 3.2 Resistencia específica (resistencia a la tensión/densidad) para una variedad de m
750 675 ))()
ºC
501! 11.0
5011
3.:2
215
:3
1500
1000
2.8
X
cienos componentes y sistc1nas, como Jnotores automotsices y de propulsión a chorro y turbinas de gas, en la fig_ 32 se clan rangos típicos para una diversidad de materiales.
.2!' 2.4
8
La densidad es un factor importante en la selección de los materiales para equipos de alta velocidad; obsérvese, por ejemplo, el uso del magnesio en maquinaria de imprenta y textil, muchos de los componentes de dicha maquinaria operan normalmente a velocidades muy elevadas. Para obtener tiempos de exposición de l/4000s en cámaras sin sacrificar Ja precisión, los obturadores de algunas cámaras de alta calidad de 35 mm están hechos de titanio.
]
i
.........._
Composíto de matriz metálica
16
Composito de matriz metálica de titanio
-"
1.2
~
'i
0.8
~
0.4
~
La baja masa resultante de los componentes en estas operaciones de alta velocidad reducen las fuerzas de inercia que de otra manera conducirían a vibraciones, a falta de precisión e incluso, a lo largo del tiempo, a la falla de la pieza. Gracias a su baja densidad, los cerámicos están siendo utilizados ahora para componentes de maquinaria automatizada de alta velocidad y en máquinas herramientas.
Polímero reforzado con fibra de carbono de módulo intermedio
2.0
Composito de matriz metálica
~ de alta temperatura
~
Por otra parte, existen aplicaciones donde el peso es deseable. Los ejemplos son los contrapesos de varios mecanismos (utilizando plomo o acero) y los componentes para relojes automáticos (utilizando materiales de alta densidad corno el tungsteno).
Compo1-1íto.s de carbono/carbono "1Icac·1 ¡ .
·-~ ºlles 6,, ll 9l1e¡~o A eac1ones base 80
-e
oo1
OJliJ!¡¡eo · 1
500
.,¡º
1000
1500
1•
2000
Temperatura, ºF
-----
cadmio
-?500
Tungsteno 3000
00 35
93
C:1píll;i(; J / eropiedades fi'sica:, ck, Jos 1n,l((:•1i,1les
Sección J .7 /Propiedades eléctricas, magnéticJS y ópticas
~ ~
95
~i """'
3.6 D!LATACIÓl'J TÉRMICA El ¡nmto de füsió¡¡¡ de un metal depende de la energía requeriJa para o;eparar sus átomos. Como lo muestra la tabla 3.1 . la temperalura de fusión de una aleación puede tener una amplia gama, a diferencia de un metal pum, que tiene un punto de definido. Los puntos de füsión de las aleaciones dependen de su composición particular (véase el capítulo 4). El punto de fusión de un metal tiene un nümern de efectos indirectos en operaciones de manufaclLLra. La elección de un material para aplicaciones ele alta temperatura es el efecto m{L, obvio, en apiicaciones como motores a chono y hornos, donde ocurre o se genera calor. Debido a que la temperatura de recristalización de un metal está reiacionada con su punto ele fusión (sección l.6), las operaciones como el recocido, el tratamiento térmico y el trabajo en caliente requieren conocer los puntos de fusión de los materiales involucrados. Esle factor influencia a su vez, la selección de las herrnmicnlas y del material de los dados en las operaciones de manufactura. El punto de fusión tiene también influencia importante en la selección del equipo y de la prfrtica de fusión en las operaciones de fundición (parle!!). Mientras más elevado sea el punto de fusión del material, es más difícil esta operación. En el proceso de mayuinaclo por clectroerosión (sección 26.5), los puntos ele fusión de los melales queclan relo.cionados con la tasa de eliminación del material y el desgaste de los electrodos. El rango ele temperatura dentro de la cual un componente o una estructura se ha diseñado para fünci()· nar, es una consideración importante para ia selección de ios rnaicriales. Los plásticos, por ejemplo, tienen el r:ingo de temperatura úül más bajo, en tanto que el grafito y las aleaciones refractarias tienen los rangos úti··
le~;
m{J.s elevado~:.
--··------------------- --'crdcw ~s¡wdlko de un material es la energía requerida para eicvar fa temperaíurn ele una unidad de mao;a en u¡¡ grndo. Los elementos de aleación tienen un efecto relativamente menor en el calor específico de los rnal:erialcs. La elevación de tempcrnt11ra en una pieza ele trabajo, resuhado de operaciones de l'ormado o de maqui. n:.1dn (partes IU y !V) es una fünción dei trabajo efectuado y del calor específico de! matc;iaJ ele la pieza. La dcvació11 de temperatura de rn1a pieza, en caso de ser excesiva, puede reducir la calidad del producto, a! afoc-. lar de manera adversa su acabado superficial y su precisión dimensional. pudiendo causar un desgastc excesivo de hcrrmnientas y dados, y resultando en camhios metalúrgicos adversos en el material.
-··---------·-------. Y e: ,) • ._;¡
--------- ---~-----
---··-·---·
La eomfodividad térmica indica la tasa a la cual el calor fluye dentro y a través del material. Los materiales con enlace metál.ico (metales) generalmente tienen una elevada conductividad térmíCa, en tanto que los materiales con enlace iónico o covalente (cerámicos y plásticos) tienen mala conductividad (tabla 3.2). Debido a la gr.an diferencia en sus conductividades térmicas, los elementos de aleación pueden tener un efecto significativo en Ja conductividad térmica de las aleaciones, corno se puede observar (en la tabla 3. l) al comparar los metales con sus aleaciones Cuando el calor ha sido generado por la deformación plástica o la fricción. éste debe ser conducido hacia fuera a una velocidad lo suficientemente elevada para evitar una elevación severa de la temperatura. Por ejemplo, la dificultad principal que se experimenta en el maquinado de titanio es causada por su muy baja conductividad térmica. Una baja conductividad térmica también puede dar corno resultado gradientes térmicos elevados y de esta manera, causar deformaciones no homogéneas en los procesos de trabajo de metal.
La dilatación térmica ele los materiales puede tener varios efectos significalivos. Por lo general. el coeficiente de dilatación térmica es inversamente proporcional al pLmto de fusión del material. Los elementos de aleación tienen un efecto relativamente menor en la dilatación térmica de Jos metales. Los ajustes por contracción utilizan la dilatación y contracción ténnica. Una pieza con una perforación, como por ejemplo, una brida o un brazo de palanca, que debe ser montada sobre una flecha, es calentada y después se le desliza sobre la flecha o husillo fríos. Cuando posteriormente se le deja enfriarse. la pie1.a se encoge y el ensamble se hace efectivamente integral. Otros ejemplos en los cuales la dilatación o contracción retal iva son de importancia son los componen·· tes electrónicos y de computadora, los sellos de vidrio a metal, los soportes de sujeción en los motores ele propulsión a chorro y la> partes móviles ele maquinaria, que requieren ele ciertas tolerancias para un foncionamienLo adecuado. El uso de componentes cerámicos en motores de hierro fundido también requiere tomar en consideración las dilataciones relativas. Una selección inadecuada de mal.eriales y ensamble puede causar esfuerzos térmicos y el agrietamiento, dobiez o aflojamiento resultante de los componentes en ia estructura durante su vida de servicio. La conductividad térmica, en conjunción con la dilatación térmica, es lo que juega un papel de mayor significado en la generación de esfuerzos térmicos, tanto en componentes manufacturados como en herramientas y dados. Esta consideración es particularmente importante en, por ejemplo, una operación ele forja, durante la cual ias piezas de trabajo calientes son co"locadas de manera consecutiva sobre un dado relativamente frío haciendo que tas supe1ficies del dado sufran un ciclado térmico. Para reducir los esfuerzos térmicos, es deseable una combinación de una elevada conductividad térmica y de una baja dilatación térmica. Los esfuerzos térmicos pueden conducir a grietas en pótrtes cerámicas y en herrmnientas y dados l'abric<::
3.7 PROPIEDADES ELÉCTRICAS, MAGNÉTICAS Y ÓPTICAS La conductividad eléctrica y las propiedades dieléctricas de los materiales son de gran importancia no sólo en equipo y maquinaria eléctrica, sino también en procesos de manufactura, tales como el formado por pu 1sos magnéticos de metales laminados (sección 16.15) y en el maquinado por electroerosión y esmerilado electroquímico de materiales duros y frágiles (capítulo 16). Las unidades ele conductividad eléctrica son el mho/metro o el mho/pie, donde el mho es la i1JVersa de ohm, Ja unidad de resistencia eléctrica.
96
CapÍlulo 3/1:iropiedades íísíGlS
ele los rna1C::riales Sección 3.B / Resistencio. a la corrosión
La influencia del tipo de enlace atómico en la conductividad eléctrica de los materiales es la misma a la referente a la conductividad térmica. Los elementos de aleación tienen un efecto de importancia en la conductividad eléctrica de !os metales; mientras más elevada sea Ja conduc1·ividad del elemento de aleación, más alta será la conductividad de la aleación.
97
Propiedades ópticas. Entre varias otras propiedades, el color y lu opacidad son particularmente importantes para los polímeros y los vidrios. Estas dos propiedades se analizan en las secciones 7.2.2 y 8.4.3, respectivamente.
Corn:lucfores. Los materiales con alta conductividad, como los metales, por lo general, se conocen como conductores. La resistividad euéctrica es la inversa ele la conc!uctiviclad. Los materiales con elevada resis1ividac! se conocen como dieléctricos o aisladores.
Ejemplo: Cableado eléctrico en el hogar
Resistem:ia didéctrica. La resistencia die!éctirka de lln material es su resistividad a la corriente eléc·· trica directa. Se define como voltaje requerido por unidad ele distancia para la ruptura eléctrica, y tiene unidades ele volts/metro o volts/pie. e
Supercomfoctores. La su¡1ercmuiucfrvñdad es el fenómeno ele una resistividad déctrica casi cero, que se presenta en algunos metales y aleaciones por debajo de una temperatura crítica. Las temperaturas involucradas a menudo están cerca del cero absoluto (O .K, -273"C, o -460ºF); a la fecha la temperatura más elevada a la cual se ha encontrado superconductividad es de 150 K (-123ºC, -190ºF), y se sigue progresando. Estos desarrollos indican que la eficiencia ele componentes eléctricos como graneles imanes de alta energía, lfneas de energía ele alto vol!aje, y componentes electrónicos y de cómputo pueden ser mejorados ele manera importante.
Semicorn:foctores., Las propiedades eléctricas ele los semiconductores, como son los monocrist:iles ele silicio, germanio y arseniuro de galio, son exlremadamente sensible:; a la lcmperal.ura y a la presencia y tipo de diminutas impurezas, por lo que a! controlar Ja concenlraci6n y tipo de impurezas i
Debido al creéicnle costo del cóbrc. el cableado eléctrico de aluminio ha siclo ampliamente utilizado en loo bogares noneamericanos construidos entre 1965 y 1973. Se decía; sin embargo, que el cableado de aluminio puede ser un riesgo ele incendio potencial, porque puede causar calentamiento por resistencia en lasconexiones con los interruptores y en ,las salidas m{Ls que el cobre. La oxidación del aíambre de aluminio hace qué se afloje el alambre en las terminales, y por tanto incrementa sü resistencia el.Sctríca y prom\leve el calentmniento por resistencia, Esta situación se puede detectar tomando nota de (a) si las áreas alrededor ele conmutadores y salid:.: c. están tibüts o calientes al tacto, (b) si hay un olor de aislante plústico quemándose, (e) si se presentan hu· mos o chispas, (dl si las luces par¡1adcan, y (e) y si fallan los interruptores, salidas y circuitos. Las terminales eléctricas desde entonces han siclo rediseíiadas pru:a aceptar el alambrado de alumini1'. así como el de cobre, haciendo cmtes ele oierra en la superficie de contacto. Esta modificación rilcjor:i el contacto irecluce la resistencia eléctrica) entre la superficie del alambre y las terminales. Estos disposi1' vm, están marcados CO-ALR, que significa "cobre-aluminio, revisado". Las ~liquetas también indic~n un interruplor o salida particuL1r S8 puede utilizar sólq con alambre de cobre o puede ser ulilizadq~ y:..1 '->t: con alambrado de cobre o de aluminio.
3.8 RESISTEf\ICiA A LA CORROSIÓl'J Esta propiedad es utilizada en los dispositivos semiconductores (de estado sólido) de manera ainplia en circliitos ciectr6nicos miniaturizados (capítulo 34). Son n.wy compacto:-;, muy eficientes y re!ativan1e,ntc poco costoso::;: consumen muy poca energía; y para su open:ición no n.::quierün de ningún periodo de c::1-
Los metales, los cerúmicos y los plásticos son todos propensos a sufrir una forma ele corrosión. La palabra corrosión misma, por lo general, se refiere al deterioro de metales y cerámicos, en tanto que un fenómeno similar en los plástico:; se conoce comúnmente como degradación. La resistencia a la corrosión es un aspcdu importante en la selección de los materiales para aplicaciones en Ja industria química, de alimentos y pe!.rO·· lera, así como en operaciones ele manul'actura, Además ele las varias reacciones químicas posibles de los ele· mcnt:os y compuestos presentes, resulta una preocupación importante la oxidación y corrosión por el entorno ele componentes y estructuras, particularmente a temperaturas elevadas y en automóviles y otros vehículos transporte. La corrosión no sólo oc:isiona el deterioro de la superficie de los componentes y ele las estructuras, también reduce su resistencia e integridad estructural. El costo ele la corrosión sólo en la economía norteamericana se estima del orden de 200 mil millones ele dólares por año. La resistencia a la corrosión depende del entorno particular y de la composición ele! mate1ial. Los medios corrosivos pueden ser químicos (ácidos, álcalis y sales), el entorno (oxígeno, contaminación y lluvia ácida) y el agua (dulce o salada). Los metales no ferrosos, los aceros inoxidables, y los materiales no metálicos, por lo general tienen una elevada resistencia a la corrosión. Los aceros y las fundiciones ele hierro comúnmente tienen una resistencia deficiente y deben ser protegidos mediante varios recubrimientos y tratamientos superficiales (capítulo 33). La corrosión puede ocurrir en tocia una superficie, o estar localizada; esto se conoce como picado. Puede ocurrir a lo largo ele las fronteras ele grano ele los metales como una corrosión intergranular, y en la interfaz de las uniones atornilladas y remachadas, como corrosión por cavidades. Dos metales no similares pueden formar una celda galvánica (según L. Galvani, 1737-1798), esto es, dos electrodos en un electrolito en un entorno corrosivo incluyendo la humedad y causar corrosión galvánica. Las aleaciones de dos fases son más susceptibles a la corrosión galvánica, por la separación física de los dos me-
ientan1ien10.
y El ferromagnetimn:o es un fenómeno caracterizado por una alta pernicahiliclad y una magnetización permanente debida a ia alineación de los Momos ele hierro, nfqucl y cobalto en dominios. Es imponante en aplicaciones como motores eléctricos, generadores eléciricos, lransformadorcs déctricos y dispositivos de microondas. El fenr!magneiismo es una magndi1.ación grallde y permanente que exhiben algunos Inateria1es cer:í1nicos como las ferritas cúbicas. 7
iEfocto piezoeléctrico. El efecto piezoeléctrico (piew del griego, que significa oprimir) es exhibido por algunos materiales, como los cristales ele cuarzo y algunos cerámicos, en el cual existe una interacción reversible emre una deformación elástica y un campo magnético. Esta propiedad es utilizada en la fabrica<.:ión de transductores, dispositivos que convierten la deformación proveniente de una fuerza externa en energía eléctrica. Las aplicaciones típicas son transductores ele fuerza o de presión, calibradores de deformación, de1.ectores ele sonar y micrófonos.
Magnetostricción, El fenómeno ele dilatación o de contracción de un material cuando qL1ecla sujeto a un campo magnético se conoce como magnetostricción. Algunos materiales, como el níquel puro, y algunas aleaciones de hierro y níquel, exhiben este comportamiento. La magnetostricción es el principio en el que se basa el equipo ele maquinado ultrasónico (sección 25.9).
.....___
9g
Capílulu 3 /Propiedades físicas <.kc los
matl~r1aJ0's Términos cl<.1ve
tales diferentes involucrados, que las aleaciones de una sola fase o de los metales puros; como resultado, el trat:imiento térmico puede lener influencia en la resistencia a la corrosión.
RESUME~,¡
La corrosión puede actuar ele manera indirecta. El agrieüimiento por esfuerzo-corrnsión es un ejem .. plo del efecto ele un enlorno corrosivo en la integridad de un producto que, tal y como fue manufacturado, quedó con esfuerzos residuales. De la misma manera, los metales trabajados en frío tienen mayores probabilidades ele tener esfuerzos residuales, po¡- lo que son más sensibles a la con-osión que los metales trabajados en caliente o rncocidos.
" Las propiedades físicas y químicas de los materiales tienen varios efectos importantes en lamanufactura y vida de servicio. Estas propiedades y características deben ser considerados durante Ja selección del material, ya gne afecta al diseño. a los requerimientos de servicio y a la compatibilidad con otros materiales, incluyendo herramientas, dados y piezas de trabajo.
Los materiales para herramientas y dados también pLieden ser susceptibles a ataque químico por lubricantes y refrigerantes. La reacción química altera su acabado superficial e influencia de manera adversa la operación de conformado del metal. Un ejemplo son las herramientas y dados de carburo, que tienen cobalto corno aglutinante (sección 21.5), en el cual el cobalto es atacado por los elementos de] fluido ele corte (!ixiv!:ufo selectivo). Por lo que, parn la selección de los materiales. es importante considerar la cornpatibilidad ele la herramienta, el dado y los materiales ele la pieza ele trabajo, con el fluido ele conformado del metal, bajo condiciones ele operación real.
" La conclnctiviclad y dilatación térmica son factores de imporlancia en el desarrollo de los esfuerzos térmicos y de .la fatiga y choques térmicos, efectos que en las operaciones de manufactura son importantes en la vida de herramientas y ciados. Las aleaciones de b;úa dilarnción (corno el lnvar) liencn aplicaciones únicas. e Las propiedades eléctricas y químicas son importantes en muchos procesos avanzados de maquinado co:no el de clectroerosión, química y maquinado electroquímico. "' Las reacciones químicas, incluyendo la oxidación y la corrosión, son consideraciones imporUm·· tes en la .>elección, diseño y manufactura del mate1ial, así como en la vida ele servicio de Jos corn ponentes. Dos fenómenos importantes son la pasivación y el agrietamiento por esfuerzo y corrosión.
L:is reacciones químicas no deben ser consideradas como teniendo efectos adversos únicamente. Los pro-· ccsos avanzados de maquinado como el maquinado químico y el maquinado electroquímico de hecho están basados en reacciones controladas (capítulo 26). Estos procesos eliminan material mediante la acción química, de una mancrn süni1ar aJ ataque químico de especímenes metalúrgicos.
"
Ca utilidad de algún nivel ele oxidaci6n se exhibe en la resistencia a la corrosión ele] aluminio, lilanio y del acero inoxidable. El aluminio desarrolla una resistente película delgada (unas cwmias capas atómicas) ele óxido duro y adhesivo (Al 2ü,) que protege mejor la superficie contra una corrosión ambiental adicional. El titanio desarrolla una película de óxido de titanio (Ti02 ). Un fenómeno similar ocurre en los aceros inoxidables, debido al cromo presente en Li aleación, desarrollan una película protectora sobre sus superficies. procesos se conocen corno JMU.sivadón. Cuando Ia pe1ícnla protectura es rayada y queda expuc.s10 e! metal por debajo, se vuelve a formar urn.1 nueva pelícuia de óxido.
Seiección
Se están desarrollando relaciones más grandes de resistencia a peso y de rigidez a peso de los rrn teriales, particulannen1e en sisternas reforzados con fibras, y en con1positos que ulliizan matricc:~ de pláslico, cerámico y metal. Se está progresando más en el desarrollo de materiales con propiedades mejoradas y propiedaclc,· físicas especiales para una diversidad de aplicaciones electrónicas y de cómputo.
monedas:
Dcbidc a su impo1tantc impacto económico, la resistencia a la corro~ión de los materiales y ei ;.:.c:fio de cornponcn~t~s para pron1over re.l)istencia a b corrosi6n sigue siendo un área irn.porta11k invcstigaclón. El agrietarnien!o por esfuerzo-corrosión de aeronaves y su inspección se ha convertido en de irnpo1·tancia. Se cslá desarrollando nuevas aleaciones qLtc despliegan superconductiv[dad a temperaturas c:1cir1 vez más altas.
d.: la mni.1,.;da, e{ rlo,". .sonido al .\Cr golpi;adal. T'amtnén incluido 1...'.0 este criterio es la scnso 'ián de Ja rnonccb. E~te tk· d.:scrihir. porque combina nrnchos foctore;., hutn~mos. Es \lmibr al efecto de i.a .:;,cnsaciün Je pic1;1 de madera~ piedra pulüia o dC un buen cuero.
l rido e.\¡wrudo de /o monz:u'a e:-i un punto a consideración. Eqa daración rdl(~j~trj fa resistcu<..·ia a la corro:..,iún y al dl:;sga:->tt..: {i.:apí!ulo ."12'l mientras la moneda· es1é en cln:ulúcjón. Estos dos factores bti-:icarrJcnrr: dekrminan e! periodo de tiempo en el cuai ta lmpre\ión superficial sobre la .moneda se mantenJd ick:nlificable y la capacidad que ücne ia moneda de ,.;onsi.:~rvar su brillo originaL 3.
4.
Algunas propiedades físicas se utilizan en Jos procesos de manufactura y en su control. corno por ejemplo el efecto de magnetostricción (para el maquinado ultrasónico de metales y de materiaks no metálicos) y el efocto piezoeléctrico (para transductores ele fuerzas y varios otros sensores).
TEH
~nateriales para rr~onedas de los r:natcriJic::.;
5.
99
L1 11umufánum de la moneda incluye factores como la conformabíJidacl ele los materiales de moneda candidatos, la vida ele los dados o cospeles utilizados en la operación de acuñado (sección 14.3.2) y la capacidad de los materiales y los procesos a resistir la falsificación.
TÉRMINOS CLAVE .
Otro punto a considerar es la adecuabilidad de la moneda para su uso ert dispositivos opeilidos por monedas, como las máquinas despachadoras, torniquetes y teléfonos de pago. Éstas máqÚina,s, por lo general, son equipadas con dispositivos de detección .• que ensayan las monedas: primero en función del diámetro, espesor y estado superficial apropiados. Segnndo, conductividad eléctrica y densidad. Lamoneda se rechaza si no pasa estas pruebas. . -
Agrielamiento por calor Agrietamiento por esfuerzo corrosión Calor específico Conductividad ehSctrica
Conductividad térmica Ccmosión Conosión galvánica
Una condición final es el costo de las materias primas y del procesamiento y.de si' existe un s1.1mmi.Ytn> suficiente de materiales para las monedas.
Degradación Densidad
"-
Dieléctrico~
Pasivación
Efecto Invar
Punto de fusión Resistencia específica Resistividad elécLrica Rigidez específica Semiconductores Superconductividad
Efecto piezoeléctrico Esfuerzos térmicos Dilatación térmica
FeITomagnetismo Lixiviado selectivo Magnetostricción
Oxidación
1100
CapJluJo J / i>ropi
Sínlesis y diseño
Callislcr, D C., .ir. Wiley, 1997.
(4a ed.).
~11ar
Schweitzer, P.A., EncycLopedin q/corroshm tcchnology.
Mark, J. E., A. Eisenbcrg, y WW. Graessley, Physical pmper1ies oj'pofymers, American Chemica1 Society, l 993. Pollock. D.D., Ph_vsica/ properties r~f' materials for engineers
cel
Dekkcr, 1998.
Shackelford, J.F., lntroduction to maLeriu/s science for engineers (4a cd.), Macmillan, 1996.
Talbot, D., y J. Taibot Corrosion science mu! 1eclwnology, CRC Press, 1997.
(2a ed.). CRC Prcss, 1993.
101
áreas bajo las curvas son el trabajo unitario efectuado, calCllle la elevación de temperatura pa· ra (a) acero 8650, (b) acero inoxidable 304, y (e) aluminio l 100-Hl4. 4 3.17 La frecuencia natural, f, de una viga en cantilever o voladizo está dada por f 0.56Elg/wL , donde E es el módulo de elasticidad, les el momento de inercia, ges la constante gravitacional, w es el peso de la viga por unidad de longitud, y Les la longitud de la viga. ¿De qué ma· nera cambia la frecuencia natural de la viga, si es que cambia, al incrementar su temperatura? Suponga que el material es acero.
=
SÍNTESIS Y DISE~JO U
DE REPASO 3.1 3.2
3.18 De su propia experiencia, haga una lista de partes, componenles do y han tenido que ser reemplazados o descartados.
Liste razones por las que la densidad es una propiedad del materi:d importante en la mamJ. factura.
3.19
¿Por qué es un factor importante el punto de fusión de un material en los procesos de manu factura?
3.20
¿Qué efectos adversos pueden ser causados por la dilatación térmica de Jos materiales? ¿Qué es el efecto piezoeléctrico?
3.2!
3,3
3.4 ., e ... ~ ....i
3.6 3.7
3.8
¡,Que facrores conducen a 1'i corrosión de un maleriai? ¡,Qué es pasivación? /,Cuál es su significado?
3.22
¿Cuál es la diferencia entre conductividad térmica y calor específico? ¡,Qué es agrietamiento por esfuerzo-corrosión? ¡,Por qué también :;e llama agriciamienlo tacionai?
C';-
3.23
/,Cuü! es fa dlferencü1 entre un superconductor y un semiconductor'!
3.2 1·~
Describa d signiricado de les con diferentes cocf-iciente8
3.í2
3.U J.14 3.!5
estructuras y máquinas fabricados de dos mHLcria· clllalat::ión térmica.
que son importantes para (a) ¿Cuáles son las propiedades descritas en este mecánicos, (b) papel de repostería, reglas, (d) sujetapapeles o "clips", sagras, (t) latas de refrescos'! Explique sus respuestas.
bi-
Usted observará en la tabla 3. l que las propiedades de las aleaciones metálicas se dcfi¡¡en en un rango amplio en comparación con lus propiedades de Jos metales ruros ;,Qué fac10rcs son responsables de lo anterior? ¿Tiene Ja corrosión algún efecto benéfico en la manufactura? Explique. ¿Juega la conductividad térmica un papel en el desarrollo de esfuerzos residuales en los metales? Explique. ¿Qué materiales son deseables para los escudos térmicos, como los colocados en el transbordador espacial?
·---.
PROBLEMAS CUANTITATIVOS 3.16
Si suponemos que todo el trabajo efectuado en la deformación plástica se convierte en calor, la elevación de temperatura de una pieza de trabajo es (1) directamente proporcional al trabajo efectuado por unidad de volumen y (2) inversamente proporcional al producto del calor específico y a la densidad de la pieza de trabajo. Utilizando la fig. 2.6, y suponiendo que las
y productos que se han co!Toí-
Liste aplicaciones donde las propiedades siguientes se consideren deseables: (a) alta densidad, (b) baja densidad, (e) elevado punto de fusión, (d) baío punto de fusión, (e) elevada conducti· viciad 1érrnica, (f) baja conductividad térmica. Dé varias aplicaciones en las cuales resulte importante la resistencia específica y Ja rigidez es· pccífica. Disefíe varios mecanismos e instrumentos basados en el. uso ele las diferencias en la dilatación térmica ele los malerialcs, como las tiras bimetálicas que desarrollan una curvatura al ser ca· len ladas. Para los materiales que se listan en la tabla 3. ! , determine la resistencia específica y la rigidez específica. Describa sus observaciones. La fuerza a la compresión máxima que una columna ligera puede resistir antes de pandearse depende de la relación de Ja raíz cuadrada de la rigidez a la densidad del material. Para los materiales listados en la tab!a 2.1, detem1ine (a) la relación de la resistencia a la tensión a Ja densidad (b) de la relación deí módulo elástico a la densidad, y comente sobre la adecuabi· liclad de LlllO de ellos para fabricar colúrnnas ligeras. Describa las diseños posibles utilizando aleaciones que eKbiban el efecto !nvar de una baja
¡----------
---------------------------
Sección 4.2 / Estruclura de las <1leacione~
HJJ
flGlJRA 4.1 Sección transversal de dientes de engrane mostrando supe1ficies endurecidas por inducción. Fuente:TOCCO Div Park-Ohio Industries, lnc
leaci nes de metales· s estr ra e d ien ia 1 trata i tér ic
4. i
Introducción
4.2
Estructuras de las ct1eciciones
4. 'j
Diagran1as de fase
4 .4
El sisterna hierro-carbono
4-t-,
Hierros fundidos
4.7
Tratc_Hl1iento térmico de J;:is (J!eacíones ferrosas
E!
los acé:ros
1
¡
4.H
1
'~.9 "J'
4. l
1
TC:implabilidacl de hs a!eacion(~s ferrosas 1
-¡ ()
.1
de L:bes hierro--carburo de hierro y e! des2rrollo de rnicroesrructu1·zh en
4. !
-¡J-atarniento k rrnico de fds .:deaciones no ferrosas y de los ¿1ceros inoxidables Endurecin1iento superflciJJ
levas y flechas; fig_ 4.1) y en herramientas y ciados. El tratamiento térmico requiere comprender varios conceptos, incluyendo los fundamentos de la estructura c1istalina ele los metales y de las aleaciones. Este capítulo sigue el esquema mostrado en la fig_ 4.2, presentando los efectos ele varios elementos ele aleación, Ja solubilidad ele un elemento en otro, fases, diagramas ele fase de equilibrio y la influencia de la composición, temperatura y el tiempo_ Las propiedades ele la mayor parte ele las aleaciones no ferrosas y de los aceros inoxidables también se mejoran mediante técnicas ele tratamiento térmico, involucrando mecanismos diferente>; a los de las aleaciones ferrosas. Este capítulo también analiza métodos y técnicas ele calentamiento, enfriamiento, y recocido y las carncterísticas del equipo involucrado. Se trata de métodos importantes para evitar la distorsión y el agrietamiento de la pieza durante el tratamiento térmico, ocasionados por cambios microestructu.rales y esfuerzos té1micos. Debido a diferencias er_ la velocidad de enfriamiento, en la pieza tratada térmicamente también ,;e pueden desarrollar propiedades n·J uriiforrnes.
4.2 ESTRUCTURA DE LAS ALEACIOl'\JES Al describir en el capítulo l la estructura cristalina büsica de los metales, observamos que Jos átomos son todos del mismo tipo, excepto por la presencia de rnros átomos de impurezas. Estos metales se conocen cotn') metales pm:os, aun cuando pudieran no ser 100% puros.
f~ecocido
Hornos y equipo ele trdiJrniento l/,rrnico cli~,e!lo para e! tratamiento térr:·1ico
Consich::r;:icíones rle
FlGlJRA 4.2
Esquema de los temas descritos en el capítulo 4. Sistema hierro-carbono
4. 1
1 1 1
Ferrosos
Las propiedades y el comportamiento de los mela les y aleaciones durante su manufactura y ei desempeño durante su vida de servicio, depende de su composición, estructura, histOlia de procesamiento y del tratamiento térmico al cual han sido sujetos. Propiedades básicas importantes como la resistencia, la dureza, la ductilidad y la tenacidad, así como la resistencia al desgaste y a las rayaduras, son inilucnciadas ele manera importante y modificadas por elementos de aleación y por procesos de tratamiento térmico. Las mejoras en las propiedades de las aleaciones no tratables térmicamente se obtienen mediante operaciones de trabajo en frío, como laminado, fotja y extrusión (parte III).
alean tes
1 1
LJ
El ejemplo más común de mejora ele propiedades es el tratamiento térmico; modifica microestrucluras y por tanto, produce una variedad de propiedades mecánicas que son importantes en la manufactura, como una mejor formabiliclad y de maquinabilidad. Estas propiedades también acrecientan el desempeño en serv.icio de los metales cuando se usan en componentes ele máquina (como engranes,
rn2 ,,_,=~··~·--··•"'-"'"·-··•
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·~----
-·1;undiciones-
L
. de hierro
~t~~~~~~:c~
Temple, rcco.cido, revenido, nonnal1zado. etc.
Metales puros
No fc!To.so Diagramas de fose Microestrncmras Soluciones sólidas Soluciones sólidas sustitucionalcs Soluciones sólidas
Intersticiales Inwnnetálicos
--Aceros inoxidables
~~~~:ento Tratamien~o.po~ solución: e~d~recimiento por prec1p1tac1ón, enve.1cc1m1ento, etc.
-itv4
Cdpítulo 4 /Aleaciones de mct
y endurecimiento mediante e! lrJtamien1o térmico
Secc..iói 1 4.2 /Estructura de las aleacione::.
Los metales comercialmente puros se utilizan para varios fines: el aluminio para hojas, el cobre para conductores eléctricos, el níquel y el cromo para deposición, el oro para contactos eléctricos_ Aunque los metales puros tienen propiedades algo limitadas, estas propiedades se pueden mejorar y modificar mediante la aleación_
rns
4.2.2 Compuestos intermetálicos Los compuestos intermetáiicos son estructuras complejas consistentes en dos metales, en donde los átomos de soluto están presentes en ciertas proporciones entre los átomos de solvente_ Algunos compuestos interrnetálicos tienen solubilidad sólida_ El tipo de unión atómica puede variar de metálico a iónico_ Los compuest(>S intermetálicos son fuertes, clL1ros y frágiles. Debido a sus elevados puntos de fusión y su resistencia a temperaturas elevadas, a su buena resistencia a la oxidación, y a su relativa baja densidad, son materiales candidato para motores avanzados de turbina ele gas, Los ejemplos típicos sonaluminuros de titanio (Ti_,Al), de níquel (Ni_,Al), y de hierro (Fe,Al)_
Una aleación está compuesta de dos o más elementos químicos, por lo menos uno de ellos siendo un metaL La mayor parte ele los metales utilizados en aplicaciones de ingeniería son alguna forma de aleación_ La aleación consiste de dos formas básicas: soluciones sólidas y compuestos intennetálicos_
4.2.1 Soluciones
4.2.3 Sistemas de dos fases (o bifásicos) Al describir las aleaciones, dos términos son esenc!ales: soluto y solvente. El soluto es el elemento menor (como sal o azúcar) que se agrega al solvente, que es el elemento mayor (como el agua)_ En términos de elementos involucrados en una estructura cristalina metálica, el so luto (compuesto de átomos de soluto) es el elemento que se agrega al solvente (compuesto de átmnos anfitrión)_ Cuando durante la aleación se mantiene la estructura cristalina particular del solvente, la aleación se conoce como una solución sólida.
HemCJs visto que una solución sólida es una en la que dos o más elementos en estado sólido forman una fase sólida homogénea, en la que los elementos están uniformemente distribuidos en toda la masa sólida. Este tipo de sistemas está limitado por alguna concentración máxima de átomos de soluto en la red atómica de! svlvente, de la misma manera que existe un límite de solubiliclacl para el azúcar en el agua. La mayor parte de las aleaciones están formadas de dos o más fases sólidas y se pueden considerar como mezclas mecánicas_ Le llamamos a un sistema con dos fases sólidas un sistema de dos fases o bifásico_ Se define una fase como una porción físicamente distinta y homogénea en un material; cada fase es una parte homogénea de la masa total y tiene sus propias características y propiedades_ Ve:amos una mezcla de arena y de agua corno un ejemplo de un sistema de dos fases_ Estos dos componentes diferentes tienen sus propias estructuras, caracterfsticas y propiedades_ Existe una frontera clarn de esla mezcla, entre el agua (una fase) y las partículas de arena (una segunda fase)_ Otro ejemplo es hielo en el agua, en este caso, las dos fases son el mismo compuesto químico, con exaciaJEente los mismos elementos químicos (hidrógeno y oxígeno), aun cuando SLtS propiedades son muy diferentes_ Un ejemplo típico de un sistema bifásico en los metales ocurre cuando se agrega plomo al cobre en estado fundido_ Después que se solidifica la mezcla, la estructura consiste de dos fases, Una que tiene una pequeña cantidad de plomo en solución sólida en el cobre, y en la otra, que tiene partículas de plomo (aproximadamente de forma esférica) di.1persas en toda la estructura (fig_ 43a)_ Las pmtícubs de plomo son análogas a las partículas de arena en el agua de~;critas arriba_ Encontramos a\10ra que esta aleación de cobre-piorno tiene propiedades diferentes a las de cobre o de plomo solos_ El plomo tarn-bién es agregado a los aceros para obtener aceros at plomo, con Lma maquinabiliclacl mejorada (sección 20_9_ J )-
Sok1dones sófüfas sustlltw::iona!es. Si el tamaño del átomo soluto es similar al del átomo solvente, los átomos del so luto pueden reemplazm a los átomos del solvente y formar ut1a sol'lVdón sófüfa suhstitucional (véase la fig_ L9)_ Un ejemplo es el latón (sección 6-4), una aleación de zinc y cobre, en el cunl el zinc (Momo de so!uto) se introduce en la red del cobre (ütomos de solvente). Por tanto, controlando la cantidad de zinc en el cobre, se pueden alterar, dentro de un rango, las propiedades de los latones_ Por lo general se requieren dos condiciones (conocidas como reglas Hume-Ro1hery, según W_ HurncRothery, 1899-1968) para formar soluciones sólidas sustitucionales completas:
t Los dos metales deben iencr estructuras cristalinas similares_ La diferencia en sus radio;.; atómicos debe ser inferior ai l 59b. Si esfas condjcionc:s no se saí"isfacen, no se obtendrá una solución sólida comp1cta 1 y b cantidc_1d de so·lución ;;;ó.llda formada será limitada.
Sn~~JICÉOITres só~Hdas ~r.~~'ets'ajd-fi~es. Si el tamaño del útomo del soiuto es mucho más peque1io que el de[ áLon10 del solvente, cada átomo de ~o!uto puede ocupar una posición intersticial; este proceso forma una so~ lhlldón sri~~tdla ~nteirstkfot Dos condlc.!onc.s son necesarias para la formación de soluciones inter.<.;tíciales:
FIGURA 4.3 (a) Ilustración esquemática ele granos, fronteras de grano y partículas dispersas en toda la estructura de un sistema bifásico, corno una aleación plomo-cobre_ Los granos representan el piorno en solución sólida en el cobre, y las partículas son piorno como una segunda fase_ (b) Ilustración esquemática ele un sistema de dos fases, consistiendo de dos conjuntos de granos, Oscuro y claro_ Los granos oscuros y claros tienen composiciones y propiedades diferentes_
].q El átomo de solvente debe tener más de una valencia. 2. El radio atómico del füomo de soluto debe ser inferior al 59% del radio atómico del solvente_
Si eslas condiciones no se cumplen, puede ocurrir una solubilidad intersticial limitada, incluso ninguna_ Una familia importante ele soluciones sólidas intersticiales es el acero (capítulo 5), que es una aleación de hierro y ele carbono, donde los átomos de carbono están presentes en posiciones intersticiales entre los átomo ele hierro_ El radio atómico del carbono es de 0_071 nanómetros, y es inferior al 59% del radio de O_ l 24 nanómetros del átomo de hierro_
(a)
Como veremos, las propiedades de los aceros al carbono pueden ser modificadas en una amplia gama controlando la proporción de carbono en el hierro_ Esta controlabilidad es una razón por la cnal el acero es un material tan versátil y útil, con una amplia variedad ele propiedades y aplicaciones; otra es su economía_
......___
(b)
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C-mnulo ..¡ / AleJ.ciones de metales: su
e~>lructura y endurecimiento medi
Sección ~i .3 /Diagramas de fose
La aJcación con partículas finamente dispersas (partírnias de segunda fase) es un método importante ele endurecer las aleaciunes y controlar sus propiedades. En las aleaciones bifásicas, las partículas de segunda fase presentan obstáculos al movimiento de clislocacíones, por tanto se incrementa la resistencia. Otro ejemplo de otrn aleación ele dos fases es la estructura agregada que se muestra en la fig. 4.3b. En este sistema de aleación, tenernos dos conjuntos de granos, cada nna con su propia composición y propiedades. Los granos más oscuros tienen una estructura diferente a los granos claros; pueden ser por ejemplo, frágiles, en tanto que los grano~ .más daros son dúctiles. Pueden aparecer defectos durnme las operacinnes de conformado de metal como la forja o la extrusión (capítulos 14 y 15); estos defoctos pueden deberse a la falta ele ductilidad de alguna ele las fases en la aleación. En general, las aleaciones bifásicas son más resistentes y menos dúctiles que las soluciones sólidas.
4.3
DE FASE
Composición de la aleación V
1455
Un diagrama ele fases, también conocido como un diagrnma cle equilibrio o consfüm:iomil, muestra !as 1-eJaciones entre la temperatura, la composición y las fases presentes en llll si1;terrw particular de aleacióil, bajo condiciones de equilibrio. El cquifüwfo significa que el estado de un sistema se mantiene consl'1nle a lo largo de un periodo indefinido de tiempo.
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Los metales puros tienen puntos de füsión o de solidificación claramente definidos. y la solidificación ocmTc a una temperatura constante (fig. 4.4). Cuando la temperatura del metal fundido se reduce al punto de solidificación, la energía del calor latente de solidificación se escapa mientras la temperatura se conserva constante. Finalmente, la solidificació11 es completa y el metal sólido se sigue enfriando hasta temperatura ambiente. A diferencia de ios metales puros, !a aleaciones se solidifican en un rango de temperaturas (fig. 4.5). La solidificación se inicia cuando ta temperatura del metal fundido b
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LJ palabra Cqlnstitudonal indica las relaciones enlre la estructura, ta con1posición y la formación física de la aleación. Corno se describe en detalle má' adelante, los tipos de diagramas de fases incluyen: ( 1J so.luc.iones s\)1idas completas; (2) cutéctico,(:, corno los hierros fundidos; y (3) euicctoides, corno !os acero:>.
Enfriamiento del jíquido
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Tiempo
FIGURA 4.4 Curva de enfriamiento para la solidificación de los metales puros. Observe que la solidificación
FIGURA 43 Diagrama de fases para un sistema de vleación níquel-cobre obtenido a una velocidad de solidificación lenta. f""1(1lese que el níquel puro y ei cobre puro, sólo una temperatura de solidificación o de fulos crista.les. E! círculo muestra la forrnación sión. El círculo superior a la derecha iluslra. La nucleación de dendritas (vépse la sección ·10.2). El círculo inferior muestra la aleación con fronteras de grano.
Un ejemplo de un diagramas de fases se muestra en la fig. 4.5 para la aleación cobre-níquel. Se trata de~ un diagrama de fase hinado, porque hay dos elementos (cobre y níquel) presentes en el sistema. La frontera a mano i7.quierda ele este diagrama de fase (100% ele níquel) indica el punto de t"usión del níquel; la frontera a mano derecha (100% de cobre) indica el punto ele fusión del cobre. (Todos los porcentajes en este análisis son por peso, no por número de átomos.) Nótese que para una composición de digamos 50% cobre-50% níquel, la aleación empieza a solidificarse a una temperatura de 1313ºC (2395ºF), y la solidificación es completa a J249ºC (2280ºF). Por encima de 1313ºC, existe Lm líyuido homogéneo de 50% de cobre-50% de níquel. Cuando se le enfría lentamente a l 249ºC, el resultado es una solución sólida homogénea de 50% de cobre 50% de níquel. Sin embargo. entre las curvas de líquidus y de sólidus, y a una temperatura de 1288ºC (2350ºF), existe una región de dos fases: una fase sólida, compuesta de 42% de cobre-58% de níquel, y una fase líquida, de 58% de cobre-42% de níquel. Para determinar la composición sólida, pasamos horizontalmente a la curva de sólidus y leemos hacia abajo, u obteniendo 42% de cobre. Obtenemos la composición líquida (58%) de manera similar, yendo hacia la derecha a la curva de líquielus. El procedimiento para determinar las composiciones de varias fases en diagramas de fases (llamadas líneas isotermas o de enlace*) se describe detalle en los libros sobre ciencias de los materiales y metalurgia.
ocurre a una temperatura constante;
durante la solidificación el calor latente de solidificación se va perdiendo.
Nota de! R.T.: La regla de la palanca nos permite detenninar las cantidades de fases presentes en una región de dos o más fases de1 diagrama de fases. La composición química de las fases, lo que describe este párrafo, se determina mediante "líneas de enlace" o "líneas isoterma!>" (tic fines e isothermal lines, respectivamente).
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Capítufo ·f /Aleaciones de metales: su estructur<.1 y endurecimiento mediante el tratamiento térmico e
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Sección 4.4 /El sisterna hierro-carbono
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Composición (%1 por peso)
Diagrama de fases plomo-estaño. Nótese que la composición del punto eutéctico para estJ aleación'·" 61.9% estaño-38.1 % piorno. Una composición por debcijo o por arriba de esta rebción tendrá una temperatura de líquidus rnás elevada.
FIGURA 4.7
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rios tipos de soldaduras, para aplicaciones de tipo general se usan comúnmente soldaduras de estaño y plomo; tienen composiciones que van desde 5% de plomo -95% estaño a 70% de plomo -30% estaño. Cada una de estas composiciones tiene su propio punto ele fusión.
Propiedades mecánicas de hs aleaciones cobre-níquel y cobnc-zinc en función a su composi-
ción. Lils cu1w1s del zinc son cortas, porque ei zinc tiene un máximo de solubilidad sólida de 40% en el cobre. 1:"uente: L. H. Van V!ack; !Víatcriafs for Engineerinp,
Publishing Co., lnc, 1982.
4.4 EL SISTEMA HIERRO-CARBONO
L& aleación completamente solidificada en el diagrama de fase que se muestra en la fig. 4.5 e;' una sobdóiJ sólida porqlle ei elemento de aleación (cobre, átomo soluto), gwxla completarnenk disuello en e1 me· ta! anfitrión (níquel, átomo solvente), y cada grano tiene la misma composición. El radio atómico del cobre es O. J 28 mnórnclros y el del níquel es de 0.125 nanómetros, y ambos elementos tienen una estructura cúbi. C¡t centracüi en la cara, si cumplen con bs reglas
Como se describe en el capítulo 5, los aceros, las aleaciones fe1Tosas, los hierros y los aceros fundidos se utilizan ampliamente en función de sus proriedades versátiles y su bajo costo. Los aceros y los hierros fundidn3 están representados por el sistema binario hierro-carbono. El hierro comercíalrnenle puro contiene hasta 0.008% de carbono, los aceros hasta 2.1 l % ele carbono, y los hierros fundidos hasta 6.67% ele carbono, aunque la mayor parte de los hierros fondiclos contienen menos de 4.5% de carbono. En esta sección se analiza ei sistema hierro-carbono, y explicaremos cómo evaluar y modificar las propiedades de estos importantes materiales para aplicaciones específicas. El diagi-ama de foses del hierro-carburo de hierro se muestra en la fig. 4.8. Aunque este diagranli.: puede extenderse hacia la derecha, hasta l00% de carbono (grafito puro), el rango que es significativo para aplicaciones de ingeniería es hasta 6.67% de carbono, dado gue el Fe 3C es Ltm1 fase estable. El hierro puro se funde a una temperatura de 1538ºC (2798ºF) corno se muestra por Ja frontera izquierda c!c la fig. 4.8, Conforme el hierro se enfría, primero forma ferrita della, después austenita, y finalmente felTila a1 !'a.
Las propiedades mccünicas de las soluciones sólidas de cobre-níquel dependen de su cornposición (fig. 4.6). Hast;1 cierto punto las propiedades del cobre puro mejoran al incrementar el contenido de níquel. Existe un porcent
4.4,1 Ferrita
Otro ejemplo de un diagrama bifásico se muestra en la fig. 4.7, para el sistema plomo-estaño. Las fases alfa y beta son solticiones sólidas. Note que las regiones de fase individual están separadas de la fase líquida por dos regiones de dos fases: alfa + líquido y beta + líquido.
La ferrita alfa, o simplemente ferrita, es una solució11 sólida de hierro cúbico centrado en el cuerpo; tiene nna solubilidad sólida máxima de 0,022% de carbono a una temperatura de 727ºC (l34JºF). La fenita delia es estable únicamente a temperaturas mny elevadas y no tiene un significado práctico en ingeniería. De ia misma manera que existe un límite de solubilidad para la sal en el agua (cualquier cantidad adicional precipitándose en la parte inferior del recipiente en forma de sal sólida), igualmente existe un límite de solubilidad sólida para el carbono en el hierro. La ferrita es relativamente blanda y dúctil, es magnética desde la temperatura ambiente hasta 768ºC (1414ºF), la llamada temperatura Curie (según M,Curie, 1867-1934). Aunque en el hierro bcc (por sus siglas
Lafig. 4,7 muestra la composición de la aleación (61.9% estaño-38.l % plomo) con la temperatura más baja a Ja cual la aleación sigue todavía completamente líquida, es decir 183ºC (361 ºF). Este punto se conoce como el punto eutéctico, y es ei punto en el cual la solución líquida se descompone en los elementos o componentes alfa y beta. La palabra eutéctica proviene de eutectos griego, que significa fácilmente fundido. Los puntos eutécticos son importantes en aplicaciones como la soldadura (sección 30.3), donde se pueden n;querir béijas temperaturas para impedir daño térmico a las piezas durante la unión, Aunque existen va-
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rn Capí!ulo 4 /Aleaciones dl' rneto:iJt_;s;
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y endtirecimiento medianlr:: (:;I íratarniento térniico Sección 4.5 /El diagrama de fases hierro-carburo de hierro y el desarrollo de microestruc:turas en los aceros
más posiciones intersticiales, la solubilidad sólida de la austenita tiene dos órdenes de magnitud más elevados que la ferrita, ocupando el carbono las posiciones intersticiales (fig. 4.9a). La austenita es una fase importante en el tratamiento térmico de los aceros (sección 4.7). Es más densa que la ferrita, y su estructurafcc monofásica es dúctil a temperatura elevadas; en consecuencia, posee buena formabilidad. También, para impartir varias propiedades, se pueden disolver grandes cantidades ele níquel y manganeso en el hierro fcc. El acero es no magnético en su forma austenítica, ya sea a elevadas temperaturas o, para los aceros inoxidables austeníticos, a temperatura ambiente.
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4.4.3 Cementita
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La frontera derecha ele la fig. 4.8 representa la cementita, que es 100% carburo de hierro (Fe 3C), con un contenido de carbono de 6.67%. La cementita, del latín cementum (que significa "astillas de piedra") también se conoce corno cm:bmro. Este carburo no debe ser confundido con otros carburos que se utilizan en dados, herramientas de corte y .abrasivos, como el carburo de tungsteno, el carburo de tittmio y el carburo de silicio (ca-
1000
6.67
Carbono (%por peso)
f!GU~A 4.8
E! diagi-;1ma de foses hierro-carburo de hierro. Dada la imporlancia del acero corno rn<1tericil de
lngenierfa, e.ste rliag1·v.rna e.<;, uno de Jos diagramas de fases rnás impon antes.
en inglés: boJy ccntered cubic) sólo se puede disolver muy poca cantidad de carbono de manera intersticial. la cani.idau de carbono puede afectar de manera significativa las propiedades mecánicas de !a ferrita. Además. el hierro puede; contener cantidades imporlante;, de cromo, manganeso. níquel, molibdeno, tungsteno y silicio en soluciones sólidas, que le imparten propiedades deseables.
Entre IJ94"C (2541"F) y 9l2ºC (1674"F), el hierro sufre una trn11sformad(J11 polimorfa. de una estrncturn hcc 11 una cslruclura/(·c (por sus siglas en ing.lés: face ccntered cubic), convirtiéndose en lo que se conoce co · rno hierro gmnt.1 o, de rn;::iner:i más comúoi en m.11steniita (según Vlf. R. /\usten, 1843-1902). Esta e~·.lruc1ura tie ri
pítulos 8 y 21). La cementita es un compuesto intermetálico muy duro y frágil y tiene una influencia significativa en las propiedades de los aceros. Puede incluir otros elementos de aleación como el cromo, el molibdeno y el mru1-
ganeso.
4.5 EL DIAGRAMA DE FASES HIERRO-CARBURO DE HIERRO Y EL DESARROLLO DE M!CROESTRUCTURAS EN LOS ACEROS La región clel diagrama de fase hierro-carburo de hierro, que contiene hasta 2.11% de carbono y que resulta significativ'l para los aceros se observa en la fig. 4.10, que es una ampliación de la porción inferior del lacio izquierdo de la fig. 4.8. Se pt1edcn desarrollar varias microestructuras, dependiendo del contenido de carbono, de ia cantidad de deformación plástica (trabajo) y del método de tratamiento térmico. Por ejemplo, vc'1· i íOO
Celdas unit;;irias prJra (;:i) cwstenit.:1 1 (b) ferrit¿¡ y (e) 111.-1r!ensita. En (d) se mues1ra ei efr;cto del por-ceniél)E:: de c:nbono (µor peso) en kt5, dimensiones de la red de la martensit·a. f\lote la posición íntersticiJi dC' lo.s
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2.0
2.5
FIGURA 4.1 O ilustración esquemática de la rnicroestructura para una aleación hierro-carbono de composición eutectoide (0.77% de carbono), por encima y por debajo de la temperatura eutectoide de 727º( (1341 ºF).
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Capíti;io 4 ! Aleaciones de metales: su es!ructura y endmecirnien!o median!e el !ratarnient0 térmico
Sección 4.6 /Hierros fundidos
113
4.6 HIERROS FUNDIDOS El término hierro fundido se refiere a una familia de aleaciones ferrosas compuestas de hierro, carbono (des· de 2.1 l % hasta aproximadamente 4.5%) y silicio (hasta aproximadamente 3.5%). Los hieITOS fundidos por lo general se clasifican, según su morfología de solidificación a partir de la temperatura eutéctica, como sigue
FIGURA 4.1 ·¡ Microeslructuro de la perlita en acero 1030, formado de la austenita de composición eutectoide. En
(véase también la sección 12.3):
esta estructura laminar, las regiones más claras son de ferrita, y las regiones más
a. Hierro fundido gris o hierro gris; b. Hierro fundido dúctil, hieJTo fundido nodular, o hierro fundido de grafito esferoidal;
obscuras de carburo. Ampliación: 2500X. Fuente: cortesía de USX Corporation.
c. Hierro fundido blanco;
d. Hierro maleable
mos el punto eutectoidc del hieJTo con un contenido de carbono de O. 77%, mientras es enfriado muy ientamente desde una temperatura de digamos 11 OOºC (2000ºF) en la fase austen.ítica.
e. Hierro de grafito compactado.
La razón para un enfriamiento lento es para mantener el equilibrio; velocidades de enfriamiento más elevadas se emplean en el tratamiento térmico, segtín se explica en la sección 4.7. A 727°C ( l 341 ºF), ocllrrc lltlH
Los hierros fundidos también se clasifican en función a su estructura: ferríticos, perlíticos, enfriados y
reacción en la cual la austcnita es transformada en ferrita alfa (bcc) y en cemenüta. Dado que la solubilidad sólida del carbono en la ferrita es de únicamente 0.022%, el carbono adiciona! forma ccmentita.
templados, o bainitizaclos. El diagrama de fases de equilibrio relacionado o correspondiente a los hierros fundidos se muestra c11 la fig. 4.12, en el cual la frontera derecha es 100% carbono, esto es, grafito puro. La temperatura eutéctica es de l l 54ºC (2109ºF) por lo que los hierros fundidos están en estado completamente líguido a temperaturas i 11feriores a las requeridas para los aceros líquidos, En consecuencia, un hierro con un elevado contenido de carbono puede ser fundido (véase la parte H) a temperaturas menores a los aceros fundidos. Aunque la cementita existe en los aceros prácticamente ele manera indefinida, no es completamente estable, m6s bien es metaestable, con una rapidez de descomposición extremadamente baja. Se pLiede hacer que la cementiw, sin embargo, se descomponga en ferrita alfa y en grafito. Modificando la composición y la velocidad de enfriamiento, o mediante Ja adición de silicio se puede controlar, promover y acelerar la formaci<ín
Esta reacdcÍiJ se conoce como eutectoide (que significa similar a eutéctico); este término significa que a cicrt¡¡ temperatura, una fase sólida simple (austenita) se transforma en dos fases sólidas diferentes (fürrita y cementita). La estrncturn. del acero eutectoide se conoce como perlita, debido a que, a b1ijas ampliaciones, se parece a !a madreperla (f;g, 4. l J ). L1 microeslrnctura de la perlita está fonnada de capas alternadas (láminas) de len-ita y de cernen tila. En consecuencia. las propiedades mecánicas de la ferrita son intermedias entre las de !a ferrita (blandas y dúctil) y de la ccmentita (duro y frágil). En el hierro, con menos de 0.77% de carbono, la microestmctura formada consiste de una fase de per· lita (ferrita y cementíta) y de una fose de ferrita. La ferrita en la perlüa .se llama ferrita eutcctoi!le. La fase ferrit;i se l!arna prnN1kctoide (pro ;;ignificando antes). Se forma a una temperatura tmís elevada que la lernp
de grafito
Si el contenido de carbono es su.p,:rior a 0.77%, Ja austenita se lrnnsforma en perlita y cemen!iti. La ccmentila en la perlita se conoce como cemenfü:a euiec[oide, y la fase de ccmentita se conoce como cemcnti· ta proe11tecfoide, porque se forma en la región al/á + Fe1C a una temperatura superior a la temperatura eutectoide.
4.5. 1
t=iGURA 4.12 Diagrama de frise para el sisten1a hierro-cZlrbono con gr0fito (e11 vez de cernentita) como fase estable. Observe que esta figura es una versión ampliada de la fig. 4.8.
de los elementos de aleación en el hierro
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Líquido
Aunque el carbono es el elemento básico gue transfórma el hierro en acero, también se agregan otros elementos para impartir una variedad de propiedades deseables. El efecto principal de estos elementos de aleación en el diagrama de fase hieJTo-carburo de hieJTo es correr o desplazar la temperatura eutectoide y la composi· cióndeeutectoide (porcentaje del cm·bono en el acero en el punto eutectoide); también desplazan otras fronteras fase.
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La temperatura eutectoide, dependiendo del elemento de aleación particular, puede ser elevada o bajada partiendo de 727ºC ( 134 J ºF). Por otra pmte, los elementos de aleación siempre reducen la composición eutectoide; esto es, su contenido de carbono es inferior a O. 77%. Reducir la temperatura eutectoide significa incrementar el rango austenítico. Como resultado, un elemento de aleación como e] níguel se conoce como un formador de austenita. Dado que el níquel tiene una estructura jéx, favorece la estructura fcc· de la austenita. De la misma manera, el cromo y el molibdeno tienen una estrnctura bcc, favoreciendo por tanto la estructura bcc de la ferrita. Estos elementos son por ello conocidos como estabilizadores de ferrita.
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4.6.4 Hierro maleable
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Se obtiene el hierro maleable al recocer el hierro fundido bhmco durante varias horas en una atmósfera de monóxido y de d[óxido ele carbono, entre SOOºC y 900ºC (1470ºF y l 650ºF), dependiendo del tamaño de la pieza. Durante este proceso la cementita se descompone (disocia) en hierro y grafito. El grafito existe en racimos o rosetas (fig. 4. l3c) en una matriz de perlita o de ferrita; en consecuencia, et hierro maleable tiene una estructura similar a la de hierro nodular. Esta estructura promueve la ductilidad, la resistencia mecánica y la resistencia al choque, de ahí el término maleable (del latín maleus "se puede martillar").
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4.6.5 Hierro de grafito compactado
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FIGURA 4.13 Microeslructura de los hierros fundidos: Amplificación 1OOX. (a) HiHro gris ferrítirn con hojudas de grafito. (b) Hierro dúctil ferrítico (hierro nodular) con grafito en forma nodulaL (e) Hierro m,ilcablc Íel'l'ílico; ese hien·o fundido solidificó corno hierro fundido blanco, con el carbono presente corno cemenlitd, y íue tralado tt'rmicamente para grafitizar el carbono. Fuente: i\SM lnternational.
4.6.
El grafi1o en esta estructura está en forma de hojuelas cortas, gruesas e interconectadas, con superficies onduladas y extremidades redondeadas. Las propiedades mecánicas y físicas de este hierro fundido son intermedias ,;ntre las de los hierros fundidos del grafito en hojuelas y el grafito nodular.
fundido gris
4.7 TRATAMIENTO TÉRMICO DE LAS ALEACIONES FERROSAS
En esta estructura. el grafito existe principalmente en forma de hojuelas (fig. 4. i3a). Se !e llama hierro fon .. dMo gris o hierm gris, debido a que, cuando se le rompe, la lrnyectoria dt0 la fractura ocurre a lo largo de fas hojuelas de grafito y tiene por tanto, una apariencia gris y de color del hollín. Estas hojuelas actú.an c:omo elevadori;s de esfuerzo. Como resultado, el hierro gris tiene una ductilidad y, como otros matcri<1lcs frágiles. es débil a la tensión, aunque resistente a la compresión.
Las varias microcstructuras que se han descrito hasta ahora se pueden modificar mediante técnicas de tratamiento térmico, esto es, mediante el calentamiento y enfriamiento controlado de las aleaciones a diversas velocidades. Estos tratamientos inducen tir:msformadones ele fase que influencian de manera importante pL)piedadcs mecánicas como la resistencia mecánica, dureza, duclilidad, tenacidad y resistencia al desgaste de
Por otra pm1e, la presencia de las hojuelas de grafito le dan a este material la capacidad de amortiguar vibrnciones c;iusadas por fricción en consecuencia, capacidad de disip:rr energfa. Esta capacidad haCundido gris adecuado y de uso comiJ11 como mate1ül para construir bastidores y estructura:; de ce del 1núquirias herramientas (sección 24.3).
las aleaciones.
hic~rru
Los efectos del tratamiento térmico dependen de la aleación, de su composición y microestructura, del grad<\ de trabajo en frío anterior, y ele las velocidades de calentamiento y enfriamiento durante el tratamicnlo térmico. Los procesos de recuperación . recristalización y crecimiento de grano (sección 1.6) son ejemplos de tratamiento térmico, involucrando cambios en la estructura del grano de la aleación. Fsta sección se enfocará en los cambios rnicroestructurales del sistema hierro-carbono. Debido a su significado tecnológico, las estructuras que se consideran son la perlita, la esferoidita, la bainita, la martensita. y la rnarlensita revenida. Los procesos ele tratamiento térmico descritos son el recocido, el temple y c.l revc-nido.
Los tipos de hierro fundido gris se conocen como fierrfücos, ¡r¡er!ífü:os y marterisfücos. Debido a las dii'"rcnü;s esiructurns, cada uno licnc propiedades y aplicaciones diferentes. En el hierro gris ferrítico, tarn .. bien CDnocido como hierro gris o hierro rota/mente gris, lit estructura está formada de hojuelas de grafüo •on una matriz de ferriti alfa.
El hierro gris pcrlitico tiene una estructura de grafito en una matriz ele perlita. Aunque siµue siendo fr:ígil, es müs resistente que el hierro totalmente gris. El hierro gris martensítico se obtiene al aus!enitiz;u· el 11ierro gris per!ítico y después lemplado con rapidez, para producir una esi-rnctura de grafüo en una matriz de marh;nsiLa: como rcsullado, este hierro fundido es rnuy duro.
4.6.2
11 S
4.7.1 Perlita
(hierro nodular)
Si la ferrita y las láminas de cemen1ita en la estructura ele perlila del acero eutectoide que se muestra en la fig. 4.1 J son delgadas y empacadas de manera compacta, la microcstructura se conoce como perlita fina. Si son gruesas y muy espaciadas se conoce como perlita gruesa. La di/'crencia entre los dos depende de la velocidad de enfriamiento a través ele Ja temperatura eutectoide, el punto de una reacción en el cual se transforma la austenita en perlita. Si la velocidad de enfriamiento es relativamente elevada, como en el aire, se produce perlita fina, si el enfriamiento es lento, como se haría en un horno, se produce una perlita gruesa. La transformación de austenita a perlita (entre otras estructuras) queda mejor ilustrada en las figs. 4. J4b y c. Estos diagramas se conocen como diagramas de trnnsformadón isotérmica (IT, de sus siglas en inglés: lsothennal Transformation), o diagramas de tran~f'onnaci6n tiempo temperatura (77T). Se elaboran a partir de los datos dados en la fig. 4.14a, que muestra el porcentaje de austenita que se transforma en perlita como una función de la temperatura y del tiempo. Mientras más elevada sea -la temperatura o más largo sea el tiempo, mayor será el porcentaje de austenita transformado en perlita. Nótese que para cada temperatura, existe un tiempo mínimo para que se inicie la transformación. Este periodo define la velocidad crítica de enfriamiento; con tiempos más largos, la austenita se empieza a transformar en perlita. Esta transformación se puede trazar en las figs. 4.14b y c.:
En la estructura del hierro dúctil, el grafito está en forma nodular o esferoide (fig. 4.13b). Esta forma le permite ai lllateriaJ ser algo dúctil y resistente a los choques. La fom1a de las hojuelas de grafito se cambia en nódulos (esferas) mediante pequeñas adiciones de magnesio y/o cerio al metal fundido antes de su vaciado. Ei hierro dúctil se puede hacer ferrítíco o perlítico mediante el tratamiento térmico. Se puede tratar térmicamente parn obtener, alternativamente, una estructura de martensita revenida (sección 4. 7.6).
4.6.3 Hierro fundido blanco La estructura del hierro fundido blanco es muy dura, resistente al desgaste, y frágil, debida a Ja presencia de grandes cantidades de carburo de hierro (en vez de grafito). El hierro fundido bJauco se obtiene ya sea al enfriar rápidamente el hierro fundido gris o ajustando la composición manteniendo el carbón y el silicio bajos. Este tipo de hierro fundido también se conoce como hierro blanco, debido a la apariencia cristalina blanca de la superficie de fractura.
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H6 Capítulo 4 /Aleaciones de metales: c;u es1ructurd y endurecimiento medianle el 1ratamiento térmico
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Secdón 4.7 /Tratamiento térmico cJe las aleaciones ferrosas
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diferencia de las laminillas de cemenlita, que actúan como elevadores de esfuerzo, las esforoiditas (partículas esféricas), en razón a su forma redondeada, son menos propensas a concentraciones de esfuerzo. En consecuencia, esrn estructura tiene u.na tenacidad más elevada y una dureza menor que la estructura de la perlita. De esta fonna, puede trab<\jarse en frío, dado que la ferrita ductil tiene una elevada tenacidad, y las partículas de carburo esferoidal impiden la iniciación de grietas dentro del material.
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HGURA 4.16 Propiedades mecánicas ele los aceros recocidos, corno una función de la composición y de rnicroestructura. Obsérvese en la) el incremento en dureza y en resistencia, y en (b) la reducción en ductilidé>d y en tenacidad, con cantidades crecientes de perlita y de carburo de hierro. Fuente: l. H. Va~ Vlack; !vlaterials ío1 Engineering. Addison-Wesley Publishing Co., lnc., 1982.
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FIGURA 4.15 (a) y (b) dureza y (e) tenacidad para los aceros al carbono recocidos, corno una función de la forma de carburo. Los carburos en la perlita son laminares. La perlita fina se obtiene incrementando la velocidad ele eniriarnienlo. La estructura esferoidita tiene partículas de carburo en forma de esíeras. l\lole que el porcentaje de perlita empieza a reducirse después de 0.77% de carbono. Fuente: L. H. Van Vlack; Materials for Engineering. Addison-Wesley Pub!ishing Co., inc., 1982.
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102
(a) Transformación de la ciustcnila" perli1,1 de la aleación hierro-carbono con10 una función del tiempo
y/¿¡ ternpe1-;:itura. (bJ Diagrama do transformación isotérmica obtenido de (a) para una temperatura de lransfom1ación de 675º( (1247ºFJ. (e) ivlicroestructuras obtenidas de una alcilción de hierro-carbono eulectoidc, rnrno una función de la velocidad de r:1 ifriarniento. Fuente: ASM lntemat!onal.
Perlita
(a)
Perlita +
(b)
+ carburo
320
Las diferencias en dureza y tenacidad de las diversas estructuras obtenidas se muestran en la fig. 4.15. La perlita fina es más dura y menos dúctil que Ja perlita gmesa. Los efectos correspondientes a los varios porcentajes ele carbono, cementita y perlita en otras propiedades mec
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o 1-Cuando la perlita se calienta justo por debajo de la temperatura eutectoide y entonces se mantiene dicha temperatura durante un cierto periodo de tiempo (recocido snbcritico, sección 4.1 l. l ), como por ejemplo, un día a 700ºC (1300ºF), las láminas de cementita se transforman a formas aproximadamente esféricas (fig. 4.17). A
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4.7.2 Esferoidita
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Capítulo 4 /Aleaciones de metales: su estruc1ura y endurecimiento rnedianle el tratamiento térmico
Sección 4.7 /Tratamiento térmico de las aleaciones ferrosas
1'9
tanto, tiene un uso limitado. La transformación rnat1ensítica ocurre casi de manera instantánea (fig. 4.14c) ya que involucra no un proceso de difusión sino un mecanismo de deslizamiento (deformación plástica), un fenómeno dependiente del tiempo, que es el mecanismo que tmnbién ocurre en otras transformaciones. El material sufre cambios en el volumen dadas las diferencias en densidades que resultan de las transformaciones de fase. Por ejemplo, cuando la austenita se transforma en martensita, su volumen se incrementa (y su densidad se reduce) tanto como un 4%. También ocurre una expansión de volumen más pequeña, pero similar, cuando la austenita se transforma en perlita. Estas expansiones, y Jos gradientes térmicos presentes en una pieza enfriada, generan esfuerzos internos dentro del cuerpo. Pueden hacer que durante el tratarnien·· to térmico las piezas sufran distorsiones o incluso se agrieten: el agrietamiento por temple de los aceros .;,s causado por un enfriamiento rápido durante el templado. La distorsión es un cambio dimensiona! irreversible de la pieza. Se trata de un término de tipo gener:Jl y puede consistir ele distorsión de tamaño y distorsión en la forma. La distorsión de tamaño involucra cambios en las dimensiones de la pieza sin cambio en la forma, en tanto que una distorsión de laj(mna involucra torcedura, flexión, y cambios dimensionales similares no simétricos. La distor:iión puede reducirse mediante un control apropiad.o ele los ciclos de calentamiento y enfriamiento, mediante un mejor diseño de la pieza, y mediante un tratamiento tt'rmico más localizado de la misma (véase también Ja sección 4.13).
FIGURA 4.17 lvlicroestructura del acero eutecloicle. Se íorma la esferoiclita al revenir el acero a 700 ºC (1292 ºF). Ampliación, 1OOOX. Fuente: co11esía de USX Corporation.
4.7.3
4.7.5 Austenita retenida Visible únicamente a través del microscopio electrónico. la bainhta es una microestrncturn muy fina, consistiendo ele frrrita y cernenlita, algo parecido a hr perlita, pero con una morfología diferente. Se puede producir en aceros con elementos aleantes y a velocidades de enfriamiento más elevadas que aquellas requeridas para la transformación en perlita. Esta estnictura, conocida como acero bairnfüco (según E. C. Bain, 189 í-l 971 ), por lo general más rcsisten!l'. y más dúctil que los aceros perlíücos en el múmx; nivel de dureza.
Si la temperatura a la cual se enfría la aleación no es lo suficientemente baja, solamente una porción de 1a tructura es transformada en mfiltensita. El resto es austenita retenida, que es visible como áreas blancas en la estructura, entre la martensita oscura en forn1a de ocfculas o agujas. La austenüa retenida puede causar inestabilidad dimensional y agrietamicrüo, reduciendo la dureza y la resistencia de la aleación.
Ll.,7.4
4.7.6 Martensita revenida Cuando la at1stenii-a es enfriada a una velocidad elevada, como el enfriado en agua, su estn.ictura/i.·c c.e transforma con una estructura úeirngmiai cenfraifa en d cuerpo (bct). Esa estructura se puede describir como un prisma rectangular centrado en cuerpo, que cs1á 1.igeramente alargado a lP largo de uno de sus ejes principales (fig. 4.9d). Esta microcstructura conoce como mariel!lsita (segúll A. Martcns, l 850-J 914). Dado que ia marlensita no tiene tantos .sistemas
Se reviene )a martensita a fin de mejorar sus propiedades mecánicas, El revenido es un proceso de calentamiento mediante d cual se reduce la dureza y se mejora la tenac[dad. La martensita tetragonal centrada en ei cuerpo se calienla a una temperatura intermedia., típicamente 150ºC - 650ºC (300ºF- J200ºF) donde se cornpone en una microestructura ele dos fases forn1ada por ferrita alfa cúbica cenlrada en el cuerpo y peq;.~:.> ñas partículas de cernentita. Con un incremento en el tiempo de revenido y de la temperatura, la dureza ele la maitensita revenida se reduce (fig. 4.19). La razón es que las partículas de cementita se Lmen y crecen, y la distancia entre las parlícu·· las en la matriz de ferrita blanda se incrementa conforme las partículas menos estables y más pequeñas de carburo se disuelven.
flGUlV\ i:.rn la) Dureza de/;¡ m.1rtensita, como unil función del contenido de carbono.(!:>) lvlicrn¡:r;1fí,1 de ia mz11ten:;ila conteniendo O.i1°,.(, de ca1bonu. Las regiones de forma de placa de color grb son rnartensilcl; fic·'ne la1 i;1isma composición que l
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105
incrementando por tanto la distancia interpartícula de la ferrita más blanda.
121.l
Capítulo 4 /Aleaciones de metales: su estructura y endurecimiento mediante el tratamiento térmico
4.8 TEMPLABIUDAD DE ALEAÓONES FERROSAS_____________________ La capacidad para endurecer una aleación mediante el tratamiento térmico se conoce como su temp!ahifülad. Es una medida de la profúndidad de la dureza que se puede obtener calentando y templando subsccuentemente. Del análisis visto hasta ahora, se puede observar que !a templabilidad de las aleaciones ferrosas dependen del contenido de carbono, del tamaño del grano de la austenita, de los elementos de aleación presentes en el material y de la velocidad de enfriamiento. Se ha desarrollado una prueba (la prueba Jominy) a fin de determinar la capacidad de endurecimiento de una aleación.
4.8.1 Prueba de endurecimiento por templado diferencial En la prueba .fominy de uso común (según W. E. Jominy, 1893-1976), se austenitiza una barra de prueba redonda de 100 milímetros (4 pulgadas) de largo, fabricada de una aleación en particular, esto es, se le calienta a la temperatura apropiada para que formen 100% de austenita. Posteriormente es enfriada directamente en un extremo (fig. 4.20a) utilizando una corriente de agua a 24ºC (75°F). La velocidad de enfriamiento varía por tanto a lodo lo largo de la barra, siendo más elevada la velocidad en el extremo inferior que está en contacto directo con el agua. La dureza a lo largo de la barra se rnide entonces a varias distancias del extremo templado y se traza, según se ob~crva en la fig. 4.20b. (u)
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Medio de temple El fluido que se utiliza para el temple de una aleación calentada también tiene un efecto en la tcmplabilidad. Ei temple puede ser efectuado en agua, en salmuera (agua de sal), en aceites, en sales fundidas, o al aire. También se hao utilizado soluciones cáusticas, las soluciones de polímeros y gases. Debido a las diferencias en conductividades térmicas, calores específicos, y calores de vaporización ele todos estos medios, la tasa de enfriamiento ele la aleación (severidad del temple) también resulta diferente. En términos relativos y en orden decreciente, las capacidades ele enfriamiento el<~ varios medios de temple son como sigue: salmuera agitada, S;
20
agua quieta, l ;
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aceite quieto, 0.3;
J 1
121
Tal y como se espera de nuestro análisis de los efectos de la velocidad de enfriamiento de la sección 4.7, Ja dureza se reduce al alejarse del extremo enfriado de la barra. Mientras más grande sea la profundidad a la cnaí penetre la dureza, mayor será la templabilidad o capacidad de endurecimiento de Ja aleación. Cada composición de una aleación tiene su banda particular de templabiiidad. Nótese que la dureza del extremo enfriado se incrementa con un contenido creciente de carbono: observe también que los aceros 1040, 4140 y 4340 tienen el mismo contenido ele carbono (0.40%) por Jo que tienen la misma dureza (57 HRC) en el extremo templado. Dado que pequeñas variaciones en composición y en el tamaño del grano pueden afectar la forma de las curvas de templabi!idad, cada lote de una aleación debe ser probado de manera individual. Los datos pueden ser trazados en forma de banda, en vez de una sola curva. Las curvas de templabilidacl son necesarias para predecir la dureza de piezas tratadas térmicamente (como engranes, levas y otros componentes) como una función de su composición.
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Sección 4.8 J Temp!é.1bilidad de aleaciones ferrosas
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la forma de estas curvas. Cada curva es de hecho una banda, y su determinación exacta es importante en el tratamiento térmico de los metales, para un mejor control de las propiedades. Fuente: L. H. Van Vlack; Materia/s far Engineering. Addison-Wesley Publishing Co., lnc., 1982.
La agitación es también un factor significativo en l velocidad de enfriamiento. Mientras más vig0r0sa sea la agitación, más elevada será la velocidad de enfriamiento. En los aceros para he1nmienta, el medio de temple se específica mediante una letra (véase la tabla 5.7) como W por templados en agua, O por templados en aceite, y A por templados al aire. La velocidad de enfriamiento también depende de la relación área de la superficie a espesor, o área de la superficie a volumen de la pieza. Mientras más elevada sea esta relación, más alta será la velocidad de enfriamiento. Por tanto, por ejemplo, una placa gruesa, con una misma área superficial, se enfría más lentamente que una placa delgada. Estas consideraciones también son significativas en el enfriamiento de los metales y de los plásticos en los procesos de fundición y de moldeo. El agua es un medio común para un enfriamiento rápido. Sin embargo, el metal caliente puede formar un recubrimiento de vapor a lo largo de sus superficies, debido a las burbujas de agua y vapor que se forman al hervir el agua en la interfaz metal agua. Este recubrimiento crea una barrera a la conducción del calor, debido a la conductividad térmica menor del vapor. La agitación del fluido o de la pieza ayuda a reducir o a eliminar dicho recubrimiento. También, el agua puede ser rociada sobre la pieza a alta presión. La salmuera es un medio efectivo de enfriamiento, dado que la sal ayuda a nuclear las burbujas en las interfases; este efecto mejora la agitación. La salmuera puede, sin embargo, corroer la pieza.
22
C_tpítulo 4 /Aleaciones de metzdes: su estructura y endu1·ecimi<:'nto mediante el tratamiento térmico
S.ección 4.9 /Tratamiento térmico de aleaciones no ferrosas y de ac:eros inoxidables
Durante casi treinla años se han utilizado medios de temple poliméricos para el templado tanto de aleaciones ferrosas como no femJsas, y de tiempo en tiempo se desarrollan nuevas composiciones. Tienen características de enfriamiento que en general quedan entre las del agua y las de los aceites del petróleo. Los medios de temple poliméricos típicos, son el alcohol de polivinilo, el óxido polialcalino, el pirrolidcno de polivinilo, y el poli etilo oxazolina. Estos medios de temple tienen como ventajas un mejor control de los resultados de la dureza, la eliminación de humos y fuego (como ocurre cuando se utilizan aceites como medios de temple) y una reducción de la corrosión (como ocurre al utilizar el agua). La velocidad de enfriamiento puede ser controlada mediante la variación en la concentración ele las soluciones.
4.9
Las aleaciones no ferrosas y algunos aceros inoxidables en general no pueden ser 'ujctos a tratamiento térmico usando las técnicas que se utilizan en las aleaciones ferrosas. La razón es que las aleaciones no ferrosas no sufren de transformaciones de fase como en el caso de los aceros. Los mecanismos de endurecimiento y de aumento de resistencia para estas aleaciones son fundamentalmente diferentes. Las aleaciones de aluminio, las aleaciones de cobre. los acero inoxidables :mn'tensíticrn;, y otros aceros
inoxidables tratable::; térmicmnente, se endurecen y se aumenta su resistencia rnediantc un proceso con oc] do corno endrnredmiento por prcdpitadón. Este lrntm11ien10 térmico es una técnica en donde pequeñas partículas ídc una fase diferente y conocidos como precipitados) se dispersan de una manera uniforme en la matriz de la fose original (fig. 4.3a). En este proceso, se forman precipitados porque queda excedida la solubilidad sólida de un elemento (uno de los componentes de aleación) 'éll el otro. Se involucran tres etapas en cJ endurecimjento por prec.:ipitac16n. Se describen con mayor ch1ridad haclcndo referencia al diagrarrni de ü:i0e para e! sistema ahiminlo-cobre (fig. 4.2 ! a). Para 1,1rn1 aleación con !J com.posición 95.:/N; de Al y 4.5%) de Cu. existe una solnción sólida sustitucional monoí-~ísica (kappa) de cobre (solulo) en ei alum[Bio (solvente) cnlre SOOºC y 700ºC C930ºF y l060ºFJ.
(<1) 01r1grarna de fases p;1rzi 0J sis1"ema de ale;Kión dluminio-cobrc. (b) Varias rnicrocstruciurcJs obj(·'nirb:o du¡-;·rnie el proce'.;o •.ie cndurecimic"'nW por envejc-:círnií"nto. r:uenfe: l L Van \/!,Kk; lv1aferi,1/s l~Jr rnr~j¡K't:'rin,t;. Addison-V\/e;;Jey !)11blishing Cu., lnc., i (h)
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cnvcjccimicnlo, prccipilacHln
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100
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Al
5
10
Cu
Composición ((ió por peso)
4.9.1 Tratamiento por solubización
4.9.2 Endurecimiento por precipitación La estructura obtenida en A de la fig. 4.2lb se puede hacer más fue11e mediante el endurecimiento por preópitación. La aleación se recalienta a una temperatura intermedia y entonces se mantiene ahí durante un periodo de tiempo, durante el cual ocurre la precipitación. Los átomos de cobre se difunden a sitios de nucleación y se combinan con los átomos de aluminio; este proceso produce la fase teta, que se [onrn como precipitados submicroscópicos (mostrado en B, mediante los puntos pequeños dentro de los grandes granos de la fase kappa). '2;;ta estrnctura es más resistente que la de A, aunque es menos dúctil. El incremento en resistencia se debe a una resistencia mayor al movimiento de dislocaciones en !a región de los precipitados.
Envejecimiento. Dado que el proceso de precipitación es un proceso de tiempo y temperatura, tambtén se le conoce como e11vejecñmie11to, y el mejoramiento de propiedades se conoce como eml.lllrecimieoo· to por envejecimiento. Si se lleva a cabo por encima de la temperatura ambiente, el proceso de conoce corno envejedmie1rnto artificial. Sin embargo, varias aleaciones de aluminio se endurecen y se hacen más resistentes a lo largo Je un periodo de tiempo a temperatura ambiente; ese proceso se conoce como envcjecimi~ci "lo natura!. Estas aleaciones primero se templan; entonces, si así se desea, se conforman mediante deformaci
1
1
ril
Esta fase kappa es rica en aluminio, tiene una estructurafcc y es dúctil. Por debajo de la temperatura inferior (esto es, por debajo de la línea de solubilidad inferior) existen dos fases: kappa y leta (un compuesto intermetálico duro de CuAl,). Esta aleación puede ser tratada térmicamente, y sus propiedades se modifican mediante dos métodos diferentes: tratamiento por solubización y precipitación.
En el tiratamientr1 por solubización, Ja aleación es calentada hasta Ja fase kappa ele solución sólida, digamos 540ºC ( 1OOOºF) y después enfriada con rapidez, por ejemplo, enfriándola en agua. La estructura obtenida después del templado (A en la fig. 4.2lb) consiste sólo de kappa monofásica. Esta aleación tiene una resistencia moderada y una considerable ductilidad.
TÉRMICO DE ALEACIONES Y DE A.CEROS lNOXlDABLES
(a)
123
A
B Tiempo - -
..
¿. '
"Maraging". Se trata de un tratamiento de endurecimiento por precipitación para un grupo especial ele aleaciones base hierro de alta resistencia. La palabra "maraging'' se deriva de martensite age hardening o tratamiento martensítico envejecible. En este proceso, uno o más compuestos intermetálicos se precipitan en una matriz de martensita de bajo carbono. Un acero ma:rtensítico envejecible típico puede contener 18% de níquel además de otros elementos, y el envejecimiento se efectúa a 480ºC (900ºF).
1 1
El endurecimiento mediante el tratamiento martensítico envejecible no depende de la velocidad de en· friamiento; en consecnencia, se puede obtener una dureza uniforme incompleta a través de grandes piezas con una mínima distorsión. Los usos típicos de los aceros maitensíticos envejecibles es en dados y heITamental pma la fundición, el moldeo, Ja forja y la extrusión (partes II y III).
Sección-4. ·¡O/ Endurecirnienlo superficial 1241·
125
Capítulo 4 / /\k~aciones ck~ rnelc~les: su es!ructma v endurcc:imienlo me(fo·1nte el trat~·,miento térmico
-----
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cnvej~cimicnto
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20
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Metales endurecidos
60
~
~
Esquema de los procesos de tratamiento térmico para el endurecimiento superficial
TABLA 4.1 ---
-----V:--ri'c-l
400 -
l (} 10'
(hr)
FIGURA 4.22 El efecto del tiempo y de la temperatura de envejecirniento en el esfuerzo
-Proceso
Carburizado o cementado
de cedencia de la aleación de aluminio 2014-T4. Note que, para cada temperatura, existe un tiempo óptimo de
!:elemento agregado a la superficie
Acero al bajo carbono (0.2%C), aceros aleados (0.08-IJ.2%C)
Calenlar el acero a 870-950ºC (l600-175üºF) en una atmósfera de gases carbonáceos (gas carburante) o sólidos que contengan carbono (cementado en ca,ia). Después temple.
C
envejecimiento para una máxima rcsistencizi. Carboni.trurado
Acero al bojo carbono
CyN
4_·¡ O Ei'·lDURECllvllENTO SUPERF.ICIAL Los procesos de tratamiento térmico hasta ahora descritos involucran alteraciones microestructuralcs y cambios
Cl
Ai..:ero a! bajo carbono (0.2% C), act:'.ros aleados
Procedimiento
yN
Carbud2ado o ce1ncnlaclo (carburf;;,ado por g~is, lfqtii.do o en paquer:c);
Acems(I. A!,J.5% Cr. O.Y;(, Mo), aceros aleados (Cr, Mn ). ~!Cero:, inoxidables, acero~. pur~i
Carbonliütruradio:
he!Té.Hnic.nw de
Nitrurndo
Algo de distm-sión de Ja
pjcw durante el lratarniento termico. Pernos, tuercas, engranes
Caliente el acero entre 760-845"C (1400-l550'F)
La durcz~1 superficial de hasla 65 HRC Profundidad de capa carbonitrurada 0.025 a 0.25 1nilírnetros (0.001 a O.OJO pulgadas). Algo de distorsión.
Pernos, tuercas, tornillos. engranes pequeños
soluciones de cianuro
N
Caliente e! acero a 500· 60üºC (925-1 l OO"F) en una atn1ósfera de gas a111nni<:i.CO o mezclas ck sales fundidas de cí
\'docidad.
postcnor.
Ci;(tJíi1trnnAd!~P;
Nitrann-.wío; e,
B·~:won.h.:3ú!o;
Boroni1.ado
Aceros
Endurecimiento a la flama
Aceros al medio carbono, hierros fu1i
Endurec1micnto
Igual que an"iba
conudorcs, barrns barrenadorm:, piezas r"k bomba de inyección de combuslibk
Acero~ para
herramientas
Ninguno
La superficie se calienta con un soplete de oxiacetileno. y después se enfría por rociado con con agua u otros métodos de enfriamiento.
Endunximiento de superficie de 50 a 60 HRC. Profundidad de temple de 0.7 a 6 milímetros (0.030 a 0.25 pulgadas). Poco de distorsión
Dientes de engranes y de catarinas, ejes, cigüeñales, bielas, bancadas de torno y centros o puntas de torno
La pieza de mclal se coloca en bobinas de inducción de cobre y se calienta mediante un<'I corriente de alta frecuencia, y después se enfría.
Igual que arriba
Igual que arriba
Ninguno
!J. iEll1ldurccimñento por lásei-.
......_
Engranes, flechas,
c<1tarinas, válvulas,
Superficie extremadamente dura y resistente al desgaste. Profundidad de capa 0.025-0.075 milímetros (0.001-0.00:i pu\g;:id:-is).
f. \Erndan-edr([lier1to a Tia fian1ia;
ppr inducción
Dureza superficial de lrnsta t ! 00 HV. Profundidad de capa niauracla 0.1 basta 0.6 milímeLros (IJ.005 u(),())() pulgadas) y 0.02 a 0.07 milímetros (0.001 u 0.003 pulgadas) para ;1ceros de alta velo· ci
La pieza se calienta utilizando gas o sólido conteniendo boro en contado con la pieza.
B
g. End.uredanknto por ilfld01cdón;
Básicamente, son operaciones en las cuales se calienta el componente en una atmósfera que contiene elementos (como carbono, nitrógeno y boro) que alteran la composición, microestructurn y propiedades de la superficie. Para aceros que tengan un contenido suficientemente alto de carbono, el endurecimiento superficial ocurre sin necesidad de utilizar estos elementos adicionales. Sólo se necesitan los procesos de tnitamiento termicos descritos en la sección 4. 7 para alterar las microestructuras. Por lo general utilizando ya sea el endurecimiento a la t1ama o endurecimiento por inducción, según se lista en la tabla 4. l. Los rayos láser y los haces electrónicos (secciones 26.7 y 26.8) también son utilizados efectivamente para endurecer tanco pequefías como grandes superficies, como las de engranes, válvulas, punzones y cilindros ele locomotora. Estos métodos también se utilizan para endurecimiento en el volumen de piezas relativamente pequeñas. Las vent;tjas principales del endurecimiento superficial por láser es un control muy preciso de la entrada de energía, baja distorsión, y Ja capacidad de llegar a áreas que serían inaccesibles por otros medios. Los costos ele capital pueden, sin embargo, ser elevados y la profundidad de la capa endurecida es por lo general inferior a 2.5 milímetros (O. l pulgadas).
Engranes, levas, Hechas, cojinetes. uniones de pit;tón. catarinas, placas de embrague
Dureza superficial 55 a 62 HRC. Profundidad de la capa carbonitrurada 0.07 a 0.5 milímetros (0.003 a 0.020 pulgadas). Menos distorsión qm: en eJ carburado.
(por ejemplo 30%,, de cianuro de sodio) y oLras sales.
rana
Se produce una superr¡óe dura ele alto carbono. La dureza es de 55 a 65 HRC. La profundidad del cementado< 0.5 - 1.5 mil[mclros (<0.020 a 0.060 pulg).
Caliente el acero a 71lll-80üºC ( i 300-1600ºF) en una atmósfera de gas carbonáceo y amoniaco. De"pués temple en accik.
i;:n un baño fundido de
(0.08-0.2% C)
Aplicaciones típica':_~~~
Características generales
y dados
..26
Caµítuio 4 / Alc-::Jcioncs de' met<".lles: su e::.truclura y endurecimiento mediante el tratamiento 'iérmico
Sección 4.'l'I / Recocido
Dado que el endurecimiento supe1i'icial es un tratamiento térmico localizado, las piezas endurecidas así tienen un gradiente de dureza. Típicamente, la dureza es máxima en la superficie y se reduce por deb¡ijo de ella, con el grado de reducción dependiendo de la composición de metal y de las variables del proct:so. Las técnicas ele endurecimiento superficial también se pueden utilizar para el revenido (sección 4.1 LJ) para modificar las propiedades de superficies que han sido sujetas a tratamiento térmico. Diversos procesos y técnicas para endurecimiento superficial, como el granallado y el laminado superficial, mejoran la resistencia al desgaste y otras características (sección 33.2). La decad:imrización es el fenómeno en el cual las aleaciones que contienen carbono pierden carbono de sus superficies como resultado del tratamiento ténnico o del trabajo en caliente en un medio, por lo general oxígeno, que reacciona con el carbono. La decarburización es indeseable, dado que afecta la capacidad de endurecimiento de la superficie de la pieza (al reducir su contenido de carbono). Tambiéu afecta adversamente la dureza, ia resistencia, y la vida a la fatiga de los aceros, al reducir de manera signific
JOOOr
-·--
900
127
18ll0
'-...Acrn
1600
G ,_,
Recocido
~
~
~p.
1400
¡.~ 700 1
600
º1-~-~ 0.2 0.4
--'---'--·-'---'---'-0.6
0.8
LO
1.2
1.4
1.6
Composición (%C)
FIGURA 4.23 R.1n¡:os d~ temperatura de tratamiento térmico para los aceros al carbono, como se indican en el diagrama de fases hierro-carburo de hierro. Fuente: ASM lnternational.
El
n~coddo es un término generaí que se utilizzi para describir la restauración a sus propiedades originales de
una aleación trabajada en frío o con tratamiento térmico, por ejemplo, a fin de incrementar la ductilidad, y por ende, l~t conformabiJü.fad y reducir la durez~i y la resistencia mecánica, o por tanto, para modificar la microestructura. El recocido también es utiJizado para aliviar esfuerzos residuaJe:~ en una pieza manufacturada, con fines de una mayor maquinabilidad y de una estabilidad dimensional (sección 4. l 1.2). El término recocido tam-
800
bién se aplica al tratamiento térmico de vidrios y de productos .similares, de fundiciones y de soldaduras. E! proceso de recocido está formado por íos pasos siguientes:
¡-~ -~ -----~ ~~ / /
7001
~'l()O ~ ~ ,100
600 [
Ef calentamiento de la ple7.a de trabajo a un rango espedfi.co de te1npcratura
un horno.
70
/
~
~ 'llll¡l_!/~~·,\',J:'""'
2 .. Ivíanlenerlo a dicha temperalura dHrante un periodo de iienipo (empapado): y Enfriarnien\o ~n el aire o en horno.
-
/,JO.' \
//
·'
200
El 1xoceso se puede llevar a cabo en una at111ósfera inerte o controlada. o se puede ejecutar a temperaturac; inferiores pasa impedir o minimizar la oxidación superficial.
/
1011 O O 0.1
, 0.9 0.5 0.6 07 0·'·
l___l__L-
' 04•
0.2 O..>
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J·-1411
.J___j~-
Contenido de carbono (l;'1:1)
El recocido total es el término que se aplica al recocido de Jas aleaciones fe;Tosas, generalmente de los aceros de b
l)
... 50
_..,./
~<'
,-··
Una temperatura de recocido puede ser más elevada que la temperatura de recristalización de1 mater.ial, dependiendo ele! grado de trabajo en frío. Por eiemplo. la temperatura de recrislalización del cobre va de 20ü°C y 300ºC (400ºF y 600ºF) en tanto que la temperatura de recocido necesaria para rernperar las propiedades originales completamente va desde 260ºC a 650ºC (500ºF a l 200ºF), dependiendo del grado de trabajo en frío anterior (véase también la sección .l .6).
_, (Í()
Dureza de los aceros en los estados enfri
MGURA 4.24 LO
nita. El normalizado da como resultado una resistencia y dureza algo superior y una ductilidad menor que el recocido completo (fig. 4.24). La estrnctura obtenida es perlita fina, con granos pequeños y uniformes. La normalización por lo general se lleva a cabo a fin de refinar Ja estructura del grano, obtener una estructura uniforme (homogeneización), reducir esfuerzos residuales, y mejorar la maquinabilidad. La estructura de esferoidización y el procedimiento para su obtención se describieron en la sección 4.7 y en las figs. 4.17 y 4.24. El recocido por esferoidización mejora la capacidad de trabajar en frío y la maquinabilidad de los aceros (sección 20.9. l).
A fin cte evitar un reblandecimiento excesivo del recocido de los aceros, el cíe.lo de enfriamiento se puede efecluar completamente en aire quieto. Este proceso se conoce como normalizado, para indicar que Ja pieza se ha calentado a una temperatura por arriba de A 3 o de AcM, a fin de transformar la estructura a auste-
L
C1µí1ult) 4 / /\le;1ciones de rnetal0s; su t..'Slructurzi y endurc.:cimien!o mediante el tr<:1lzimien10 térrnico
128
4. l 1. ·¡
Sección 4.1 ! /Recocido
280
400
600
800
1000
1200
1
l.:lltrnnte el recocido de proceso (también conocido como recocido inte;rmedfo, 1recoddo suhc:rfüco o recocido eu proceso), la pieza de trabajo se recuece para restaurar su ductilidad, la cual se ha perdido en parte o completamente mediante el endurecimiento por 1rabajo durante el trabajo en frío. Posteriormente, la pieza se puede seguir trabajando hacia la forma finai deseada. Si la temperatura es elevada y/o el tiempo de recocido es largo, puede dar como resultado un crecimiento del grano (sección l.6) con efectos adversos sobre la capacidad de formabifüiad de las piezas recocidas.
1800 "
260
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1600
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s
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129
de proceso
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1200
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de alivio de
1@
1000
Para reducir o eliminar esfuerzos residuales, un pieza es comúnmente sometida a un recocido de alivio de esfüenos, o simplemente a un alivio de esfoerzos. La temperatura y el tiempo requeridos para este proceso de· penden del materül y de la magnitud de los esi'uerzos residuales presentes. Los esfuerzos residuales pudieran haber sido inducidos durante el formado. el maquinado u olros procesos de formado o pueden haber sido causados por camhios volumétricos durante transformaciones de fase.
800
¡-
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120
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~ de ürca
100 __ _¡_____j_ _ _____L.,__ 200 300 400 500 600 TernperaLura de revenido (ºC)
Para ios aceros, la pieza no se calienta a una temperatura tan eievada como A , a fin de evitar transfor1 rnacioncs de rase. En general se emplea un enfriamiento lento, como el que ocurre c.:n el aire quje!"o. El ahvio de esfuerzos prorrmcve !;:; c~;labilidacl dimensional en ::;iluaciones donde el relajamiento subsecuente de lus csl'ucrms residuales pudiera causar dislorsión de la pieza cuando queda en scrv[cio a lo largo de un periodo de tiempo. También reduce IJ lendcncia h2cia el agrietamiento por esfuerw-corrosión (.secciones:::. 1O y 3.fl).
- 50 ,¡¡ ~
40:§ 30
~ "O
Pi
FIGURA 4.25 l'ropiedades mecánicas de un acero 4340 templado en aceite, como función de la temperatura de 1·evenido. Fuente: cortesía de LTV Sted Cornpany.
4.-: 1.5 Temple En el temple interrumpido_ el acero o el hiel1'o fundido primero es enfriado de la temperatura de austeni1.izado en un medio fluido caliente, como aceite caliente o sal fundida. A continuación se mantiene a dicha temperatura, hasta que la temperatura se uniforme en toda la pieza: después es enf!iado a una velocidad moderada, como en el aire, a fin de evitar gradientes de te1nperatura dentro de la pieza. Por lo general, la pieza es entonce~ revenida, debido a que la estructura obtenida seria de otra forma principalmente martensita no revenida y no es acle~ cuada para la mayor parte de las aplicaciones. Los aceros sujetos a! temple tjencn .menos tendencia a agrietarse. a distorsionarse y desarrollar esfuerzos residuales durante el tratamiento térmico. En el tempile ñnteirn.axnph:Ilo.1 la temperatura de enfriamienlo inferior, y por tanto la velocidad ele enfriamicnlo es más elevada. E! proceso es adecuado para aceros con un:.i :.emplabilidacl inferior.
1
S~ los accro.s se endurecen por Lratamien!o térmico. entonces se utiliza el revcn.i~o, no se debe confudir un es-Lirndo con embutido profundo descrito en la sección 16.9. se usa u fin de reducir la fragilidad, incrementar la dueií!idad y !a tc1Jacidacl. y rcducit los esf'licorms residuales. En el templado_ el acero se calie11t;1 ''una tcmpc c:.-:¡K~cffica, dcpendicrnlo de ia composición y despu~s se enfría a una tasa prcscrüa. Los no;:.;ultados del revenido p::ira un acero A.lSJ 43401cmplado en aceite aparece Cll Ja fig. 4.25. alc.1-· ciones de acero pueden sufrir una frngiii7-adón por revenddo, que es causada por la segregación de impure:;:;is a lo largo de las fron!eras de gr:.rno a lcmperat.uras enlrc 480ÜC y 590ºC \900ºF y 1 J OOºF).
4. 11 .6 Ausformado En el ausformado, también conocido corno prncesamieuto tennomecánico, el acero se conforma a Ja 101 ma deseada, dentro ele !os nmgos de temperatura y de tiempo controlados a fin ele evitar la formación de productos de transformación no martensíticos. La pieza entonces es enfriada a varias velocidades tasas. a fin de obtener las microestrucluras deseadas. Las piezas ausformadas 1icnen propiedades mecánicas superiores.
En el bainfüz:ufo, el acero calentado es enfriado desde la temperatura de austenización de una manera io suficiemcmente rápida par evitar la formación de ferrita o perlita. Se mantiene a una cierta temperatura hasta que se completa la transformación isotérmica de austenitn a bainita. Entonces es enfriado a la temperatura ambien le, por Jo general en aire quieto y a una tasa moderada, a fin de evitar gradientes térmico:; dentro de la pieza. E! ntedio ele enfriamiento de uso más común es la sal fuodida, a temperaturas que van de 160ºC a 750ºC (C;20ºF a l380ºF).
Ejemplo: Tratamiento térmico tie un dacio de extrusión Como hemos vísto, el tratamiento térmico de piezas para obtener una cierta dure;.a involucra varias consideraciones.en relación con el material y sus propiedades deseadas. El proceso de tratamiento ténnico específko tiene que ser planeado con cuidado_. y a menudo reqúiere de considerable experíenci<~ como se puede observar en este ejemplo. · Un dado de extrusión en caliente, de 200 mm (8 pulg) de perímetro y de 75 mm (3 pulg) de largo y que tiene una perforación de 75 mm, está fal.lricado ele. aceró para trabajo en calient~H2 l, (tablas 5.6 y 5.7). El método típico para w1 tratamiento térmico de ese tipo de dado, disponible para la extrusión en caliente (sección 15.4) se detalla como sigue: .
El bainitizado, a menudo reemplaza el enfriamiento y templado convencionales, ya sea para reducir la tendencia al agrietamiento y la distorsión durante el enfriamiento, o para mejorar la ductilidad y tenacidad, manteniendo al mismo tiempo la dureza. En razón al ciclo más corto involucrado, este proceso es económi· co para muchas aplicaciones. En el bainitizado modificado, se obtiene una estructura mezclada de perlita y bainita. El mejor ejemplo de está práctica es el patentado, que proporciona una elevada ductilidad y una resistencia moderadamente alta, como en el alambre patentado utilizado en la industria del alambre (sección 15. l 1).
l_
Bll
Capd.u!o 4 /Alea.ciernes de rnelales: su estructur.:i y endurecimiento mediante el tratan1iento lérrnico
~.
Sección 4."12 /Hornos y equipo de trJtamiento térmico
rra espacio denlro de la planta. Puede resultar especialmente adecuado para aleaciones que deben ser enfriadas con rapidez, dado que el tanque de enfriamiento puede colocarse directamente por debajo del
Pr.-xa!cntar d dado a X¡ 5 a S45ºC, ya sea en una atrnósfcra 1jgcramente oxidante o en saíes neutras, h{1rno a l 175ºC. en una atmósfera reductora de 6%, a 12%¡ o en un baño de sa!es neutrus. Consérvese en el horno durante aproximadamente 20 miirntos una vez que el dado haya llegado a los l l75ºC.
2. Tran.'-:fcrirlo
horno.
3. Enfríelo en aire quieto hasta aproximadarnemc 65ºC.
4_·12.2 Hornos continuos
4. Revenirlo a 565"C dmante cuatro horas 5. Enfrfolo a la temperatura ambiente
En este tipo, las piezas que se van a tratar térmicamente se mueven continuamente a través del horno en transportadores de varios diseños que utilizan charolas. bandas metálicas, cadenas y otros mecanismos. Los hornos continuos son adecuados para corridas de alta producción y se pueden diseñar y progrnmar de manera que se puedan llevar a cabo ciclos completos de tratamiento térmico bajo un severo control.
6. Vuélvalo a revenir a 650ºC durante cuatro horas
7. Enfríe el dado en el aire. Fuente: ASivI InternationaL
4.12 HORNOS Y EQUIPO DE TRATAMIENTO TÉRMICO
----------
4.12.3 Hornos de baños de sal Debido a su elevada velocidad de calentamiento y un mejor control de la Lmiformidad de temperatura, los ba-· ños de sal se utilizan comúnmente en varias operaciones del tratamiento térmico, particularmente para tiras y alambres no ferrosos. Las velocidades de calentamiento son elevadas, debido a la más alta conductividad térmica de las sales líquidas en comparnción a la del aire o ele los gases. Dependiendo de b concluctividacl eléctrica de la sal, el calentamiento puede ser hecho de manera ex!·~r na (para sales no conductoras) o mediante electrodos inmersos o sumergidos utilizando una corriente alterna ele bajo voltaje. No se puede utilizar corriente directa, ya que sometería la sal a electrólisis. Los baños de sal están disponibles para una amplia gama de temperaturas. Como medio de calentamiento se puede utilizar plomo.
Se utilizan para el tratamiento térmico dos tipos básicos de hornos: hornos por lotes y hornos co111inuos. Dado que consumen grandes cantidades de energía. su aislamiento y eficiencia son cor1sideraciones importan res de diseño, como su costo inicial. el personal necesario para su operación y rnantenimiento y su utilización lihre de riesgos. Son importantes una Lemperatura uniforme y un control precíso de 10~ <:iclos temperatura-liempo, por lo que los hornos modernos están equip:idos con diversos controles electrónicos. Nu,~vos desarrollos en hornos incluyen sistemas controlados por computadora, programados para ej(~cutar ciclos completos de trat::l:nicnios Lénnicos de rnanera repelida y con una precisión reproducible. Los combustibles de sistemas de calentamiento por lo general son el gas. el petróleo o la electricidad (para calentamiento por resistencia o inducción). El tipo de combustible utilizado afecta la atmósfera del horno: n diforencia del calentamiento eléctrico, el gas o el pcLróleo introducen los productos de la combustión en el !lomo (unn desvent~\ja). El calentamiento elécbco. sin embargo, tiene un tiempo de arranque müs lento, y inis di fíci [ de ajustar y controlar.
2..
131
4.12.4 Carnas fluidas Partículas secas, finas y sueltas de sólidos, por lo general de óxido de aluminio, se calientan y suspender; '"" una cámara mecli~mte un flujo hacia arriba de un gas caliente a varias velocidades. Las piezas que se van a lar térmicamente se colocan entonces dentro de ias partículas flotantes, de ahí el término camii fluida. Debido a su constante agitación, el sistema es eficiente, distribución de temperatura uniforme, y ta trnnsfcrenci~; de calor elevada. Estos hornos se utilizan para varias aplicaciones del tipo por lotes.
Hornos por un horno por 1oles_ las pie:;~as a recibir tratamiento térmico se cargan y descargan dci hon10 en lotes in
4.12.5 Calentamiento por inducción
r;i. Ho:rn.o de caja que es una cámara rectangular- horizontal con una o dos puerlas de acceso, a l.ravés de ias cuales se cargan las piezas. Ese tipo de horno es de uso común y es versátil, o:irnple en su umstrncción y uso, y está disponible en varios tamaños. Una variante de este tipo es el horno de plataforma móvil. Las piezas que se van a tratar térmicamente, por lo general largas o grandes, se cargan en una plataforma que luego se mueve sobre rieles hacia el interior del horno.
La pieza se calienta rápidamente debido al campo electromagnético generado por una bobina de inducción que lleva corriente alterna. que induce corrientes ele eddy en la pieza. La bobina, que se puede formar para que se ajuste al contorno de la pieza a ser tratada térmicamente (fig. 4.26), fabricada de cobre, o ele una aleación ba·· se cohre, por Jo general enfriada por agua. La bobina puede estar diseñada para enfriar también la pieza. El calentamiento por inducción es deseable para el tratamiento térmico localizado, como el que se requiere c:n los dientes de engranes y en las levas.
h. Un horno de fosa, es una fosa vertical por debajo del nivel del piso (con una cubierta) en el cual se bajan las piezas. Ese tipo de horno es particularmente adecuado para piezas largas como varillas, flechas y tubería, por que se pueden suspender en un extremo, y en consecuencia, tienen menos probabilidad de deformarse durante el procesamiento que si se colocan horizontalmente dentro de un horno de cámara. c. Un horno de campana es Ll!1 horno de caja redondo o rectangular sin fondo. Es bajado sobre piezas apiladas que se les va a dar tratamiento térmico. Este tipo de horno es particularmente adecuado para bobinas de alambre, varillas, y metal en lámina.
4. 12 .6 Atmósferas de los hornos Las atmósferas en los hornos pueden ser controladas a fin de evitar (o causar) oxidación, opacarniento, o descarburación ele aleaciones ferrosas calentadas a temperaturas elevadas. El oxígeno causa oxidación (corrosión, herrumbre y cascarilla). El dióxido de carbono tiene varios efectos; puede ser neutral o puede ser
d. En el caso de un horno de elevador. las piezas que se van a tratar térmicamente se cargan en una p!atafonna móvil, se ruedan a su posición, y entonces son elevadas dentro del horno. Ese tipo de horno aho-
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r B2
Cap1'1"u!o 4 /Aleaciones de met.:des: su es1Tuctura y endurecimiento mecJi;mte el trnlamiento térmico
Tendencias
(a)
(b)
133
(e)
Bobinas
RESUMEt'\l
de Agua de
Bobina
enfriamiento _,,_
Dirección de! movimiento
Pier.a
~uperflcialmente
va a y a enfri;.ir
FIGURA 4.26
Tipos de bobinas utilizadas en el czilentarnien1o por índucción de vari
descarburan te, dependiendo de su concent;¡¡ción en la atmósfera del horno. EJ vapor ele agua en el horno c:iusa la oxidación de los aceros, dando como resultado un color :izuL El nitrógeno es un;:i atmósfera neutra común, y et vacío proporciona una atmósfera totahneme neulra. El térn1in
" Los metales comercialmenle puros generalmente no tienen suficiente resistencia para muchas aplicaciones de ingeniería; deben ser aleados con varios elementos que cambian sus estructuras y propiedades. Conceptos de importancia en la aleación son la solubilidad de los elementos de aleación en un metal anfitrión y las fases presentes en varios rangos de temperatura y composición. " Las >tleaciones se presentan básicamente en dos formas: soluciones sólidas, y compuestos interrnetülicos. Las soluciones sólidas pueden ser sustitucionales o intersticiales. Deben cumplirse ciertas condicicmes relativas a la estructura cristalina y a los radios atómicos a fin de desarrollar estas estructuras. " Los diagramas de fase muestran las relaciones entre temperatnra, composición y fases presentes en un sistema particular de aleación. Conforme se reduce la temperatura a diversas velocidades, ocurren de manera co1Tespondiente varias transformaciones en las microestructuras con caracteiisticas y propiedades que varían ampliamente. Entre los sistemas binarios, el de mayor importancia es el sistema hierro-carbono, que incluye una amplia gama de aceros y hierros fundidos. En este sistema los componentes de importancia son la ferrita, la austenita y la cementita. Los tipos básicos de hienos fundidos son los siguientes: hierro gris, hierro dúctil, nodular, hierro hlanco, hierro maleable, hierro de grafito compactado. " Los mecanismos para el endurecimiento y aumento de la resistencia de las aleaciones de metal involucran traiamienLos térm¡cos: caicn1amicnlo de la aleación, y su enfria1níento subsecuente a velocidad1~s variables. Como resultado, ocurren transfonnaciones de fase importantes, produciendo estructuras como la perlita (fina o gruesa), la esferoidita, la bainila, la martensita. El tratamiento térmico de las aleaciones no ferrosas y ele los aceros inoxidables involucra el tratamiento por solución y endurecimiento por precipilación.
" El co11trol de la atmósfera del horno, de los medios de temple que se utiliz:m, de las características del
Adem{is ele los factores metalúrgicos. un lratamienlo t
uniformidad puede producir severos gradientes de tempcwtura. Esto puede condLtcir a variaciones en !as con-tracciones, resuitando en esfuerzos térmicos que pueden causar el agrietamiento de la pieza. Además, el enfriamiento no uniforme genera esfuerzos residuales en la pic~za, que pueden conducir a agrielarníento por esfuerzo y corrosión. El método de enfriamiento seleccionado. el rn idado tomado durnnle el enfriamiento, y ia elección apropiada del medio de enfriamiento, así corno la temperatura correspondiente :mn, en consecuencia, consideraciones de importancia. Como guía general para el disefio de la pieza para su tratamiento térmico, deben evitarse esquinas agudas externas o internas; de lo contrario, concentraciones de esfuerzos en estas esquinas pueden elevar el nivel de esfuerzos lo suficientemente como para causar agrietamiento. Una pieza debe tener sus espesores tan uniformes como sea posible; también, la transición entre regiones de espesores diferentes debe ser suave. Las piezas con perforaciones, ranuras, cuñeros, estrías y formas no simétricas pueden también resultar difíciles de tratar ténnicamente, ya que pueden agrietarse durante el enfriamiento. Superficies grandes con secciones tr~msversales delgadas probablemente pueden torcerse. Las forjas en caliente y Jos productos de laminación de acero en caliente pueden tener m1a película descarburada (pérdida de carbono, sección 4.!0J; como resLtl.tado, pudiera no responder con éxito al tratamiento térmico.
equipo y de la forma de las piezas a ser tratadas térmicamente, son consideraciones de importancia. La lemplabilidad es la capacidad de una aleación a endurecerse mediante el tratamiento térmico. La prueba de templabilidad por enfriamiento diferencial (Jominy) es un método de uso común para determinar 12s bancl3s de templabi.fü!ad para las aleaciones. E1 endurecin1icnto sapcrficiat es un procc'-;o impor1ante para rnejorar !a resistencia a la fatiga y al desgaste Je las piezas. Están disponibles varios métodos: entre ellos el carburizado, el nitrurado, el temple por [nducción y el endurecimiento por láser. " El recocido inciuye varios procesos alternativos (normalizado, recocido ele proceso, alivio de esfuerzos. revenido. bainitiwdo, y temple interrumpido) cada uno teniendo el propósito de mejorar la ductilidad y lenacidad de !as piezas tratadas térmicamente.
TENDENCIAS " Se están llevando a cabo estudios sobre mejores métodos para controlar las atmósferas de los hornos de tratamiento térmico mediante modelado por computadora. Las mejorías en los aislamientos de los hornos han dado como resultado significativos ahorros de energía. e Siguen efectuándose estudios en la forma de hacer más angostas las bandas de templabilidad de los aceros a fin de obtener un mejor control de las propiedades de, las piezas tratadas térmicamente. <> Se están llevando a cabo investigaciones en el cual las piezas de trabajo calientes se enfrían directa-
mente después de su formado en caliente (por ejemplo, mediante la forja), Las piezas forjadas en caliente, no deben ser recalentadas para su temple; este método abreviado mejora la resistencia y da corno resultado ahorros de energía.
134
C)pllulo 4 /Aleaciones de n1e1·
"' Se están automatizando las instalaciones de tratamiento térmico mediante la ayuda de programas de computadora que vigilan y controlan todos los aspectos de su operación. " Se están desarrollando sistemas ele detección electrónica para monitorear y detectar grietas, cambios en la fr¡rma de la pieza, y variaciones en el material durante e! tratamiento térmico.
--·----------
CLAVE Aleación Alivio de csrucrzo.s Austenita
Bainita Compuestc>s intern1e1á1icos Dcscurburización Diagrama de equilibrio Diagrama de fase Distorsión Enduredmicnto por envejecimiento EnciUJ{'.cimieTJt(} por precipitación
1:JS
4.12 ¿Cuál es la diferencia entre envejecimiento natural y artificial? 4.13 Describa las características de la fenita, austenita y cemcntita.
4.14 ¿Cuál es el propós[to del recocido"
PROBLEMAS CUALITATIVOS 4.15 Quizás haya usted visto alguna literatura técnica en productos que dicen que ciertas piezas en estos productos son "lrcLtados térmicamente''. Describa brevemente lo que usted entiende por este término y por qué lo menclona el fabric:.mt•.:: .
Endurecimiento superficial Envcjecjmlento Esferoidita
PcrriLa
Cementita
Síntesis y diseño
Hierro fundido
Marten.sita Metales puros Normalizado
Perlita Prueba Jomíny Punto eutéctico Reaccíón eutectoiclc
Recocido Revenido Sobreenvejecimiento Soluto Solvente Temperalura Curie
Templabilidad Transformaciones de fase Tratamiento por solución Tratamiento tér111ico
4.16 Describa el significado ingeníer11 de !a existencia del punto eutéctico en los diagramas de fases.
4.17 Explica la diferencia entre dureza y la tempiabilidad. 4.1.8 Refiérase a Ja tabla 4.1 y explique por qué los elementos listados bajo "aplicaciones típicas" son adecuadas para el endurecimiento superficial. 4.19 ¿Por qué por lo general no es deseable utilizar los aceros en su estado tal y cómo se enfriaron? 4.20 Describa las diferencias entre endurecimiento superficial y endurecimiento en todo el volumen, en lo que se refiere a aplicaciones de ingeniería. 4.21 Describa ias características de (a) una aleación, (b) perlita, (e) auslenita, (d) martcnsita y (e) cementita. 4.22 Explique por qué, entre todos los elementos, el carbon(\ es tan efectivo en irnp2rtir resistencia ul hierro en la forma del acero. 4.23 ¿De qué manera afecta la forma del grafito en el hierro fundido a sus propiedades? 4.24 En la secclón 4.8 lisLamos varios fluidot~ en términos de su capacidad de enfriamiento durante el temple. ¿()ué propiedades físicas de estos fluidos influencian su capacidad de enfriamiento?
BB
4.25 ¿Por qué es importan.te saber las características de los hornos de tratamiento térmico? i\SfVJ fiundhook. Vol. 3: Al!oy ¡;Izase diagrams. ASM foLerna··
tional, 1992.
ASIVJ hmzdbook, VoL 4: Heat treafing.ASM fíllcn-iatiorrnL i991. Bmok~:" C.R., Pri11cip!e.1' oflhe heat treaimcní (fplain carbon mu} low a!loy stee!, ASIVI 1ntcmational. 1996. F·Jryson, B., !-:fea! !rearrnent, seleclion, and applicarion o(' roo/ sfec/s. Hanscr (l-ardner. 1997.
!Jeat rreater~s guide: practiccs ailoys. ASM lnternational. 1996. Krauss, G . , Steels: heat rreatm.ent an.d prou~ssing principles. ASM lntcrnational, i 990. Totten, G.E.. y J\tf ..A.. H. Mowcs (editores), 5'ü:d her:it ítcafmen.1 handbook. Marce;! Dekkcr, 1997.
4.2-6 Explique por qué. en la abscisa de la fig. 4 . 15, el porcentaje de perlita empieza a reducirse después de que se alcanza un contenido de carbono clel 100%. 4.27 ¿Cuál es el significado de descarburación? Dé algunos ejemplos. 4.28 Explique lo que usted entiende como distorsión de Lamm1o y distorsión de forma en piezas tratadas térmicamente. y describa sos causas. 4.29 Comente sus
ob:~c.rvaciones
en relación con la rig. 4.20
l·fru! trertler :\' guúfe: /Jractices tlltd proccdures f(n· irrm:,· wuJ sfe<'Í.\'.
ASM fmcrnalionat. 1995 .
PROBLEMAS CUANTITATIVOS
4.1 De.scriba la diferencia entre un so luto y un solvente . 4.2 ,:,Qué es una solución sólida?
4.3 ¿Cuú!e~; son las condiciones para obtener (a) soluciones sólidas tmstitucionales (b) intersticiales? 4.4 ;,Cuál es Ja difercncüa enlre un sistema monofrísico y un bifásico? 4.5 Explique lo que quiere decir "panícula de segunda fase'' 4.6 Describa las caracteiisticas de un diagrama de fases 4.7 ¿Qué indican los términos "equilibrio" y "constitucional" cuando se les aplica a los dia¡p·amas de fose·J 4.8 ¿Cuál es Ja diferencia entre "eutéctico" y "eutectoide"? 4.9 ¡,Qué es revenido? ¿Cómo se hace" 4.10 Explique lo que significa la severidad Je! temple.
4.11 ¡,Qué son los precipitados? ¿Por qué son de importancia en el endurecimiento por precipitación?
4.36 Utilizando la fig. 4.5, estime las siguientes cantidades para una aleación de 20% cobre, 80% de níquel: (a) la ternpc· ratura de líguidus, (b) Ja temperatura de sólidus, (c) el porcentaje de níquel en el líquido a J400ºC (2550ºF), (d) la :·a·· se principal a l400ºC y (e) la relación de sólido a líquido a !400ºC. 4.31 Extrapolando las curvas de la fig. 4.19, estime el tiempo que lomaría para un acero 1080 ablandarse a 53 HRC a la: 200ºC y (b J 300ºC 4.32 Un acero típico para tubería es AISI l 040, y para el alambre o cable musical es 1085. En consideración a sus aplicaciones, explique la razón de la diferencia en sus contenidos de carbono.
SÍNTESIS Y DISEÑO 4.33 Dijimos en este capítulo que en el diseño de piezas, deben evitarse esquinas agudas a fin de reducir la tendencia al agrietamiento durante el tratamiento térmico. Si es necesario que las piezas tengan esquinas agudas a fin de que fun-
B6
Capítulo:;/ A!eac:iones cfo 11icl<1ies: su estructura y endurecirniE'nlo mediante el tr-:itamienlo tér:11íco
c1one correctamcnte, y aun así requiere de tratamiento térmicü, ¿qué método recomendaría usted p¡ira la rnanufoctura de esta pie:¿a? Los procesos de tratamiento térmico para el endurecimiento superficial están duelos en la tabla 4.1. Cada uno de tos procesos involucro. equipo, procedimientos y tiempos de ciclo diferentes; como resultado, cada uno ello.s incurre en costos diferentes. Examine la litcralura disponible. y entre en contacto con diversas instalaciones: acto seguido. prepare UIU! tabla .similar que esquematice ios costos involucrados en cada proceso.
4.35 Hemos visto que, como resultado del lrntamiento térmico, las piezas pueden sufrir distorsión de tamaño y distorsión de fonna (.;11 varios grados. Haciendo referencia a !a bibliografía al final de este capítulo, haga una encucsLa de Ja liten1lura técnica, e informe sobre los datos cuantitatívos en relación con las distorsiones de las piezas con formas diferentes.
La !"ig. 4.20 muestra las distribuciones ele dureza en pruebas de enfriamiento en extremo. corno se mide a lo fwxo de la barra redonda. Haga un esquema simple cualitativo mostrando la distribución de dureza en el diámetro de Ja barra ¿Dependería Ja forma de la curva del contenido de carbono de la barra? Explique. 4.37
En todo este capítulo hcrnos visto la importancia y lo.s beneficios de[ tratam]ento térmico de las piezas (o de cierta." regiones de las piezas) y hemos visto algunos ejemplos específicos. Haga una inv~stigw.:iún de !a Htcrn!ura de trata111iento térmico disponibie, haciendo referencia a la bibliogralia al final de este capítulo: entonces, compile varios ejemplos e iíustrucioncs de las piezas que han ¡.:ido lralaUas térmicamente.
Metales y aleaci()nes ferrosas© producción, propiedades generales y aplicaciones 5.1 5.2 5.3 .5.~
5.5 5.6 5.7
Introducción Producción d(' hierro y acero Vaciado d'~ lingotes Colada continua Aceros al carbono y de aleados Aceros inoxidables Aceros para h'~rramienta y dacios
5.1 INTRODUCCIÓl'-1 En virtud de su amplia gama de propiedades me.cínicas, físicas y química·-;, los metales y sim doi1lus ferrosas son los más úüles de todos los n1etales. Los metales y las aleaciones ferrosas contienen hierro corno metai base; las categorías generales son aceros al carbono y de aleación, los acl'.ros inoxidables, los aceros para herramienta y dados, los hierros fundidos y los aceros fundidos. Las aleaciones ferrosas se producen en forma de (a) lámina de acero para automóviles, enseres dom0sticos y recipientes: (b) placas para cakicras, barcos y puentes; (e) miembros estructurales como vigas en r, productos en barra, ejes. cigüeñales. y rieles ele ferrocarril; (d) engranes y materia prima para herramientas y dados: (e) alambre para música: (f) sujetadores como pernos, remaches y tuercas. Un automóvil norteamc:ricano común contiene aproximadamente 800 kilogramos ( 1750 libr
137
138
Capíiuio S / 1\1etales y aleaciones ferrosas: producción, propiedades generales y aplicaciones
5.2 PRODUCCIÓN DE HIERRO Y ACERO S.2.1 Materias primas
Sección 5.2 /Producción de hierro y acero
~~¡:-¡ ,·.··"'· .
1
Los tres materiales básicos que se utilizan en la fabricación del hierro y del acero son el mineral de hierm, la piedrn caliza y el coque. Aunque no existe en estado libre en la naturaleza, el hierro es uno de los elementos de mayor abundancia en el mundo, formando aproximadamente 5% de la corteza terrestre (bajo forma de varios minerales). Los principales minerales de hierro son la taconita (una roca negra de tipo pedernal), la hematira (un mineral de óxido de hierro). y la limonita (un óxido de hierro que contiene agua). Una vez extraído de la mina, el mineral es triturado en partículas finas, las impurezas son eliminadas utilizando varios métodos como la separación magnética, y el mineral se fornrn en pelets o bolas, utilizando aglutinantes y agua. Comúnmente, las pastillas son de aproximadamente 65% de hierro puro y ele casi 25 milímetros ( 1 pulgada) de diámetro. El mineral de hierro concentrado se conoce como beneficiado (como otros minerales concent.raclos). Algunos minerales ricos en hierro se utilizan directamente sin hacerlos en pelees. El coque se obtiene de grados especiales de carbón bituminoso, que se calienta en hornos verticales hasta temperaturas de J l 50ºC (2JOOºF) y luego se enfría con agua en torres de enfriamiento. El coque tiene varias funciones en la fabricación del acero. Otra es generar el elevado nivel de calor requerido para que ocun-ai1 las reacciones químicas en la fabricación del acero. Un segundo es proclllcir monóxido de carbono (un gas reductor, que elimina el oxígeno), d cual es utilizado para reducir el óxido de hierro a hierro. Los subproductos químicos del coque se uti.lizan en ia fobricación de plásticos o de compuestos químicos. Los gases que ban sido emitidos durante la conversión de carbón a coqL1e se utilizan como combustible para hs operaciones de la planta. La función de la piedrn caliza (carbonato de calcio) es remover impurezas del hierro fundido. La caliza rc;1cá:ma químicamente con las impurezas, actuando como fmule11te (lo que significa, gue fluye como Lm fluido) lo que hace que la, impurezas se fundan a baja temperatura. La caliza se wmbina con las impurezas y forma una escoria, que es ligera, flota sobre el metal fundido, y que subsecuentemente es eliminada. La dolomita (un mineral de carbonato ele magnesio y calcio) se utiliza como fundente. Posteriormente la escoria es utilizada en la fabricación de cemento, fertili1,antes, vidrio, materiales para construcción, aislamiento de lana rnineral y de babs!re para carreteras.
5,.2.2 Las ire.s mJtc:ricis primas son llevadas a ia parte superior de un ;;~ito horno y lanzado dentro del mismo tfig. 5. i ); este proceso se conoce como cargar el horno. Et principio de este horno fue desarrollado en Europa Central; el primer alto horno que -'C construyó en Estados Unidos empezó a operar en l 62 l. El alto horno es básicamente un gran cilindro de acero recubierto con tabique refractario resistente al calor; tiene la altura de aproximadamenk un edificio de JO pisos. La mezcla de la carga se funde en una reacción a l 650ºC (JOOOºF) con aire precalentado a aproximadamente [ JOOºC (2000ºF) y soplado en el horno (de ahí el término en inglés de blastfi.miace) a través de toberas (luyeres). Aunque ocurre un cierto número de reacciones, la reacción básica es la del oxígeno con el carbono, para producir monóxido de carbono, que a su vez reacciona con el óxido de hierro y lo reduce a !Jfo. rrn. El precalentamiento del aire de entrada es necesario, porque la sola combustión del coque no produce temperaturas suficientemente elevadas para que ocurran las reacciones. El metal fundido se acumula en la parte inferior del alto horno, en tanto que las impurezas flotan hacia la parte superior del metal. A intervalos de 4 a 5 horas, el metal fundido es vaciado en cubas o carros torpedo, cada una de ellas con 160 toneladas de hierro. El metal fundido en esta elapa se conoce como hierro cochino, o simplemente arrabio caliente. Tiene una composición típica de 4% de carbono, 1.5 ele silicio, l % de manganeso, 0.04% de azufre y 0.4% de fósforo, siendo el resto de hierro. El uso ele la palabra cochino en inglés, proviene de Jas primeras prácticas de vaciar el hie1rn fundido en pequeños moldes en la arena, organizados corno una anidada de cochinos alrededor de un canal principal. El metal solidificado (cochino) se utiliza después en la fablicación de hierros y aceros.
139
.
•.
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i
Pclets
Mineral de hierro
Sinterizado de briquetas
illl 1
Escoria
Hornos de coque
FIGURA 5.1
Ilustración esquemática de un alto horno. Fuente: cortesía de American lrun
and Steel lnstitute.
5.2.3 Fabricación de acero El acero se produjo por primera vez en China y Japón aproximadamente en 600-800 a.C. El proceso de fabri· c~rción de acero es csenciaimente el de refinar el bierro cochino, mediante Ja disminución del porcentaje de manganeso, silicio, carbono y otros elementos, y de controlar la composición del resultado mediante la adición de varios elementos. El metal fundido del alto horno se transporta a uno de tres tipos de hornos: de hk gar aMertn, elécilrko. o de oxigeno básico. La etiqueta "hogar abierto'' deriva del hogar poco profundo directamente abierto a las flamas que l'unden al metal. Desarrollado en los años de 1860, el horno de hogar abiert.o sigue siendo importante industrialmente, pero rápidamente está siendo reemplazado por hornos eléctricos y por el proceso de oxígeno básico. ya que estos últimos dos son más eficientes y producen aceros de mejor calidad. 1.
Horno eléctrico. El horno eléctrico se introdujo por primera vez en Estados Unidos en 1906. La fnente de calor es un arco eléctrico continuo, que se forma entre los electrodos y el metal cargado (fig. 5.2) En este tipo de hornos se generan temperaturas tan altas como l 925ºC (3500ºF). Existen normalmente" tres electrodos de grafito, que pueden ser de hasta 750 mm (JO pulg) de diámetro y de 1.5 a 2.5 m (5 a 8 pies) de longitud. Su altura dentro ele! horno se puede ajustar en respuesta a la cantidad ele metal presente y al desgaste de los electrodos. En el horno eléctrico se introduce chatarra de acero y una pequeña cantidad de carbono y de cal a tra·· vés del techo abierto. (Los hornos eléctricos también se pueden cargar con 100% de chatarra.) El techo se cierra y se bajan los electrodos. Se establece la conexión y dentro de un peliodo de aproximadamente 2 horas, el metal se funde. La corriente entonces es desconectada, se elevan los electrodos, el horno es inclinado y el metal fundido es vaciado en una olla de traslado, que es un recipiente utilizado para la transferencia y vaciado del metal fundido. Las capacidades de los hornos eléctricos van de 60 a 90 toneladas de acero por día. La calidad del acero producido es mejor que el de hogar abierto o del proceso de oxígeno básico.
~
Híl
Capíluln S //\'\etilles y J/eaciones ferrosas: pmducción, propíedadcs generJles y
3pliGlCione~. Sección 5.3 / V<:!Ciado de lingotes
El proceso BOF es capaz de refinar 250 toneladas de acero en 35 o 50 minutos. La mayor pai1c ele los aceros BOF, que tienen bajos niveles de impurezas y por tanto, son de mejor calidad que los aceros ele los hornos de hogar abieno, se procesan a placas, hojalata y varias formas estructurales, corno vigas en I y canales (véase Ja fig. 13. l).
Ele\::trodos
(~-~
Bobinas de inducción de cobre
Rodillo
3.
Muñón
f!GUR!\ S.2
(e) inducció1i.
Ilustración esquemática de tipos de hornos eléctricos: (a) arco directo, (b) arco indirecto,
Para cantidades más pequeñas, los hornos eléctricos pueden ser del tipo de inducción. El metal seco-toca en un nisol, que es un recipiente grande, fabricado de mate1ial refractario y rodeado por una bobina ele cobre, a través de la cual se hace pasar una corriente alterna (fig. 5.2c). La corriente inducida en la carga, funde el metal. Estos hornos también se utilizan para volver a fundir el metal para su colado. 2,,
Horno de oxígeno básico. El horno de oxígeno básico (BOF, por sus siglas en inglés: Basic Oxigen Furnace) es el proceso de fabricación de acero más rec;ente y más rápido. Típicamente, se cargan en un recipiente 200 toneladas de hierro fundido de primera fusión y 90 1oneiadas de chatarra (fig. 5.3a). Entonces se sopla oxígeno puro en el horno durnmc aproximadamente 20 minutos a través de una lanza (un tubo largo) enfriada por agua a una presión de aproximadamente 1250 kPa (180 psi) (fig. 5.3b). A través ele una tolva de alimentación se agregan productos fundentes, como la cal. La vigorosa a.gitaóón del oxígeno refina el metal fundido mediante un proceso de oxidación, en el rnal se produce óxido de hierro. El óxido entonces reacciona con el carbono en ef anetal fünd',do, produciendo monóxido y dióxido ele carbono. La lanza es retrnír.la y el horno es vaciado inciinándolo; observe !a apertura de la fig. '.Uc para el metal füncliclo. La escoria es eliminada inclinando d horno en
dirección opue;:;ta. (:1)
(b)
Carga Jcl hierro fundido
Tradicionalmente, el siguiente paso en el proceso de fundición ele acero es el formado del acero fundido en forma sólida (lingote) para procesamientos adicionales como el laminado en formas, la fundición en formas semi terminadas, o la forja. (Es le proceso de formado está siendo reemplazado rápidamente por la colada continua (sección 5-4) que mejora la eficiencia al eliminar la necesidad de los lingotes.) El metal fundido es vaciado de la olla a la iingotera, en la cual el metal se solidifica. Las lingoteras por lo general están fabricadas de hierro de cubilote o de hierro de alto horno, con 3.5% ele carbono; son cónicos, a fin de facilitar el retiro del metal solidificado. La parte inferior de las lingotcras puede estar cerrada u abierta; si está abierta, los moldes se colocan sobre una superficie plana. Los lingotes enfriados son retirados (extraídos) de los moldes y bajados a pozos de recalentamieut11, donde son recalentados a una temperatura uniforme y aproximadamente ele 1200ºC (2200ºF) para su procesamiento subsecuente mediante el laminado. Los lingotes pueden ser cuadrados, rectangulares o de sección transversal redonda, y su peso va desde unos cuantos cientos de libras hasta 40 toneladas. Durante la solidificación de un lingote ocurren ciertas reacciones, estas reacciones tienen una influencia importante en la calidad del acero producido_ Por ejemplo: durante la fabricación del acero se pueden disolver cantidades significativas ele oxígeno y ele otros gases en el metal fundido. La mayor parte de estos gases son rechazados durante la solidificación ele! metal, dado que el límite ele solubilidad de los gases en el metal se reduce ele mv.nera importante conforme baja su temperatura (fig. JO_l4). El oxígeno rechazado se combina con el carbono, fonnando monóxiclo de carbono, lo que causa porosidad en el lingote solidificado. Dependiendo de la cantidad de gas generado durante la solidificación, se pueden producir lingotes ele acero de tres tipos: muertos, semimuertos y efervescentes.
Adición de cal quemada
(el
Lanza
Soplado con oxígeno
Yacíado del horno
Vaciado de la escoria
FIGURA 5.3 Ilustraciones esquemáticas que muestran (a) carga, (b) fundición y (c) vaciado de hierro fundido en un proceso de oxígeno básico. Fuente: lnland Steel Company.
Horno de vacío. El acero también puede ser fundido en hornos de inducción, iguales o similares al ele la fig. 5.2c, en que se ha eliminado el aire. Debido a que el proceso elimina impurezas gaseosas del metal fundido, la fundición en vacío produce aceros de alta calidad.
5.3 VACIADO DE LINGOTES
l.
Carga de la chat::i.m1 en el horno
141
2.
Acero mnierto. ün acero muerto es un acero totalmente desoxiclaclo, esto es, el oxígeno ha sido eliminado y la porosidad también. En el proceso de desoxidación, el oxígeno disuelto en el metal fundido se hace reaccionar con eleirnentos como el aluminio, saicio. manganeso y vanadio que se agregan al me~ tal fundido. Estos elementos tienen afinidad para el oxígeno, formando óxidos metálicos. Si se uti1iz.a el aluminio, el producto se conoce como acero muerto de aluminio. El término muerto proviene del hecho que el acero se queda quieto después de ser vaciado en el molde. Las inclusiones de óxido en el baño fundido, si son suficientemente grandes, flotan y se adhieren a (o quedan disueltos) en la escoria. Un acero totalmente muerto está por tanto libre de cualquier porosidad causada por los gases. También está libre de sopladuras (grandes agujeros esféricos cerca de la superficie del lingote). En consecuencia, las propiedades químicas y mecánicas de un lingote de acero muerto son relativamente uniformes en tocio su volumen_ Debido al encogimiento durante la solidificación, sin embargo, el lingote de este tipo desarrolla un rechupe en la parte superior, (también conocida como cavidad de contracción); tiene la apariencia en forma de embudo. Este rechupe puede representar un volumen substancial del lingote; tiene que ser cortado y desperdiciado_ Acero semimuerto. El acero semirnuerto es un acero parcialmente desoxidado. Contiene algo ele porosidad (comúnmente en la sección superior central del lingote) pero tiene poco o ningún rechupe; como resultado se reduce el desperdicio. A pesar ele que es menor el rechupe en aceros semimuertos, la ventaja queda compensada por la presencia de porosidad en dicha región- Los aceros semimuertos son de producción económica_
Sección .5.4 /Colada continua
'142
3.
Acero eferv
Refinamiento. Las propiedades y características de manufactura de las aleaciones ferrosas quedan adversamente afectadas por la cantidad de impurezas, inclusiones y otros elementos presentes (véase la sección 2. JO). La eliminación de las impurezas se conoce como refinamiento; grao parte del mismo se hace en los hornos de fusión o en ollas de traslado, mediante la adición de varios elementos. Existe una creciente demanda para aceros más limpios, aceros con propiedades mejoradas y más Lmiformes y con una mayor consistencia en su composición. La refinación es particulannente importante en la producción de aceros de alto grado y de aleaciones para aplicaciones de alto rendimiento y criticas, como las que se presentan en la manufactLmt de aeronaves. Además, los periodos de garantía en flechas, cigüeñales. árboles de levas para camiones dicsel, y piezas similares, pueden incrementarse de manera significativa utilizando aceros de más alta calidad. La tendencia en la fabricación de los aceros es hacia un refinado secundario en olla (metalurgia do: ·&ill!a), y en cámaras de vado. Los nuevos métodos de refinado en oila (refinado por i11yecdón) por lo genera! consisten en la fusión y procesamiento en vacío. Se ban desarrollado varios procesos que utilizan atmósferas controladas, como la fusión con haz de electrones, refusión en arco al vacío, dccarburación con argón y oxígerio, y refusión con doble electrodo en arco al vado.
5
l.413
Capílulo 5 /Metales y aleaciones ferrosas: producción, propied
Plalaforma; 20 metros (70 o más pies por encima del nivel del piso)
',Aceite_
='
¡1
¡I ¡
Mt!tal solidificado
-~spacio ác nirc
CONTINUA El método tcadicional de colado de lingotes es un proceso por lotes. esto es, cada lingote debe ser retirado de r;u lingotcra, después de la solidificación y procesado de manern individual. Además, están presenl.e~, en todo el volumen de lingote los rechupes y variaciones microestructurales y químicas. Estos problemas se pueden reducir mediante procesos de colada continua, que producen aceros de una calidad más elevada a un costo re· doódo (véase tarnbién la sección l3.7 en las miniacererlas). Concebido en !a década de 1860, la coiada cm11frirrnia se de.sarroHó por primera vez para la fm1dtción de un cordón de metal no ferroso. Este proceso se utiliza ahora para la prodo1cción de aceros, con importantes mejorías en la eficiencia, en Ja productividad y con una reducción significativa en el costo. Un sistema para ia colacL1 continua se mueslra de manera esquemática en Ja fig. 5.4. El metal fundido en la olla es limpiado; o.cto segnido se homogeiniza la temperatura mediante soplado de gas nitrógeno duran le S a 1O mim11os. El metal es entonces vertido en un recipiente de vaciado intermedio, recubierto de refractario (distrfüui-dor para colada continua), donde se retiran de manera superficial las impurezas. El distribuidor de colada contiene basta tres toneladas de metal. El metal fundido se mueve hacia abajo a través de moldes de cobre enfriados por agua y empiezan a solidificarse en una trayectoria sopo11ada por rodilios (rodillos de arrastre). Antes de iniciar el proceso de colado, se inserta una barra de inicio (barra ficticia) sólida en la parte inferior del molde. Cuando el metal fundido se vacía por p1imera vez, solidifica sobre la barra ficticia. La barra es retirada a la misma velocidad a la cual se va vaciando el metal. La velocidad de enfriamiento es tal que el melal desarrolla una costra solidificada (cáscara) como para soportarse a sí mismo durante su recorrido hacia abajo, típicamente, de aproximadamente 25 milímetros/segundo (1 pulgada/segundo). El espesor de la costra en el extremo de salida del molde es de aproximadamente] 2 a 18 mm (0.5 a 0.75 puig). Se proporciona un enfriamiento adicional mediante rociados de agua a lo largo de la trayectoria del recorrido de! metal en solidificación. Por lo general, los moldes están recubiertos con grafito o algún lubricante sólido similar, a fin de reducir tanto la fricción como la adhesión en las interfases molde-metal. Los moldes se someten a vibración a fin de reducir la fricción y la adhesión (sección 32. l l).
-$)
,
~
~
r Recipiente ( - recolector
~
~:odillos formadores
-~P.,
¡ 1
~~.-
1 L_ Lanza de oxígeno UlJ (para el corte)
1~
!'.~-Ficticio de arranque
FIGURA 5-4 Proceso ele colada continua para el acero. Comúnmente el metal solidificado desciende a una velocidad de 25 milímetros/segundo (1 pulgada/ segundo). Obsérvese que la plataforma está aproximadament<" a 20 metros (65 pies) por arriba de! nivel del piso. Fuente: Mel,o[ .. casler's Reference and Cuide, American Foundrymen~s Sociel.y.
El metal colado continuamente se puede cortar a la longitud deseada mediante guillotinas o corte p',ir soplete, controlado por computadora, o puede ser alimentado directamente a una laminadora para una reducción adicional del espesor y para el laminado de productos como canales y vigas en L Además de costar menos, los metales colados continuamente tienen composiciones y propiedades más uniformes que las que se obtienen mediante el colado de lingote. A pesar que por lo general el espesor del cordón de acero es de aproximadamente 250 milímetros (10 pulgadas), nuevos desarrollos han reducido este espesor hasta aproximadamente 25 milímetros (l pulgada). El cordón más delgado reduce el número de operaciones de laminado requeridas y mejora la economía de la operación general. Las instalaciones modernas utilizan laminación controlada por computadora en cordones colados continuamente, con espesores de hojas finales del orden de 2-6 milímetros (0.08-0.25 pulgadas) para aceros al carbono, aceros inoxidable y eléctrico y con la capacidad de cambio rápido de un tipo de acero a otro. Una vez que son laminados en caliente, las placas o formas de acero sufren uno o más procesos adicionales, como (a) limpieza y tratamiento químico para eliminar óxidos superficiales, (b) laminado en frio para mejorar la resistencia y el acabado superfic~al, (c) recocido y (d) recubierto (galvanizado o aluminizado) para mejorar la resistencia a la conosión.
r 144
Capítulo S /Metales y aleciciones ferrosas: producción, propiedades generales y ap!icacíones
Sección .5.5 /Aceros al carbono y de aleados
5.5 ACEROS AL CARBONO Y DE ALEADOS
Plomo mejora la maquinabilidad; causa fragilización metal-líquido.
Los aceros al carbono y de aleados son de los metales de uso más común y tienen una amplia gama de aplicaciones (tabla 5.1). Las composiciones y el procesamiento de los aceros es controlado de manera que los hace adeniados para numerosas aplicaciones. Están disponibles en varias formas básicas de producto: placa, hojalata. tiro, barra, alambre, tubo, fundiciones, forjas.
5.5 1
145
de varios elementos en los aceros A los aceros se les agrega varios elementos, a fin de impartirles las propiedades de templabilidad, resistencia mecánica, dureza, tenacid,1d, resistencia al desgaste, capacidad de trabajo, soldabi!iclad y rnaguinabiliclad. Estos elementos se listan abajo en orden alfabético, con resúmenes de sus efectos tanto benéficos como perjudiciales.
En general, mientras más elevados sean los porcentajes de estos elementos en los aceros, mayores serán las propiedades particulares que imparten; por ejemplo, mientras más elevado sea el contenido de carbono, mayor será la ternplabi!idad del acero y más elevada será su resistencia, dureza y resistencia al desgaste. Por otra parte, la ductilidad, la soldabilidad y la tenacidad se Yen reducidas con un mayor contenido de carbono.
JBrnrn mejora la templabilidad, sin la pérdida (o incluso con una mejoría en) la 111aquinabilidad y con·· formabilidad.
Magnesio tiene los mismos efectos del cerio. Manganeso mejora la templabilidad, la resistencia mecánica, la resistencia a la abrasión y la maquinabilidad; desoxida el acero fundido y reduce la fragilidad en caliente, así como reduce la soldabilidad. Molibdeno mejora la capacidad de endurecimiento, la resistencia al desgaste, la tenacidad, la resistencia a temperatura elevada, la resistencia a la termofluencia y la dureza; minimiza la fragilización por temple. Níquel mejora la resistencia, la tenacidad, la resistencia a la corrosión; mejora la templabiliclad. Niobio (colombio) imparte un tamaño de grano fino y mejora la resistencia y la tenacidad al impacto, reduce la temperatura de transición, y puede reducir Ja templabiliclad. Fósforo mejora la resistencia, la templabilidad, la resistencia a la corrosión y la maquinabilidad; reduce de una manera severa la ductilidad y la tenacidad. SelellliO mejora la maguinabilidacl. Silicio mejora l.a resistencia, la dureza y la resistencia a la corrosión, así como la conductividad eléctrica; reduce la pérdida por histéresis magnética. la mac¡uinabilidad y la capacidad de conformación en frío. Azufre mejora la maquinabilidad cuando se le combina con manganeso; reduce la resistencia al impacto y la dactilidad; perjudica la calidad superficial y la soldabilidad. Tantalio tiene efectos similares a los del niobio. Telurio mejora la maquinabiliclad, la conformabilidad y la tenacidad.
Cakio desoxida los aceros, mejora Ja tenacidad y puede mejorar ID conformabilidad y la maquinabili-
Titanio mejora la templabilidad; desoxida los aceros. Tungsteno tiene los mismos efectos que el cobalto. Vallladio mejora la resistencia, la tenacidad, la resistencia a la abrasión, así como la dureza a tempernturas elevadas; impide el crecimiento del grano durante el tratamiento térmico.
Carbono mejora la tcmplabiJidad, la resistencia mecánic3, la dureza y Ja resistencia al dc:;;gaste: reduce la ductilidad, la soldahilidad y la tenacidad.
Zirconfo tiene los mismo efectos que el cerio.
dad.
Cer~o controla la forma de las inclusiones y mejora Ja tenacidad en los aceros de alta resistencia deba~
ja aleación; desoxida los aceros.
5.5,.2 Elementos residuales en los aceros
CnHno mejora la lenacidad, fa Lemplabllidad, la resistencia al desgaste y a la corrosión y 1a resistencia a ailas lempcraturas: mejora la profundidad de la penetrac]ón dci endurecim]e11to, result::.1do del trat~i·· miento térm]C() aJ promover la carburización.
Durante la producción del acero, su refinación y procesamiento, pueden aun quedar elemenws residuales (ek-· mentos e11 estado de traza). A pesar que también podemos considerar algunos de los elementos de la lis,;;. anterior co1110 residrn\ks, los que siguen se eonsideran generahnente no deseados con10 elen1ento residualc:c
·Cor;afito mejora fo res.isLencia y la dureza a femperaturas elevadas.
sus efectos se anotan.
Cobr<¿ m~jora Ja resistencia a la corrosión arinosférica y en un m.enor grado, incrementa la resistGncía mecánlca con 1nuy poca pérdida en JuctJlidad; afecla de manera adversa las características Je trab,~jo r-n calic111e y la calidad superficial.
1A1U.A. r:;
-i
Selección típica de aceros al carbono y de aleación para
Producto F01j~1s, tubo~ y acoplamientos
Acero 4140. 8740
para aeronaves
va~::_aplicacion~-
Producto
Acero
-----
Engranes díferenciale.<>
4023
Engranes (automóviles y camiones)
4027, 4032 4140, 4340, 8740
Carrocerías automotrices
lülü
Ejes
Tren de aterrizaje
1040, 4140
Arandelas de seguridad
Cojinetes de bolas y pistas
52100
1060
Tuercas
3130
Pernos
1035. 4042. 4815
Árboles de levu
Rides y ruedas de ferrocarril
1020, 1040
1080
Cadenas (tran;.;mi ..;;ic5D)
Resortes (espiral)
3135, 3140
l095, 4063, 6150
Re:.ortes en espiral
Muelle (hoja)
4063
Tubería
1085. 4063, 9260, 6150 1040
Blelas
1040, 3141. 4340
Alambre
Cigüeñales (fo1jados)
1045. 1145, 3135, 3140
1045, 1055
Alambre {música)
1085
El antimonio y d arsénico causan fragilización por temple. El hidnígeno frngiliza severamente a los aceros; sin embargo, el calentamiento durante el procesamiento expulsa la mayor parte del hidrógeno. El nitrógeno mejora la resistencia mecánica, la dureza y la maquinabilidad; en aceros desoxidados por aluminio, controla el tamaño de las inclusiones y mejora la resistencia y la tenacidad; reduce la ducliliclad y la tenacidad. Oxígelllo incrementa ligeramente la resistencia ele los aceros efervescentes; reduce severamente Ja t•.> nacidad. Estaño causa fragilización en caliente y fragilización por temple.
5.53 Designaciones para los aceros El American Iron and Steel Institute (AISl) así como la Society of Automotive Engineers (SAE) designan los aceros al carbono y aleados utilizando cuatro dígitos. Los primeros dos dígitos indican los elementos de aleación, así como sus porcentajes, y los últimos dos dígitos indican el contenido de carbono, por peso. Otro sistema de numeración es el de American Society for Testing and Materials (ASTM), que incorpora las designaciones AISI-SAE y que incluyen especificaciones estándar para los productos de acero. Para los metales feHosos, la designación consiste de la letra "A" seguida por números arbitraiios (por lo general tres).
]4(, C:a.píluio S /Metales y aleaciones fermsas: producción, propiedades generales y .ap!icaciones
Sección 5.5 /Aceros o! carbono y de aleados
Se ha desarrollado el sistema de numeración más reciente para todos los metales en cooperación con varias organizaciones: se conoce como el Unified Numbering System (UNS). Está formado de una letra que indica la clase general de la aleación, seguida por cinco dígitos que indican su composición química.
5.5.4
al carbono Los aceros al carbono se clasifican por lo general en función a la proporción (por peso) del contenido ele carbono.
a.
b.
Acern al bajo rnrbomi, también conocido como acero suave o dulce, que tiene menos de 0.30% de carbono. Comúnmente es utilizado para productos industriales comunes, como pernos, tuercas, láminas, placas y tubos y para componentes de maquinaria que no requieren de alta resistencia. El acero al medio carbono, tiene de 0.30% a 0.60% de carbono. Es generalmente utilizado en aplicaciones que requieren una resistencia más elevada a la disponible en los aceros de bajo carbono, como en piezas de equipo de maquinaria automotriz y equipo agrícola (engranes. ejes, bielas, cigüeñales), en equipo de ferrocaniles, y en piezas para maquinaria de trabajado de metales. El acero al alfo carbono tiene más de 0.60% ele cm-bono. Se utiliza por lo general para partes que requieren resistencia mecánica, dureza y resistencia al desgaste, como las herramientas de corte, cable, alambre para mú.sica, resortes y cuchillería. Después de haber sido manufacturado a su forma, las piezas por lo general son tratadas térmicamente y templadas (capítulo 4). Mientras más elevado sea el contenido de carbono del acero, más alta será su dureza, su resistencia mecánica y su resistencia al desgaste despué:; clel tratamiento térmico.
1!1.
También están disponibles aceros al carbono que contienen azufre y fósforo; se conoce como aceros a! carbono suifm-ados (series J lxx) y aceros al carbono refosforacfos y sulfürndos (series l2xx). Por ejemplo, el acero l l !2 es un acero reazufrado con un contenido de carbono de 0.12%. Estos aceros tienen una maquinabiliclad mejorncla, o;egtín se describe en la sección 20.9. l.
Las propiedades mecánicas generales de los aceros al carbono y aleados se muestran en la tabla 5.2. En diver.sGs capítulos se describen la mac¡uinabilidaci, la conformabi!idacl y ele soldabilidad de dichos aceros.
DUli!LA S:.2 mecánicas típicas de aceros al carbono y aleados seleccionado:, cn el _____________ j~J.'.i.minado e'.'._:_:aliente normalizados y recocidos Resistencia AIS! 1020
LensjJ máxima
Estado Laminado Normalizado Recocido
1080
L:.iminado
Normaliz;)do Recocido 3140
Normalizado Recocido
4340
Normalizado Recocid0
8620
Normalizado Recocido
(MPa; 448
Kesistencia a la cedcncia (MPa)
Elongación
en 50 mm (%)
----------·----Reducciün de área(%)
Dureza (HB)
·--------143
441 393
346 330 294
36 35 36
59 67 66
1010 965 615
586 524 375
12
17
11 24
20 45
89! 689
293 293 174
599 422
19 24
57 50
1279 744
262 197
861
12 22
36 49
363
26 31
59
632 536
472 385 357
62
131
111
217 183 149
147
S.S.5 Aceros aleados Los aceros que contienen cantidades significativas de elementos de aleación, se conocen como aceros aleados; se fabrican por lo general con más cuidado que los aceros al carbono. Los aceros aleados ele grado estructural, según se indican en las especificaciones ASTM, son utilizado principalmente en las industrias de la construcción y del trnnsporte, en razón de su alta resistencia. Otros aceros de aleación se utilizan en aplicaciones donde se requiere resistencia mecánica, dureza, resistencia a la cedencia y a la fatiga, y tenacidad. Estos aceros también pueden ser objeto de tratamiento térmico, a fin de obtener las propiedades deseadas.
5.5.6 Aceros de baja aleación de alta resistencia A fin de mejorar la relación resistencia a peso de los aceros, se han desarrollado acerns de baja aleación de alta resistencia (HSLA, por sus siglas en inglés: High Strength Low Alloy). Estos aceros tienen un bajo contenido ele carbono (normalmente menos del 0.30%). Se caracterizan por una microestructura que consiste de una ferrita de grano fino como una ele las fases y una segunda fase dura de martensila y de austenita. Desarrollados por primera vez en la década de 1930, los aceros HSLA son por lo general producidos en lámina, mediante núcroaleación y laminado conlrnlaclo. A partir de estos aceros se fabrican placas, barras y formas estructurales. La ductilidad, conformabilidad y soldabilidad de los aceros HSLA son, sin embargo. en general inferiores a los correspondientes ele los aceros convencionales de baja aleación. Para mejorar estas propiedades, se han desarrollado aceros de fase dual (véase más abajo). Los productos en lámina de los aceros HSLA comúnmente son utilizados para partes de carrocerías automotrices (a fin de reducir peso y de ahí reducir el consumo de combustible), en otro equipo de transporte. y en aplicaciones industriales de minería, agrfcolas y varias otras. Las placas HSLA son utilizadas en barcos, puentes, y en la constrncción de edificios, y en edificios y en olras varias estructuras se utilizan formas como las v]gas en I, canales y ángu]os.
Designaciones. Tres categorías forman el sistema ele designación AISI para el acero en hoja de alta resistencia (tabla 5.3). La calidad estructura! (S) incluye los elementos C, Mn, P y N. Las aleaciones bajas \X) contienen Nb, Cr, Cu, Mo, Ni, Si, Ti, V y, Zr, ya sea ele forma individual o en combinación. Los aceros para intemperie (W) tienen una resistencia a la corrosión debida af entorno, aproximadamenle cuatro veces más elevada a la correspondiente a los aceros convencionales al bajo carbono y contienen Si. P.
TABLA 5.3
Designación AISI para láminas de acero de alta resistencia
Resistencia a la cedencia psi X 103
MPa
35 40 45 50 60 70 80 100 120 140
240 275
---
Prácticas de desoxidación
Composición química S = calidad estructural
F = muerto más control de inclusión de sulfuros
310 X = baja aleación
350 415 485 550 690 830 970
K = muerto W
=
intcmperismo
O= no muerto
D = fase dual
EJEMPLO 50
_J
Resistencia a la cedencia min 50 X J03
X 1
baja aleación
F
L
muerto más control de inclusión de sulfuros
:C
C1pítulo 5 /Metales y aleacionf'S ferrosas; producción, propied
148
Cu, Ni y Cr en varias combinaciones. Además, la conformabilidad de estas láminas de acero se gradúa en F (excelente), K (buena) y O (regular).
Sección 5.6 /.Aceros inoxidables
TABLA 5.4
Propiedades mecánicas a temperatura ambiente y aplicaciones típicas de aceros inoxidables recocidos seleccionados
5.S.7 Aceros de fase dual A!Sl Los aceros de fase dual, marcados con la letra "O" en la tabla 5.3, se procesan ele manera especial para que tengan una estructura mixta de ferrita y martensita. Desa1rnllados a fines de la década de 1960, estos aceros tienen una elevada característica de endurecimiento por lrnbajo (un valor n alto en la ecuación 2.8), lo que mejora su cluctiliclad y capacidad de conformabilidad. Las designaciones SAE de estos aceros son similares a las dadas en la tabla 5.3, excepto que se agrega olra letra para indicar el contenido de carbono. Por tanto, 050XF se convierte en 050XLF, indicando la L Ja proporción de carbono (en este caso L significa bajo carbono).
5.6 ACEROS INOXIDABLES Los acerns inoxidables se caracterizan principalmente por su resistencia a la corrosión, elevada resistencia y ductilidad, y elevado contenido ele cromo. Se llaman inoxidables porque en presencia de oxígeno (aire) forman una película delgada y dura muy adherente de óxido de cromo, que protege al metal contra la corrosión í pasivación). Esta película protectora se vuelve a formar en caso que se raye la superficie. Para que ocurra la pasivación. el contenido mínimo de cromo debe ser de 10 a 12% por peso. Aclem:is ele! cromo, lípicamenle otros elementos de aleación en los aceros inoxiclablec. son el níquel, molibdeno, cobre, titanio, silicio, manganeso, colornbio, aluminio, nitrógeno y azufre. Se utiliza !a L para identificar los aceros inoxidables de bajo carbono. Mientras más elevado sea el contenido de carbono, menor será la resistencia a la corrosión de los aceros inoxidables. La razón es que el carbono se combina con el cromo del acero y forma carburo de cromo; la menor disponibilidad de cromo reduce la pasividad del acero. Y aún peor, el carburo de cromo introduce una segunda fase, misma que promueve la corrosión galvánica. (Los soldados del Korean War Veterans Memorial en Washington, 0.C., están fundidos en acero inoxidable 316L.) Desarrollados a principios de 1900. los aceros inoxidables se fabrican ulilizanclo hornos eléctricos o y posteriorn1entc ·lécnica.') similares a l;:is uli!ízadas en 01ros tipos de aceros. Se cnntrola e! nivel de pureza medianle varias técnicas de refinación. Los aceros inoxidables t-Slán disponible:-: en una arnpfü1 ganw de formas. Entre sus aplicaciones corn.úncs esL
(UNS)
Resistencia a Resistencia tensil máxima (MPa) la ccdencia (MPa)
A,u:stenítico (series 200 300). Estos :..iceros generalmente están compuestos de cromo, níquel y rnangancso en el hierro. Son aHtímagnéticos y tienen una excelente resistencja a la corrosión, pero .'·,on susceptibles al agrietamiento por e.'-.fuer;:o corrosión. Los aceros inoxidables ausleníticos se endurecen mediante el trabajo en frío. Son Ios müs dúctiles de todos los aceros inoxidables. por lo que pueden ser fácilmente formados, aunque, a mayor trabajo en frío, su formabilidad se ve reducida. Estos aceros se uti·íizan en una amplia variedad de aplicaciones, como utensilios de cocina, acoplamientos, construcciones soldadas, equipo de trnnspolte ligero, piezas para hornos y para intercambiadores de calor, y componentes para ambientes químicos severos.
b.
F'erríticos (serie 400)_ Estos aceros tiene un elevado contenido de cromo de hasta 27%. Son magnéticos y tienen una buena resistencia a la corrosión, pero su ductilidad es menor a la de los aceros inoxidables austeníticos. Los aceros inoxidables ferríti.cos se endurecen mediante el trabajo en frío y no se pueden someter a tratamiento térmico. Generalmente se utilizan para aplicaciones no estructurales como equipo ele cocina y decoraciones automotrices.
c.
Martensíticos (series 400 y 500). La mayor parte de los aceros inoxidables martensúicos no contienen níquel y pueden ser endurecidos por tratamiento térmico. Su contenido de cromo puede alcanzar el 18%. Estos aceros son magnéticos y tienen una elevada resistencia, dureza y resistencia a la fatiga, una
Elongación en 50 mm (%) .... v;~"
550-620
240-260
53-50
Productos de máquinas de rosc::i.r, flechas, vaivuia;,. l:'"'"V"' y tuercas: acoplamientos para aeronaves; pernos: tuercas; remaches; tornillos: prisioneros.
304 (S3il400)
565--620
240-290
60-55
Equipo químico y de procesamiento de alimentos, equipo para cervecerías, recipientes criogénicos, canalones, tubos de descenso, hotaguas.
316
550-590
210-290
60-55
Elevada resislencia a la corrosión y alta resistencia a !a ccdencia Equipo para manejar productos químicos y pulpas, equipo fotográfico, cubas para brandy, piezas de fertilizantes, marmitas de cocción de salsa de tomaLc (catsup) y tinas de fermentación.
410 (S4100G)
480-520
240··-3°10
35-25
Piezas para maquinaria, flechas de bombas, pernos, buje~, ramp;:i,s para carbón. cuchillería, implementos de pesca, herrajes; piezas de
4 !(J
480--520
303 (S30300)
(S316001
motor a chorro, maquinaria para la industria minera, cañones para rifles, tornillos y válvulas. 275
(S41600'.._.------------·-·---
Acoplamientos para aeronaves. pernos, tuercas, insertos 30-20 ______:_pa_r_a_cx_·t_in_tc_)res de incendio, rernachcs y tornillos.
buena ductilidad y una resistencia moderada a ID. corrosión. Los aceros inoxidables martensúicos se uli·· !izan típicamente en cuchillería, herramientas quirúrgicas, instrumentos, válvulas y resortes.
d.,
Em:foreddos por predpiiación (PH, por sus siglas en inglés: Precipitation Harclening). Estos aceros contienen cromo y níquel además de cobre, aluminio, titanio o molibdeno. Tienen una buena resistencia a la corrosión y una buena ductilidad, y una elevada resistencia a temperaturas altas. Su aplicación principal se encuentra en componentes estructurales de aeronaves y vehículos espaciales.
proce~,os de oxígeno bú::;ico,
a.,
149
e.
Estrructura dúplex. Estos aceros tienen una mezcla de austenita y de ferrita. Tienen buena resistencia y tienen una resistencia más alta, tanto a la corrosión (en la mayor parle de los ambientes), como al agrietamiento por esfuerzo corrosión, que los aceros austeníticos de ia serie 300. Las aplicaciones típicas se encuentran en componentes para las plantas de tratamiento de agua y en intercambiadores ele calor.
Ejemplo: Uso de aceros inoxidables en automóviles Los tipos de acero inoxidable usualmente seleccionados por los ingenieros de materiales para su uso en partes automotrices son el 301, 409, 430 y 434. En raz6n a su buena resistencia a la corrosión y a sus propiedades mecánicas, se utiliza el tipo 30 l para los tapones de hncs. El trabajo en frío durante el proceso de fo1mado aumenta su resistencia a la cedencia (por endurecimiento por deformación). dándole así propiedades elásticas al lapón. El tipo 409 es utilizado ampliamente en conveltidores catalíticos, Eltipo 430 había sido utilizado para la decoraciónautomottiz, pero no es tan resistente como el tipo .434.a las sales. anticongelantes utilizada., en invierno en los climas más fríos; como resultado, su uso se ve ahora limitado. Además de ser más resistente a la cor:rosíóti, .el tipo 434 sé parece bastante al col.or del cromado, pot lo que se.ha convertido en una atractiva. alternativa en lugar del430Los aceros inoxidables están bien adaptados para su usp en oti:os componentes automotrices: tubos de escápe, múltiples de escape (reemplazando múltiples de hierro fundí~ para reducir el. peso,)ncrementar la vida y proporcionar una más elevada. conductividad térmica .y emisiones más reducídas); silencíadores . (qne ()frecen .una mejor protección a Ja corrosi?n en ambientes.sev~ros), y tubetíaspara fre11os.
' 15() Capílulo S /Metales y aleaciones ferrosas; producción, propiedades generales y aplicaciones Resumen
S.7 ACEROS PARA HERRAMIENTA Y DADOS
S.7.1 Aceros de alta velocidad
Los acerns parn herirnmienta y diados son aceros de aleados especiales (tablas 5.5 y 5.6). Est<Ín diseñados para ofrecer elevada resistencia, tenacidad al impacto y resistencia al desgaste a temperaturas ambiente y elevadas. Se utilizan comünmente en el formado y maquinado ele metales (partes m y IV).
IA!BIT..i\. 5.5 -----
IÍ]'.?____
acero_~erramienta y d a d o s - - - - - - - - AISI ------M (base molibdeno)
Tipos básicos de
Alta velocidad
T (base tungsteno) Trabajo en calierHe
H 1 a Hl 9 (base cromo) H20 a H39 (base tungsteno) H40 a H59 (base molibdeno)
Trnbajo en frío
A (media aleación, templados a! aire) O (templados al aceite)
s
Aceros para molde
PI a P!9 (b.c~jo carbono) P20 a P39 (oiros)
U'io Cl'pecial
Los acerns para trabajo en caliente (serie H) están diseñados para ser utilizados a temperaturas elevadas. Tienen una alta tenacidad, así como una elevada resistencia al eles gaste y al agrietamiento. Los elementos ele aleación son por lo general el tung~teno, molibdeno, el cromo y el vanadio. Los acerns para trabajo en frío (Series A, D y 0) se utilizan para operaciones de trabajo en frfo. Por lo general, son muy resistentes al desgaste y al agrietamiento. Estos aceros están disponibles como templablcs al aceite o tcmplables al aire. Los arerns resistentes al impacto (serie S) están diseñados para poseer una gran tenacidad al impacto y se utilizan en aplicaciones tales como dados, punzones y cinceles. Las demás propiedades de estos aceros dependen de su composición particular. En la tabla 5.7 se presentan varios materiales para dados y herramientas para una diversidad de aplicaciones de manufactura.
L (b~ja aleaci6n) F (carbono tungsteno)
w
IA.JRL~
.5"6
! ,os aceros de alta velocidad (HSS) son los más aleados de los aceros para herramienta y claclos. Desarrollados por primera vez a principios de la década de 1900, conservan su dureza y resistencia a temperaturas elevadas de operación. Existen dos tipos básicos de aceros de alta velociclacl: el tipo molibdeno (Serie M) y el tipo tungsteno (Serie T). Los aceros de la Serie M contienen hasta aproximadamente !0% de molibdeno, con cromo, vanadio. tungsteno y cobalto como otros elementos de aleación. Los aceros de la Serie Tcontienen de 12% a 18% de tungsteno, con cromo. vanadio y cobalto como otros elementos de aleación. Los aceros de la serie M en generaí poseen una más elevada resistencia a la abrasión que los aceros de la sctie T. sufren además de menor clistorsién durante el tratamiento ténnico y son más económicos. La serie M repref:enla aproximadamente 95 % de todas las herramientas de alta velocidad producidas en Estados Unidos. Para una mayor resistencia al desgaste las herramientas de acero ele alta velocidad pueden recubrirse con una película de nitruro ele titanio y de carburo de titanio (sección 21.6).
5.7.2 Aceros para trabajo en caliente, para trabajo en frío y resistentes al impacto
D (alto carbono, alto cromo)
H.csi.'fü~nte al impacto
151
de procesamiento y de servicio de aceros para "''--'-'---'~J.)
Designación AIS!
Resistcncfo a la carbura"..:ió11
---------
M2
Medio
Resistencia al agrietamiento
Medio
Dureza aproximada (HRC)
Maquinabilidacl
60-65
Resistencia
Resistencia
a hahlandar,<>e
al desgaste
--
Tenacidad
Bajo
Medio
Bajo
Medio
Muy alto
B4jo
Muy alto
De medio a alto
El más alto
Muy alto
Medio
Alto
Medio
Muy alto Medio
Medio
Alto
Alto
Alto
Alto
Bajo
De medio a alto
Alto
Bajo
Alto
De alto a muy alto Muy alto
Alto
T5
Bajo
Hll, 12, 13
Medio
Medio
60-65
El más alto
38--55
57-62 35-56 54-61
Bajo
54-61
Bajo Medio Medio
Alto
Alto
Medio
De medio a alto
Muy alto
Alto
Alto
A2
Medio
A9
El más alto
Medio
El más alto
D2
Medio
03
EL más alto
Medio
Alto Alto
H21
Medio
60-65
Medio
Alto
36-54 43-58
P20 P2 l
Alto Bajo
Alto El más alto
28-37 30-40
De medio a alto Medio
W 1, W2
El más alto
Medio
50-64
El más alto
H26
Fuente: adaptado de Too! Steels, American Iron and Steel Jnsütute, 1978.
Muy alto
"'
"------··-
Medio
TI
Muy
Alto
Bajo
Medio
De bajo a medio
Medio
Alto
Medio
Bajo
De bajo a medio
"'
"'
,.
i
1
L
Las clases principales de metales ferrosos y aleaciones son los aceros al carbono, Jos aceros alenclos, los aceros inoxidables y los aceros para herramienta y dados. Su amplia gama ele propiedades y en general su bajo costo, los hacen los más útiles de todos los materiales metálicos. Los procesos ele fabricación del acero han progresado con rapidez, notablemente en lo que se refiere a las técnicas de colada continua y refinación secundaria; estos avances han dado como resultado aceros de calidad más elevada y una mayor eficiencia y productividad en las operaciones de fabricación de acero. En general los elementos ele aleación son de gran influencia en las propiedades mecánicas, físicas, químicas y de manufactura (templabilidacl, capacidad ele fundición o colabilidacl, conformabilidad, maquinabilidad y solclabilidacl) así como rendimiento en servicio. En general los aceros al carbono se clasifican en aceros al bajo (dulce), medio y alto carbono. Los aceros aleados contienen una cliversiclad ele elementos de aleación, particularmente cromo, níquel y molibdeno. Por lo general los aceros inoxidables se clasifican en austeníticos, ferríticos, martensíticos y de endurecimiento por precipitación. Los aceros para herramienta y claclos son ele los materiales de mayor importancia y se usan ampliamente en operaciones de fundición, maquinado y formado, para materiales tanto metálicos como no metálicos. En general consisten en aceros de alta velocidad (ele! tipo de tungsteno y molibdeno), aceros para trabajo en frío y en caliente y aceros resistentes al impacto.
'1')2
Capítulo 5 /Metales y aleaciones ferrosas: producción, propiec/Jdes generales y ap1icacione.'>
lAB!LA 5.7
Materiales !ípicos para
Proceso
Preguntas de repaso
~erramientas y dados para el trabajado de metal Material
c11 molde u presión
Hl3, P20
Metalurgia de polvos
Punzones Dado¡.;
Moldes para plásticos y hule
Fo1:ja en caliente Extrusión en caliemc Formado de cabezas en frío
A2, S7, 02, D3, M2
Dados Acuilado
., Cada vez es más utilizada la colada continua para producir fonnas continuas de acero y secciones transversales de dimensiones reducidas, ., Las hojas de acero recubiertas de zinc, prepintadas y prelLibricadas están reduciendo el número de pasos de procesamiento en aplicaciones automotrices, en electrodomésticos, y en una variedad de productos,
WC, 02,M2
TÉRMINOS CLAVE
S 1, O!, Al, D2, 6F5, 6F6, P6, 1'20, P2 i, Hl3
Acererías integradas Acero efervescente Acero muerto Acero semi muerto Aceros al carbono Aceros aleados Aceros
6F2, 6G, H! 1, Hl2
HI 1, Hi2, H13, l-12! Wl, W2, Ml, M2, D2, WC
Extrusión en frío Punzones
153
A2, D2, M2, M4 01, WI, A2, D2
Aceros de fase dual Aceros inoxidables Aceros para herramientas y dados Alto horno Cochino Colada continua Colada en cordón
Elementos en estado de traza Hierro de primera fusión Horno de hogar abierto Horno de oxígeno báslco Horno eléctrico Lingote Retinar
52100, Wi, OJ, A2, 02, 03, 04, l-111, Hl2, H13
Estirado Alambre
Fonnas Barrns y tubos
BIBLIOGRAFÍA
WC. diamante
WC, D2, M2 WC, WLD2
AS!lff Handbook, Vol.!: Properties and selection: iron, stecís, and high-pcrfonnance alloys. ASM lnlernational, 1990. ASM Sperialty handbook: carhon and alloy steels, ASM ln-
Hierro fundido, acero fundí
ternational, 1995. ÁSM Specialty handbook: loo! nwu:rials, ASM lnternational, 1995.
D2, A2, A9, S2, SS, S7
PREGUNTAS DE REPASO
Liminado Laminado
Larn i nado de roscas Rccha:wdo <11 corte
Bryson, B., lleat lreatment, selection and application qftoo! sleels, Hanser Gardner, 1997, Llewdlyn, D. T., Steeis: meiallurgy and applications ('.2a Eú.). Buttcrworth-Heinernann, 1994, Roberts, G. A,, G, Krau5', y R Kennedy, Tool steels (5a Ed,), ASM lntemational, 1998,
lVktales en hojas Corte
Frío Caliente Troque fado Embutido pro(undo
Maquinado
HI J, Hl2, H13
Alcacione:-> ele zinc, acero 4140, hi~rro fundido, compo:-;itos hase cpl)xicu.'.. A2, D2, O! 34. W l, O J, hit~rro fundido, A.2, D2 Carburos, aceros de al la velocidad, cer
/Votus:
lung!\teno y
lo general se endurecen ;1 55 a 65 HRC pura !rnba.i0 r..:n li"ío, contienen uno o más de los elementos vé~tsc la bibliografía al
cn-1m;J,
TEN " El mercado internacional altamente competitivo para el acero, ha obligado al control de los costos mediante una mejor productividad, la eliminación de equipo y proced[mientos obsoletos e ineficientes, y menores costos por mano de obra, " Los nuevos desarrollos, como las acererías especializadas y las miniacererías (que utilizan en su mayor parte metal de desperdicio o chatarra, sección 13,7), permiten la producción económica de productos de especialidad o de un solo tipo de producto, Otra tendencia es el uso de hierro que ha sido reducido directamente (a partir ele minerales de óxido de hierro), en vez de fundirlo en altos hornos, "' Se están implementando controles por computadora y métodos de optimización de los procesos para mejorar Ja eficiencia y calidad en todos los aspectos de Ja fabricación del acero, " Se están desarrollando nuevas composiciones, nuevos tratamientos y técnicas para refinar el acero a fin de mejorar varias propiedades como la formabilidad, maquinabilidad, soldabilidad, vida ele servicio y respuesta al tratamiento ténnico,
5.1
¿Cuáles son las principales clases de aleaciones forrosas?
5.2
Liste ias materias prlmas básicas que se usan en la fabricación de hierro y acero, y describa sus fun~ ciones.
5.3
Liste k•s tipos Je horno utílizados comúnmente en la fabricación del acero y describa sus características.
5.4
Liste y explique las carncterfsticns de- los tipos de lingotes de acero.
5.5
¿Qué significa rdinaclón? ¿Cómo se hace?
5.6
¿Qué ventajas ofrece la colada continua sobre el vaciado de lingotes?
5~7
Nombre los cuatro elementos de aleación que tienen el mayor efecto sobre las propiedades de los aceros.
5.8
¿Qué son los ciernen tos en estado de traza?
5.9
¿Cuáles son los porcentajes de contenido de carbono en los aceros al bajo, medio y alto carbone?
5.10
¿Cómo se convierten los aceros inoxidables en inoxidables?
5.U
Liste los tipos de acero inoxidable,
5.12 ¿Cuáles son los principales elementos de aleación en Jo,, aceros para herramienta y dados y en los aceros de alta velocidad? 5.13
¿De que manera afecta el cromo a las características superficiales de Jos aceros inoxidables?
5.14 ¿Qué tipo de hornos se utilizan para Ja refinación de los aceros? 5.15
¿De qué manera se extrae el hierro del mineral de hierro?
5.16
¿Qué es un acero de alta velocidad?
5.17
¿Cuál es la finalidad del distribuidor de colada en la colada continua?
5.18
¿Por qué se utiliza Ja piedra caliza en la producción del hierro?
5.19
¿De donde proviene el término "hierro cochino"?
5.20
¿Cuáles son las ventajas de un elevado contenido de carbono en el acero? ¿Cuál es la ventaja de un bajo contenido de carbono?
·g54 Capítulc) S /Metales y Z1!eaciones ferros<:is: producción, propiedades genernles y
aplicacione~ Síntesis y diseño
CUALITATIVOS 5.2l
Identifique varios productos diferentes fabricados de acero inoxidable, y explique por qué cslán hechos ele ese material.
5.22
5.23 5.24 5.25 5.26 5.27
Como quizás sabe, los cocineros profesionales prefieren lo~ cuchil!o:;; de acero ul carbono en vez de los de acero inoxidable, aun cuando estos úl!imos sean más populares entre los consumidores. Explique cuáles son las razones de esta preferencia. ¿Por qué es importante Ja estrnctura de los lingotes de acero? Explique por qué la colada continua ha resultado un desarrollo tecnológico de tanta importancia.
155
5.42
Est{m ahora disponibles refrescos de sabores en latas de acero (con tapas de aluminio) de apariencia similar a las ele aluminio. Obtenga una de cada una, péscla cuando esté vacía) y determine su respectivo espesor de la pared.
5.43
Utilizando datos de resistencia y de densidad, determine el peso mínimo de un miembro a la tensión de dos pies de largo que debe soportar 1,000 lb., si está hecho de (a) acero inoxidable 303 recocido, (b) acero 8620 normalizado, (e) acero 1080 tal como sale de la laminadora. (d) cualesquiera dos aleaciones de aluminio, (e) cualquier aleación de latón, o (e) cobre puro.
5.44 El límite a la fatiga (vida a la fatiga) del acero es de aproximadamente la mitad de la resistencia a la tensión (véase la fig. 2.16), pero nunca es superior a 100 ksi (700 MPa), Para los hierros, el límite a la fati·· ga es 40% de la resistencia a la tensión, pero nunca superior a 24 ksi (l 70 MPa). Trace el límite a la fatiga en función a la resistencia a la tensión para los aceros descritos en este capítulo y para los hierros fundidos de la tabla 12.3. En el mismo trazo, muestre el erecto del acabado superficial trazando el iímite a la fatiga suponiendo que el materia! está en estado tal y como sale de fundición.
En los aceros para herramienta y dados comúnmente se usan ciertos elementos de aleación. Explique por qué estos elementos son esenciales en dichos aceros. Describa aplicaciones en las que usted no desearía usar aceros al carbono. Explique lo que ocurriría si Ja velocidad de! proceso ele colada continua (fig.5.4) fuera (a) mayor o (b) menor a la indicada (comúnmente 25mm/s (lpulg/s)).
5.28
5.29
El costo de los productos de acererías de metal se incrementa al reducirse el espesor y las dimensiones de la sección transversal. Explique por qué. ¿Por qué está identificado por separado, en la tabla 5.3, el acero con control de sulfuros (como F), del acero muerto?
5.30 Describa sus observaciones en relación con la información incluida en la tnbla 5.7. 5.31 ¿C6mo afectan los elementos en estado de traza a Ja ductilidad de lo.'l aceros? 5.32 Comente sobre sus observaciones en rciación con Ja tab!a 5. l S.33 En la tabla 5.7, en la mayor parte de las aplicaciones el acero D2 está listado como material para herramienta y dados ¿Cuál es la razón?
SÍi~TES!-S Y DISEÑO 5.45
En base a la informaclón incluida en la Sección 5.5. l, elabore una tabla con columnas para cada propiecbd mejorada, como templabilidad de endurecimiento, resistencia, tenacidad y maquínabilidacl. En cada columna, liste los elementos que mejoran dicha propiedad e identi fiqne aquél con la máxima influencia.
5.46
Suponga que está a cargo de las relaciones públicas ele una empresa productora de acero. Detalle toda:; aquellas caracterfs~jcas atraclivas de los mismos que usted desearía fueran del conocimiento de sus clientes.
5.47
Suponga que está en competencia en la industria del acero y se Je pide que detalle todas las características que carecen de atractivo en los aceros. Haga una lista de las mismas y explique su importancia desde el punto de vista de ingeniería.
5.48
Suponga que está a cargo del departamento de investigación de una gran empresa productora de acero. Haga una lista de los proyectos de investigación que desearfa iníciar para mejorar los productos y ar.J·· pliar sus aplicaciones, explicando 1as razones de sus selecciones.
5.49
En la sección 5.5.1, notamos los efectos de varios elementos individuales sobre las propiedades y caracteríslicas de los aceros. No se analizó, sin embargo. el papel que juega la combinaclón de elernen10s, como el plomo y el azufre juntos. Repase la líterntura técnica disponible y prepare una tabla indicando los efectos combinados de varios elementos en los aceros.
5.34 Enlistc la impurezas comunes en el acero. ¿Crnílcs de las anteriores quedarán con más probabilidad mi··
nimizadas si el acero eo::. fundido en un horno al vacío? 5.35 En la fig. 5.4 se usa argón, pero no se !e /isla como una impureza en el acero. Explique ia finali.dad de! u.so del argón en esta aplicación.
536
Expliyuc la finalidad del uso del aceile en la fig. 5.4, en vista que la temperaturas dei acero fundido csl,; bien por encüna de las temperatt1rn,<: de ignición del í1Ceite.
5.37 lnvcsligaciones recientes han identificado texturas en !a superficie de los moldes que o bien('_,) no pe,-
miten que un accrn soíidi ficado ~_.;e separe de1 molde o (b) !o obligan u µenn<.mecer en contacto en Jada continua ¿Qué vent
un~1 cn-
Agregue una columna a los datos dados en la tabla 5.6 para incluir las aplicaciones comunes para íos aceros para bemim[enta y dados lislaclos. También, explique el significado que tiene para las aplicaciones la maquin:-ibilidad del acero.
5.50 En el pasado, los cazadores de ánades usaban plomo en las escopetas, pero esta práctica conducía a envenenamiento por plomo de las aves sobrevivientes, que ingerían la munición de plomo (junto con grava) como ayuda en la digestión de los alimentos. Recientemente, se ha utilizado el acero y el tungsteno como malcriales de reemplazo. Si todas las municiones tienen la misma velocidad a la salida del cañón de la escopeta, ¿qué preocupaciones tendría en relación con este reemplazo de materiales? Tome en consideración efectos sobre el ambiente y sobre el desempeño de las armas de fuego.
5.39 Identilic¡ue productos que no pueden ser fabricados ele acero y explique p<>r qu<'. Por cjeml'lo, !os con· tactos eléctricos por lo general se ·fabrican de oro o cobre, ya que su falta ch..~ dureza da como resultado una baja resistencia de contacto, en lanto que en acero la resistencia de contaclo sería muy elevada.
PROBLEMAS CUANTITATIVOS 5.40 Consultando la literatura disponible, estime el costo de las materias primas para (a) una lata de refrescos de aluminio, (b) una olla de cocina de dos cuartos de galón de acero inoxidable, y (c) el cofre de acero de
un automóvil.
5.4J En la tabla 5.1, para ciertas aplicaciones se da más de un tipo de acero. Haciendo referencia a datos existentes en la literatura técnica, determine el rango de propiedades para dichos aceros en varias condiciones como trabajados en frío, trabajados en caliente y recocidos.
5.51
Se ha citado al aluminio como un posible material sustituto para reemplazar el acero en los automóviles ¿Qué preocupaciones tendría usted antes de adquirir un automóvil de aluminio?
5.52
En la década de 1940, el Yamato era el buque de guerra más grande jamás construido. Investigue el p~so de este navío, así corno cuántos automóviles podrían fabricarse con el acero de este barco ¿Cuánto se tardaría en efectuar una colada continua de todo ese acero?
Sección 6.2 /Aluminio y aleaciones de aluminio
TABLA 6.1
Costo aproximado por volumen unitario para metales forjados y plásticos con relación al costo del acero al carbono
Plata Aleaciones de molibdeno
Níquel Aleaciones de Litanio
6.1 6.2 6.3
6.4 6.5 6.6 6.7 6.ll 6.9
Aluminio y aleaciones de aluminio Mrtgnesio y aleaciones de tT1afnesio Cobre y aleacione'; rkc cobre Níquel y aleaciones de níquel Superaleaciones Titanio y uleaciones de titanio
v sus ale;Kiones
6.11 6.12
iv\etales preciosos
h."i 3 6.14
Aleaciones con memoria de: forma Aleaciones amorfa:; (vid1·ios metálicos) Nanomateriales
6. 15
I
6.·1 11'.ITRODUCCIÓ~I Los metales y aleaciones no ferrosos incluyen una amplia gama de materiales, desde los metales más comunes como el aluminio, cobre y magnesio, hasta las aleaciones de alta resistencia y alta temperatura, como las del tungsteno, tantalio y molibdeno. Aunque .on general de mayor costo que los metales ferrosos (tabla 6.1), Jos metales y aleaciones no ferrosos tienen aplicaciones importantes debido a propiedades como por ejemplo resistencia a Ja corrosión, elevada conductividad térmica y eléctrica, baja densidad y facilidad de fabricación (tabla 6.2). Ejemplos de las aplicaciones de metales y aleaciones no temosos son el aluminio para utensilios de cocina y :fuselaje ele aeronaves, alambre de cobre pru.-a conductores eléctricos, tubería de cobre para el suministro de agua residencial, el zinc para las láminas de metal galvanizado para la carrocería de automóviles, el titanio para las alabes de las turbinas de los motores a reacción e implantes ortopédicos, y el tantalio para los motores a chorro. Comúnmente un motor a reacción turbofan para el Boeing 757 contiene los siguientes metales y aleaciones no ferrosos: 38'Yo de titanio, 37% de níquel, 12% de cromo, 6% de cobalto, 5% de alu-
Ei6
1.4
l.2 1 l.J-2 0.2-1
compue:)los Je moldeo.
ck~ manera significativa con la cantidad de la compra, la oferla y la demanda, el tamaño y la forma,
y por diver-
sidad
TABLA 6.2
Características generales de metales y aleaciones no ferrosas
Mmerial Aleaciones no ferrosas
Aluminio
Berilio Zirconio L\!caciones de bajo punto de fusión
6. !U
·~como
Now: lo.s costos vadan
Introducción
Metales retractarios
20-40 5-6 1.5-3.5 2-9
Aleaciones de cobre Aleaciones de zinc Aceros inoxidables
2-4 2-·3
Aleaciones de magnesio Aleaciones de aluminio Aceros de al ta resistencia aleación baja Hierro fundido gris Acero al carbono Nylons, acetales y hule al silicio* Otros plásticos y elastómeros*
60.000 600 200-250 35
Oro
etales aleaciones o ferrosas: prod cció ropied es ge e les apl i iones
157
Magnesio
Características
~~~~~~~~~~~~~~~~--
Más caras que los aceros y plásticos; amplio rango Je propiedades mecánicas, ffsicas y eléctricas: buena resistencia a la corrosión; aplicaciones a alta temperatura. Alta proporción de resistencia a peso; olla conductividad Lérmica y eléctrica; buena
rcsi~tencirt a la
corrosión: buern:i~·. propiedades de manuf<:ictLLra.
El rnetal mós ligero; buena proporción ele resistencia J peso. Alta conducliví
Cobre
m;:1-
nu[actura.
Supcrakac1oi1cs
Buena re.sistcncia y r....sistencia a la corrosión a temperaturas elevadas; pueden ser de base hierro, en-balto y níquel. La más ulta proporción de resistencia a peso de todos los metales; buena resistencia y resistencia a l;i
Titanio
corrosión Meialc~;
refraclario:.;
Mct<:iles preciosos
<:t
altas temperaturas.
Molibdeno, niobio (columbio) tungsteno, y tantalio; alta resistencia a altas tc:mpcraluras.
Oro.
a la corrositín.
minio, 1% de niobio (columbio) y 0.02% de tantalio. Sin estos materiales un motor a reacción (fig. 6.1) no podría ser díseñado, fabricado y operado a los niveles de potencia y de eficiencia requeridos. Este capítulo es una introducción a las propiedades generales, los métodos de producción y las importantes aplicaciones de ingeniería para los metales y aleaciones no ferrosos. Las propiedades de manufactura de estos materiales, como es la capacidad de formado o formabilidad, la maquinabiliclad y Ja soldabiiidacl, quedan descritos en varios capítulos a lo largo de este libro.
6 . 2 ALUMINIO Y ALEACIONES DE ALUMINIO Los factores de importancia en la selección de aluminio (Al) y ele sus aleaciones son su elevada relación resistencia a peso, su resistencia a la corrosión frente a muchos productos químicos, su elevada conductividad térmica y eléctrica, su no toxicidad, su ref!ectividad, su apariencia y su facilidad de conformado y de maquinabilidad; también son antimagnéticos. Los usos principales del aluminio y de sus aleaciones, en orden decreciente de consumo, es en recipientes y empaques (latas de aluminio y hoja de aluminio), en edificios y otros tipos de construcciones, en el
............................................................................................................
~,
158
Capíll;lo 6 /Metales y aleaciones no ferrosas: producción, propiedade.s generales y aplicaciones Secció0 6.2 /Aluminio y aleaciones de aluminio
'!59
Ventilador de
alc
Compresor de
TABLA 6.4 Turbina de
L
alta presión de
¡/dcTioAJ
Cámara de combustión de uleación de Ni
Propiedades de manufactura y aplicaciones típicas de aleaciones forjadas de aluminio Cmacterística*
aleación de Ni
Aleación
........ ~
Resistencia a a la corrosión
Maquinabilidad
Soldabilidad
e
B-C
3003
A
C-D
A
Utensilios de cocina. equipo químico, recipientes a presión. trabajo en lámina metálica, herrajes para la construcción, depósitos de almacenamiento
5052
A
C-D
A
Trabajo en lámina de metal, tubería hidráulica y aparatos domésticos; usos en autotransportes, camiones y marina
6061
B
C-D
A
Estructuras de servicio pesado donde se requiere de resisLencia a la corrosión, estructuras para camiones y marinas, carros de ferrocarril. mobiliario, tuberías, barandales de puente, tubería hidráulica
e ---------
13-D
D
Estructuras para aeronaves y otras, llaves y acoplamientos hidráulicos
A
2024
A
Alabes de
turbina de aleación de Ni
escape de Ja turbina de
aleación de Ni Sección de acce.stxios Cubierta de admisión
transporte (aplicaciones en aeronaves y aerospaciales, autobuses, automóviles, carros de ferrocarril y equipo marino), en aplicaciones eléctricas (collductores eléctricos económicos y no magnéticos), en productos dura-· dcros para el consumidor (aparatos domésticos, utensilios de cocina y muebles), y en herramientas portátiles (tablas l'd y 6.4). Prácticamente todo el alambrado de transmisión de alto vol!aje está hecho en aluminio. En sus componentes estructurales (que soportan carga), e1 82% de una aeronave Boeing 747 (y eI 799ó de una aeronave Boeing 757) es aluminio.
1100(A9l100) 1100 2024 (A92024) 2024 300'.i (A93003) 3003 5052 (A95052) 5052 6061 (A96061) 6061 7075 (A97075) 7075
Propiedades de aleaciones de aluminio seleccionadas a ternpe1·atura ambiente
Temple
o Hl4
o T4
o H14
o H34
o T6
o T6
Ruedas de camión. productos de máquinas rascadoras, estructuras de aeronaves
*A, excclcnle; D, pobre.
flGUR/\ 6.1 Sección transversal de un motor il reacción (PW2tn7) mostrando varios componentes y bs aleaciones utilizadas en su manufactura. Fuente: cortesía de United Aircraft P:·att & Whitney.
Aleación (UNS)
7075
Trab
dL~ aleación de Al 0 Fe
de aleación de Al
IMlA 6.3
Aplicaciones típicas
C-D B-C
1100
Resistencia tensil máxima (MPa) 90 115 190 470 llO 150 190 260 125 310 230 570
Resistencia a la cedencia (MPa) 35 120 75 325 40 145 90 215 55 275 105 500
Elongación en 50 mm (%) 35-15 9-20 20-22 19-20 30-40 8-16 25-30 I0-14 25-30 12-17 16-17
]J
Las aleaciones de aluminio están disponibles como productos de laminación, es decir, como productos en bruto presentados en varias formas mediante laminado, extrusión, estirado y forjado (capítulos 13-15). Están disponibles lingotes de aluminio para la fundición, como aluminio en polvo para aplicaciones de met,11urgia de polvos (capítulo 17). Se han desarrollado técnicas mediante las cuales la mayor parte de las aleaciones de aluminio pueden ser maquinadas, formadas y soldadas con relativa facilidad. Hay dos tipos de aleaciones del aluminio forjados: a. Aleaciones que puedan ser endurecidas por trabajo en frío y que no es posible tratarlas térmicamente, y b. Aleaciones que pueden ser endurecidas por tratamiento térmico. , Designación de las aleaciones del aluminio en bruto. Las aleaciones de aluminio en bruto se ickntifican mediante cuatro dígitos y una designación de temple mostrando el estado det materiaL Se idenlil'ic:¡ el elemento principal ele las aleaciones mediante el primer dígito. Este es el sistema: lxxx ·-Aluminio comercialmente puro - excelente resistencia a la corrosión; elevada conductividad eléctrica y térmica; buena capacidad de trabajo; baja resistencia; no es tratable térmicamente. 2xxx - Cobre - elevada relación resistencia a peso; baja resistencia a la corrosión; tratable térmicamente. 3xxx - Manganeso - buena capacidad de trabajo; resistencia moderada; generalmente no es tratable térmicamente. 4xxx - Silicio- menor punto de fusión; forma una película de oxido de color de gris oscuro a negro carbón; generalmente no es tratable térmicamente. Sxxx - Magnesio - buena resistencia a la corrosión y buena soldabilidad; resistencia mecánica de moderada a alta; no es tratable térmicamente. 6xxx - Magnesio y silicio - resistencia media; buena formabilidad, maquinabilidad, soldabilidad y resistencia a la corrosión; tratable térmicamente. 7xxx - Zinc - resistencia de moderada a muy alta; tratable térmicamente. 8xxx - Otro elemento. En estas designaciones el segundo dígito indica modificaciones de la aleación. Para la serie lxxx, el tercero y cuarto dígitos representan la cantidad mínima ele aluminio en la aleación-por ejemplo, "1050" indica un mínimo de 99.50% de aluminio, "1090" indica un mínimo de 99.90% de aluminio. En otras selies el tercero y cuarto dígitos identifican las diferentes aleaciones en el grupo sin un significado numérico.
-~;:
"lf;!)
Cdp1tulo 6 /Metales y aleaciones no ferrosas: producción, propiedades ge1wrales y aplicaciones
D¡:;sigm1dón de las aleaciones de aluminio frmdidas. Las designaciones de !as aleaciones de aluminio fundidas también están formadas por cuatro dígitos. El primer dígito i11dica el grupo de aleación principal como sigue: lxx.x -Aluminio (99.00% mínimo); 2xx.x ·--Aluminio-cobre; 3xx.x - Aluminio-silicio, con cobre y/o magnesio; 4xx.x -Aluminio-silicio; Sxx.x -Aluminio-magnesio; 6xx.x ·- Serie no utilizada; 7xx.x -Aluminio-zinc; 8xx.x -Aluminio-estaño.
Sección 6.2 / Aiuminio y aleaciones de aluminio
161
Tuvieron que ser desm·rolladas nuevas aleaciones y nuevos diseños y metodologías de como "jempios, hubo la nccesiclacl de afinar los procedimientos de solclaclun1 y de unión con adhesivos vo que ser optimizado el diseño del mareo estrüctural, y füe nccesarió"crear nuevos d·iseños de herramental (pai\rpermitir el formado del a!umini())- ~n razón de estas nuevas tecno1ogfas, pudieron realizarse los ahórros ecológicos de~eados sin la reducción éorrespondiente en rendimiento o seguridad. De hecho, el Audi AS es el primer automóvil de la cJase de lujo en obtener una clasificación de cinco estrellas duales (máximd seguridad) tanto para.eleonductor como para su copiloto en eJ Nationál Híghway Transportmion Safety J\dminisu·afüm (NHSTA) New Car Assessment Program.
En b serie lxx.x, los segundos y tercer dígitos indican el contenido mínimo de aluminio, igual que ocurre en los terceros y cuartos dígitos del aluminio fOijados. Para las otrns series, los dígitos segundos y terceros no tienen un significado numérico. El cuarto dígito (a la derecha del punto decimal) indica la forma del producto. Designadm1es de temple. Las designaciones de temple para el aluminio ianto en bruto como fundido son crnno sigue: Apl,ic.:td;¡ .1 fa robótica. !o-. pnic:.-~o<. ;)v:ur1ndns dc. i.:oldadur:i pnlp1irci¡11w:i un cns~lmhlc unifor:nc v dt: alu.1 L':il1dad de ¡)iczas de fundidún.' e:o;1rusioncs y
F - tal y como se fabrica (mediante trabajo en frío o en caliente o mediante el colado); O -- recocido (dei estado ck: trabajo en frío o colado);
"' H -- endurecido por dcfonnación por tralx~jo en frío (pam productos fo1jados únicamente); T - tratado lermicamente; W --·tratado por solución únicamente (temple inestable). Proidlucdón. El aluminio se produjo por primera vez en 1825. Es e1 clemenio metálico rná~ abundanie, representando aproximadamente 8% de la corteza terrestre. Es producido en cantidadt\s superadas única-· mente por la producción de hierro. El mineral principal de] aluminio es la bauxita, que es un óxido de aiuminio hidratado (que conlienc agua) e incluye otros óxidos. Una vez lavados Ja arcilla y Ja tierra, el mineral es trilllrndo en polvo y después tratado con sosa caústica caliente (hidróxido de sodio) para eliminar .las impurc· ;~a[). La alúmina (óxido ele aluminio) es extraída de esta solución y después es disuelta en un baño fundido de fluoruro de sodio y ele lluoruro ele aluminio a 940ºC-980ºC (l 725ºF-l800'.'F). E:~la n:ie?,cla se son1ete tl una electrólisis por corriente directa. Se forma el meta! de alunTinio en el (;!Üodü (polo negativo), en tanto que se libera oxígeno en el {inodo (polo positivo). El aluminio cmnen:ialm.~·nte puro tiene basta 99.990b de aluminio y ;:e conoce también en la inJustria como aluminio de "'cu31ro nueves:··. El proceso ele producción consume gran cailtidad de electricidad contribuyendo por tan Lo de manera importanle ai costo de ahtrnin1o.
(;ompont'nlt.:'> cmbulido"
Lo\ t1:odo\ f1mdidcÍs ~on Je pared dclg<1d;1 p;irn maxin:1iza1 lo r¡;docción
al mi.-,rno ti,~rnpo elevad•.> n::nJim1~nto
Aíumfoio poroso, Se han producido recientemente bloques de aluminio qw son 37% m:ís Jige;·os que el aluminio sólido y tienen una permeabilidad (microporosidad) unifom1e. Esta característica permite su uso en aplicaciones donde se deben mantener o un vacío o una presión diferencial. Ejemplos serían la sujeción por vacio de disposil"ivos de ensamble y automatización y el formado por vacío, es decir, el termoformaclo de pliisticos (sección 18.6). Estos bloques están formados de 70 a 90% de polvo de aluminio; el resto es resina epóxica. Pueden ser maquinados con relativa facilidad y se pueden unir utilizando adhesivos.
Extrusi(.mcs resistentes de pared Ull
Ejemplo: Un automóvil todo de aluminio El uso del aluminio en automóviles y en camiones ligeros ha ido incrementándose continuamente. Hace poco tiempo en 1990, no hábíaningún automóvil ccin estructura_de_.alumi~io en producción en ningtma parte del rmindo. pero en 1997 ya había 7, incluyendo e!ProwlerdePJymouth y.e1AudiA8. Con ahorro en peso de hasta 47'if.· en comparación con los vehículos ele acero, estos automóviles utiiizan menos combustíble, generan menos contmunación y son reciclables.
Prot:c."os avanZados d'e, doblido por amsión sopo;rnn formas c?ü~plejas pequeños r:~tlios
,
- ----: _(~)El autornúvil Audí A8 que tiene lina estructura de carrocería tocia de aluminio, (b) la estructura de >Cerí¡í·de aluminiü, mostrando varios componentes hechos mediante la extrusión, el formado de _lámina y ¡~éscis de fúndición. Fu(3nte: cortesía de ALCOAr. !ne..
Hi2 C1pítulo 6 /Metales y alear:iones no ferrosas: producción, propiedades gen<=;rales y aplicaciones
Sección b.4 /Cobre y aleaciones de cobre
----MAGNESIO Y ALEACIONES DE MAGNESIO
En el método de reducción térmica, la roca mineral que contiene magnesio (dolomita, magnesita y otras) es disgregada utilizando agentes reductores (como el femisilício en polvo, una aleación de hierro y de silicio). calentando la mezcla en una cámara al vacío. Como resultado de esta reacción se fonuan vapores de magnesio que se condensan en forma de cristales de magnesio. Estos cristales se funden, refinan y se vacían en lingotes para su procesamiento posterior en varias formas.
lEl magnesio (Mg) es el metal de ingeniería más ligero disponible, y tiene buenas características ele amortiguamiento de las vibraciones. Se utilizan sus aleaciones en aplicaciones estructurales y no estructurales siempre que el peso sea una consideración de primera importancia. El magnesio es también un elemento de aleanle en varios metales no ferrosos. Los usos comunes de las aleaciones de magnesio incluyen componentes de aeronaves y misiles, equipo ele manejo de materiales, herramientas eléctricas portátiles (como taladros y esmeriles), escaleras, equipaje, bicicletas, artículos deportivos y componentes generales de poco peso. Estas aleaciones están disponibles en forma de fundici6n o en bruto, como ba.tras y formas extruídas, forjas y placa y hojas laminadas. Las aleaciones de magnesio ta.tnbién se utilizan en maquinaria de imprenta y textil, a fin de minimizar las fuerzas de inercia de componentes de alta velocidad.
6A COBRE Y ALEACIONES DE COBRE Producido por primern vez alrededor de 4000 a.C., el cobre (Cu) y sus aleaciones poseen propiedades algo similares a las del aluminio y sus aleaciones. Además, son de los mejores conductores de la electricidad y del calor (tablas 3.1 y 3 2), y tienen una buena resistencia a la corro,ión. Son de fácil procesamiento mediante técnicas de formado, maquinado, fundido y soldado Las aleaciones de cobre a menudo resultan atractivas para aplicaciones en las cuales se requieren una combinación de cualidades eléctricas, mecánicas, antimagnéticas, resistentes a la corrosión, te1micamente conductoras y resistentes a!. desgaste. Estas aplicaciones incluyen componentes eléctricos y electrónicos, resortes, caituchos para pequeñas armas de fuego, plomeria, intercambiadores de calor, herrajes marinos y artículos de consumo, como utensilios de cocina. joyería y otros objetos decorativos. El cobre puro también puede ser milizado como un lubricante sólido en operaciones de formado en metal caliente (sección 32.l l .3). Las aleaciones de cobre pueden adquirir una amplia variedad de propiedades mediante la adición de elementos aleanlcs y mediante el tratamiento térmico, a fin ele mejorar sus características de manufactura. Las aleaciones de cobre más comunes son los latones y los bronces. El latón, qt1e es una aleaci6n de cobre y zinc. fue una de las primeras ale:1ciones desarrolladas y tiene numerosas aplicaciones, incluyendo objetos decorativos (tabla 6.6). El bronce es una aleación ele cobre y estaño (tabla 6.7). Existen también otros bronces, corno bronce ai aluminio qne es una aleación de cobre y alumü1io y bronces al estaño. El cobre al berilio, o bronce al berilio, así como el bronce al füsforn tienen buena resistencia y dureza para aplicaciones como resortes y cojinetes. Otras aleaciones de cobre de importancia son los cuproníquel y las platas al cobre.
Dado que no es lo suficientemente resistente en su fom1a pura, el magnesio es aleado con varios elemen-
tos (tabla 6.5) a fin de obtener ciertas propiedades específicas, en particular una relación elevada de resistencia a peso. Una variedad de aleaciones de magnesio tiene buenas características de fundici6n, formado y maquinado. Dado que se oxidan con rapidez (esto es, que son pir()fóricos), se presenta un riesgo de incendio, y deben tomarse precauciones al maquinar, esmerilar o fundir en arena las aleaciones de magnesio. Los productos hechos de magnesio y de sus aleaciones no representan. sin embargo, un riesgo de incendio en su nso nonnal. Desig11adó11 de las aieado:mes de magnesio. Las aleaciones de magnesio se designan como sigue: a,
Una o dos letras de prefijos, que indican los elementos de aleación principales; Dos o tres números, indicando el porcentaje de los principales elementos de aleaci6n, redondeados al decimal más cercano:
e
Una letra del alfabeto (a excepción de .la l y de la 0) indicando la aleación est;índar con variaciones rnenores en composición;
d.
Un símbolo para el temple del material, siguiendo el sistema que se utiliza para las aleaciones de aluminio. Por ejemplo, veamos la aleaciones AZ91C-T6:
"'
Los elementos de aleación principales son el aluminio (A, 9%, redondeado) y el zinc (Z, í %).
Designación de las aleaciones de cobre, Además de identificarse mediante su composición, el cobre y sus aleaciones se conocen con varios nombres (tablas 6.5 y 6.6). Las designaciones de temple, como medio duro, extra duro y extrarcsorte, etc., se basan en la reclucci6n porcentual producto del trabajo en frío (como e,; el laminado o estirado).
La letra C, la tercera lelTa del alü1heto indica que esta aleación fue la tercera estandarizada (posteriormeme a la A y a la B que füeron la primera y Ja segunda aleación que fueron estandarizadas respectivamente J. T6 indica que esta aleación ha sido tratada por solució11 y env"jecida ar1ificialmente. iProducdórt. El magnesio es el elemento metálico tercero en abundancia (2%) en la corteza terrestre. dcspllés del hierro y del aluminio. La mayor parte del magnesio proviene del agua de m1!r, que contiene 0.13% de magnesio en forma de cloruro de magnesio. Producido por primera vez en 1808, el metal de magnesio se puede obtener por electrolisis o mediante una reducci6n térmica. En el método electrolítico. el agua de mar se mezcla con cal (hidr6xido de calcio) en depósitos de asentamiento. El hidróxido de magnesio se precipita al fondo y es fiitraclo y mezclado con ácido clorhíd1ico. Esta solución se somete a electrólisis (como en el caso de aluminio); esta operaci6n produce el metal de magnesio, que acto seguido es vaciado en lingotes para su procesamiento posterior en varias fo1mas.
IAl!UA 6.5 __ Propiedades y formas típicas de aleaciones forjadas de m;ignesio seleccionadas Resistencia Resistencia tensi! a la Elongación
Composición(%) Aleación
Al
Zn
Mn
AZ31B
3.0
LO
AZSOA HK31A
ZKGOA
8.5
0.5 5.7
Zr
Condición
0.2
F
0.2 3Th
0.7 0.55
H24 T5 H24 T5
máxima (MPa) 260 290 380 255 365
cedencia en 50 mm (MPa) (%) 200 220 275 200 300
15 15 7
ll
TABLA 6.6
Píüpiedades y aplicaciones típicas de cobres y latones forjados seleccionados
(%)
(MPa)
Resistencia a Ja cedencia (MPa)
Cobre eiectrn!ítico (Cl IOOO)
99.90 Cu, 0.04 O
220-450
70-365
55-4
de agua, canalones, techados, junta:-;, radiadores para automóvil, barras paru buse::.. clavos, rndillos de imprenta. remaches
Lat-Sn rojo, 85%
85.0 Cu, 15.0 Zn
270-725
70-435
55-3
70.0 Cu. 30.0 Zn
300-900
75-450
66-3
61.5 Cu, 3.0 Pb, 35.5 Zn
340-470
125-310
53-18
Recubrimiento intemperie, conductos, recepláculos, sujetadores, extintores de incendio, tubeiia para condensadores e intercambiadores de calor Núcleos y depósitos de radiadores, carcazas de linterna, lámparas, sujetadores, cerraduras, bisagras, componentes de municiones, accesorios de plomería Engranes, piñones, pieza de maquinaria para roscar a alta velocidad
60.0 Cu, 39.25 Zn, 0.75 Sn
380-610
170-455
50-17
Composición nominal Tipo y número UNS
Resistencia tensil
n1áxin1a
Elongación en 50mm (%)
(C23000)
Latón para c
Formas típicas Extrusiones Lámina y plarn' Extrusiones y forjas Lámina y placas Extmsiones y forja~
163
Latón de libre maquinado (C36000) ~atón naval
(C46400 a C46700)
Aplicaciones típicas Bajada~
Barriles de torniquete para aeronaves, baline5, pernos, herrajes marinos, flechas de propuJsores, remaches, vástagos de válvula, placas de condensador.
---
Sección 6.6 / Superaleaciones
164
165
Capítulo 6 /Mela les y aleaciones no ferrosas: producción, propiedades generJies y aplicaciones
Propiedades y aplicaciones típicas de aleaciones de níquel seleccionadas (todos son nombres comerciales)
TABLA 6.8 TA!alA 6.7
seleccionados Composición nominal
número UNS Bro11cc arquitcctónic() iC38500) Bronce al fósforo, 5% A
(C51000) Bronce fosforado de corte líbre
(%) 57.0 Cu. 3.0 Pb. 40.0Zn 95 .O Cu, 5 .O Sn, traz.a P 88.0 Cu, 4.0 Pb,
Resistencia tensil máxima (MPa) 415
Resistencia a Ja cedencia (MPa) l40
Elongación en 50 mm (%) 30
(Como exlruido)
325--960
130-550
64-2
300-520
130-435
50--15
Bronce al bajo .silicio, B (C65!00)
91L5 Cu, 1.5 Si
Plata a! níquel, 65-10
65.0 Cu. 25.0 Zn, 10.0Ni
(C74500)
275-655
340-900
100-475
125-525
55-1 J
511-1
------
(%)
(MPa)
Tipo y número UNS ~-
Níquel 200 (recocido)
Fuelles, discvs de embrague, chavetas,
Duranlquel 301 (endurecido 4.4 Al, 0.6 Ti
Cojinetes, buje:.;, cngrarJt'.S, piñones, flechas, arandelas de empujt~. piezas de válvula Tuberfas de presión bidn.1ulicas, pernos, heffajc mari110, tubería eléctrica, tuhefía para inlcrcambiadores de calor Remaches, lornillos, sujetadores de presión,
huecas, p{aca:::. de identificación
i'rnducdó11 . El cobi'e se encuentra en varios tipos de minerales, siendo los más comunes los sulfuros. Lo~ minerales por lo general son de bqja riqueza (aunque algunos contienen hasta un 15% de cobre) y usualmente obtienen de minas a cielo abierto. El mineral primero se tritura y después se forma en un barro (una mezc\a
EL Y ALE/\CIOi'.IES DE
El níquel (Ni), un metal hlanco píalcado descubierto en 1751, es un elemento ale<111tc irnporta111(·. que imparle resistencia, tenacidad y resistencia a la corrosión. Es utilizado ampliamente en los aceros inoxidables y en las aleaciones base níquel (conocidas también como superaleaciones). Las aleaciones de níquel se utilizan en aplicaciones de alta temperatura, como componentes de motores a chorro, motores a reacción y plantas nucleares, en equipo para el manejo de alimentos y procesos químicos, en el acuñado de monedas y en apli-
caciones marinas. En vista que el níquel es magnético, también se LttíJizan las aleaciones de níquel en aplicaciones electromagnéticas como son solenoides. El uso principal del níquel como metal es en la electrodeposición de piezas por razones de apariencia y a fin de mejorar s1J resistencia a Ja corrosión y al desgaste. Las aleaciones de níquel tienen una elevada fortaleza y resistencia a la corrosión a temperaturas altas. Los elementos de aleación en el níquel son el cromo, el cobalto y el molibdeno. El comportamiento de las aleaciones de níquel en el maquinado, formado, fundido y soldado puede ser modificado mediante otros elementos de aleación. Se ha desarrollado una variedad de aleaciones de níquel con un rango de resistencia a diferentes temperaturas, (tabla 6.8). El monel es una aleación de níquel y cobre. El inconel es una aleación de níquel y cromo
N111guno
Resistencia a la cedencia (MPa) 100-275
Elongación en 50 mm (%)
1300
525
900
2JO
Monel R 405 (!aminado en cal ·ienLe,)
30Cu 29 Cu, J Al
1050
750
Monel K-500 (endurecido poc envejecimiento)
15CL8Fc
640
210
Incnnel 600 \recocido'¡
l6Cr. 15 Mo
785
400
Hastclloy C-4 (trarndo por solución y templado)
Aplicaciones típicas
60-40
Industrias química y de procesamiento de alí-
28
Resortes. equipo de extrnsión de pbsticos,
330-550
por envejccimienLo)
incntos, equipo acrospacial, pie·,rns elcctró11~cas
moldes para vidrio, diafragmas
35
Productos de máquinas roscadoras. piezas paro. medidores de agua
30
Fkchas de bomba, vásLagos de válvula. resorte~
48
Piezas de turbinas de gas, r:4uipo de w1tatnicnto lénnico, piezas electrónicas. reactores nucleaf'~c>
Sil
Estabilldacl a alta temperatura, resistencia al
agrietamienlo por esfuerzo~
-------·
con una resistencia a la tensión de hasta 1400 Mpa (200 ksi). Una aleación de níquel, molibdeno y cromo (hasieíloy) tiene una buena resistencia a la corrosión y resistencia alta a temperaturas elevadas. El nicromo, una aleación de níquel, cromo y hierro, tiene una elevada resistencia eléctrica y a Ja oxidación, utilizándose para elementos de calefacción eléctrica. El invar, tma aleación de hierro y níquel, tiene una sensibilidad relativamente baja a la temperatura ísecció11 3.6). Producción. Las fuentes principales ele níquel son minerales ele sulfuros y de óxidos, los cuales con-· tienen bajas concentraciones de níquel. El níquel metálico se produce mediante procesos preliminares S<édirnentarios y térrniccs, seguidos por cle.clrólisis; esta secuencia produce 99.95% de níquel puro. Aunque el ni.que:\ está también presente en cantidades en los lechos marinos, la minería submarina aún resulta económica.
6.6 SU f'.¡
C0111posición nominal
Extrusiones arquitectónicas, fachadas de tienda, umbrales, decoración. topes, bisagras
diafragmo.s, snjdadores, cepillo::. de ritambrc, herraje químico, maquimU"ia textil
4-.0 Zn, 4.0 Sn
(C5441JOJ
Aplicaciones típica_s_ _ __
-----------·
Resistencia tensil máxima
ES
Las superaleacim:ies son importantes en aplicacione'' de alta temperatura; ele ahí que también sean co11ocidas como aleaciones resistentes al calor o como de añta temperatura. Las aplicaciones principales de las superaleaciones se encuenlran en los motores a chorro y en las turbinas de gas: otras aplicaciones son motores reciprocantes, motores a reacción, en herramientas y dados para el trabajo en caliente ele los metales, y en las industrias nuclear, química y petroquímica. En general las superalcaciones tienen una buena resistencia a la corrosión a la fatiga mecánica y térmica. al impacto mecánico y térmico, a la fluencia y a la erosión a temperaturas elevadas. Esta·s aleaciones se conocen como superaleaciones base hierro, base cobalto o base níquel. Contienen níquel, cromo, cobalto y molibdeno como los principales elementos de aleación; otros elementos de aleación son el aluminio, el tungsteno y el titanio. En general las superaleaciones se identifican mediante nombres comerciales o mediante sistemas de numeración especial, y están disponibles en una diversidad de formas. La mayor parte de las superaleaciones tienen una temperatura máxima de servicio de aproximadamente l OOOºC (1800ºF) en aplicaciones estrncturales. En el caso de componentes no sujetos a carga las temperatura pueden ser tan altas como 1200ºC (2200ºF). a. Las superaleaciones base hierro generalmente contienen de 32 a 67% de hierro, de 15 a 22% de cromo y de 9 a 38% de níquel. Las aleaciones comunes de este grupo son Jos correspondientes a la serie fncnloy.
166
Capítulo 6 /Metales y aleaciones no ferrosas; pro~ucción, propiedades generales y aplicaciones
lAllU.A 6.9
Propiedades y aplicaciones seleccionadas a 870ºC (1
-i:§] ~ ;_,¡- "2 s c.
~
Estado
Aleación Astroloy
J-fast.elloy X lN-100
Elongación en 50 mm (%)
690
25
255
180
50
885
695
6
Fo.dado
770
Forjado
. Fundido
Aplicaciones típicas Pari.es de 16.mina parn motores a chorro
g5 ~ 1"2 ,g e 02 ~·o ~ l iiil ro,--_
!N-102
Forjado
2J5
200
J 10
Parte~.
Forjado
285
275
125
Motores y estructuras para aeronaves, equipo de proceso químico
lnconc! 718
Forjado
340
330
88
MAR-M200
Fundido
840
760
4
para sobrecatentador y motor a chorro
"';J;
k
g.iV ~-~ º .s ," 0- e~'---" I"'M
!.......
-E
"'m~ -~
~
ü
8
René 4!
Forjado
620
550
19
Piezas para motor a chorro
Udimet 70()
Fn(j;H..lo
690
635
27
Pieza::, para motor a chorrn
Vi/as pal o y
Frn:ja
5:25
5 ¡5
35
Piezas para motor a chorro.
c..
Rodajas de turbina fundidas intcgr:úmentc
Las superaleadones base coli:mlto generalmente contienen ele 35 a 65% de cobalto, de i 9 a 30% ele cromo y hasta un 35% de níquel. El cobalto (Co) es un metal color blanco que se parece al níquel. Esta:; superaleaciones no son tan resistentes como las superaieaciones base níquel. pero conservan su re-· sislencia a temperaturas más elevadas. L21s srnperaleaciones base níc¡ue! son las superaleaciones más comunes, estando disponibles en una am· plia variedad de composiciones (tabla 6.9). La proporción de níquel va desde 38 a 76%; también con· tienen hasta 27% de cromo y 20% de cobalto. Las aleaciones comunes de este grupo son las seriGS
Hastelloy. lnconel, Nimonic, René. Udimet, Astroloy y Wa,17Jaioy.
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El 1tit:mfo (Ti), bautizado en honor al gigante griego Titán, fue descubierto en 1791, pero no fue producido com· ercialmente sino hasta los afios 1950. Aunque es costoso. su elevada relación resistencia a peso y su resisten· cia a ia corrosión a ]as temperaturas ambiente y elevadas, lo hacen atractivo para muchas aplicaciones. Estas incluyen aeronaves. componentes ele motores a chorro (véase la fig. 6.1), autos de carrera, componentes para la industria química. petroquírnica, aplicaciones marinas, cascos de submarino y biomateriales como son los implantes ortopédicos (tabla 6.10). Se han clesarrollaclo las aleaciones de titanio para servicio a 550ºC (JOOOºF) durante largos periodos ele tiempo y hasta 750°C (l 400ºF) durante periodos más .breves. El titanio no aleado. conocido como titanio comercialmente puro, tiene una excelente resistencia a la cor· rosión para aplicaciones donde la consideración de resistencia es secundaria. Se agregan elementos de aleación como el aluminio, el vanadio. el molibdeno, el manganeso y otros a las aleaciones de titanio, a fin de impar· tir propiedades como son una mejor cap&cidacl de trabajado, una mayor resistencia y una mayor capacidad de endurecimiento. Las propiedades y las caracteristicas de manufactura de las aleaciones de titanio son extremadamente sensibles a pequeñas variaciones tanto en los elementos aleantes como en los residuales. Por lo tanto, es im· portante el control de la composición y del procesamiento, especialmente la prevención ele la contaminación superficial por hidrógeno. oxígeno o nitrógeno durante el procesamiento. Estos elementos causan la fragili· zación clel titanio reduciendo en consecuencia la tenacidad y la ductilidad.
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Alabe de motores a choirn
Fundido
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Piezas para rno(ores a chorro y a reacción
MAR-M432
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Incone! 625
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Forjas para alta temperatura
Alabe y ruedas de motor a chorro
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Resistencia a la cedencia (MPa)
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Resistencia tensil máxima (MPa)
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de superaleaciones en base de nfquel (todos son nombres comerciales)
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C1pilu!o 6 /Metales y a!eac1011es no ferrosas: producción, propiedades generales y aplicaciones
La estructura cúbica cenlrnda en el cuerpo del titanio (titanio beta, por encima de 880ºC (1600ºF)) es dúctil, en tanto que la estructura hexagonal compacta (titanio alfa) es algo frágil y mu y sensible a la corrosión por esfuerzo. Se pueden obtener toda una variedad de otras estructuras (alfa, casi-alfa. alfa-beta y beta) mediante aleaciones y tratamiento térmico, a fin de optimizar las propiedades para aplicaciones específicas. Entre los desarrollos recientes se encueutra el conocido como intermetálicos de ah1miniirnrn di.e titanio, TiA! y Ti3Al. Éstos tienen mayor rigide¿ y menor densidad que las aleaciones convencionales de titanio, y pueden soportar temperaturas m:ís elevadas. i>rnducdón. Los minerales que contienen titanio primero se reducen a carburo de titanio en un horno de arco, y después se convierten a cloruro de litanio en una atmósfera de cloro. Este compuesto es recluciclo
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1-\EFRACTARIOS Y St ¡e, ALEACIONES
Exisren cuatro metales refrad:mrios: el molibdeno, el niobio, el tungsteno y ci tantalio; se !laman refrw·fl¡, rios en razón a su elevado punto de fusión. Aunque estos elementos refractarios fueron dc:;cubicrtos aproximad.amente hace 200 años (y desde entonces han sido utilizados como importantes elementos de aleación en aceros y en superaleaciones), su uso como metales y aleaciones de ingeniería no se inició sino hasta aprox.imacfomente en la década de 1940. En un grado elevado que la .mayor parte de otros metales y aleaciones. estos metal.es mantienen su re~ sistencia a temperaturas elevadas. Son. por tanto, de gran importancia y uso en motores a reacción . turbinas gas y otras apticaciones aerospaciales, en las industrias electrónica, de energía nudear y qufrnic3, y como materiaks para herramientas y dados. El rango de temperatura para algunas de estas aplicaciones es del orden de l l.OOºC.·2200ºC donde la preocupación principai es la resistencia mecdnica y la oxidación.
Sección 6.9 /Berilio
169
6.8.2 Niobio (Columbio) El niobio (Nb, por o.iobio, en honor a Niobe, la hija del mítico rey griego Tántalo; también conocido como columbio, en razón a su mineral fuente, la columbita) posee buena ductilidad y formabilidad, teniendo una mayor resistencia a la oxidación que otros metales refractarios. Utilizando varios elementos de aleación, se pueden producir aleaciones de niobio con una resistencia moderada y buenas características de fabricación. Estas aleaciones se utilizan en cohetes y misiles así como en aplicaciones nucleares, químicas y de superconductores. El niobio, identificado por vez primera en 1801, también es uu elemento aleante en vaTias aleaciones y superaleaciones. Se procesa a partir de minerales por reducción y refinamiento y a partir de polvos median le la fusión y el vaciado en lingotes.
6.8.3 Tungsteno El tungsteno (W, por su nombre europeo, debido a su mineral fuente, la wolframita; en sueco, tung significa pesado y sten piedra) fue identificado por primera vez en 178 l; es el más abundante ele todos los metales refractarios. El tungsteno tiene el punto de fusión más elevado de todos los metales (3410ºC, 6J70ºF), y, como resultado, se caracteriza por una elevada resistencia a altas temperaturas. Por otra parte, tiene alta densidad, es frágil a temperaturas bajas y ofrece poca resistencia a la oxidación. El tungsteno y sus aleaciones se utilizan para aplicaciones que involucran temperaturas por encima de los l650ºC (3000ºF), como son los recubrimientos en la garganta de las toberas de los misiles y en la partes más calientes de los motores a chorro y a reacción, en los cortacircuitos, los electrodos ele soldadura y en los electrodos de las bujías. El alambre del filamentos en los bulbos (focos) de luz incandescente que son fabricados de tungsteno puro; se fabrican mediante metalurgia de polvos y técnicas de estirado de alambre. Debido a su elevada densidad, el tungsteno es utilizado como el material de los contrapesos en sistemas mecánicos, incluyendo los relojes automáticos. El tungsteno es un elemento importante en los aceros para hemunienta y dados (sección 5.7), impartiendo resistencia y dureza a temperaturas elevadas. El carburo de tungsteno, con el cobalto como aglL!linante para las partículas ele carburo, es uno de los materiales para herramientas y dados de mayor importancia (sección 21.5). El tungsteno es procesado a partir ele concentrados ele mineral mediante descomposición química y clt·spués es reducido. Posteriormente se le procesa n1cdiante técnicas de rrJetalurgia de polvos en una atmósfera de hidrógeno.
6.8.4 Tantalio El im1ifü!lcm1 (Mo ), un metal blanco plata, fue descubierto en el siglo xvm. Tiene un elevado punto de fusión, un elevado módulo de elasticidad, buena resistencia al chogLle térmico y una buena concluclividad eléctrica y térmica. El molibdeno es el metal refractario ele mayor uso. Entre las aplicaciones típicas del molibdeno se encuentran los cohetes de propulsantes sólidos, los motores a chorro, las estructuras en panal, los componenles electrónicos, los elementos calefactores y los troqueles o dados para Ja fundición a presión. Los principales elementos de aleación prn·a el molibdeno son el titanio y el zirconio. Es también por sí mismo un elemento de aleación importante. en aleaciones de fundición y forjadils de aceros y en aleaciones de iesistcncia térmica alta; imparte resistencia, tenacidad y resistencia a la corrosión. Una desvent¡tja importante de las aleaciones de molibdeno es su baja resistencia a la oxidación a temperaturas superiores a 500ºC (95üºF), lo que obliga al uso de recubrimientos protectores. Producción. La fuente principal de molibdeno es el mineral molibdenita (disulfuro de molibdeno, también mencionado en la sección 32.1 J (con referencia a lubricantes sólidos). El mineral primero es procesado y concentrado; posteriormente es reducido mediante reacción con el oxígeno y después con el hidrógeno. También se utilizan técnicas de la metalurgia de polvos para producir lingotes para su procesamiento posterior en varias configuraciones.
Identificado en 1802, el tantalio (Ta, en honor al mítico rey griego Tántalo) se caracteriza por un elevado punto ele fusión (3000"C, 5425ºF), buena ductilidad y buena resistencia a la corrosión. TieÍ1e. sin embargo, una elevada densidad y una resistencia pobre a los productos químicos a temperaturas por encima de los l 50ºC (300ºF). El tantalio también se utiliza como un elemento de aleación. El tantalio se utiliza mucho en capacitores electrolíticos y en varios componentes de las industrias eléctrica, electrónica y química; es también utilizado pasa aplicacion¡;s térmicas, como en hornos y en intercarnbiadores de calor resistentes a ácidos. Esta disponible una diversidad de aleaciones con base al tantalio; se presentan de muchas formas para uso en misiles y en aeronaves. El tantalio se procesa mediante técnicas similares a las utilizadas para el procesamiento del niobio.
6.9 BERILIO De color gris acero, el berilio (Be) tiene una elevada relación ele resistencia a peso. Se utiliza el berilio sin alear en las toberas de los cohetes, en las estructuras espaciales y de misiles, en los frenos de disco ele aeronaves y en instrumentos y espejos de precisión. Debido a su baja absorción de neutrones, se utiliza en aplicaciones nucleares y de rayos X.
,¡§}. I}
171]1
Capítulo 6 / MeL;iles y r.ileacíones no ferrosas: producción, propiedades
gen~:rale::. y aplic:Kiones Sección 6.12 /Metales preciosos
EJ berilio es también un elemento de aleación, y sus aleaciones de cobre y níquel se utilizan en aplicaciones que incluyen resortes (berilio y cobre), contactos eléctricos y herramientas libres de chispa eléctrica para su Ltso en arnbicmes explosivos como minas y la producción de polvos de metal (sección 172). El berilio y su óxido son tóxicos; no debe inhalarse el polvo y humos asociados.
6.rn ZiRCONIO El zircmnio (Zr) tiene apariencia plateada; tiene buena resistencia mecánica y ductilidad a temperaturas elevadas, así como una buena resistencia a la corrosión debido a una película de óxido <1dhcrente. El elemento es utilizado en componentes electrónicos. en aplicaciones como los reactores de energía nuclear se utiliza debido a su baja absorción de neutrones.
171
Otro uso del zinc es en aleaciones superplásticas, que tienen buenas características de formabiliclacl en virtud a su capacidad de sufrir grandes deformaciones sin fallar. Una hoja de grano muy fino de 78% ele Zn y 22% ele Al, es un ejemplo común de una aleacü'n superplástica de zinc que se puede formar mediante métodos utilizados para el formado de plásticos o de metales.
Producción. En la naturaleza se encuentran varios minerales que contienen zinc; el mineral fuente principal es el sulfuro ele zinc también conocido con blenda. El mineral primero es horneado al aire y se convierte en óxido ele zinc. Después se reduce a zinc ya sea electrolíticamente, lltilizando ácido sulfúrico o ca.. lentándolo en nn horno con carbón, lo que hace que se separe el zinc fundido.
6.11 .3 Estaño
6.1'1 ALEACIONES DE BAJO PUNTO DE FUSIÓN Las aleaciones de bajo punto de fusión se llaman así debido a sus puntos de fusión relativamente bajos (tabla 3.1 ). Los metales principales de esta categoría son el plomo, zinc, estaño y sus aleaciones.
6.11'1 El plomo (Pb, de la palabra Plumbum. la raíz de la palabra plomero) tiene propiedades de alta densidad, resistencia a la corrosión (en virtud a la capa estable ele óxido de plomo que se forma ea su superficie para su protección), blandura, b
el plomo es la gaiena (PbS). Se beneficia, se funde y se refina me-
6 lL2 Zinc El zinc (Zn), que es de color blanco azulado, es el cuarto metal de uso más frecuente en la industria, después del hierro, el aluminio y el cobre. Aunque era conocido durante siglos, no fue estudiado y desarrollado sino hasta el siglo XVIII. Tiene dos usos principales: Para el galvanizado del hierro, de la lám.ina de acero y del alambre; y como base de aleación para la fundición. En el galvanizado, el zinc sirve de ánodo y protege el acero (cátodo) de ataques corrosivos. en caso que el recubrimiento fuera rayado o perforado. El zinc también se utiliza como un elemento de aleación. El latón por ejemplo es una aleación de cobre y de zinc. Otro uso principal del zinc es estructural, pero el zinc puro rara vez es utilizado para este fin. Los elementos de aleación principales en las aleaciones en base al zinc son el aluminio, cobre y magnesio; imparten resistencia y proporcionan control dimensional durante la fundición y colada del metal. Las aleaciones base zinc se utilizan ampliamente en la fundición a presión (sección 1 l.12), para la manufactura de productos como bombas de combustible y parrillas de automóviles, componentes para aparatos domésticos como aspiradoras, favadoras y equipo de cocina, así como varias pa1tes de maquinaria y equipo de fotograbado.
Aunque se utiliza en pequeñas cantidades, el estaño (Sn, del latín "stannum") es un metal importante. El uso más importante del estaño, un metal blanco plateado y lustroso es como un recubrimiento protector en hojas de acero (hojalata) que se utiliza para la fabricación de recipientes (latas) para alimentos y para varios productos. La reducida resistencia al corte de los recubrimientos de estaño en la hoja de acero, mejora su desempeño en embutido profundo y en embutido en general. A diferencia de los aceros galvanizados. sin ernbarg<.l. si este recubrimiento es perforado, entonces es el acero el que se corroe, ya que el estaño es catódico en relación al acero. Se utiliza el estaño sin alear en aplicaciones como material ele recubrimiento para plantas de destilación de agua y como una capa fundida de metal sobre la cual se fabrica el vidrio en hoja. Las aleaciones en busc a estaño (también conocidas como metales blancos), por lo general contienen cobre, antimonio y plomo. Los elementos de aleación imparten dureza. resistencia mecánic
Prnducdón. El mineral ele estal1o más im¡iortante es la casiterita (óxido ele estaño). que es de una c~i liclacl baja. El mineral es extraído, concentrado utilizando varias técnicas. fundido, refinado y vaciado en lingotes para procesamiento posterior.
6.12 METALES PRECIOSOS El oro, la plata y el platino son los metales preciosos (esto es costosos) ele mayor importm1cia: también se cono .. cen como metales nobles. a. Oro (Au, del latín "aurum") es blando y dúctil, y tiene una buena resistencia a la corrosión a cualquier temperatura. Las aplicaciones típicas incluyen joyería, acuñado, reflectores, hoja de oro para fines decorativos, trabajos denta.les, electrodeposición y contactos y terminales eléctricas. h. Plata (Ag, del latín "argentum") es un metal dúctil, y tiene la conductividad eléctrica y ténnica más elevada de todos los metales (tabla 3.2). Desarrolla, sin embargo, una película de óxido que afecta sus características superficiales y su apariencia. Las aplicaciones típicas para la plata incluyen artículos de mesa, joyería, acuñado. electrodeposición, película fotográfica, contactos eléctricos, soldaduras, recubrimientos de cojinetes, equipo para alimentos y productos químicos. La plata Sterling es una aleación de plata y de 7.5% de cobre.
72
C~1pítulo 6 / Met;Jies
c.
y alevciones no
fc~rrosas:
PRatino (Pt) es un mela! blando. dúctil, blanco grisáceo quo tiene una buena resistencia a !a comisión incluso a lempornturns elevadas. Las aleaciones de platino se utilizan como contactos eléctricos, para los electrodos de las bujías y como catalítico er1 dispositivos de control de contaminación automotliz, en filamentos, toberas y en dados para ia extmsión de fibras de vidrio (sección 17. 10), en termopares, en la indusína eleclroquímica, como joyería y en usos dentales.
3
Resumen
producción, propiedades generales y aplicaciones
CON
DE
L:1s aleaciones rnn memoria de forma sot1 únicas en el hecho que, después de haber sido deformadas plásticamente en V<:lrias fon11as a Ja lemperatura arnbientc, retornan a sus formas originales al ser calentadas. Por ejemplo, un tramo de alambre recto fabricado de este material se puede enrollar en un resorte helicoidal. Cuando se 1c caliente con un fósforo, e! resorLc se estira y regresa a su forma recta original. Una aleación típica con memoria de forma es 55% de Ni y-45% de Ti; otras aleaciones de este tipo son cobre-aluminio-níquel, cobriozinc-aiumi nio, hierro-manganeso-silicio y níquel-titanio. Las aleaciones con memoria de forma generalmente tienen propiedades corno una buena ductilidad, buena resistencia a la corrosión y elevada conductividad eléctrica. Se pueden utilizar parn generar movimicn~ Lo y/o fuerza en accionadores sensibles a la temperatura. Su comportamiento también puede ser rcvo:~ihlc. esto es, Ja forma puede volver de manera repetida según se le apJjque o se le retire el calor. Por ejemplo, una vülvu!a anliqucmadura de níquel-titanio has-ido fr1.bricada para evitar que las personas ~)e quen1cn en lavamanos, íinas y regaderas. Se instala dircctarnente en el sistema de tubcrfas y detiene et flujo de agna a pr8cticaincu1e cero dentro de Jos siguientes 3 segundos después de que la ternpcrDtura del agua ha alcanzado ios 47ºC ( J l frlF). Otras aphcacione.s se encuentran en arrnazones para lentes, conecteres, abra·;;ader?.s y st~jeíadorcs, '-lSÍ como en ~ieHos fáclíes de insta1::1r.
son superiores a los materiales tradicionales disponibles comercialmente. Ei,tas características pueden incluir la resistencia mecánica, Ja dureza, la ductilidad, la resistencia al desgaste y a la corrosión adecuados para Jplicaciones estructurales (soporte de carga) y no estructurales, en combinación con propiedades eléctricas, magnéticas y ópticas únicas. La composiciót1 ele un nanomalerial puede ser cualquier combinación de elementos químicos; entre las composiciones de mayor importancia están los carburos, los óxidos, los nitruros, los metales y sus alea·· ciones, los polímeros orgánicos y varios materiales compositos. Los métodos de síntesis incluyen la condensación por gas inerte, la síntesis de plasma, la electrodeposíción, la síntesis sol-gel, y la aleación mecánica o ele molino de bolas. Los polvos sinterizados se consolidan en bloques y otras formas comerciales mediante varias lécnicas; una de ellas es la compactación y el sinterizado. Están disponibks en mia diversidad de formas y se identifican de muchas maneras, por ejemplo. materiales nanocristalinos, materiales rianoestructurados, materiak,; nanofase, nanopolvos, nanoalambres, nanotubos, nanopelículas. Dacio que las síntesis de estos productos se efectúa a nivel atómico, su pureza (del orden ele 99.9999%), su homogeneidad, y la uniformidad de su microestructurn se controlan de cerca; como resultado sus propiedades mecánicas físicas y químicas también pueden ser con1rolaclas con precisión. Entre las aplicaciones actuales y potenciales para los nanomaterialcs están las siguientes: H.
b, 1(,,
d. e.
f.
4
ES
(Vi
Una cJ;1sr: de a2eacioncs meráEcas que, a diferencia de !os 111etalcs no tiene una i..~síTuciurn crist;JJjna de !argo ,ilcrinct\ se conocen corno aneadones ;:.mr]!o:rfas. No Uenen fronteras de grano, y los átomos cst{in. empacndos mani.::ra aprd:adu y al azar. La 1;structur.a amorfa se obíuvo por prlrnera vez a ri nes de la década de I 960 )a t'Atrernadamcntc ráp¡,da so]jclifkaQ.-:lón de lr.; aJeacjón fundida (sección 1 ~ .16). Dado qul' su csr.rnc-p;1recc a la de los vidrios, estas aleaciones tmnbién se llaman vidir~os rne~áYk:os. deac\oncs amorfas típicarnente conti~nen h~erro, níquel y cromo, aleado con carbono, fósforo, aiurninio y silicio. Están disponibles en forma de almnbre cinta, t1ras y polvos. Una aplicac1ón es para los insertos de (;:i cara en los nwzos de g'Jlf~ c~Ja aleación tiene una composición de circonio, berilio. cobre, ütanio y níquel y se fabrica por fundición a presión. Estas aleaciones exhihen una excelente resistencia a la corrosión, buena ductilidad, alta resistencia y una púdida muy baja por histéresis magnética. Esta última propiedad se ubliza en Ja fabricación de los núcleos de acero magnético para transformadores, generadores, motores, balastrns de lámpara, amplificadores magnéticos y aceleradores lineales, proporcionando una eficiencia muy mejorada. Sin embargo, los costos de fabricación han sido muy significativos. Una aplicación importante para las superaleaciones de los polvos rápidamente solidificados es su consolidación en formas casi finales para piezas ele motores aerospacialcs.
herramielltas e insertos de corte fabricados de carburos y otras cerámicas nanocri.o,talinas (sección 21. l ¡ ); cerámicas nanofase dúctiles y maquinables (Secciones 8.2.5 y 20.9.3): polvos para procesamiento de metalurgia de polvos (sección 17.2.1;; "chips' de computadora de la siguiente generación utilizando n1ateriales de arranque nanoc1istalinos con una pureza muy elevada, una mejor conductividad térmica e interconexiones más duraderas; despliegues en pantalla plana para computadoras portátiles, fabricadas sintetizando füsforo nanocrista1
lino a fin de mejorar la resolución de la pantalla; electrodos para bujías, ignitores para cohetes, implantes médicos, sensores de alta sensibilidad, catalíti·· ces para la eliminación ele contaminantes, im
Los n1~1·alcs ~to ferrosos y sus aleaciones forman una ;:unplia garna de materiales. Pueden estar cor;1pue:){Os de ahinünio, rnagncsio y cobre y sus aleaciones, con una gran variedad de aplicacñones. Para servicio a temperaturas más elevadas, están c01npuestos de níquel, titanio y aleaciones refractarias (molibdeno, niobio, tungsteno, tantalio), así como de las superaleucioncs. Otras categorías no ferrosas incluyen a !as aleaciones ele bajo punto de fusión (plomo, zinc, estaño) y los metales
1
6.15 NANOMATERIALES Importantes desarrollos recientes incluyen la producción de materiales con granos, fibras, películas y compositos con partículas que son del orden de l-100 nm ele tamaño. Investigado por primera vez a principios de la década de 1980, y en general conocidos como nanomateriaies, tienen algunas propiedades que con frecuencia
173
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preciosos (oro, pl<1ta. platino). Las aleaciones no ferrosas tienen una amplia variedad de propiedades deseables como: resistencia. tenacidad, dureza y ductilidad, resistencia a temperaturas elevadas, a la lermofluencia y a la oxidación, así corno una gran gama de propiedades físicas, térmicas y químicas. Pueden ser tratadas térmicamente para impartirles ciertas propiedades deseadas. Entre sus propiedades atractivas están relaciones ele resistencia a peso y ele rigidez a peso elevadas, particularmente en el caso del alu-
minio y del titanio. " Corno en todos los materiales, la seiección de un material no ferroso para una aplicación específica, requiere tomar en consideración muchos factores, como los requisitos ele diseño y de servicio, los efectos a largo plazo, la afinidad química con otros materiales, el ataque ecológico y el costo. • Entre los desarrollos más recientes están las aleaciones con memoria ele forma, las aleaciones amorfas (vidrios metálicos) y los nanomateriales, todos ellos con algunas propiedades superiores a las de los materiales convencionales. Cada una de ellas tiene varias aplicaciones únicas en el diseño de productos y en la manufactura.
U'!Capítulo 6 / ,vlctaks y aleaciones no íermsas: procJuccion, propiedodes generales y aplicaciones Problemas cuantitativos
- - -DENClAS -----------------------"·---------------------. " El aluminio está compilielldo fuertemente para convertirse en un metal estructural de importancia, al reducir el peso y mejorar la resistencia a la corrosión de los automóviles. Se están desarrollando aleaciones de aluminio y litio (particularmente para componentes de aeronaves) que proporcionan una mayor rigidez y una densidad menor. " La pureza y la resistencia a Ja corrosión de las aleaciones de magnesio se está mejorando particulannente para aplicaciones automotrices y en computadoras.
175
6.6
¿Cuáles son las propiedades indiviuuales de cada uno de los metales refractarios principales que delinen sus aplicaciones más útiles?
6.7
¿Qué son los vidrios metálicos? ¿Por qué se utiliza la palabra "vidrios" para estos materiales?
6.8
¿Cuál es la composición de (a) los babbits, (b) el peltre, (c) la plata sterling?
6,9
¿Cuáles ele los materiales descritos en este capítulo tiene la más alta (a) densidad, (b) conductividad eléctrica. (c) conductividad térmica, (d) resistencia, (e) costo?
6JO ¿Cuiilcs son Jos usos principales del oro, a excepción de la joyería?
" Se está desarroHando titanio de elevada pureza para aplicaciones electrónicas y aerospaciales.
6.11 ¿Cuáles son las ventajas de usm el zinc como un recubrimiento del acero? 6,12 ¿Qué son los nanomateriales? ¿Por qué se están desarrollando?
<> Se est1ín desarrollando técnicas para la refinación de las superaleaciones, a fin de mejorar sus pro-
6.13
piedades mecánicas y üsicas y su resistencia a la corrosión. La meta es la producción de metales y aleaciones más limpios, utilizando varias técnicas de fundición.
¿Por qué se fabrican los recubrimientos de las aeronaves de aleaciones de aluminio. aún cuando el mag·· nesio es el metal más ligero?
~\,14
¿Cuáles son los usos principales del plomo?
"' peraturas Las aleaciones base níquel monocristalinas están encontrando aplicaciones importantes a temelevadas. " Están siendo desarrolladas snperaJeaciones que son compuestos intermetálicos de níquel, cromo, y aluminio para aplicaciones de alta temperatura en componentes críticos de turbinas molibdeno de gas.
PROBLEMAS CUALITATIVOS 6.15
Explique por qué los utensilios de cocina en general están hechos en aceros inoxidables, aluminio o cobre:.
6.16
¿Sería ventajoso el trazar los datos de Ja tabla 6.J en función de costo por peso unitario, en vez d(; cosw por volumen unitatio? Explique y dé algunos ejemplos.
6.17
Estudie la tabla 6.2 y comente sobre cuál de los dos procesos de endurecimiento (tratamiento ténrncn )' endurecimiel.ltO por tn.ibajo) es más efectivo para mejorar la resistencia de las aleado11cs de aluminio.
6,18
¿Aparte de la ¡esistencia mecánica, qué otros factores deben ser considerados en la selección de mctah,~s y aleaciones para apl icacioncs de alla temperatura?
AJcacione:~ amorfas
/dcJcíones con memoria de forma Aleaciones de bajo pUJJIO
De~:;ig11acit511 ck fc1npie
ternalional, i997.
Nanomateriaíc;.; Peltre
Pirometalwgi;1
Mcl.ales preciosos Metales refractarios
Bronce
.'~j)ecialiy lwndhook:
Fundición
Galvanizado Latc)n
hea1-resi.vtan.1 nuaerials. ASM In-
Superaleaciones Vidrios metálicos
Edelstcin, A. S., y R. C. Cammarata (editores;, Nunomarcriols: symhesis, pmpertie.s, and app!ications. Institute of Physics, 1998.
6.U9
Explique por qué desearía usted conocer la ductilidad de los metales y aleaciones antes de su selccci6n.
6.20
Explique las técnicas que usted utilizaría para aumentar la resistencia de las aleaciones de aluminio.
6.21
Suponga que, por razones geopolíticas, el precio del cobre se incrementa con rapidez. Nombre cio:-; ffietales con propiedades mecánicas y físicas similares que puedan reemplazar al cobre. Coment·c su seie:.:ción y sus observaciones.
6.22
Si aeronaves como el Boeing 757 están hechos
6.23
Las computadoras portátiles (de cuaderno) tienen la carcaza fabricada de magnesio. ¿Por qué?
6.24
La tabia 6.3 !isla las propiedades de manufactura de las aleaciones de aluminio en bruto. Cornparc características relativas con los de otros metales .
6.25
L::t mayor pm1e del a1arnbrado eiéctrko domésuco está fabricado con alambre de cobre. En contraste, el c:i~u11bre de tierra que va a las antenas parabólicas está hecho de aluminio. Explique la razón de lo anterior.
Fremond, M., y S. Miyazaki, Shape memoty al!oys. Springcr Verlag, J 996.
DE REPASO
PROBLEMAS CUANTITATIVOS 6.26
Una viga rectangular apoyada simpl.emente tiene 20 mm de ancho y 1 m de largo, y está sujeta a una carga vertical de 25 kg en su centro. Suponga que esta viga podría ser fabricada de cualquiera de los materiales que se listan en la tabla 6.1. Seleccione tres materiales diferentes y calcule para cada uno de dio' la altura de la viga que hace gue ésta tenga la misma deflexión máxima. Calcule la relación del costo para cada una de las tres vigas.
(,,27
Obtenga unas cuantas latas de refrescos de aluminio, córtelas y mida el espesor de la pared. Utilizando datos de este capítulo y fórmulas simples para recipientes a presión de pared delgada con fondo cerrado, calcule la presión interna máxima que pueden resistir estas Jatas antes de Ja cedencia.
6,28
Las latas de refrescos por lo general son apiladas una encima de la otra en las tiendas. Utilizando la información del problema 6.27 anterior, y consultando libros de texto sobre la mecánica de los sólidos. haga una estimación de la carga de deformación que puede resistir cada una de estas latas.
Id Dada la abundancia del aluminio en Ja corteza terrestre, explique porgué es más costoso que el acero.
se utiliza a menudo el magnesio corno un materia! estructural en las hetrnmientas eléctricas ele mano? ¿Por qué se uti1i7.an sus aleaciones en vez del magnesio puro?
6.2 ¿Por qué
6.3 bronce ¡,Cuálesrespectivamente? son los usos principales del cobre? ¿Cuáles son los elementos de aleaciones en el latón y en el 6.4 ¿Qué son las superaJeaciones? ¿Por qué se llaman así?
6.5 ¿Cuáles son las propiedades del titanio que lo hacen atractivo para uso en componentes de autos de carreras y motores a chorro? ¿Por qué no se utiliza el titanio de manera amplia para los componentes de motor de automóvil?
-17,¡; Capítulo 6 /Metales y aleociones no ferrosa;: producción, propiedades generales y aplíC2,ciones 6.29
Utilizando datos de resistencia y de densidad. determine el peso mínimo de un miembro tensor de dos pies ele largo que debe soportar 1000 libras. :ü es fabricado de (a) aluminio 3003-0. (b) aluminio 5052HJ4. (e) m¡¡gne.:;io AZJ !B-F. (d) cualquier aleación de latón y (e) cualquiernleación de bronce.
6.31)
Un motor de automóvil opera hasta 6000 rprn. Si la longitud de la carrera para un pistón es de 6 pulg. y el pistón estú fabricado de fundición de acero de 1Olb, estime el esfuerzo por inercia sobre la biela de ¡ pulg de cldmetro. Si el pistón es reemplazado por el mismo volumen de aleación ele aluminio, ¿cu{¡J sería fo velocidad para el mismo esfuerzo inducido por la inercia?
6.3!
Trace lo siguiente para los materiales descritos en este capítulo: (a) resistencia a la cedcncia en función de la densidad, (b) módulo de efostícidad en función de la resistencia y (c) módulo de elasticidad en función de! COBto relativo.
6.32
Debido a la cantidad ele procesos involucrados en su manufactura, el costo de las materias primas para los metales depende de su estado (laminado en frío o en caliente), forma (placa, hoja, barra, tubo). así como tamaño. Efectúe un estudio sobre la literatura y precios de lista disponibles, o bien, entre en contacto con los proveedores, y prepare una lista que indique el costo por J00 kg ele los maleriales no fem1sos descritos en este capítulo. en ous cliferentes estados. formas, y tamaños disponibles.
íi,33
Los materiales descritos en este capítulo tienen numerosas aplicaciones. Lleve a cabo un estudio de la li. tcratura disponible y prepare una lista de productos y aplicaciones especíile
6.34
Nombre los productos guc no se hubieran desarrollado a las avanzadas etapas actuales ,,i no se hubicr:.1n desarrollado aleaciones con aita resistencia, elevada resistencia a la corrosión y elevada resistencia a ia fluencia, todo ello a altas tcmperaturns.
6.35 Suponga que us1cd es el gerente de ventas técnicas de una empresa que proJucc metales no fon-osos. Escoja cualesc¡oicra de los metales y aleaciones descritos en este capítulo y prepare un folleto, incluyendo algunas ilustraciones. para uso por su personal como literatura de ventas en sus conlaclos con posibles clientes.
Polímeros: estructura, prc)piedades generales )1 aplicaciones introducción La estructu1·a de los poi írneros Termopiásticos Pl;ísticos termoestables Aditivos en los pListicos Propiedades generales y aplicaciones de los terrnoplásticos Propiedades generales y ar;: icaciones de los pléisticos termoestables f'lásticos
7.'I
7.2 7.3
7.4 7.5 7.6 7.7 7.8
íí.36
Inspeccione varios produclos y componentes de metal, y haga una cstimacióu calculada respecto a cu;i .. les son Jos matcriab que contienen. Dé razone.1 p:1ra su estimación. Si lisia dos o más posihilidacks, pllquc su línea de razonarnienLo.
7.9
{i,37
Nombre aplicaciones para fo) los :nd:iles amórfos, (h) lus melaie.s prcc:o.10.':. (e) ías akacioncs punto de fusión (d) )os nanomateriales.
7."i 1
(díl
Describa las ventajas de la fabricación de prodt1ctos con materiales multicapas capas: pur c.iemplo. el aluminio unido a la parte inrerior de las caccroias de acero inoxidable.
6.39
Describa o.plicacioncs y diseños que urilicen aleacicrnes c.:on memoria de fon na.
<1AO
La Era de Bronce ,\e llama así porque los metales más duros conocidos ento11ccs eran los [irnnccs: por tanlo se fabricaban en bronce las herramientas, las armas y las armaduras. fovesligue las fuentes gcográ/1cas de los metales necesarios para el bronce, e identifique las fuentes conucidas en la Era de Bronce (Nota: ¿explica esto el interés que tenían los griegos en las Islas Británicas?)
6.41
Las tapas de las latas ele refrescos de aluminio están hechas de aleación 5182. en tanto que los fondos se hacen de aleación 3004. Estudie las propiedades de estas aleaciones y explique por qué se utilizan en estas aplicaciones.
1.ia¡"
6A2 Obtenga especímenes de cobre puro, aluminio puro, así como aleaciones de cobre y de 1tluminio. Efectúe pruebas a la tensión sobre cada uno de ellos, trazando los diagramas de esfuerzo deformación, y evalúe los resultados.
Aunque la palabra "plásticos", que se utilizó por primera vez como sustantivo alrededor ele l 909. en:1plea de manera común como sinónimo de "polímeros", los plásticos son uno ele Jos numerosos materiales polimi5ricos y tienen moléculas extremadamente grandes (macromoli'c1.das). Los produc-· tos ele consumo e industriales fabricados ele polímeros, incluyen los recipientes para alimentos y bebidas, empaques, anuncios, artículos domésticos, textiles, material médico, espumas, pinturas. blindajes de seguridad, juguetes, aparatos domésticos, lentes, engranes, productos electrónicos y eléctricos. y carrocerías y partes automotrices. Debido a sus muchas propiedades únicas y diversas, Jos polímeros han venido reemplazando cada vez más a los componentes metálicos en aplicaciones para automóviles, aeronaves civiles y militares, artículos deportivos, juguetes, enseres y aparatos domésticos, y equipo de oficina. Este reemplazo refleja las ventajas que tienen Jos polímeros en función de las características siguientes: a. resistencia a la corrosión y a Jos productos químicos; b. baja conductividad eléctrica y térmica: c. baja clensiclacl; d. elevada relación resistencia a peso, particularmente cuando es reforzado; e. reducción de ruido;
U7
r-
¡f¿-
U!l
Capítulo 7 /Polímeros: estructura, propiedades generales y aplicaciom~s
Sección 7.2 /La estructura de los polímeros
179
f. amplia selección de colores y transparencias; g. facilidad de manufactura y posibilidades de discúos complejos; h. costo rela!ivamente bajo (véase la tabla 6.J);
Rdlcnos Plastilicantes Estabilizadores
Colorantes
i. otras que pueden o no ser deseables, dependiendo de la aplicación como resistencia y rigidez reducida (tabla 7. l ), elevado coeficiente de dilatación térmica, bajo rango de tempcr
Retardantcs de flama Lubricantes
ximadamente 350ºC (660ºF)). y menor estabilidad dimensional en servicio a través ele! tiempo.
1 1 1 1 1 1
Termoplástic:::is: acrílicos, ABS, nyl~ns, policarbonatos. polietilenos.
\
L
1
r· Mero 1 Calor presión ---, i m~ros ¡-~---~-~,-~ L---•
cloruros de polivínilo, etc.
~ Tamocstabks: po1iimidas, epóxicos, fenó!H.:os, etc
1
1
1
Polimerización:
Amorfo
condei:s_a;ión, ad1c1on
Parcialmente cristalino Lineal
1 1
Enlace
~ruzado
Elastómeros: hules naturales y
sintéticos, siliconas, poliure1anos. etc.
Ramifícado
Homopolímero
Copo limero Terpolímero FIGURA 7.1
Esquem
Ei desarrollo ele la tecnología de los plásticos modernos empezó en la década ele 1920, cuando se empezaron a extraer las materias primas necesarias para la fabricación de los polímeros del carbón y de los productos del petróleo. El etileno fue ei primer ejemplo de tal materia prima y se convi11ió en el bloque constructivo parn e.~ poiicti!eno. El etiieno es el producto de Ja reacción entre e.~ aceti!eno y e! hidrógeno; d acetileno es el prod1.1cto de la re.acción entre el coque y el metano. Los polímeros comerciales, incluyendo el polipropileno,
7.
de propiedades nwe<ínic:;.is para varios ambiente
a tenmer.11111·~
IV(c1tcrial
--------·-/\BS ABS. rcforL
Nylon Nylon, refor:c:ado Fenólico
Poli carbonato Polico.rbonato, reforzado Poliéster Poliéster, reforzado Polictilcno PoJipropileno
PoJipropileno. reforzado Poliestireno
Cloruro de polivinilo
de ingeniería Rciucióo
UTS 28-55 j(){)
55-70 J35 40-75 10-48 35--140 70-1400 7-48 55-83 70-210 28--70 55-70 l IO 55 l I0-160 7-40 21)-35 40-100 14-83 7-55
7.5 1.4-3.5
0.35 75-·25
10
1.4-3.5 0.4-l.4 3.5--17 21-52 0.7-2 !.4-2.8 2-10 2.8-21 2.5-3 6 2 8.3-12 0.1-1.4 0.7-l.2 3.5-6 1.4-4 0.014-4
50 s 100-5 10-1 4--2 300-IOO 200-60 10-1 2-0 125-10 6-4 300-5
0.35-0.40
7.2 LA ESTRUCTURA DE LOS POLÍMEROS 0.46-0.48 0.32-0.40
0.38 0.38
3-l
1000-15 500-JO 4-2 60-1 450-40
el cloruro de polivinilo (PVC), polimctilmetacrilato, el policarbonato y otros son todos ellos fabricados de una manera similar; estos materiales se conocen como polímeros orgánicos sintéticos. En la fig. 7.1 se ilustra un esquema del proceso básico de la fabricación ele varios polímeros sintéticos. En el polietileno, sólo estün involucrados átomos de carbono y ele hidrógeno, pero se pueden obtener otros compuestos de polímero incluyendo el cloro, flúor, azufre, silicio, nitrógeno y oxígeno. Como resultado se ha desarrollado una ganw extremadamente amplía ele polímeros, con una diversidad igualmente amplia de propiedades. Este capítulo describe la relación de la estructura de un polímero con sus propiedades y con su compor·· tamienlo, tarilo durante la manufactura como durante su vida ele servicio bajo varias condiciones físicas y an;bientales. En ia fig. 7. ! se da un iistado de los tema;; presentados. Este capítulo también describe las propiedade:0• y las aplicaciones ele ingeniería ele los plásticos, hules y elast6meros. Los plásticos reforzados se describen •on el capítulo 9 y los métodos de procesamiento para los plásticos y los plásticos reforzados aparecen en el capítulo 18.
0.46
0.35
Las propiedades de Jos polímeros dependen de manera importante de las estructuras de las moléculas poliméricas individuales, en lo que se refiere a su forma y tamaño, y en la manera en que están organizadas para formar una estructura. Las moléculas de los polímeros se caracterizan por su gran tamaño, una característica que las distingue de la mayor parte de otros compuestos químicos orgánicos. Los polímeros son moléculas de cadena larga (a veces conocidas como macromoléculas o moléculas gigantes) que se forman por polimerización, esto es, por el enlace y enlace cruzado de diferentes monómeros. Un monómero es el bloque constructivo básico de un polímero. La palabra mero, ele! griego meros, que significa parte, indica la unidad repetitiva más pequeña; su uso es similar al del término "celda unitaria" en relación con las estructuras cristalinas de los metales (capítulo 1). El término polímero significa "muchos meros" (o unidades) com¡j.nmente repetidos cientos o miles de veces en una estructura en cadena. La mayor parte de los monómeros son materiales orgánicos en los cuales los átomos de carbono están unidos por uniones covalentes (compartiendo electrones) con otros átomos co-
-
~11'.
rno
C:ipíiulo 7 /Polímeros: estructura, propiedades generales y aplicaciones Sección 7.2 /La estructura ele los polímeros (a) H
H
i
1
e
C;dor. presión
i
Catálisis
JI
H
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C
1
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H
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H
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PoJipropileno
PoJipropilcno
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H H )
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Cl
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H H 1
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Unidad de repetición de po!imero
H 11
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Cl
Cloruro de polivinilo (PVC) /1
F! 1
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·-C
1
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Policslirc::no
C<)Hs
FJ
FJ
Fl 1
('.
1
H
flGUIZA 7.2 una cildena
Peso molecular. La suma ele los pesos moleculares ele Jos meros en una cadena representativa se conoce como el peso molecular ele! polímero. Mientras más elevado sea el peso molecular ele un polímero dado. mayor será la longitud promedio de la cadena. La mayor parte ele los polímeros comerciales tienen un peso molecular entre l 0,000 y J0,000,000. Dado que la polimerización es un evento aleatorio, las cadenas de polímero producidas no son todas ele la misma longitud, pero las longitudes ele cadena producidas se present;m en una curva ele distribuciót1 tradicional. Mediante el promedio determinamos y expresamos d peso molecular promedio ele un polímero en una base estadística. La dispersión de los pesos moleculares de las cadenas se conoce como distribución de! peso molecn·· lar (MWD, por sus siglas en inglés). El peso molecular de un polímero y su MWD tienen grao influencia sobre sus propiedades. Por ejemplo. la resistencia a la tensión y al impacto, la resistencia al agrietamiento, y la viscosidad (en estado ele fusión) de un polímero, se incrementan al aumentar el peso molecular (fig. 7.3a).
H
C·
\
FI
merización por condensación. En esta reacción se agrega Lm iniciador para abrir la doble unión entre dos átomos ele carbono; éste inicia el proceso de unión al agregar muchos más monómeros a una cadena en crecimiento. Por ejemplo, los monómeros ele etileno (fig. 7.2a), se unen para producir el polímero polictileno (fig. 7.2b); otros ejemplos ele polímeros formados por adición se muestran en Ja Figura 7.2c.
Mero
Monómcro
H
181
(b)
FI
Politelrnfluon)etilcno (PTPE) (teflón)
Estruuura básica de las moléculas de los polímeros: (a) Molecula de etiieno: (b) Polietileno, lineal de muchds molé>culas de etileno; (e) Estructum rnoleculiir de varios polímeros. [slos c-on
ejeniplo.s de los bloques cons1 rnctivos bJsicos pJ.ra ios plásticos.
mo el hidrógeno, oxígeno, r1itrógeoo, flúor, doro, silicio y ;¡zufre. Una molécuJ.a de ctileno (fig. "/.2c;) es un .,,_¡cmplo de un monómero simple formado por átomos de carbono e l1idrógeno.
Grado de polimerización. En algunos casos, resulta más conveniente expresar el tamaño ele una cadena de polímero en función del grndo de polimerización (DP, por sus siglas en inglés: Der;ree of Polymerization), definido como la relación del peso molecular ele! polímero al peso mokcular de la unidad repetitiva. Por ejemplo, el cloruro de polivinilo (PVC), tiene un peso ele mero ele 62.5, por lo que el DP de un PVC con un peso molecular ele 50,000 es 50,000/62.5 = 800. En términos de procesamientos ele polímero (capítulo 18). mientras más elevado sea el Df~ mayor será la viscosidad del polímero, es decir, su resistencia a fluir (fig. 7.3); una elevada viscosicbd afecta de manera adversa ia facilidad de Cormación y por tanto eleva el costo general del proceso. i:lilares. Durante la poiimerización, los polímeros se unen mediante enlaces cova!entes. formando una cadena de polímero. Debido a su resistencia, las uniones covalentes también se conocell como uniones primoel"ias. Las cadenas de polímero están por su parte enlazadas entre sí mediante 1mi;mes o enlaces secundarios, como k1s enlaces van der Waals. los enlaces de hidrógeno y las uniones ióoicas. Los enlaces secundarios :ion 1m\s débiles que Jos primarios en uno o dos órdenes ele magnitud. En un polímero dado. el incremento en ne· sistencia y viscosidad relacionado con el peso inolccu1ar, proviene en parte del hecho que rnientras rnás h2rg~1 ¡-~---.-·~----
7.2."i
i
Poli meros
. .J 1
comerciak:s
1..,."
i
1
1
Los monómeros se pueden enlazar en polímeros en unidades repetitivas, para formar moJt'cuJas más largas y más grandes, mediante un proceso químico llamado reacción de polimerización, Los procesos de polimeri· zación son complejos, aquí sólo se describirán brevemente. Aunque existen muchas variantes, son básicos dos procesos de polimerización: por condensación y por adición. En la polimerización por condensación, se producen los polímeros debido a la formación de uniones entre dos tipos de meros en reacción. Una característica de esta reacción es que los subproductos de Ja misma como el agua se extraen por condensación (de ahí el nombre). El proceso también se conoce como polimerización por crecimiento en etapas o por reacción en etapas, porque la molécula de polímero crece, etapa por etapa hasta que se consume todo el reactivo. En la polimerización por adición, también conocida como polimerizaciórn por crecimiento de cadena o polimerización por reacción en cadena, la unión ocurre sin subproductos de la reacción. Se conoce como "reacción en cadena" debido a la alta velocidad a la cual se forman de manera simultánea las moléculas larga5, por lo general en cuestión de pocos segundos. Esta velocidad es mucho más elevada que la de la poli·
1
1
: Resi:.;tencia a la : t~nsión y al imp_a_c-+lb-+---
-g ¡¡ ·o..
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1 1 1
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Viscosidadl 1 1 1
l0,000
I0,000,000
Peso molecular, grado de polimerización
Efecto del peso molecular y del grado de polimerización sobre la resistencia y viscosidad de los polímeros.
FIGURA 7.3
r 182 Capitulo 7 /Polímeros: estructura,
propiedade~ generales y aplicaciones Sección 7.2 /La estructura de !os polímeros
{a) Lineal
(a)
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rn: ;.{.i: (d:::=<
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i ~T / / """\'""'""
flGURA 7.4 Ilustración esquemática de cadenas de polímero. (a) fstructura lineal, los termoplásticos como los acrílicos, nilones, polietileno y cloruro de polivinilo tienen estructuras lineales. (b) Estructura ramificada, como en el polietileno. (c) Estructura de enlace o entrelazada, muchos hules y elastómeros tiene esta estructura, y la vulcanización del hule produce esta estructura. (d) Estnl(tura reticular que básicamente altamente enlrebzada, ejemplo son los plásticos termocstables como los epoxis y los fenólicos.
Aumento en
-; --!-
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"Z,l. º'-"'
Ahulaao
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Aumento en
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(b)
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Viscoso
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1
T.,,
T. Temperatura
Tt:mperat11ra
flGURA 7.5 C:omportan1icnto ele los polímeros como una función de la temperatura y (a) del grado de crista!inidad y (bJ del grado de enlaces cruzados. El comportamiento combinado elástico y viscoso de los polírneros se conoce con10 viscoelastícida.d.
sea ia cadena del polímero, mayor será la energía nccesmü para vencer la rnsisleucia combinada de las unio-
nes secunda1'ias. los polímeros de etileno con DP de !, 6, 35, 140 y i 351) a ia temperatura ambi.en!.c están respectivamente en forma de gas, líquido, grusa, cera y plástico duro_
nólicos y las siliconas. El enlace cruzado tiene una importante influencia en las propiedades del polímero (por lo general impartiendo dureza, resistencia. rigidez, fragilidad y una mejor estabilidad dimensional; véase !a fig. 7.5), así como en la vulcanización del hule.
Polimen:;¡s lineales. Los polímeros tipo cadena gue aparecen en Ja fig. 7.2 se ilaman polímeros lfoea!lcs debido a su estructura secuencial (fig_ 7.4a)_ Una molécula lineal no necesariamente es de forma recta, Adem6s de las mostradas, otros polímeros lineales son las poliamidas (nylon 6,6) y eJ fluoruro de poiivinilo. En general un polímero estü formado de más de un tipo de estmuura: un polímero lineal puede comencr algunas cadenas ramificadas y '11gunas emrebzadas. Como resultado de esu1s rarniticacionc·; y den modificarse las propiedades dci polfrnero.
Polímeros en red. Estos están formados ele redes espaciales (tridimensionales) con tres o más enlaces covalentes activos (fig_ 7.4d). Un polímero muy entrelazado también se considera como un polímero en reci. Los poi (meros termoplásticos que ya han siclo fo1 mados pueden entrelazarse, a fin de obtener mayor resistencia, some6éndolos a ufra rad]ación de alta energía, corno luz ultravioleta, o haz de electrones, aunque una r2diación excesiva puede causar degradación clel polímero.
pue-
iP
l'olimeros ele enlace cruzado o entrelazados. Generalmente de estructura tridimensional, los polímeros entrelazados tienen cadenas adyacentes unidas por enlaces covalentes (fig. 7.4c)_ Los polímeros con una estructura de cadenas entrelazadas se conocen como termoestables; ejemplos son los epóxicos, los fo-
Copo!ímerns y terpolimerns. Si las unidades de repetición en un polímero son todas de un mismo po, la molécula se conoce como un lmmopolímero. Sin embargo, igual que en caso de aleaciones de metal en solución sólida (sección 4.2. J), se pueden combinar clos o tres diferentes tipos ele monómeros para imp
7.2.2 Cristalínidad Los polímeros como el polimetilmetacrilato, el policarbonato y el poliestireno en general son amorfos; esto es, existen cadenas de polímero sin un orden a largo rango (véase también aleaciones amorfas, sección 6_ 14)La organización amorfa de las cadenas ele polímero a menudo quedan descritas como un plato de espagueti o como gusanos en una cubeta, tocios entrelazados entre sL En algunos polímeros, sin embargo, es posible impartir algo de cristalinidad, y por tanto modificar sus características. Este arreglo se puede fomentar ya sea durante la síntesis del polímero o mediante deformación durante su procesamiento subsecuente.
....... Capitulo 7 / Polirneros: estrucluro, propiecfacles ¡:r'nerab y aplicaciones
] 1!4
Sección 7 .2 /La estructura de !os polímeros
-----·
Región amorfa
FIGURA 7.6
Regiór1
crlstnlina
Regiones amo1fas
y cristalinas en un polímero. la región cristalina (crista/it¿::¡ l tiene una organización ordenada de
las moléculas. Mientras rn;j~ elevada sea la cristzdi11idad, mr.\s duro y rígido, así como rnenos dúctil, será el polímero.
Las regiones cristalinas en Jos polímeros se llaman cristafüas (fig. 7.6). Estos cristales se forman al colocarse las moléculas largas de forma ordenada, similarmente a la fi:Jrma que se dobla una manguera de incendio en su vitrina o el papel facial en su caja. Podemos considerar un polfrnero parcialmemc cristalino como un material ele dos fases~ siendo una Jise cristaJirw y la otra amorfo. Contrn!ando !a velocidad de solidificación durnnte el enfriamiento y la estructura de h; cadenas, c., po:,iblc impanir diferenic.'' grndos rlc cristafüiidarl a los polímeros, aunque nunrn al !IJO%. Los rango;: de crisUdi11iclad van desde un cristal casi completo (hasta 95% volumétrico en el caso dcJ poiielileoo) a polímems ligeramente cristaíizarios pero en su mayor parte amorfos. El grado ele crislalínidad también se ve afectado por la ramificación. Un po!fmcrn lineal puede comeriirsc en altarncnl.c cristalino. Un polímero muy ramificado no puede; puede desarroliar algún bajo nivel de crisiaiinidad, pero nunca podrJ alcanzar u11 dev11do comer1ido cristalino, ya guc lils ramificaciones interfieren con !a alineación de las cadenas en un arreglo cristalino regu!ar.
,Hecfos de la crisfa!foud;uL '-'"·' prop1crtades rnecúnicas y/focas de los polímems est()n muy inl.1ucn-ciados por grado de cristalinidaci. Conforme se incrcmentJ. lm, polímeros 'iC hacen más rígidos, más duros, rncnos dúctiles, nü; densos, menos semejantes ;-ll huJe y rn:is n.:sió;tentes a los solvcmes y al calor (!Jg. 7.5). incrcmew.o en densidad con ia rnayor cristalinidad se conoce como es c;ws;:do por un c:mpac:m1icnlo rnüs eficiente de las moléculas en ia red cristalina.
rn
Por ejemplo. el elevado grndo de cristaiinidad de! polietileno. conocido iHDJi''E, por sus siglas en ingiés: High
185
co1110
polietileno de alla dcnsi-
tiene una gravecfocl especíilca del rango des-
de 0.94! hasta 0.970 (80 a 95% cristalina); es más resistente. más rígido, más l
7.2.3 Temperatura de transición de vítrea Los polímeros amorfos no tienen un punto de fusión específico, pero sufren un cambio claro en su comportamiento mecánico en un rango de temperatura angosto. A temperaturas bajas, son duros, rígidos, frágiles y vidriosos; a temperaturas elevadas, son semejantes al hule o correosos, La temperatura a la cual ocurre la transición se llama la temperatura de transición vítrea (T,); también se conoce como el punto vítreo o la tem-
Polímeros amorfos
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FIGURA 7.7
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Volumen específico
de los polímeros como una función ele la temperatura. Los polímeros amorfos como el acrílico y el policarbonato, tienen una tE'mperatura de transición vítrea, Tg, pero no tiene un punto de fusión específico, 1;,,. Los polímeros parcialmente cristalinos, como el polietileno y los nylons, se contraen de manera importante al pasar a
tro.vés de sus temperaturas de fusión duranle e! enfriamiento.
Temperatura
peraturn de vítrea. Ei término "vítreo" se utiliza en esta descripción porque los vidrios, que son sólidos amorfos, se ·comportan igual; recuerde los vidrios metálicos, en la sección 6.14. A pesar que la mc;yor parte ele los polímeros amorfos tienen este comportamiento. existen algunas excepciones, como el policarbonalo que no es ni rígido ni frágil por debajo de su temperatura de transición vítrea. El p•)licarbonal.o es tenaz a la temperatura ambiente y por tanto se utiliza para los cascos de seguridad y para blindajes. Para determinar medimos el voiumen específico del polímero y lo trazmnos en función de la tempc-ralurn, buscando un brusco en la pcn(Eenle ele la curva (fig. 7.7). En el caso de los polímeros fue1temc~nte entrelazados, la pendierite ele la curva cambia de manera gradual cerca deTg, por lo que resulta difícil determim1r T, para estos polímeros. La temperatura de transición üe vidrio varía seglÍn los diferentes polímeros (tabla 7.2). Por ejemplo, b. temperatura ambiente queda por encima de T,, para algunos polímeros, y por debajo para otros. A diforenc!;1 de los polímeros amorfos, los polímeros parcialmente cristalinos tienen un punto de fusión claro, T"' (fig. 7.7: véase también la tabla 7.2). En razón de Jos cambios estructurales (cambios de primer orden) que están ocurriendo, el volumen específico del polímero se reduce de repente al disminuir su temperatura.
Temperaturas de transición vítrea y de fusión de algunos polímeros -------'----· Material Tg (ºC) T,,. (ºC) TABLA 7.2
Nylon 6,6 Policarbonato Poliéster
57 J 50
73
265 265 265
Polietileno
Alta densidad Baja densidad Polimetiimetacrilato Polipropileno
Poliestireno Politetrafluoroetileno
Cloruro de polivinilo Hule
-90 -110 105 -14 100 -90 87 -73
l37 115 176 239 327 712
• ~ 86
C:apilulo 7 /Polímeros: estructura, propiedades generales y aplicaciones
7,2.4 Mezclas
Sección 7 .3 / Termop!ásticos
polímeros
187
El comportamiento frágil de los polímeros amorfos por debajo de su temperatura de transición vítrea, se de reducir mezclándolos, por lo general, con pequeñas cantidades de un eiastómern. Estas minúsculas tícu las se dispersan en todo el polímero amorfo, aumentando su tenacidad y resistencia al impacto al su resistencia a la propagación de grietas. Estas mezclas de polímeros se conocen como polímeros cados con lmk o
~
Tendencias más recientes en la mezcla involucran V
~
"'
[v-º --·
7.3 TERMOPLÁSTICOS
FIGIJRA 7.8 Terminología general para describir el comporlarniento de tres tipos de plásticos. [J PTFE (politetraíluoroetileno) tiene como nombre comercial Teflón. Fuente: R. L. E.
Blando y í'Jcxiblc (polietilcno. PTFE)
Brown.
Deformación
Observamos anteriormeme que dentro de cada molécula las uniones entre moléculas adyacentes de cadena larga (enlaces secundarios) son mucho más débiles que los enlaces covalentes entre los meros (enlaces prirna. rios). Es la resistencia de Jos enlaces secundarios lo que determina la resistencia general del polímero; Jos polímeros lineales y ramificados tienen enlaces secundarios débiles.
Para ciertos polímeros, conforme se eleva la temperatura por encima de la temperatura de transición vítrea T" o del punto de fusión T,,,, encontrarnos que resulta rnás fácil formarlos o moldearlos a las formas dcscaLa mayor temperatura debilita los enlaces secundarios (a través ele la vibración térmica ele las m0Jéc1.1las !at:gas), y las cadenas adyacentes se pueden entonces mover con mayor facilidad cuando se les sujeta a fuerzas ele formado. Si enfriamos entonces el polímero. regresa a su dureza y resistencia 01iginal; en Nras palabras. el proceso es reversible. Los polímeros que exhiben este comportamiento se conocen como tc1'moplásticos, siendo ejemplos típicos los acrílicos, ceJulósicos. nylons. polietilenos y el cloruro de polivinilo.
d~t5.
¡~,s
El comportamiento de Jos termoplásticos depende también de otras variabíes, como por ejemplo. su estructura y su composición. Entre los de mayor importancia están la temperatura y la velocidad de deformación. Por debajo ele la temperatura de 1ransición vítrea, la rnayor parte de los polímeros son vítreos (frágiles) se compor1,1n corno un sólido eliístico, esto es, es lineal la reiación entre esfuerzo y deformación (vc::,se la !Jg. 2.2). ejemplo, vítreo porPor debajo de el polimetilmetacriiato (PMMA) es vítreo por debajo de su T el poíic:rrbonmc no es El comportamiento vítreo puede ser representado por un resorte cuya rigidez es ec¡uivaknle al módulo de elasticiclacl del polímero. Ct>ando se incrementa el esfuerzo aplicado, finalmente el polímero se fractura, lo mismo que le ocurre a un trozo de vidrio a temperatura ambiente. Los ph\sticos al igual que lo.s metales, sufren fenómenos ele fatiga y escurrimicuto plás!ico o termofluencia. En la fig. 7.:1 se muestran curvas típicas ele esfuerzo-deformación para algunos termop!ásticos y termoestables a temperatura ambiente. Obsérvese que estos plásticos exhiben comportamientos diferentes, qt1e podemos describir como rígidos, blandos. flexibles. frágiles y así sucesivan1ente_ Las propiedades mecánicas de varios polímeros listados en la tabla 7.1 indican que los tcrmopl<ísticos son en aproximadamente dos órdenes de magnitud menos rígidos que los metales. Su resistencia tensi.l máxima es aproximadamente de un orden de magnitud inferior a la de los metales (véase la tabla 2.1 ). !Efectos de la temperatura. Si elevamos Ja temperatura de un polímero termoplástico por encima de su primero se hace correoso, y después, con mayor temperatura, similar al hule (fig. 7.5). Finalmente a temperaturas más elevadas (por ejemplo. por encima de Tm para termoplásticos cristalinos), se convierte en un.fluido viscoso; su viscosidad se reduce al incrementarse la temperatura. A temperaturas aún más elevadas, la respuesta de un tennoplástico puede semejarse a la del helado. Se puede ablandar. moldear en formas, volver a congelar, volver a ablandar y remoldear varias veces. En la práctica, sin embargo, un calent
T~,
El efecto típico de Ja temperatura en la resistencia y en el módulo elástico de los termoplásticos es similar a Ja de los metales: a mayor temperatura, la resistencia y el módulo ele elasticidad se reducen incrementándose la tenacidad (fig. 7.9). El efecto ele la temperatura sobre la resistencia al impacto aparece en la fig. 7.1 O. Nótese Ja gran diferencia en los comportamientos al impacto de vaxios polímeros. Efecto de la velocidad de deformadón. El comportamiento de los tcnnoplásücos es similar a ia sensibilidad a la velocidad ele deformación de los metales. indicada por ei exponente a la velocidad ele defo,.. mación /11 en la ecuación.(2.9). En general, los termoplásticos tienen valores 111 elevados, lo que indica que ptl<> den sufrir grandes deformaciones uniformes a tensión antes ele la fractura (fig. 7.1 J). Observe la forma en que (a diferencia de los metales ordinarios), la región del cuello se ahU"ga de manera considerable. Podemos demostrar fácilmente este fenómeno estirando un trozo del sujetador p'lástico utilizado para los paquetes ele seis latas ele bebidas. Obsérvese la secuencia ele formación de un cuello y el comportamien u:; de estiramic;nto qLLe se muestra en la fig. 7.11 a. Esta característica, que es igual en los metales superplás!icos. permite el termo formado de los tcrmoplásticos en formas tan complejas como charolas de metal. anuncio& lu·· minosos y botellas para bebidas carbonatadas.
Orie11tadó11, Cuando se deforman los lermoplásticos. digamos por estiramiento. las moléculas de c~¡ dena larga 6enden a alinearse en la dirección general de la elongación. Este proceso se conoce como oraen~~l- ción y al igual que en los metales, el polímero se convierte en anisotrópico (véase también la sección J .5). '.ol espécimen se hace más fuerte y mús rígido en la dirección alargada (estirada) en comparación con la direccicín transversal. El estiramiento es una técnica importante para mejorar la resistencia y la tenacidad ele los polírnc·· ros. La orientación, sin embargo, debilita al polímero en su dirección transversal. Cuarteaduras. Algunos termoplásticos (como el poliestireno y el polimetilrnelacrilato), al ser sometidos a esfuerzos a la tensión o la flexión desanollan regiones angostas de material muy deformado, localizadas en for-
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FIGURA 7,9 Efecto de la temperatura sobre la curva esfuerzo deformación del acetato de celulosa, un termoplástico. Note la gran reducción en la resistencia y el gran incremento en
ductilidad correspondientes a un incremento en la temperatura relativamente pequeño. Fuente: Según T. S. Carswelly H. K. Nason.
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C:ipítu!o 7 / l-'olírne1·os: estructurJ, ¡xop1ed;ides generales y aplicaciones
Sección 7 .3 / Termoplásticos
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HGURA 7.HJ Efecto de la temperatura sob1·c la 1·esistencia al impacto de varios plásticos. P<"JU<-,ños cambios en la temp(~ralura pueden tener un efecto significativo sobre la resistencia al impacto. Fuente:
Poweli.
flGURA 7.11"1
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densidJd, mostrando una elongación uniforme (fa región larga y angosi"o
espécimen).
ma de cuña, Lm fenómeno que se conoce como cuarteaclurns. Aunque podrían parecer como grietas, las cuarteaduras son un material esponjoso, conteniendo comúnmente casi 50% ele huecos. Al incrementarse la carga a la tensión sobre el espécimen, estos huecos se unen para formar una grieta, que finalmente conduce a la fractura del polímero, Las cuaiteaduras han siclo observadas tanto en los polímeros vítreos transparentes como en otros tipos. El entorno (particularmente la presencia de solventes, lubricantes o vapor de agua) pueden aumentar la formación de cuarteaduras (agrietamiemo por esfuerzo ambiental y cuarteadurus por solvente). Los esfuerzos residuales en el material contribuyen a las cuarteacluras y al agrietamiento del polímero. La radiación especialmente la ultravioleta puede incrementar la tendencia a formar cuarteaduras en ciertos polímeros. Un fenómeno relacionado es la blanqueadura por esfuerzo. Cuando está sometido a esfnerzos a tensión, como los causados por el doblado o la flexión, el plástico se hace de un color más claro. Este fenómeno por lo general se a1ribuyc a la formación de microhuecos en el material. Como resultado, el material se hace menos translúcido (transmite menos luz) o más opaco. Usted puede fácilmente demostrar eslto resultado flexionando los componentes de plástico que comúnmente se encuentran en las tiras ele las carpetas de colores para cubiertas, productos domésticos y juguetes. Absorción de agua. Una característica importante de algunos polímeros, como los nylons, es su capacidad de absorber agua. El agua actúa como un agente plastificante (sección 7.5); esto es que hace que el polímero sea más plástico. En cierto sentido. lubrica las cadenas en la región amorfa. Al aumentar la absorción de humedad, típicamente se reducen de manera severa la temperatura ele transición vítrea, el esfuerzo a la ceclenci.a y el módulo elástico del polímero. También ocurren cambios dimensionales debidos a, la absorción del agua, especialmente en un entorno húmedo. i'ropiedades térmicas y eléctricas, En comparación con los metales, los plásticos se caracterizan por lo general por tener una conductividad térmica y eléctrica bajas, una reducida gravedad específica (que va de 0.90 a 2.2), y un elevado coeficiente de dilatación térmica (de un orden de magnitud superior). (Véanse la ta-
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Termofluencia y relajación de esfuerzos. Debido a su comportamiento viscoeláslico, los tennoplásticos son particularmente susceptibles al escurrimiento plástico y a la relajación de esfuerzos, ele una manera más importante que los metales (sección 2.8). El alcance de estos fenómenos depende del polímero, del nivel de esfuerzo, de la temperatura y del tiempo. Los tennoplásticos presentan "termofluencia" y relajación de esfuerzos a temperatura ambiente; Ja mayor parte de los metales lo hacen sólo a temperaturas elevadas.
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Dado que la mayor parte de Jos polímeros tienen una baja conductividad eléctrica, pueden ser utiliza-dos como aishmtes y como material de empaque para componentes electrónicos. La conductividad e!éctiica de algunos polímeros puede incrementarse mediante el dopado (inclusión en el polímero de impurezas, como polvo metálico, sales y yoduros), Los polímeros eléctricamente conductores, descubiertos a fines de ln década de l 970, induyen el poliacetileno, la polianili ria, el polipirro lo y el politiofeno. La concluctividacl eléc trica de los polímeros aumenta con Ja absorción de humedad; sus propiedades electrónicas también pueden ser modificadas por irrncliación. Las aplicaciones para los polímeros conductores incluye a los aclbesivos, los dispositivos microelectrónicos, las haterías recargables, los capacitores, los catalíticos., las celdas de energía, los sensores ele nivel de combustible, los paneles eliminadores ele hielo, los discos de radar, los recubrimientos anliestáticos y los motores de accionamiento térmico (para aplicaciones ele movimiento lineal como las antenas, los quemacocos y las ventanas eléctricas).
LzH---t---{:-,_,____, Elongación (pulg.)
u
r---Las moléculas están siendo orientadas
~j~rnplo:Uso de
polímeros_eléctricamente conductores .en baterías recargables
Viik~e las primeras ap]i~~ciones de los polímeros conductores fue en las baterías recargables. El cátodo esfabriF'ado.de 11!; polímero conductor; el á¡¡odo está hec.ho ele .litio (unekinento blanqo; blancó plateado. · · ~s,ej l!)eta\ 1nás)íg('!ro é(¡nocido) o de .~na ~Jeaci.ón qe litio,.S'? están ahorá desarrpfl'\:1ldo ce.Idas para ;W~~W~enl~ cuaÍes ámb()S efoctrodOs están fabricados
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C--;pítulo 7 /Polímeros: estructur<1, propiedéldes generales y apHcaciones Sección 7 .6 / Propit~dades gener;:i.les y- aplicaciones ele los termoplásticos
7.4 PLÁSTICOS TERMOESTABLES Cuando las molécula;; ele cadena larga en un polímero están entrelazadas en una organización tndimensional,'. la estructura se convierte en efecto una molécula gigantesca con fuertes enlaces covalentes. Como se dijo teriormente. estos polímeros se conocen como polímeros termoestables, o !ermoestables, porque, la polimerización, se completa la red y la forma de la pieza se conserva ele manera permanente. Esta de curado (elíll!"e!azamiento), a diferencia con la reacción ele los termoplásticos, es irreversible. La respuesta de un plástico tennoestable a una temperatura lo suficientemente elevada se puede jara lo que ocurre en el horneado ele un pastel o al hervir un huevo; una vez el pastel horneado y el huevo hervido y enfriado, su recalentamiento no modificará su fonna. Algunos terrnoestables \como el xico, poliéster y uretano) se curan a temperatura ambiente, ya que el calor producido por la reacción exotérmica es suficiente para curar el plástico. El proceso ele polimerización para los termoestables en general ocurre en dos etapas. La primera ocu. rre en la planta química, donde las moléculas son parcialmente polimerizadas en cadenas lineales. La segunda etapa ocurre en la planta ele producción de piezas, donde se completa el enudazamiento b'\iü calor y presión durante el moldeo y formado ele la pieza. Los polímeros termoestabJes no poseen una temperatura de transición vítrea definida. Dada la naturaleza cíe los enlaces, la resistencia y la clm-eza de un termoestable no se ven, a diferencia de los termoplásticos, afee. tados por la temperatura ni por la velocidad ele clcf<.Jnnación. Si se incrementa ele forma suficiente la ternpcratura, d polímero termoestable empezarfi rnús bien a quemarse) degradarse y c:J.rbonizarse. Los plásticos termoestables en general poseen mejores propiedades mecánicas, térmicas y químicas. resistencia eléctrica y estabilidad dimensional que los termoplásticos. Un termoestable típico es elfrnólico, que es un producto de la reacción entre el fenol y el formalclehído. Productos comunes gue se fabrican cun este polímero son las manijas y perillas de las cacerolas y de las sartenes, así como componentes de inlerrnptorcs de 1u7, y de los nxeptúcuJos de pared.
191
c. Los refümos que se utilizan son por lo general la harina ele madera (aserrín fino), la harina de sílice (polvo fino ele silicio), arcilla, mica en polvo, talco, cmbonato ele calcio y fibras cortas ele celulosa, vidrio o asbesto. Debido a su bajo costo los rellenos son importantes para reclLtcir el costo general ele los polímeros. Dependiendo ele su tipo, los rellenos pueden también mejorar la resistencia, la dureza, la tenacidad, la resistencia a la abrasión, la estabilidad dimensional o la rigidez ele los plásticos. Estas propiedades son máximas a porcentajes específicos ele diferentes tipos ele combinaciones de polímero y relleno. Al igual que en el caso ele los plásticos reforzados, la efectividad de un relleno depende de la naturaieza del enlace entre el material del relleno y las cadenas del polímero. d. Se obtiene la amplia variedad de colores disponibles en los plásticos agregando colornntes, ya sean orgánicos (tintes) o inorgánicos (pigmentos). La selección de un colorante depende de la temperatura de servicio y de la cantidad esperada de exposición a la luz. Los pigmentos son partículas dispersas, por lo general, tienen una resistencia más elevada que Jos tintes a la temperatura y a la luz e. Si la temperatura es lo suficientemente alta, la mayor parte de los polímeros se inflaman y queman. La flamabifü!ad (capacidad ele sustentar la combustión) ele Jos polímeros varía considerablemente cleper.diendo de su composición (especialmente ele su contenido de cloro y ele flúor). El color ele las llamas es usualmente amarillo o azul. La flamabiliclad ele los polfrneros se puede reducir ya sea fabricándolos a partir ele materias primas menos inflamables, o mediante la adición ele retm:dantes de flama, como por ejemplo, ciertos compuestos del cloro, bromo y fósforo. El enlace cruzado también reduce la flamabiliclacl ele los polímeros. La siguiente lista presenta varios polímeros comunes con diferentes características de combustió11:
1. Plústicos que no se queman: Fluorocarlm1ws ítef/ón). 2. Plásticos gue se queman pero que se auloextingll<.:n:
AnlTl\/n~
El\J
Carbonatos, nylon, cloruro de vinilo. 3. Plásticos que se quernan y que no se autoextinguen:
fin de impartir ciertas propiedades específicas, por lo general los poHmems se combinan con aditivos. Estos aditivos modifican y mejoran ciertas cm·acterísticas del polímero, como la rigidez, resistencia, cohr, in· tempcrismo, flamahilidad, resistencia ni arco clcctrico {para aplicaciones eléctricas), y facilidad de pn)ccsarniento subsecuente.
a, Los piasfü'icm11tes se agregan a los polímeros para impartirles .flexibilidad y suavidad 111ecliante la reducción de su temperatura de transición ele vítre. Los plastificantes son solventes ele bajo peso molecular con elevados puntos de ebullición (no son volátiles). Reducen la resi:;tcncia de los enlaces secundados entre !as moléculas de cadena larga haciendo por tanto al polímero blando y flexible. El uso más común ele los plastificantes es en el clornro de polivinilo (PVC), que se mantiene flexible durante sus muchos usos. Otras aplicaciones de los plastificantes se encuentran en las hojas delgadas, las películas, tuberías cortinas para regadera y materiales ele vestir. b. La mayor parte ele los polímeros son adversamente afectados por la radiación ultravioleta (como la de la 1.uz solar) y por el oxígeno; éstos debilitan y rompen los enlaces primarios, causando la escisión (división) de las molcculas ele cadena larga. El polímero entonces se degrada haciéndose rígido y frágil. Por otra parte, la degradación puede ser benéfica, como por ejemplo, en Ja eliminación de objetos de plástico al someterlos al ataque ambiental (véase también la sección 7.8). Un ejemplo típico de protección contra la radiación ultravioleta, es la combinación ele ciertos plás• ticos y del hule con el negro de carbón (hollín). El negro ele carbón absorbe un gran porcentaje ele radiación ultravioleta. Se consigue la protección contra la degradación causada por la oxidación, par· ticulatmente a temperaturas elevadas, añadiendo antioxidantes ai polímero. Otra forma ele proteger los polímeros es mediante varios recubrimientos.
Aceíales, acrílicos, acrilonürilo-butadieno-estireno, celulosa, poliéste;; polipropileno, cstireno. f" Los h1bricantes pueden agregarse a los polímeros para reducir la fricción durante su procesamiccoto subsecuente en productos útiles y evitar que las piezas se adhieran a Jos moldes. Los lubricantes tí¡.;,· cos son el aceite de \iuaza. el aceite mineral y las ceras (natural y sintética); también se utilizan los jabones metálicos como el estearato de calcio y el estearato de zinc. La lubricación es tambien importaj)J.e a fin de evitar que las películas delgadas ele polímeros se peguen entre sí.
7.6 PROPIEDADES GENERALES Y APLICACIONES DE LOS TERMOPLÁSTICOS En esta sección se listan las características generales y las aplicaciones típicas ele los termoplásticos principales, particularmente en lo que se refiere a Ja manufactura y vida ele servicio ele productos plásticos. E:1 la tabla 7.3 se dan recomendaciones generales para varias aplicaciones de plásticos. Los aceta.les (ele acético y alcohol) tienen buena resistencia, bnena rigidez y buena resistencia a la ceclencia, abrasión, humedad, calor y productos químicos. Las aplicaciones típicas incluyen: piezas y componentes mecánicos de los cuales se requiere un alto rendimiento en un periodo largo: cojinetes, levas, engranes. bujes y rodillos; e impulsores, superficies ele desgaste, tuberías, válvulas, peras ele regadera y carcazas. Los acrílicos (polimetilmetacrilato, PMMA) poseen una resistencia moderada, buenas propiedades ópticas y resistencia al intemperismo. Son transparentes (aunque se pueden fabricar opacos), son en general resistentes a los productos químicos y tienen una buena resistencia eléctrica. Las aplicaciones comunes incluyen: lentes, anuncios luminosos, pantallas, vidrios para ventana, domos para tragaluces, cubiertas ele burbuja, micas para automóvil, parabrisas, luminarias y muebles.
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Sección 7.6 /Propiedades genero.les y aplicaciones de !os termoplásticos
192
193
Capítulo 7 /Polímeros: estructura, propiedades generak·s y aplicaciones
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Resistencia mecánica
Engranes, levas, rodillos, aspas de vemiiador, impulsores, pistones
AccLal, nylon, fenólicos, policorbonalos
Funcio1wi y decorativo
Manijas. perillas, carcazas de cámaras y de baterías, molduras decorativas, acoplamientos para tubería
ABS, acrílicos, cdulósicus, fonólicos, polietileno, polipropileno. pnliestircno, cloruro de polivinilo
Carcaza:-, y formas huecas
Henamientas eléctricas, bombas, carcazas. cascos deportivos. aparato de tdéfono
ABS, cclulósicos, fenó1icos, po!icarbo· natos, potieüleno, polipropilcrw. po!icstircno
Funcional y transparente
Lcnle.s, gogles. vidrios de seguridad, anuncios, equipo de procesamiento de alimento~. equipo de laboratorio
Acríticos. poiicarbonatos, po!iestircno, polisulfonas
Rcsis{encia ai dc.')g<.1sle
Engranes. tiras y recubrimienlos contra el dcsgasic, cojinetes, buje::.,
Acclalcs, 11ylon. fenólico~, poliimidas. po!iurclanos, polielileno de peso molecular ultra-alto
ruedas de
El acrilm1litriio-l:JUt21die110-estireno (ABS) es dimensionalmente estable y rígido. Tiene una buena resi.<:,Lcncia al impacto, a Ja ahrasión y al ataque qufrnico:, buena resistencia y tenacidad; buenas propiedades a baja temperatura, y una elevada resistencia elécb·ica. Las aplicaciones típicas incluyen: tc1herías, acoptamientos, suministros de plomería cron1ados, cascos: mangos de herramientas, partes automotrices, cascos de en1barcacíones, teléfonos, equipajes, carcazas, aparatos domésticos. recubrünientos de refrigerador y paneles decorativos. Los ,¡:eh:dósicos tienen una amplia gama de propiedades mecánicas dependiendo de su composici0n. Se puc:dcn hacer rígidas, fuertes y tenaces. Sin embargo. resisten mal el intemperismo y <;on afectadas por el calor y los productos químicos. Las aplicaciones típicas incluyen: mangos ele herramienta, plumas, perillas, armaJ.:oncs para leni-es., gogles de seguridad, guardas de rnáquina, cascos~ tubería y tubos, lumjnarias, recipú;nles rígidos volnnLes, película para empaque, anuncios, bolas de billarijuguete:s y piezas decorativas. Los fitwrocarbonor; poseen una buena re~istencia a alta temperatura (con un punto de fusión de 327ºC (621 ºF) para e! teflón), a los productos químicos. al intcmperismo y a la electricidad. También tienen propiedades únicas no adhesivas y baja fricción. Las apJicaclones típicas incluyen: recubrimientos para equipu de proce;.;ns quinücos, recubrinüentos no adherentes para utcnsi1ios de cocina, aislarniento décJrico para {;larnbre y éable de alta temperatura, juntm·., superfic]es de boja fricción, cojinetes y sellos. L~ts pofü:unJdías (de las p2!h1br
;], Los nyftons (una palabra acuñada) tienen buenas propiedades mecánicas y resistencia a la ;ihrasión. Son autolubricantes y resistentes a la mayor parte de los productos químicos. Todos los nylons son higroscópicos (absorben agua); la absorción de humedad reduce las propiedades mednicas deseables e incrementa las dimensiones de Ja pieza. Las aplicaciones típicas incluyen: engranes, cojinetes, bujes, rodillos, sujetadores, cierres, partes eléctricas, peines. mbería, superficies resistentes al desgaste, guías y material quirúrgico. b. Las aramidas (poliamidas aromáticas) tienen una muy elevada resistencia a la tensión y iigidez. Las aplicaciones comunes incluyen: fibras para plásticos reforzados (ma.teriales compuestos, capítulo 9), chalecos a prueba de balas, cables y llantas radiales. Los policarbo11atos son versátiles. Tienen buenas propiedades mecánicas y eléctricas, una elevada resistencia al impacto, y se pueden fabricar resistentes a los productos químicos. Las aplicaciones incluyen: cascos de seguridad, lentes ópticos, vidrios de ventana a prueba de bala, anuncios, botellas, equipo de procesamiento de alimentos, parabrisas, componentes eléctricos para soportar cargas, aisladores eléctricos, aparatos médicos, componentes de máquinas de oficina, guardas para la maquinaria y partes que requieran ele estabilidad dimensional.
Poliéstcres. (véase también la sección 7.7). Los poliésteres lermoplásticos tienen buenas propiedades mecánicas, eléctricas y químicas, buena resistencia a la abrasión y baja fricción. Las aplicaciones incluyen: engranes, levas, rodillos, miembros sujetos a carga, bombas y componentes electromecánicos. Los polieti!enos poseen buenas propiedades eléctricas y químicas. Sus propiedades mecánicas dependen de la composición y de ia estructura. Las tres clases principales son (a) baja densidad (LDPE), (b) alta densidad (HDPE) y (c) de peso molecular ultraalto (UHMWPE, por sus siglas en inglés: Ultra High Molecular Weight Polyethylene). Las aplicaciones típicas para el LDPE y el HDPE son enseres domésticos, botellas, botes de basura, duetos, defensas, equipaje, juguetes. tubería y materiales de empaque. El UHMWPE se ntiliz.a en componentes que requieren tenacidad elevada al impacto y resistencia al desgaste abrasivo; los ejemplos incluyen las articulaciones de rodilla y de cadera artificiales. Los poliimidas tienen la estructura ele un terrnoplástico pero con la característica de no fusión de un termocstable (véase también la sección 7 .7). Los polipropilenos tienen buenas propiedades mecánicas, eléctricas y químicas, y buena resistencia al desgarramiento. Las aplicaciones incluyen decoración y partes automotrices, material médico, partes de aparatos domésticos, aislamiento de conductores, gabinetes de TV, tuberías, acoplamientos. vasos para bebidas, recipientes para productos lácteos y jngos, equipaje, cuerdas y tiras para internperismo. Los poliestirenos son económicos, comCrnmente poseen propiedades promedio y son algo frágiles. Las aplicaciones típicas ·mcluyen recip'icnt.es desechables, empaques, charolas para carne, galleta y caramelos, aislamiento en espuma, aparatos domésticos, partes automotrices y de radio y TV, enseres doméslícos y piens para juguetes y mobiliario (como un sustituto ele la madera). Las poiisulfonas tienen una excelente resistencia al calor, al agua y al vapor; tienen propiedades dieléctricas que se mantienen virtualmente sin afectar por la humedad, y son muy resistentes a algunos productos químicos aunque son atacad.os por solventes orgánicos. Las aplicaciones típicas incluyen phmchas de vapor, cafeteras, recipientes ele agua caliente, equipo médico que requiere de esterilización, carcazas para herramientas eléctricas y aparatos domésticos, interiores de la cabina de aeronaves y como aislantes eléctricos. E\ cloruro de poiivinilo (PVC) tiene una amplia gama de propiedades, es de bajo costo y resistente a1 agua, y se puede fabricar rígido o flexible. No es adecuado para aplicaciones que requieran resistencia mecánica y al calor. El PVC rígido es resistente y duro; se utiliza en anuncios y en la industria de la cons:rucción (por ejemplo, en tubería y conductos). El PVC.flexible se Lltiliza en revestimientos de alambres y cables, en tubería y mangueras de bé\ͪ presión, y en calzado, imitación de cuero, tapicería, di.seos, juntas, sellos, molduras, películas, hojas y recubrirnienlos.
7,6.1 Nombres
comunes para los
A continuación se clan algunos de los nombres comercüües más comunes para los termopiásticos: Nombre comercial Alathon Cycolac
Dacron Dclrin
Dylcne Envex
Hyzod lmplex Kapton
Kevlar Kodel Kydex Kynar
Lexan
Tipo Etileno Acri Ion i trílo-butadieno-cstircno Poliéster Aceta\
Estlreno
Polilmida Policarbonato Acrílico, modificado con bule
Poliimida Aramida
Poliéster
Acn1ico-cloruro de polivinilo Fluoruro de polivinilideno Policarbonato
194
Capííulo 7 / Poli"rneros: estructurJ, propiedades gc:.>ncrales y ilplicaciones
Sección 7.8 / l'lásticos bioclegraclables Lucite
Mylar Noryl
Nylon Orlon
Plcxiglas Royalite
Saran Sintra Styrnl(mm
Tcflon
Todon
Tygon U/tern Vcspcl
Zer!on Zytel
77
Acrílico
Pol!ésler Óxido de polifcnikno
Poliamida Acrílico Acrílico
19.5
Las silkmms tienen propiedades que dependen ele la composición. Generalmente resisten bien la intemperie, poseen excelentes propiedades eléctricas ante una amplia gama de humedad y temperaturas y res.is!en los productos químicos y el calor (véase también la sección 7.9). Las aplicaciones típicas incluyen componentes eléctricos que requieren ele resistencia a temperaturas elevadas, juntas para hornos, sellos ele calor y materiales a prueba ele agua.
Acrilonitrilo-butadieno-e1;tircno
Cloruro de poJiviniJo Cloruro de polivinilo Polieslircno F!uorocarbono
Poiiirnicla Cloruro de polívinilo Po!ietcrimida
Poliimida Estirei10-metilrnetacrilalo
Poliarnic!a
EDADES GE!'-JERALES Y APLICACIONES PLÁSTICOS Esta sección reseña las características grncrales y las aplicaciooes típicas ele los principales plcísiicos termo·.,slables.
Los alqufüis (del allcyl que significa alcohol y add) poseen buenas propiedndcs aislantes déclricas. resistencia al impacto y estabilidad dimc11sionaJ, con una baja absorción de agua. Lm; :iplicacioncs típicas se ,;ncuenlrait en los componentes eléctricos y electrónicos. Los amlims (urea y melamirm) tienen propiedades que dependen de su composición. En general los m11inos son duros y rígidos y son resistentes a la abrasión, al escurrimiento plástico y el arco eléctrico. Las
íCpúxkos: lienen excelentes propúxlades mec:.ínie:1s y G]éctricas y btwna e.st.Jbilidad dimern;ionaL fut'.r~ propiedades de adherencia y baena resisl'Cncia al calor y a íos productos químicos. Las aplicaciones rípic;1s incluyen componen fes eléctricos que requieren ele resistencia mednica y ckvado aislamiento, herramientas y Lroquc!es, y adhesivos. Los e¡¡óxicos reforzados con fibras tienen propiedades mednicas excelentes y se utilizan en recipienies a presión, carcazas para motores a reacción, tanques y componente!-> i.;~tructuraJes similares. Los femJlcs aunque son frágiles son rígidos y estables dimensionalmentc y 1icnen una elevada resistencia al calor, al agua a la electricidad y a los productos químicos. Las aplicaciones típicas incluyen; perillas, manijas, paneles laminados y teléfonos; material ele unión para aglutinar granos abrasivos en las rneclas de esmeril y componentes eléctricos como dispositivos ele alambrado, conectores y aislantes. Los poliésteres (véase también la secciót1 7.6) tienen buenas propiedades mec{ulicas, químicas y eléctricas. Los poliésteres por lo general se utilizan reforzados con fibras ele vidrio (u otras). También están clispontbles como resinas para moldeo. Las aplicaciones incluyen; embarcaciones, equipaje, sillas, carrocerías automotrices, piscinas y mate1iales para impregnar tela y papel. Las poliimidas poseen buenas propiedades mecánicas físicas y eléctricas a temperaturas elevadas. También tienen una buena resistencia al escurrimiento plástico y características de tíicción y ele desgaste bajas. Las poliimiclas tienen la característica de no fusión ele un termoestable pero la estructura d0 un termoplástico. Las apli .. caciones típicas incluyen componentes para bomba (c~jinetes, sellos, asientos de válvula, anillos de retén y aniilos ele pistón), conectores eléctricos para uso en alta temperatura, piezas aerospaciales, estructuras ele alta resistencia resistentes al impacto, equipo deportivo y chalecos ele seguridad.
Ejemplo: Materiales para recubrimiento de puerta para refrigerador Al seleccionar Jos materiales candidatos para un recubrimiento ele puerta para refrigerador, donde se guar· dan huevos. mantequilla, aderezos para ensalada y botellas pcqueiías. deben tommse en consideración lo>:
factOrcs siguientes:
l. Requisitos mecánicos: resistencia, fenaciclacl (para que pueda.resistir el impacto, Jos portazos). rigidez, elasticidad y resistencia a rayaduras y al desgaste a temperaturas ele operación. 2. Requisitos físicos: estabílic!acl dimensional y aislamiento eléctrico. 3. Requisitos químicos: rcsistenCia a las 1úanchas, los olores. a las reacciones químicas con alimentos y bebidas y al material ele limpieza. 4. Apariencia: color, estabilidad del color. acabado superficial, textura' y tacto. 5. Propiedades de manufactura: rilétodos de nfanufactura y ele ensamble, efoctos del procesamiento bre las prnpieclades y comportamiento de los ma1eriale.s a ln largo del tiempo, compatibilidad otros matcriale.s que fonmm la puerta, y costo de los materiales y de la manufactura, Un estudio extenso tomando en consideración todos los factores involucrados, identificó a dos materiales candidatos para recubrirnícntos de puerta: El !\BS (acrilonitrilo-bmaclieno-estireno) y el HIPS zpn· liesfireno de alto impacto). Un aspecto del estmlió involucraba el efecto ele los aceites. vegetales. como ejemplo, los incluidos en los aderezos para ensalada almacenados en la pucita. sobre Ja resistencia de tos plásticos.
Los experimentos demostraron que h1 pr¡;se·ncia de aceites yegetücs' reducían de mai1era j)['CS(oncía de aceiles por esfuerzo por solventes) en 1·unto que el ;:-\BS no resulta afeqtado en nin&una manera significativa.
capacidad de carga del H.lPS. Se enwntró que el HIPS se hace frágil en 1
7.8 PLÁSTICOS BIODEGR/-\DABLES Los desperdicios plásticos contribuyen con aproximadamente 10% de los desperdicios sólidos municipales; sobre una base volumétrica, contribuyen ele dos a tres veces su peso. Una tercera parte ele la producción d•o plásticos se destina a productos desechables, corno botellas, empaques y bolsas para basura. Con el crecien .. te uso de los plásticos. y con la creciente preocupación sobre temas ambientales en relación con la eliminación ele los productos plásticos, así como la escasez de tiraderos, se estún haciendo grandes esfuerzos para desarrollar pl;\sticos totalmente biodcgradables. Los primeros intentos se hicieron en la década ele l 980 como una solución posible a la presencia ele basura a los costados ele las carreteras. La mayor parte ele los productos plásticos lrnclicionalmcnte han siclo fabricados a partir ele polímeros sintéticos derivados de recursos naturales no renovabk!S y no son bioclegrac!ables, siendo por tanto difíciles de reciclar. La biodegradabiiidad significa que las especies microbianas en el ambiente (es decir, los microorganismos en el suelo y en el agua) degradarán una porción ele (o incluso la totalidad ele) el material polimérico, bajo las condiciones ambientales adecuadas, y sin producir subproductos tóxicos. Los productos finales ele la clegraclación de la porción bioclegradable del material, son el bióxido ele carbono y el agua. Dada la diversidad ele constituyentes en los plásticos bioc!egrac!ables, estos últimos se pueden considerar como materiales compositos; en consecuencia sólo tma porción ele estos plásticos pueden ser verdaderamente bioclegrac!ables.
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Capítulo 7 /Polímeros: estructura, propiedJdes generJles y aplicaciones
Sección 7.9 / Elastómems (hules)
Hasta ahora se han desarrollado tres pilísfü:os biodegraifabks. Tienen diferentes características de dcgradabilidad, y se degradan a lo largo de diferentes periodos de tiempo (cualquier periodo entre unos cuantos meses a unos cuantos años).
137
1--PET (polietilén tereftalato); 2--HDPE (polietileno ele alta elensidacl); 3-V (vinilo); 4-LDPE (polietilcno de baja densidad);
a. El sistema basado eil almidones, es el más alejado en términos de capacidad de producción. El almidón puede ser extraído de Ja papa, del trigo, arroz y del maíz. En este sistema, los gránulos de almidón se procesan en un polvo que se calienta y se convierte en un líquido pegajoso. Este líquido es entonces enfriado, fonnado en pastillas y procesado en equipo de procesamiento de plásticos convenc:ional (mismo que está descrito en el capítulo 18). Se mezclan varios aditivos y aglutinantes con el almidón, a fin de impartir características especiales a los materiales bioplásticos. Por ejemplo. ahora se está produciendo comercialmente un composito de polietileno y almidón en forma de bolsas de basura degradables.
5-PP (polipropileno); 6-PS (poliestireno); 7-·0tros. Los plásticos reciclados se utilizan cada vez más en una variedad ele productos. Por ejemplo, un poliéster reciclado, relleno de fibras de vidrio y de minerales, ha sido seleccionado para la cubierta de motor de una camioneta Ford de la serie F; tiene la rigidez apropiada. la correcta resistencia química y la adecuada retención de forma hasta 180ºC (350ºF). Un material similar fue seleccionado para el ensamble del panel delantero del Chevrolet Malibú l 997, debido a su resistencia al impacto y a su estabilidad dimensional. Otras aplicaciones automotrices para estos plásticos reciclados, incluyen escudos térmicos/sonoros, puertas de duetos de ventilación. ménsulas para faros de niebla y pozos para frenos de estacionamiento.
b. En el sistema basado en lácticos, el forraje en fem1entación produce ácido láctico, que entonces se polimeriza para formar una resina de poliéster. Los usos típicos incluyen aplicaciones médicas y farmacéuticas. c. En el tercer sistema (fermeiJtaciói! de azúcares), se agregan ácidos orgánicos a un material de alimentación de azúcar. Utilizando un proceso especialmente desarrollado, la reacción resultante produce un polímero muy cristalino y rígido, mismo que, después de un posterior procesamiento, se comporta de manera similar a los polímeros desarrollados a partir del petróleo. Hoy día se están bacicndo muchos intentos para producir plásticos totalmente biodegradables, mediante el uso de diversos desperdicios ag1ícolas (agrodesperdicio), carbohidratos de las plantas, proteínas ele las plantas y aceites vegetales. Las aplicaciones 1fpicas incluyen fas siguientes: utensilios ele mesa desechables fabricados de un substituto del cereal. como son granos de an-oz o Ja harina de trigo; plásticos fabricados casi totalmente de almidones extraídos de papas, trigo, arroz y maíz;
anícuios de plástico fabricados de granos de café y cáscaras de arroz, dcshidraíadas y moldeadas a ;:!Itas pres]oncs y ternperaturas; polfrneros so!ubics en agua y compostables, para aphcaciones médicas y quirúrgicas;
reclpientci'.> para aliincntos y bebidas (hechos de aln1idón de papa, piedra caliza, ce.Ju!osa y agua) que se pueden disolver en las ataijeas pluviales y en los océanos sin afectar la vida marina ni la vida silvestre. En vista que el desarrollo de los plásticos biodcgradables es relativamente reciente, su desempeño a largo plazo, tanto durante su ciclo de vida útil como producto, como en los tiraderos, no se ha evaluado totalmente. T\unbién exisle preocupación que el énfasis dado a la biodegradabüidad distraiga la atención del problema de la reciclabilidad de los plásticos y los esfuerzos para la conservación de los materiales y de la energía. Una consideración importante es el hecho de que el costo de Jos polímeros biodegradables de hoy día es substancialmente más elevado que el de los polímeros sintéticos. En consecuencia, una alternativa atractiva es una mezcla de desperdicio agrícola, incluyendo las cáscaras del maíz, trigo, arroz y soya, (componente principal) y los polímeros biodegradables (componente secundario).
Reciclado. Durante varios años, se han hecho grandes esfuerzos por parte de prácticamente todas las municipalidades para la recolección y reciclado de productos plásticos usados. Los termoplásticos se reciclan volviéndolos a fundir y volviéndolos a formar después en otros productos. Esos productos ostentan símbolos de reciclado, en la forma de un triángulo formado por tres flechas orientadas con las manecillas de un reloj Y con un número en medio. Estos números corresponden a los plásticos siguientes:
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7. 9
ULES) Los elastómeros forman una gran familia ele polímeros amorfos con una temperatura de transición vítrea baja. Tienen una capacidad caracte1ística de sufrir grandes deformaciones elásticas sin ruptura. Son blandos y tienen un bajo módulo elástico. El término dastómern se deriva de las palabras elastic y mero. La estructura de estos polímeros está muy retorcida (apretadamente torcida o rizada). Se estiran pero después regresan a su forma original una vez retirada la carga (fig. 7.12). También pueden entrelazarse; el mejor ejemplo de este proceso es la vukanizadón a temperatura elevada del hule con el azufre, descubierta por ::::. Goodyear en 1839, y llamada así en honor a Vulcano, el dios romano del fuego. Una vez entrelazado e! <.óias· tótfüoro, ya no puede ser reprncesado. Por ejemplo. una llanta de automóvil, que es un claslómero de molécula gigante, no puede ser ablandad.a y remold.eada. A menudo los r·énninos hule y elnstómeru se utiiizan indistintmnente. En genera], se define un dasá'.6~ mero corno capaz de recuperarse substancialmente en fonna y tan1año una vez eli!ninada la carga. Un h.!11lle se define como capaz de recuperarse con rapidez de grandes deformaciones. Una propiedad de los elastómeros es su pérdida por histéresis al estirarse o comprimirse (fig. 7. l 2). El lazo en dirección de las manecillas del reloj indica una pérdida de energía, en la cual la energía mecánica se convierte en calor. Esta propiedad es deseable para absorber energía vibracional (amortiguamiento) y para reducir el nivel del ruido.
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Elongación
FIGURA 7.12 Curva típica de carga. elongación para los hules. El lazo en dirección a las manecillas del reloj, que representa las trayectorias de carga y de descarga, despliega la pérdida por histéresis. La histéresis le da a los hules la capacidad de disipar energíd, amortiguar la vibración y absotber las cargas por choque, como es necesario en las llantas de automóvil y en los amortiguadores de vibración que se colocan debajo de las máquinas.
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Capíiulo 7 /Polímeros: estruc:tur.:i, propiedades generales y aplicaciones
La dureza de los elastómerns, que se mide utilizando un durómetro (sección 2.6.1), se incrementa con el entrelazamiento de las cadenas moleCLdares. Igual que en el caso de tos plásticos, se ptieden agregar una diversidad ele aditivos en los elastómeros a fin de impartir propiedades específicas. Los elastómeros tienen una amplia gama de aplicaciones, por ejemplo, superficies antifricción y antiderrapantes, protección contra la corrosión y la abrasión, el aislmniento eléctrico y el aislamiento contra choque y vibración. Los ejemplos incluyen las llantas, mangueras, burletes de intemperie, calzado con suela de hule e industria!, recubrimientos, juntas, sellos, rodi.llos de imprenta y recubrimiento para pisos.
Hu!e nalural. La base para el hule natural es el látex, una savia lechosa obtenida de la corteza interior de un árbol tropical. Tiene buena resistencia a la abrasión y a la fatiga, y tiene elevadas propiedades friccionales, pero tiene baja resistencia al aceite, calor, ozono y luz solar. Las aplicaciones típicas son llantas, se!lus, tacones de zapatos, acoplamientos y soportes de molor.
1-Juies sil'ltéfü:os. Más desarrollados que los hules naturales son los hu les sintéticos. Los ejemplos son el hule natural sintético, el butilo, el cstircno-butadieno, el polibutaclieno y el etileno propileno. En comparación con los hules nattirales, tienen mejor resistencia al calor, gasolina y productos químicos, y tienen una más alta gama de temperaturas útiles.
Términos clave
1 '99
bilidad y color y proporcionar estabilidad contra la radiación ultravioleta y el oxígeno. Las estructuras de los polímeros pueden ser modificadas utilizando varios medios para impartir a los plásticos una amplia gama de pr.ipiedacles deseables.
e Dos clases principales de polímeros son los termoplásticos y los termoestables. Los termoplásticos se ablandan y se hacen fáciles de formar a temperaturas elevadas; regresan a sus propiedades originales al enfriarse. Su comportamiento mecánico se puede caracterizar mediante varios modelos de resorte y amortiguador; incluyen fenómenos como escurrimiento plástico y la relajación de esfuerzos, las cuarteaduras y la absorción de agua. Los terrnoestables, que se obtienen al entrelazar cadenas de polímeros, no se ablandan en ningún grado significativo al incrementarse la temperatura. Son mucho más rígidos y más duros que los termoplásticos, y ofrecen muchas menos alternativas de color. e Los elastómeros tienen una capacidad característica de sufrir grandes deformaciones elásticas y después regresar a su:; formas originales al eliminarse la carga. En consecuencia tienen aplicaciones importantes en llantas, sellos, calzado, mangueras, cinturones y amortiguadores. a Entre los desarrollos ele importancia en los polímeros está la reciclabilidad y los plásticos biodegraclables, ele los cuales se están desarrollando varias formulaciones.
Ejemplos de los hules sintéticos que son resistentes a los aceites e.'.,tán el neopreno, el nitri!o, el urcl'ano y Ja silicona. Las aplicaciones típicas de los hules sintéticós son llanlos . an1orLlguadorcs, sellos y cinturone~s.
TENDHKIAS SBHcoíllas. Las siliconas (véase 1an1bién 1a sección 7.7) tienen la gama de temperatura útil 1nás e!evad;J (hasta 31 SºC, 600ºF), pero otras propiedades como la resistencia mednica y la resistencia al desgaste y e1 los aceites son generalmenle inferiores a J.as de otros elastómeros. Las aplicaciones típicas de las siliconas sen ~;dJos, juntas, aJsJarnientos térmicos, interruptores eléctricos de alta temp0ralura y aparatos ;.°'léciricos.
Pofünet;mo . Este elasüímero tiene muy buenas propiedades generales de alta resistencia, rigidez y dureza y tiene una resistencia excepcional a la abrasión, corle y desgarre. Las aplicaciones típicas son scilus, juntas. retenes, diafragmas parn el formado en hule de láminas de metal (sección 16. 10) y de partes de carrocería. automotri;r,.
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Los polímeros son una clase principal de materiales y poseen una muy amplia gama de propiedades mecánicas, físicas, químicas y ópticas. En comparación con los metales, Jos polímeros en general se caracterizan por una menor densidad, resistencia, módulo elástico, conductividad térmica y eléctrica y costo, así c01no por una relación de resistencia a peso más alta, una resistt;ncia a la corrosión más ele~ vada, dilatación térmica más alta, una selección de colores y de transparencias más amplias y una mayor facilidad para su manufactura en formas complejas.
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"' Se están Ilevando a cabo desarrollos en !a producción de polímeros de ul!ra-ai.ta pureza, polímeros alta temperatura, mezclas de polímeros, fibras de alta resistencia, fibras ópticas y peliculas muJticap: parn aplicaciones ópticas, lentes y medios de grabación.
"' Sigue siendo un tema importante en función de la protección ambiental Ja reciclabilidad de los plás;j .. cos. Están en desarrollo varios plásticos biodegradables. " Se están haciendo mejoras en la absorción de agua, la J'lamabilidad y la degradación de Jos plásticos, así como en SLI~ propiedades lisicas.
TtRMlt'-~OS CLAVE Aditivos Biodegradabilidad Blanqueado por esfuerzo Colorantes Cristal itas
'" Los plásticos están formados de moléculas de polímeros y de varios aditivos. La unidad repetitiva más pequeña de una cadena de polímeros se llama mero. Los monómeros se enlazan mediante procesos de polimerización (condensación y adición) para formar moléculas más grandes. La temperatura de transición vítrea separa la región en los polímeros del comportamiento frágil y del comportamiento dtíctiL a Las propiedades de los polímeros dependen del peso molecular, de la estructura (lineal, ramificada, ele enlace cruzado o en red), del grado de polimerización, de la cristalinidad y de los aditivos. Los aditivos tiene funciones como la mejoria de la resistencia, el retardar la flama, la lubricación, el .impartir t1exi-
·' Envyjecimiento ténnico
Grado de cristalinidad Grado de polímerización
Hule Lütex Lub1icantes Mero Monómero Orientación Peso molecular Plásticos Plastificantes Polimerización Polímeros
PoHmeros en red Polímeros entrelazados Polímeros lineales Polímeros ramificados Poli mezclas
Rellenos Retardantes de flama Temperatura de transición vítrea Tennoestables Termoplásticos Unión Vulcanización
200
CapíttJlo 7 /Polímeros: estructura, propiedades g12nerales y JpliG1ciones
Problemas cuantitativos
-----------------------Bcrin.s, l\ll. L., PLastics engineering handbook (Sa Ed.), Chapman & Hall, 1994. Buckley, C. P., C. B. Bucknall, y N. O. McCrnm, Principies of polymer engineering (2a Ed.). Oxford Uoivcrsity Press, 1.997.
Co!!ing, D. A., y T. Vabilos, ceramics mu/ composites. Prentice Hall, 1995. Ch:rnda, M., y S. K. Roy, Plastics teclmology handbook (3a EJ.), Marce[ Dekker, 1998. Charrier, J. M., Polymeric materials and processing: pfastics, efastomers, and composites. Hanser, 1991. Dominínghaus, H. Plasticfor engineers: materials, properties, applications. Hanser Gardncr, 1993. Engineered material.~· handbook, Vol. 2: engineering píastics. ASM lnternational, 1988. Engineering Plastics and Composites (2a E
Fe1dman, D., y A. BarbaJata, J~ynthetic polymers: technology, properties, applications. Chapman & Hall, 1996. Harper, C . ., Handbook. ofplastícs, elasromers, and composites (3". Ed.). McGraw-HilJ, 1996. I\!IacDermott, C. P., y A. V. Shenoy, Selecring thermop/astics .for engineering applications (2u. Bd. ). Marce! Dekker. 1997. Nielsen, L. E., y R F. Lande.L A1ec!zanical propcrties q/poiymers and cmnposires (2a Ed.). Marce! Dekker. 1994. Rosen, S. L., Fundamental principies of polymeric materia is (2o Ed.). Wilcy, l 993. Sa1arnone, J. C. (ed.), Condse ¡)o/ymeric materials encyc!npedia. CRC Prcss, 1999. Sperling, L. H., Polymeric muíticomponent nwterials: an introduction. Wiley, l 997.
Strnng, A. B., Plflstics:
Prenticc Hall,
1996.
William Anclrew [ne., 1995.
201
7.18 ¿Piensa usted que la sustitución de plásticos en lugar de metales, en productos tradicionalmente fabricados de metal, es vista negativamente por el público en general? de ser así ¿Por qué?
7.19 Nombre tres plásticos adecuados para uso a altas temperaturas. 7.20 ¿Es posible que un material tenga un comportamiento de histéresis opuesto al mostrado en la fig.7.12, de manera que las flechas vayan contra las manecillas del reloj? Explique.
7.21 Observe el comportamiento del espécimen que se muestra en la fig. 7. l 1, y diga si el material tiene un exponente de sensibilidad a la velocidad ele formación m elevado o bajo (véase la sección 2.2.7). Explique ¿por qué es así? 7.22 Agregue más ejemplos a la columna de aplicaciones de la tabla 7.3 . 7.23 AnaHce el significado de la temperatura de transición vítrea, Tr,, en aplicaciones ele ingeniería. 7.24 ¿Por qué el enlace cruzado mejora la resistencla de los polímeros? 7.25 Describa los métodos mediante los cuales es posible modificar las propiedades ópticas de los poiímcros.
7.26 ¿Es posible hacer que los polímeros conduzcan la electricidad'? ¡,Cómo? 7.27 Explique las razones por las que se desarrollaron los elastómcros. ¿Existen substitutos para los elastómeros? Explique.
7.28 Dé varios ejemplos de productos o componentes de plástico en los cuales la cedencia y la relajación de esfuerzos son consideraciones de importancia. 7.29 Describa sus opiniones en re]ación con el reciclado de los pláslicos en comparación con el desarrollo de pláslk:os biodegradables.
7.30 Explique qué procedimiento seguiría para determinar la dureza de los plásticos. 7.31 Compare los valores de los módulos elásticos de la tabla 7. ! con Jos valores para metales que se dieron en los capíuiios 2, S y 6. 7.32 ¿Por qué existe tanta variación en la rigidez de los polímeros?
DE REPASO
·u
7.33 Explique por qué Jos termoplásticos son más fáciles de reciclar que los Lcrmoestables. 7.34 De un ejemplo de un proceso en que las cuarteaduras sean desGab1es.
Resuma las propiedades mccúnicas y físicas: tmporlantes de 1os plásticos.
7.3'5 Liste y explique algunos pros y contras ccoJógicos del uso de bolsas de plástico en vez de bolsas de papel en tiendas
¿Cuák.s son las diferenctas principales entre (a) b.<:: propiedades mccünicas y {b) las propiedades físicas de los mei·aJcs y de los plásticos?
de autoservicio. 7.36 ¿Qué características se requieren en un inserto hecho de polímero para el reemplazo total de la cadera?
¿Qué es (a) polimerización y (b) grado de polimerización? ¡,Qué propiedades se ven influenciadas por el grado de
7.37 ¿De qué manera puede distinguir si una pieza está fabricada de un material termoplástico?
7.2
poli1111.~rización?
'7A
7.38 Corno sabe, !os sujetapapeles de phístico están d1sponib!es en varios colores ¿Por qué no se hacen grapas de plástico?
;,Cwilcs son {a.s dift...:renctas entre ios polín1crrn> lineales, ramificados y entrcl<.1zados? ;.Por qué de:·;t)arfamos .siuti.::lizar un polfmcrc; con un clev:ido grado de cristalinidacl? ;.()w~ la temperatura de transición vítrea?
7.7 ¿,Qué adí1ivo.s .se utilizan en los plásticos? ;,Por qné? '7.B i.Qrn~ son las cuarleaduras? 7.'J l.Qué .scm la.s polimezcb.s? 7. U} ¿Cuáles son ias diferencia~ 7J] ¿Qué es un c!astómero?
cnt~·e los 1errnopl.ásticos y
PROBLEMAS los termoestablcs?
7.12 ¿Qué es un terpolírnero?
7.B ¿,Qu6 efoctos tiene una agente plastificante sobre un polímero? 7.l''
Deflna las siguientes siglas en su significado origina[ en inglés: PMMA, PVC, ABS. HDPE. LDPE.
PROBLEMAS CUALITATIVOS 7.15
7,16
Estudie varios componentes ele plástico de su aulomóvil y diga .si usted piensa que están fabricados de materiales termoplásücos o termoestables.
Dé aplicaciones para las cuales la flamabilidad de los plásticos resulta de primerísima importancia. 7,17 ¿Qué propiedades tienen los elastómeros que en general carecen los termoplásticos?
7.39 Calcule las áreas (tenacidad) bajo la cmva esfuerzo deformación para los materiales de la fig. 7.9, tráce!as en !'unción de la temperatura, y describa sus observaciones. 7.40 Observe en la fig. 7.9 que, como es de esperarse, el módulo elástico del polímero se reduce conforme se incrementa la temperatura. Utilizando las curvas de esfuerzo-deformación Je la figura, trace el módulo de elasticidad en función de la temperatura. Comente la forma de la curva. 7.41 Una viga rectangular en canti1ever de 120 mm de alto, 20 mm de ancho y 1.5 m de largo se somete a una carga concentrada de 100 kg. en su extremo. De la tabla 7. 1, seleccione tres materiales no reforzados y tres reforzados, y calcale la deflexión máxima de la viga en cada caso. Después seleccione aluminio y acero para una viga con las mismas dimensiones, calcule 1a deflexión máxima y compare los resultados. 7.42 Determine la dimensiones de una flecha de transmisión de acero tubular para un automóvil común. Si usted reemplaza esta flecha con un plástico no reforzado y después con uno reforzado, ¿cuáles serían sus nuevas dimensiones en cada caso, a fin de u·ansmilir el mismo par de torsión? Escoja materiales de la tabla 7 .1 y suponga una relación de Poisson igual a 0.4. 7.43 Estime el número de moléculas que tiene una llanta típica de automóvil. Estime el número de átomos. 7.44 Utilizando datos de resistencia y de densidad, determine el peso mínimo de un miembro a la tensión de 2 pies de largo que debe soportar una carga de 1000 lb,, si está hecho de (a) polietileno de elevado peso molecular, (b) poliéster,
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Capítulo 7 / Polírneros: estructura, propiedades Benerales y aplicaciones
(e) cloruro de polivinilo rígido. (d) ABS, (e) policslireno, (fJ nylon reforzado. Donde re.suite apropictdo, calcule un rango de pesos para el mismo polímero.
7A5 Trace lo siguiente para cualesquicrn cinco de los polímeros descritos en este. capítulo: (a) Resistencia lensil máxima en función de la densidad. y (b) módulo eláslico en función de la Resistencial Tensil Máxima. Donde resulte aprn. piado trace un rango de valores.
Y DISEÑO
-
7.46 cado Describa las consideraciones de diseño involucradas en reemplazar un rccipieme ele bebidas de metal por uno fabri. de plástico. 7.47 Suponga que está manufacturando un producto en el cual todos los engranes son de metal. Lo visita un venclednry le solicita que vea la posibilidad de reemplazar algunos de esos engranes de metal por engranes de plástico. Haga una lista de las preguntas que tendría que contestar antes de tomar una decisión. 7.48 Las secciones 7.6 y 7.7 listan varios plásticos y sus aplicaciones. Reorganice esta información elaborando una tabla de productos (engranes, cascos, equipaje, componemec; eléctricos, etc.) que muestre los tipos de plásticos gue .se pueden utilizar en la fabricación de dichos proáuctos.
7.49 Haga una lista de los productos o componentes que actualmente no se fabrican de plástico, y presente algunas rnzoncs por las cuales no lo son. Documente sus razones.
7.5() Repase las tres curvas de ia fig. 7.8 y dé aplicaciones para cada lipo de componamicnto. Explique sus scleccioiws 7.Si Rcpi!a el problcnw 7.50 para las curv
752 A fin ele poder Ulilil.ar un rccipicnle Je acero o de aluminio pm·a una subslancia ácida, corno la salsa de tomate, de-. be colocarse una barrera polimérica entre el recipiente y el contenido. Describa métodos de producir 'OSta barrera.
7.53 Lleve a cabo un estudio ele plásticos usados en ciertos productos; mida la dureza y rigidez de dichos plásticos. (Pur ejemplo, los jnguclcs de morder para perros usan plásticos con un cierto rango de propiedades).
7.54 de Agregue una columna a la taiJJ;¡ 7. 1 que describa la apariencia, los colores especialmente disponihlcs y la opacidad l~.sos pl<ísticos.
Cerámicos,* grafito y diamante: estructura, propiedades generales y aplicaciones 8. ·¡ 8.2 8.3 8.4 8.5 8.6 8.7
Introducción La esiructura de los cerámicos Propiedades generales y aplicaciones de los cerámicos Vidrios Vitrocer{1micos Crafito Diamante
8. 1 iNTRODUCClÓN Los materiales metálicos y no metálicos que fueron descritos en los capítulos anteriores no son acb.rn dos para ciertas aplicaciones de ingenierfa, por ejemplo, (a) un aislante eléctrico que se va a utiliwx tas temperaturas; (b) losetas para piso que deben resistir derrames, rayaduras y abrasión; (c) un mo 1t;,, pma hornear transparente; (d) un pequeño cojinete de bolas ligero, rígido, duro y que resista altas tc.mperaturas; (e) las superficies del módulo del transbordador espacial, fabricados de aluminio, cuando s1: temperatura exterior alcanza los l 450ºC (2650ºF) al despegar y al reingresar a la atmósfera terrestre:. Pronto nos ciamos cuenta que necesitamos materiales con propiedades como resistencia a alla temperatura, dureza, que sean inertes a los productos químicos, a Jos alimentos y al entorno: que tengan resistencia al desgaste y a la corrosión, y baja conductividad eléctrica y térmica. Los rnaleriales que se describen en este capítulo en general tienen estas propiedades deseables. Los cerámicos son compuestos de elementos metálicos y no metálicos. El término cerámicos (ele las palabras griegas keramos que significa arcilla del alfarero y keramikos que significa productos de arcilla), se refiere tanto al material como al producto cerámico mismo. Dado el gran número de combinaciones posibles de elementos, existe hoy en día una gran variedad de cerámicos disponibles para una amplia gama de aplicaciones de consumo e industriales. El primer uso de la cerámica lo encontramos en la alfarería y en los tabiques, desde antes de 4000 a.c. Los cerámicos han sido utilizados durante muchos años en las bujías de Jos motores de automóvil, como un aislante eléctrico y para la resistencia a altas temperaturas. Se han hecho cada vez más impor*N. del R.T. E1 térnlino "cerámico" es genérico para este grupo de materiales; sin embargo, en alfarería tradicional se utiliza el término cenirnica.
203
204
Copítulo 8 / Cer
205
8.2.1 Materias primas Entre los materiales más antiguos como materia prima para la elaboración de cerámicos, está la arcilla, gue tiene una estmctura en forma ele hoja de grano fino. El ejemplo más común es el caolín. (por Kao-ling, una colina en China). Es una arcilla blarica, formada por silicato de aluminio con capas alternas débilmente enlazadas de iones ele silicio y de aluminio. Cuando a Ja caolinita se le agrega agua, ésta se fija a las capas (absorción), haciéndolas resbaladizas, y le imparte a la arcilla su snavidacl conocida y sus propiedades plásticas (hidroplasticidad) que la hacen moldeable. Otras materias primas de importancia para los cerámicos que se encuentran en Ja naturaleza son e! pedernal (una roca formada por sílice de grano muy fino, Si0 2) y el.feldespato (un grupo de minerales cristalinos formados por silicatos de aluminio más potasio, calcio o sodio). En su estado natural, estas materias primas por lo general contienen impurezas de varios tipos, que deben ser eliminadas antes de cualquier procesamiento posterior de Jos materiales en productos útiles ele un desempeño confiable. Las materias primas altamente refinadas producen cerámicos de propiedades mejoradas. f,IGURA ll.1 Una eliversicJael de componentes ce;;ímicos. (a) Alúmina ele alta resistencia para aplicaciones ele alta temperatura. (b) Rotores de turbina de gas fabric;idos de nitruro de silicio. Fuente: Wesgo Div., GTE.
8.2.2 Cerámicos a base de óxidos Existen dos tipos principales de cerámicos a base de óxidos: la alúmina y la zirconio (tabla 8. l)
tantes en mmeria!es para herramientas y troqueles, en motores térmicos y en compe>nentc:s automotrices. como son recubrimientos para puertos de escape, pistones recubiertos y camisas para cilindro. Los ccnírrdcos se pueden cüvidir en dos dases generales: ci. sivas, fradidomiles. como son las vajillm:, tejas, losetas cerámicas, tubos de atarjea, aJfareria, piedras abray
~_BLA
8_:!__:r:_i_pos y características
Tipos-
generales~ los cerámico_s_________ _
Características generales
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Cerámicos n base de óxidos
cerámicos también conocidos corno cerámicos de inge11ierfa, de alta tecmilogfa o cenimicos linos, como los componentes para turbinas, automóviles, usos aerospaciales. (fig. 8.1 ), intercamhiadores de calor, semiconductores. sellos, prótesis y herramientas de corte. Este capítulo describe las caracicríslicas generales y las ari.!icaciones cJe .los cer;\micos. vidrios y cer:imicos de vidrio que tienen importancia en aplicaciones de ingeniería y en la mmmf:.ictura. En vistr1 de ws características únicas. también se analizcm aquí his propiedades y usos de dos formas del carbono, esm es el gralíto y el diamante. La manufacl.ura de componentes cerümicoo y de vidrio y de varias operaciones de conformado y de terminado se detalla¡¡ en el capítulo 17. En e! capítulo 9 se describen los compositos, que es un grnpo importante de materiales formado por ceramicas, metales y polímeros.
Alúmina
vos, aislamiento eléctrico y térmico. Zirconio
ESTl
LOS CERÁMICOS
------
La estructura ele los cristales cerámicos, que conlienen varios
Alla resistencia y tenacidad; dílatación térmica parecida a l;1 de! hierro fundido: adecuada para componentes de motcr térmico.-..
Carburos Carburo de Lungstcno
La dureza, resistencia y resist(~11Cia al desgaste de penden del contcnú.lo de agluLinanlc de cobalto; de
Carburo de lÍLanio
uso común para troqueles y herramientas de cmte. No Ui!l tenaz corno el carburo de tungsteno: uliliza como 'ilgluliiianl.e el níquel y el molibdeno: usado
Carhuro de silicio
en herramientas de corte. Alta resistencia y resistencia al de~;gaste :.i elevadas temperaturas: usado para rno1ores térmico::. y como
Nitruros Nitruro de boro cúbico
82
El evada dureza, resislencia moderado: ccrümica Je uso mLl.s frecuente; herran1\cntas de corte, abras1
"!\Jitruro de titanio Nitruro de silicio Sialon Cermets Sflice
abra~~ívo.
Segunda substancia más dura conoi..:ida, de:-;pués del diamante, usado corno nbrasivo y heffamient~is de corte. De color oro; usado como recubrimiento por su baja caraclerístic;1 ck fricción. Elevada resistencia a la termofluencia y al choque térmico; usado en motores tfamicos. Formado por nitruros de silicio y otros óxidos y carhuros; usado en herramientas de corte. Formado por óxidos, carbufos y nitruros: usado en aplicaciones de altas temperaturas. Reústencia a la alta temperatura~ el cuarzo exhibe un efecto piezoeléclrico: los silicatos que contü> nen varios óxidos se usan en aplicaciones no eslrucLura1es a alta temperatura.
Vidrios
Contienen por lo menos 50 por ciento de silica: estructuras amorfos; disponibles varios tipos con una gama de propiedades mecánicas y físicas.
Vitrocerámicos
Tienen un elevado componente crístalino en su estructura; buena resistencia al choque térmico y resistentes.
Grafito
Forma cristalina del carbono; elevada conductividad eléctrica y térmica; buena resistencia al choque térmico.
Diamante
Substancia más dura conocida; disponible como un monocristal o en forma policristaJina; usado como herramientas de corte y abrasivos y en dados para el estirado fino de alambres.
206 Capítulo 8 / CerJmicos, grafito y diamante: estructura, propíedades generales y aplicaciones ~ección 8.2 /La estructura de los cerámicos
Alúmina. También conocida como corindón o su forma impura usada como esmeril, la alúmina ( do de aluminio, Al 20 3) es el cerámico a base de oxido de uso más amplio, ya se<1 en su forma pura o c materia prima para mezclarse con otros óxidos. Tiene una elevada dureza y una resistencia moderada. A que la alúmina existe en la naturaleza, contiene cantidades desconocidas de impurezas y posee propie no uniformes. Como resultado su comportamiento no es confiable. Hoy en día, el óxido de aluminio, el buro de silicio y muchas otros cerámicos se manufacturan casi totalmente de manera sintética de modo se puede controlar su calidad. Fabricado por primera vez en 1893. el óxido de aluminio sintético se obtiene por la fusión de la bauxi ta hmdida (un mineral de óxido de aluminio que es la fuente principal de este metal), limaduras de hieno coque en hornos eléctricos. El producto enfriado se tritura y después se clasifica por tamaño, haciendo pasar las partículas a través de mallas estándar. Las piezas hechas de óxido de aluminio se comprimen en frío y se sinterizan (cerámicos blancos). Sus propiedades se mejoran mediante adiciones menores de otros cerámicos,. corno el óxido de titanio y el carburo de titanio. Las estructuras que contienen alúmina y otros óxidos se conocen como rmilita y espinel; se usan como materiales refractarios para aplicaciones de alta temperatura. Las propiedades mecánicas y física.1 de Ja alúmina son particularmente adecuadas en aplicaciones como aislantes eléctricos y térmicos y en herramientas de corte y en abrasivos (secciones 21.7 y 25.2).
lirnmio. La zfrconfa (óxido de zirconio, Zr02, de color blanco) tienen buena tenacidad, resistencia al choque térmico, a.1 desgaste y a la corrosión, baja conductividad térmica y bajo coeficiente de fricción, La zkwnfa estabilizada (PSZ, por su:; siglas en inglés) tiene alta resistencia y tenacidad y m:ís confiabilidad en su rendimiento que la zirconia. Se obtiene dopando la zirconia con óxidos de calcio, itrio o rnagnesio.
lfllll'da~mente
Este proceso forma un material con partículas finas de zirconia tetragonal en una red cúbica. Lao; aplkaciones típicas incluyen dados para la ex.tmsión en caliente de los metales (sección l5.4. l) y !as de circo. nía usadas como medio ele esmerilado y de dispersión para recubrimientos para usos aeroespaciales, anticorrosivos, pinturas automotrices, y para impreo;iones finas y brillantes en empaques flexibles para alimentos. Otras características importantes del PSZ son su coeficiente de dilatación térmica (sólo 20% por debajo de l'1 del hicrrn) y su conductividad térmica (alrededor ele 1m tercio de los otros cerámicos), En vista ele es1·;.is propiedades el PSZ es muy adecuado para componentes de motores térmicos, como por ejemplo camisas de cilindro y bujes para válvulas. a ün de mantener intacto e.I ensamble del motor de hierro fundido. Lo<.: nue· vos desarrol.!os para mejorar aún más las propiedades ele PSZ inciuye la zil"conb ,;,111irnrecida poi- trnnsfor· por sus siglas en inglés), que tiene una tenacidad más elevada en rnón a las ti1scs tenaces dispersas(TTZ, en la matriz cenimica.
p~rlas
B.2.3
207
c. El carburo de silicio tiene una buena resistencia al desgaste, al choque ténnico y la corrosión. Tiene un coeficiente de fricción bajo, y conserva la resistencia mecánica a temperaturas elevadas. Es adecuado para componentes de alta temperatura en motores térmicos y también se utiliza como abrasivo. Producido por primera vez en 1891, el carburo de silicio sintético se manufactura a partir de la arena de sílice, el coque y pequeñas cantidades de cloruro de sodio y aserrín. El proceso es similar al de la fabricación del óxido de aluminio sintético (sección 8.2.1). Nitrurns. Otra clase importante de cerámicas es la de los nitruros, particularmente el nitruro ele boro cúbico (CBN), el nitruro de titanio (TiN) y el nitruro de silicio (Si 3N 4). a. El nitruro de boro cúbico, Ja segunda sustancia más dura conocida (después del diamante), tiene aplicaciones especiales, como por ejemplo, en herramientas de corte y como abrasivo en piedras de esme1il. No existe en la naturaleza; se fabricó sintéticamente por primera vez en los años 1970, Lttilizanclo técnicas similares a las de la manufactura del diamante sintético. b. El nitrnro de titanio se utiliza ampliamente como recubrimiento para herramientas de corte. Mejora la vida de la herramienta en virtud de sus características de fricción baja. c. El nitrnro de silicio tiene una elevada resistencia a la termofluencia a temperaturas elevadas, una dilatación térmica baja y una conductividad térmica alta; en consecuencia, es resistente al choque térmico (sección 3.6). Es adecuado parn aplicaciones estructurales a alta temperatura, como en componentes de motores de automóvil, turbinas de gas, rodillos de seguidores ele leva, coj inctes, toberas de chorro de arena y en componentes de la industria del papel. Siaimi. El siah:m está formado de nitruro de silicio con varias adiciones de óxido de aluminio, óxido de itrio y carburo de titanio. La palabra sialon se deriva de silicio, aluminio, oxígeno y nitrógeno. Tiene una resistencia más elevada y una resistencia al choque térmico más alta que ia del nitruro de silicio: hasta ahora, se ha venido utilizando principalmente como m«terial para herramientas de corte (sección 2 l .9). Cermets. Los cermets son combinaciones: una fase ceránúca unida con una fase metálica. Introduci-· do en la década de 1960 y también llamado ce1·ámirns negras o cerámicas prensadas en caliente, combinan la resistencia a ia oxidación a alta temperatura de las cerámicas con la tenacidad. resistencia al choque ténnico y ductilidad ele los metales. Una aplicación de los cermets se encuentra en las herramientas de corte, con una composición de 70% de óxido de aluminio y 30% de carburo de titanio. Otros cermets contienen varios óxidos, carburos y nitruros. Han sido desano!lados para aplicaciones de alta temperatura, como por ejemplo las toberas para los motores a reacción y los frenos para aeronaves. Se pueden considerar los cerrnets como materiales compositos, y se pueden utilizar en varias combinaciones de cerámicas y de metales aglutinados mediante técnicas de metalurgia de los polvos (capítulo J 7).
Otros cerámicos de importancia se pueden clasificar como sigue.
8,2.4 Sílice Carburos, Los ejemplos típicos de los carburos son los del tungsteno (WC) y del titanio (TiC), que se utilizan como herramientas de corte y mate1iales para dados y troqueles, y el del silicio (SiC), utilizado como abrasivo (especialmente en piedras de esmeril (secciones 21.5 y 25.2)). a. Ei carburo de tungsteno está formado de partículas de carburo ele tungsteno con cobalto como aglutinante. La cantidad de aglutinante tiene una int1uencia importante en las propiedades del material. La tenacidad se incrementa con el contenido de cobalto, en tanto que la dureza, la resistencia mecánica y la resistencia al desgaste se reducen. b. El carburo de titanio utiliza el níquel y el molibdeno como aglutinantes y no es tan tenaz como el carburo de tungsteno.
Abundante en la naturaleza, el sílice es un material polimórfico, esto es, puede tener diferentes estructuras cristalinas. La estructura cúbica se encuentra en los tabiques refractarios que se utilizan para aplicaciones de hornos de alta temperatura. La mayor parte de los vidrios contienen más de 50% de sílice. La forma más común del sílice es el cuarzo, que es un cristal hexagonal, duro y abrasivo. Se utiliza ampliamente en aplicaciones de comunicaciones como un cristal oscilador de frecuencia fija, dado que exhibe el efecto piezoeléctrico (sección 3.7). Los silicatos son los productos de la reacción de el sílice con los óxidos de aluminio, magnesio, calcio, potasio, sodio y hierro. Los ejemplos son la arcilla, el asbesto, la mica y los vidrios de silicatos. El silicato de aluminio y litio tiene una dilatación térmica y conductividad térmica muy bajas y una resistencia al choque térmico buena. Sin embargo, tiene una resistencia mecánica muy baja y una vida a la fatiga muy corta. Por lo
208
Capílulo 8 / Cerjmicos, grafito y diamanle: estruclurd, Pl'Opic-:dades generales y aplicaciones
209
Sección B.3 /.Propiedades generales y aplicacion_es de los cerámicos
c¡ue sólo es adecuado para aplicaciones no estructurales, como convertidores catalíticos, regenen.1dores y e ponemes de intercambiadores de calor.
8.2.S Cerámicos y compuestos nanofase A fin de mejorar la ductilidad y las propiedades de manufactura de los cerámicos, se ha reducido el tarn de las partículas en los cerámicos utilizando varias técnicas como es la condensación de gas. Conocidos estos materiales están formados de agrupamientos atómicos que contienen mo cerámicos ctiantos miles de átomos. En estos cerámicos es importante el control del tamafio de las particulas, su di bución y contaminación.
nanofas~,
-
TABLA 8.2
Propiedades de varias cerámicas a la temperatura ambiente
Mateiial
Símbolo
Resistencia a Ja rotura transversal (MPa)
Resistencia ala compresión (MPa)
óxido de
Al 20 3
140-240
1000-2900
CBN
725 1400
Módulo elástico
Dureza Knoop (HK)
Relación de Poisson (v)
Densidad (kg/m 3)
3 lü--410
2000-3000
0.26
4000-4500
7000
850
4000-5000
7000
830-1000
7000-8000
1300
70
550
0.25
700-3500
240--480
2100-3000
0.14
3100
300-310
2000-2500
0.24
3300
(GPa)
a1urninio
Nitrnrn de
3480
boro cúbico
Diamante
3500
Los cerámicos nano fase exhiben ductilidad a temperaturas significativamente inferiores a las de los rámicos convencionales. Son más resistentes y más fáciles de fabricar y de maquinar, con menos defectos. encuentran aplicaciones en la industria automotriz (válvulas, brazos de balancín, rotores de turbocargado camisas de cilindro) y componentes de motores a reacción.
'
Si0 2
Carburo
SiC
100-750
Si 3N.1
480-600
Las partículas nanocristalinas de segunda fase (del orden de lOO nm o menos) y sus fibras también utilizan como refuerzo en materiaíes compositos (capítulo 9). Mejoran propiedades como Ja resistencia a tensión y la resistencia a la termofluencia (véase también la sección 6. J5 sobre nanomateriales)_
de ~ili~io
Carbure de titanio
TiC
1400-1900
3100-3850
310--410
1800-3200
5500-5800
Carburo de
wc
1030-2600
4100-5900
520-700
1800--2400
10.000-15,00!l
PSZ
620
200
1100
desiiido
Nit111ro
tung~!eno
Zirconi~:
PROPIEDADES GENERALES Y APLICACIONES CERÁMICOS
-------- ------~-----
0.30
5800
parciaimentc estabilizada
Nota: esta;-; propiedades varian ampliamente dependiendo de! estado del material.
En comparación con los metales, Jos cerámicos tienen las siguientes caracterfsticas relativas: fragilidad, aira resistencia mecánica y dureza a temperaturas elevadas, módulo de elasticidad elevado y tenacidad, densidad. diiat<1ci6n térmica y concluctividac! lérmica y eléctrica bajas. Sin embargo, en vista ele la amplia diversidad de composiciones de material cerámico y de tamafios de grano, las propiedades mecánicas y físicas ele lo> cerámicos varían significativamente. Por ejemplo, la conductividad eléctrica de los cerámicos se puede modificar
8.3, -¡ Propiedades mecánicas En la tabla 8.2 se presenta11 las propiedades mecánicas de varios cerámicos de ingeniería. Nótese c¡ue su resistencia a la tensión (resistencia a la rotura transversal, sección 2.5) es de aproximadamente un orden de magnitud inferior a su resistencia a Ja compresión. La razón está en su sensibilidad a las grietas, impurezas Y porosidad. Estos defectos conducen a la iniciación y propagación de grietas bajo esfuerzos a tensión; esta propa· gación reduce severamente la resistencia a la tensión. Por tanto, la reproducibilidad y la confiabilidad r,.,,.
donde Pes la fracción volumétrica de los poros en el sólido, UTS 0 es la resistencia a la tensión a porosidad cero, y el exponente n tiene valores entre 4 y 7. El módulo de elasticidad de los cerámicos está relacionado aproximadamente con la porosidad medianle la ex presión
E=
l -- L9P
+ 0.9P 2 ),
(g.2)
donde E0 es el módulo a porosidad cero. A diferencia con la mayor parte de los metales y de los termoplásticos, los cerámicos por lo general ca-recen de tenacidad al impacto y de resistencia al choque térmico, en razón a su inherente carencia de ductilidad. Una vez iniciada, una gtieta se propaga con rapidez. /\.demás de sufrir fallas por fatiga bajo cargas cíclicas, los cerámicos (y particularmente los vidrios, sección 8.4) presentan un fenómeno c¡ue se llama fatiga estática. Cuando se someten a una carga a la tensión estática durante un periodo de tiempo, estos materiales pueden fallar súbitamente. Este fenómeno ocurre en entornos donde está presente el vapor de agua. La fatiga estática, que no se presenta en el vacío o en el aire seco, se ba atribuido a un mecanismo similar al del agrietamiento por esfuerzo-corrosión de los metales (sección 2. l 0.2). Los componentes cerámicos c¡ue deben ser sometidos a esfuerzos a la tensión pueden ser preesforwdos, de manera muy similar al preesforzado del concreto. El preesforzado de los componentes cerámicos ya formados los somete a esfuerzos a la compresión. Los métodos utilizados incluyeff a. Tratamiento té1mico y temple químico (sección 17.11) b. Tratamiento por láser de las superficies c. Recubrimiento~ con cerámicos de coeficientes ele dilatación térmica diferentes y d. Operaciones de acabado superficial, como es el esmerilado, en el que se inducen esfuerzos residuales a compresión en las superficies.
210
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1
me~oramiento
'l
. Se están logrando adelantos significa;iv?s en el de la tenacidad y otras propiedades de los •• ccram1cos, mcluyendo el desarrollo de cen1m1cos maqumables. Entre estos adelantos se rncluye la selección ,,, y procesam1enw adecu~dos _de las maten as ~rimas, ~l control de la pureza~ de la estructura y el uso de re- ·71· fuerzos, con particular enfasts durante el diseno de metoclos avanzados de anal1s1s ele estuerzos eo componen- :Í; tes cerámicos.
., 8.3 Seccion
' I·:
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La mayor parte de los cerámicos tienen una gravedad específica relativamente baja, que va desde aproximadamente 3 hasta 5.8 para los cerámicos a base de óxidos, en comparación con el del hien-o de 7.86 (tabla 3.1.). Tienen temperaturas de fusión o de descomposición muy elevadas. La conductividad térmica en los cerámicos varía tanto como tres órdenes de magnitLtd, dependiendo de su composición, mientras que en los metales sólo va.ría en un orden. La conducli viciad térmica de los cer:J111icos. al igual que ia de otros materiales, se reduce al incrementarse la temperatura y la porosidad, ya que el aire es un maJ conductor térmico. La conductividad térmica k está relacionada con la porosidad por
1 , l 1 ~!.
\~?
k ~ ic0 (I
--
-~::~' {~>
P),
{K3)
0
donde k es la conductividad térmica a porosidad cero y Pes la porosidad como una fracción del volumen to-· tal. Por lo que, si la porosidad es ele 15%, entonces P =O. l 5. La dilalación térmica y !a conductividad térmica inducen esfuerzos que plieden conducir al choque lérmrco o a la fatiga térmica. La tendencia hacia el agrietamiento térmico (llamado descascarado cuando se desprende una porción o una capa de la superficie) es menor con una dilatación térmica bf\ja y conductividad térmica alta. Por ejemplo, el sílice fundido tiene una resistencia al choque térrnico elevada, gracias a que su diitaci6n térmica es virtualmente cero. Un ejemplo familiar que ilustra ta importancia de la dilatación 1·érrnica bi\ja es la de los cerámicos r·e· ,·:is ten tes
! ,P·iop1e . dades b oenerales Y aplicaciones de r.
los cerámicos
. B.3.1 Apl icac1ones
:re
83.2 Propiedades físicas
2~1 <
1
Capítulo S / Cer·ámicos, grafito y diamante: estructura, propiedades generales y aplicaciones
Los c<::r{rrnicos tienen nnmerosas aplicaciones en productos de consumo e industriales. Se utilizau varios tipos de cerámicos en las industrias eléctrica y electrónica, debido a que tienen una resistividad eléctrica elevada, una resistencia dieléctrica alta (voltaje requerido para la ruptura eléctrica por unidad de espesor), Y propiedades magnéticas adecuadas para aplicaciones tales como imanes para bocinas. Un ejemplo es la porcelana, que es una cerámica blanca compuesta de caolín, cuarzo y feldespato; su mayor uso se encuentra en aparatos domésticos y sanitarios. La capacidad de los cerámicos a conservar su resistencia y rigidez a temperaturas elevadas los hace atractivos para aplicaciones a temperaturas elevadas. Su resistencia al desgaste elevada, los hace adecuados para aplicaciones como camisas de cilindro, bujes, sellos y cojinetes. Las mayores temperaturas de operación posibles gracias al uso ele componentes cerfünicos significau una combustión más eficiente del combustible y una reducción en las emisiones ele los automóviles. Actualmente, los motores ele combustión interna poseen una eficiencia aproximada de 30%, pero con el uso de componentes cerámicos el rendimiento de operación puede mejorar en por lo menos un 30%. · Una cantidad apreciable ele investigación se ha llevado a cabo en el desarrollo de materiales y técnicas para un motor térmico totalmente ele cerámico capaz ele operar a temperaturas hasta de lOOOºC (1830ºF). El desarrollo ele un motor ele ese tipo ha siclo, sin embargo, más lento de lo esperado debido a problemas tales como la ineficiencia, carencia de la tenacidad suficiente, clificultacl con los rodamientos de lubricación y com· ponentes sujetos a altas temperaturas, una necesidad aún no satisfecha de técnicas ele evaluación no destructivas confiables, y una carencia de capacidad de los cerámicos estructurales (como son el nilruro y el carburo de silicio) para su producción económica en su forma casi final, en comparación con la necesidad ele proceSffS ele maquinado y ele acabado demandados para la precisión dimensional del motor. En consecuencia no se espera lograr motores totalmente ele cerámico hasta el próximo siglo. Los cerámicos qlle se están utilizando con éxito, especialmente en componentes de motor automotriz de turbina ele gas (como los rotores), son de nitrnro de silicio, carburo de silicio o ele zirconia parcialmente estabiiizada. Otra aplicación es el recubrimiento de metal con cerámico; se puede hacer con la finalidad de reducir el desgaste, impedir ia corrosión o proporcionar una barrera térmica. Las tejas del transbordador espacial, por ejemplo, están hechas de fibras de sílice con una estructura celular abierta forrnada de 5% de sílice. El resto ele la estructura de la teja es aire, por lo que la teja no solamente es muy ligera, sino también es una barrera térmica excelente. Las tejas (34000 en cada transbordador) están unidas a la cobierta ele aluminio de] transbordador espacial con vmias capas de adhesivos a base de siliconas. La temperatura ele la cubierta del transbordador alcanza l 400ºC (2550ºF), debido al calor por fricción ele! contacto con la atmósfera. Otras propiedades atractivas ele los cerámicos son su baja densidad y su elevado módulo elástico. Permiten que el peso del motor se reduzca y, en otras aplicaciones permite que las fuerzas ele inercia generadas por las parles en movimiento sean menores. Los turbocargaclores cerámicos, por ejemplo, son aproximadamente 40% más ligeros que los convencionales. Los componentes ele alla velocidad ele las máquinas hen-amientas también son candidatos para los cerámicos (capitulo 24 ). Además, el elevado módulo elástico de Jos cerámicos los hace atractivos para mejorar la rigidez y al mismo tiempo, reducir el peso ele las máquinas. Biocerámicos. Debido a su resistencia mecánica y biocompatibilidad, se utilizan los cerámicos corno biomateriales (biocerámicos) para reemplazar articulaciones en el. cuerpo humano, como prótesis y en trabajo dental. Además los implantes cerámicos se pueden hacer porosos; el hueso puede crecer en la estructura porosa (igual que con los implantes de titanio poroso) y desarrollar una fuerte unión, con una elevada integridad estrnctural entre las partes. Los biocerámicos ele uso común son el óxido ele aluminio, el nitruro ele silicio y varios compuestos de sílice.
2'll 2
CJpilulo H / Cerdmicos, grafiw y diarnante: estructura, propieclacle,; generales y aplicaciones
Sección 8.4 /Vidrios
Ejemplo: Rodamientos de bolas y pistas de cerámica
TABLA 8.3
Los rodamientos de bolas de cerámico de nitruro de silicio están siendo utilizados en máquinas, pan¡ brmente en rodamícmos de lmsillode alto rendímiento.para:rnáquinas herramientas, Las esferas e· micas tienen una tolerancia en el diámetro de Od3 ,um (5 ,Upulg) y una aspereza superficial de 0JJ2, 10.8 µpulg). Tienen una elevada resistencia al. desgaste y.una.alta tenacidad a la fnwtura, y desempe bien con poca o sin lubricación. Las bolas tienenui:r:c?eí!éfünte,de dilatación térmica de la cuarta parte .la del acero, y pueden resistir temperaturas hasta(;leJ400,%>(2550ºF),
se
Un desarrollo más reciente son los rodamientos de bolas y pistas.:fabrícadas de un material híbrido mewl y cerámica. Medi.ante técnicas de metalurgiatlepolvos se produce, a partir del titanió y del ni1ru de carbono, el. carbonítruro de titanio (TiCN)de altadensídad(mencfonado en la sección 21.6.3), mismo g es dos veces más .duro que el acero al cromo y 40% más,1Íger()' Se puede producir componentes de hast 300 mm ( 12 pulg,) de diámetro.
8.4 VIDRIOS
-
Las cuentas de v.iclrio se produjeron aproximadamente por primera vez aproxim.1damente en 2000 a.C., seguido por el vidrio soplado aproximaclamcll!e en 200 a.C. Se utilizó sílice para todos los productos de: vidrio hasta fines del siglo XVII. A principios del siglo XX se inició un nípiclo desarrollo en la industria del vidrio. Aci.ualmemc existen apro"imadamente 750 tipos diferenies cie vidrios comercialmente disponih!es. Las variedades del vidrio van ele ac¡nel para ventana a los usados para recipientes, iluminación, rubos de TV. y CRr. y atensilios de cocina hasta los vidrios con características mecánicas, eléctricas, a tempc;ratm·a elevada, allíiquímicos de corrosión y l\ptícas especiales. Se utilizan los vidrim; especiales en fibras ópticas (par;1 Ja comunicación por medio Je L luz con pocas pérdidas de energía de la señal) y en fibras de vidrio con lYH1y alta rcs~stcncia (para uso en plásticos reforzados, sección 9..2). Todos los vidrios contienen por lo menos 50% de sflicc, que se le conoce como fol'mador d
8A.!
de vidrios Prácticamente todos los vidrios comerciales se clasifican por tipo (tabla 8.3). a. vidrio comercial (sódico-cálcico); b, vidrio de plomo y álcali; c. vidrio de borosilicato; d. vidrio de aluminosilicato; e, vidrio ele 96% de sílice;
f, vid1io de sílice fundido
Propiedades de varios vidrios Vidrio de borosilicato
96% de sílice
Vidrio comercial
Vidrio de plomo
Densidad
Alto
El más alto
Medio
Bajo
El mús bajo
Resistencia
Bajo
Bajo
Moderado
Alto
El más alto
Resistencia al choque térmico
Bajo
Bajo
Bueno
Mejor
El mejor
----
Sílice fundido
Resistividad eléctrica
Moderado
El mejor
Bueno
Bueno
Bueno
Trabajo en caliente
Bueno
El mejor
Regular
Pobre
El más pobre
Posibilidad de tratamiento térmico
Bueno
Bu cu o
Pobre
Ninguno
Ninguno
Resistencia qulmica
Pobre
Regular
Bueno
Mejor
El mejor
Resistencia al impacto
Regular
Pobre
Bueno
Bueno
El mejor
Pobre
Pobre
Regular
Bueno
Bueno
Bajo
Medio
Alto
El más alt0
y a ~a abrasión Transmisión de
El vidrio es un sólido amorfo con la estructura de un líquido. En otrn palabrns, es un lfguido superercfh:ado, esto es, enfriado a una velocidad demasiado elevada para permitir la formación de cristales. T
213
luz Jltraviolctu
Costo rclati vo
-------
El más bajo
Los vidrios también se clasifican como de color, opacos (blanco y translúcido), multiforme (diversidad de formas), óptico, fotocromático (se obscurece al ser expuesto a Ja luz, corno en los lentes), fotosensilivo (que cambia de transparente a opaco), fibroso (estirado en fibras largas como en la fibra de vidrio), y en espuma o celular (que contiene burbujas, siendo por tanto un buen aislante térmico). Se puede nombrar al vidrio como duro o blando, por lo general en el sentido de una propiedad térmica en vez de mecánica. Un vidrio blando se reblandece a una temperatura inferior en comparación con un vi· cirio duro. Los vidrios comercial (sódico-c
8.4,2 Propiedades mecánicas Para todos los efectos prácticos, el compo11amien!o de los vidrios, igual que el de la mayor parte de los cerámicos, se considera como perfectamente elástico y frágil (sección 2.1 O). El módulo de elasticidad de los v;drios comerciales va desde 55 GPa a 90 GPa (de 8 a 13 millones de psi), y sus relaciones de Poisson de 0.16 a 0.28. La dureza ele los vidrios, como una medida de la resistencia a las rayaduras, va ele 5 a 7 en la escala de Mohs; esto es cquivaleme a un rango de aproximadamente de 350 HK a 500 HK (véase la fig. 2.16). El vidrio en forma volumétrica liene una resistencia menor a 140 MPa (20 ksi). Esta resistencia relativamente baja del vidrio se atribuye a la presencia de pequeñas fisuras y microg1ietas en su superficie, algunas de las cuales pudierau haber sido generadas durante el manejo normal del vidrio mediante una abras;ón inadvertida. Estos defectos reducen la resistencia del vidrio en dos o tres órdenes ele magnitud, en comparación con su resistencia ideal (libre de defectos). Los vidrios pueden hacerse más resistentes mediante tratamientos térmicos o químicos, a fin de obtener una resistencia y tenacidad elevadas. La resistencia del vidrio puede alcanzar teóricamente una cifra tan alta como 35 GPa (5 millones de psi). Cuando el vidrio fundido ha sido recién estirado en fibras (fibras de vidrio), su resistencia a la tensión va de 0.2 GPa a 7 GPa (30 ksi a 1000 ksi.), con un valor promedio de aproximadamente 2 GPa (300 ksi.). Estas fibras de vidrio son más resistentes que el acero; se utilizan para reforzar los plásticos en aplicaciones como por ejemplo embarcaciones, carrocerías de automóvil, muebles y equipo deportivo (tablas 2_1y9.1).
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Capítulo 8 /Cerámicos, graíito y diamante: estructura, propiedades generales y aplicaciones
La resistencia del vidrio se mide usualmente por flexión. Primero se "lude" (se hace áspera) la superficie dei vidrio para asegurar que la prueba da un nivel de resistencia que es confiable para servicio real bajo condiciones adversas. El fenómeno de la fatiga estática, que se observa en los cerámic0s (sección 8.3), también aparece en Jos vidrios. Si un artículo de vidrio debe resistir una carga durante 1000 horas o más, el esfuerzo máximo que se puede aplicar es de aproximadamente una tercera parte del esfuerzo máximo que el mismo artículo puede soportar durante el primer segundo de carga.
H.4.3 Pmpiedades físicas Los vidrios exhiben una conductividad térmica baja y una resistividad eléctrica elevada y resistencia dieléctrica alta. Sus coeficientes de dilatación térmica son inferiores a los de los metales y plásticos; inclusive pueden acercarse a cero. Por ejemplo, el vidrio de silicato de titanio (un vidrio sintético transparente de alto contenido de sílice) tiene un coeficiente de dilatación cercano a cero. E1 sílice fundido, un dióxido de silicio amorfo sintético transparente, de muy alta pureza, tiene tamhién tm coeficiente de dilatación cercano a cero. Las propiedades ópticas de ios vidrios (como la reflexión, !a absorción, la transmisión y Ja refracción) se pueden modificar variando su composición y tratamiento.
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Sección 8.6 /Grafito
215
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5 FIGURA 3.2
Aunque los vidrios son amorfos, los vilrnceriímieos (corno el Pymceram, un nombre comercial) tienen un componen(e altamente cristalino en su rnicroestrnctura. Los vitrocerámicos contienen grandes proporciones de varios óxidos, y por tanto sus propiedades son una combinación de las de los vidrios y las de !os cerámicos. La mayor parte de Jos vitroc:erámicos son más resistentes que eJ vidrio. Estos productos primen¡ se forman y luego se tratan térmicamente. con Jo que ocurre la desvitrificación (recristalización) del vidrio. /\ diferencia de la mayor parte de los vidrios, que son transparentes, los vitrocerárnicos son por lo general de color blanco o gris. La dm·e7,a de los vitrocerámicos va aproximadamente de 520 HK a 650 HK. Tienen un coeficiente de dilatación r.érmica cercano a cero; como resultado. tienen una buena resistencia al choque térmico. Son resistentes, debido a la ausencia de porosidad que usualmente se encuentra en los cerimicos convencionales. Liis propiedades de los vitrocerámicos se pueden mejorar modificando su composición y mediante técnicas dt: !:ratamicnto térmico. Desarrolladas por primera vez en 1957, !os vitrocerámicos son adecuados para l
Varios componentes de ingeniería fabricados ele grafito.
te, lnc. una empresa de UnocaL
Una característica del grafito es su resistencia a los productos químicos: por ello, se usa en filtros parn fluidos con-osivos. También su sección transversal de baja absorción y su sección transversal de alta dispersión para los neutrones térmicos hacen del grafito adecuado para aplicaciones nucle;ires. La punta de un piz ordinario es una inezcla de grafito y arciHa. El grafito eslú disponible en forma come.rcial en formas cuadradas, rectangulares o redondas en vario,; y mitamaños y se clasifica por lo general en orden decreciente de tamaño de grano: induslrial, crograno. Como en los ced.rnicos, las propiedades mecúnicas del grafito mejoran con la disminución del tamaño del grano. El grafito microg;rano puede ser imprngnado con cobre; de esta forma se le utiliza en dectroclos en el maquinado por descarga el6ctrica y para dispositivos de hornos. Por lo regular el grafito es rrocesado primero mediante moldeo o formado, después se cocciona en horno y por último se maquina a :;u forma ftnaL
Fibras de grafito. Un uso importante del grafito es en fibras en plásticos reforzados y en matcriaks
8.6 GRAFITO El grafüo es una forma cristalina del carbono con una estructura en capas con planos u hojas basales de átomos de carbono de empaque compacto (véase la fig. 1.4). En consecuencia, el grafito es débil al corte a lo largo de las capas. Esta característica, a su vez, le da al grafito propiedades de baja fricción como lubricante sólido. Sin embargo, sus propiedades a la fricción son bajas únicamente en un entorno de aire u humedad: en vacío, el grafito es abrasivo y es un mal lub1icante. A diferencia con otros materiales, la resistencia y la rigidez en el grafito se incrementan con la temperatura. El grafito amorfo se conoce como negro de humo (hollín negro) y es usado como un pigmento. Aunque es frágil, el grafito tiene una elevada conductividad eléctrica y térmica así corno una buena resistencia al choque térmico y a las altas temperaturas (a pesar que se empieza a oxidar a partir de los 500ºC (930ºF)). Es, por tanto, un material importante para aplicaciones como electrodos, elementos calefactores, escobillas para motores, dispositivos y partes de horno de alta temperatura, materiales para moldes (como crisoles para la fusión y el colado de metales), y en sellos (fig. 8.2).
compositos (sección 9.2.l).
Espuma de carbono. Un desanollo reciente es la espuma de carbono microcelular, con características isotrópicas de resistencia y una porosidad uniforme, Las aplicaciones posibles incluyen su uso como componentes de refuerzo en estructuras aerospaciales (creando así un material compuesto) que puede ser forrnadc de forma directa.
Bolas Bucky. Un desanollo más reciente es la producción de moléculas de carbono de forma de balones de fútbol, llamados bolas Bucky (por Buckrninster Fuller (1895-1983), inventor del domo geodésico). También llamado fulerenos, estas moléculas esféricas, químicamente inertes, se producen a partir del hollín y se comportan de una manera muy sirnilar a partículas de lubricante sólido (sección 32.11.l ). Los fulerenos se convierten en superconductores al mezclarse con metales.
-Capítulo 8 / Curómicos, grafito y diamante: estructura, pmpieclades generales v aplicaciowos
2] 6
Términos clave
8.7
217
variedad de composiciones y de propiedades mecánicas, físicas y ópticas. Los vitrocerámicos son predominantemente cristalinos en su estructura y tienen propiedades que son más deseables que las de los vidrios.
La segunda forma principal del carbono es el diamante, que tiene una estructura enlazada covalentemcnte. Es la substancia más dura conocida (7000 HK-8000 HK). El diamante es frágil, y se empieza a cte:sccrm1·1nnp, en d aire a aproximadamente 700ºC (1300° F); en entornos no oxidantes, resiste altas temperaturas.
" El vidrio en volumen tiene una resistencia relativamente baja. pero los vidrios se pueden hacer más re sistentes mediante tratamientos térmicos y químicos, a fin de obtener una elevada resistencia y tenacidad. Las fibras de vidrio se utilizan ampliamente como material ele refuerzo en materiales compositos como en los plásticos reforzados con fibras.
El dimm:u1te sintético o imfostria.l se fabricó por primera vez en 1955; se utiliza ampliamente en aplicaciones industriales. Un método para fabricarlo es el someter el grafito a una presión hidros!ática de ! 4 GPa (2 millones de psi) y una temperatura de 3000ºC (5400ºF). El diamante sintético es idéntico al natural, y licne propiedades superiores debido a que carece de impurezas. Está disponible en varios tamaños y formas: pa .. ra el maquinado abrasivo, el tamaño de grano m<ís común es de 0.01 mm (0.004 puJg.) ele diámetro. Las partículas de diamante pueden también ser recubiertas con níquel. cromo o titanio parn L!ll mejor rendimiento en operaciones de esmerilado.
" El grafito, los folercnos y el diamante son formas del carbono desplegando combinaciones no usuales de propiedades. Estos materiales tienen aplicaciones únicas y en desarrollo en la ingeniería y en la ma nufactura. El grafito tiene aplicaciones en altas temperaturas y eléctricas; las fibras de grafito se utilizan para reforzar los plásticos y otros materiales composilus. El diamante (tanto el natural como el sintético (o industrial)) se utiliza como herramientas de corle para operaciones finas de maquinado, como dados para el estirado de alambres finos y como abrasivos para ruedas de esmeril. El carbono similar al diamante ha sido desarrollado para aplicaciones como material de recubrimiento, a fin de proporcionar una mejor resistencia al desgaste.
Un desarrollo más reciente es el carbono similar al diamante (DLC, por sus siglas en inglés: Diamond Like Carbon). Se utiliza como un recubrimiento de película de diamante como se describe en !a Mocción 33. J 3. Hoy día se fabrica el diamante sintético de calidad de joyería; su conductividad eléctrica es 50 veces superior a la del diamante natural, y es 10 veces más resistente al daño por láser. Sus posibles aplicaciones se encuentran en sumideros de calor para computadoras, en telecomunicaciones, en la industria de los circuitos integrados y como ventanas en los láser de alta potencia. En vista de sus características favorables, el diamante tiene muchas aplicaciones importantes conw siguientes:
TENDENCIAS ;u. material
de herramienta de COL1c, en forma de monocrislales o en
(sección 21 !0)
" Se están haciendo esfocrzos para mejorar la resistencia mecánica, la tenacidad y la resistencia a la fatiga, a la corrosión y al c!e:;gaste, así como al choque térmico de las cerámicas, incluyendo la reproducibilidad de sus propiedades y su confiabilidad en servicio.
corno abrasivo en piedras de esmeril, para el esmcriiado de materiales duros (sección 25.2). c. para ei rectificado ele piedras de esmer,ii (es decir, para el afilado de los granos
®
Se están desanoilando métodos de prueba estándar y no destructivos para la inspección y para la detección de fallas en componentes cerámicos y para el juicio del daño por impacto y por fatiga a los componentes, en particular a los componentes graneles.
0
Se están desarrollando tratamientos por láser y técnicas de implantación de iones para modifirnr las superficies cerámicas y sus propiedades.
~
Cada vez se están aplicando más peiículas de carbono similar al diamante (DLC) a superficies, a fin ele mejorar sus propiedades de fricción y desgaste; se' están utilizando recubrimientos de hasta cinco nanómetros de espesor.
d. como dacios para eJ estirado de alambre con menos de 0.06 mm (0.002:0 plg.) de cliámetrn, y recubrimientos para herramientas de corte y dados (secciones 2 J. l Oy .33.13).
Varios materiales no metálicos son de gr;111 imporlancia en las aplicaciones de ingeniería y en los proce· sos de mam.1foctura. Los cerámicos que son compuestos de elementos metálicos y no metálicos, en general se caracterizan por una dureza elevada, una resistencia a la compresión alla, un módulo elástico elevado, una dilatación térmica b1\ja, alta resistencia a Ja temperatura alta, inerte químicamente, densidad baja, y conductividad térmica y eléctrica bajas. Por otra p
TÉRMINOS CLAVE Alúmina Arcilla Bioccrárnicos Bolas Bucky Carbono Carbono similar al diamante .Carburos ., (:erámicos , 'cerámicos blancos . Cérámicos industriales Cerámicos nanofase Cerámicos a base de oxiclos
Cermets Des vitrificación Diamante Diamante industrial Espuma ele carbono Fatiga estática Feldespato Fibra de vidrio Formador de vidrio Fulerenos Grafito Implantación de iones
Nitmros Pedernal Porcelana Porosidad Sialon Sílice Vidrio Vitrocerámicos Zirconia endurecida por tranformación Zirconia parcialmente estabilizada Zirconio
2rn Capítulo()/ Cerámicos, grafito y diamante: es1ruuura, propir-;dacks gc'nerales y aplicaciones Sínlesis y diseño
818 Bioceramics: material,\' and applications, American Ceramic Sociely, Vol. I, 1995; Vol. U, l996,Vo1. lll 1999. Concise encyclopedia r~f'advanced ceramics. The MIT Press, 1991.
Ellis, W. S., Glass, Avon Books, 1998. Edinsinghc, M. J. An introductirm to structural engineering ceramic, Ashgate Pub. Co., l 997. Engineered materia!s handbook, Vol. 4: Ceramics and glasses. ASM lntemational, 1991.
Green, D. L An intmduction to the mrec11w:•.zc,~1 ties ofceramics. Cambridge Univ. Press, ¡ 998. Handbook o/ceramics and composites, 3 vals. Marce! Dckker, 199 l. Hench, L. L. y J. Wilson (Eds.), An introduction to bioceramics. World Scientific Pub.. J 993.
H. (Ed. ),
Trans
Tech Pub., l 996.
219
8.21 Explique por qué los datos de las propiedades mecánicas de la tabla 8.1 tienen un rango tan grande ¿Cuál es el significado en la práctica de ingeniería?
Pfaender, H. G. (Ed.J, Hall, 1996.
to glass, Chapn1a
8.22 ¿Qué razones puede usted pensar que alentaron el desarrollo del diamante sintético? 11
Pierson, H. O., Handbook ofcarbon, gmphite, dia
and fulferenes: properties, processing and cations: Noyes Pub., l 993. Prelas, M. A., G. Popovichi, y L. K. Bigeiow (e Handbook o/ indusfriat diamonds and dianz films. Marce] Dekker, ! 998. Rice, R. W., Pomsity of ceramics. Marce! Dckkcr, J998, Richerson, D. W., Modern ceramic engineering (2a ed.).
8.23 Explique por qué las propiedades mecánicas de los cerámicos son en general mejores que las de Jos metales.
8.24 ¿De qué manera se le da mayor tenacidad a los cerámicos? 8.25 Mencione y describa aplicaciones en las cuales la fatiga estática puede ser importante.
8.26 ¿De qué manera afecta la porosidad las propiedades mecánicas de los cerámicos y por qué es así? s.·27 ¿Qué propiedades son de importancia para la fabricación de cerámicos resistentes al calor pará uso en cubiertas dt:: hornos? ¿Por quO 8.28 Describa las difenmcia,s entre las propiedades de los vidrios y ele los cerámicos.
$.29 Hoy en día están disponibles una gran variedad de vidrios. ¿Cuál es Ja razón?
Marce! Dekker, l 992. Schwartz, M. M. (Ecl.), Handbook
8.30 ¿Cuál es la diferencia entre la estructura del grafito y la del diamante'' ¿Es importante" Explique.
McGraw-Hill, 1992. Schackelford, J. F. (Ed.), Bioceramics, Wachtman, Jr., J. B., Mechanical pmpe
8.32 El óxido de aluminio y la circonia parcialmente estabilizada se describen como de apariencia blm1cas. ¿Pueden colorearse? De ser asf, ¿Cómo se llevaría a i.:abo?
Wiky, 1996.
Weimer, A. (Ed.), Carbide. nitride and boride & Hai!, l 997.
symhesis
8.31 ¿Qué materiales son adecuados para utilizarse en una taz.a de café? Explique.
8.33 Tanto los cerámicos como las fundiciones de metal (parte II) son más resistentes a Ja compresión que a la tensión ¿Qué razones de causas similares existen para estos comportamientos? 834 ¿.Por qué depende la resjstencia de una pieza de cerámico de su tamaño? 8.35 En los viejos cast111os e ig!esjas de Europa, las ventanas de vidrio despliegan much;is ondulaciones y son más gru.e~ sos en la parte inferior que en la superior. Explique ¿por qué ha ocurrido lo anterior? 8.36 Los cerámicos son duros y resistentes a la compresión y al corte. ;,Por qué entonces no se utilizan como clavos u OLros sujetadores?
8.l Compare las diforencias principales entre las propiedades de !os ccrümicos y la.s de Ir» metales y plüstico.s Liste los tipos principales de cerámicos que son de utilidad en aplicaciones de ingeniería. 8.3 ¿En qué consisten los materiaies siguientes? (a) carburos; (bJ cermets; (cJ sialon. 8.4 Liste ias limitaciones principales de los cerámicos. 8.. 5 ¿()ué es fa porcclmm? <'J.¡\ ¡,Qué •es el vidrio? ¡,Por qué 8.7 ¿Qué es dcsvitrificación?
3.a
le llama un malcría) superenfriado?
Liste lo,..., tipos principales de vidrio y sus aplicaciones.
3~9 ¿Qué es fatiga estática?
8.}.'C De,<.;criba los usos principales del grafito.
3.JlJ ¿Cuái es e] significado de!
AL;~Ü:; en csle capítulo?
8.]2 ¿Cómo .se producen Jos i.;en.ünicos de alúmina?
8.37 Se dijo en el texto que los cerámicos tienen un rango más amplio de resistencias a la tensíón que los mel3.ics. Liste las razones para lo anterior, con respecto tanto a las propiedades cerámicas que causan variaciones y a las dificult;:-cdes para obtener resultados repetibles.
PROBLEMAS 8.38 Si un cerámico Lotalrncnte denso licne !as propiedades que UTS 0 = 180 lVIPa y E'0 =300 GPa, ¿Cuáles son e:->tas pn1piedadcs a una porosidad de 20% para valores de n :::;: a 4, 5, 6 y 7 respectivamente? 8.39 Trace Jos valores de UTS, E y k para los cerámicos como una función de la porosidad P, y describa y explique las ten-· dencias que usted observa 1·~n su comportamiento. 8.40 ¿,Cuál sería la resistencia a la tensión y e1 módulo de elasticidad de la cerámlca del problema 8.38, para porosidades de J0% y de 30%, para los cuatro valores n dados?
S. [3 /,Cuál es la diferencia enlre un carburo y un nitruro?
8.41 Calcule las conductividades térmicas para cerámicos a porosidades de l 0%, 20% y 30%, para k0 = 0.7 W/m • K.
8.]4 ¡,Qué características diferencian a la circonia parcialmente estabilizada de otros cerámicos? 8.15 ¿Es el diamante un cerámico? ¿Por qué si o por qué no? 8.16 ¿Qué es una bola Bucky?
8.42 Un cerámico tiene k0 = 0.65 W/m ~ K. Si este cerámico se hace en forma ele cilindro con una distribuclón de porosidad dada por P = 0.1(x/L)(1 - x!L), donde x es la distancia desde un extremo del cilindro y Les la longitud total del cilindro, trace la porosidad como una función de la distancia, evalúe !a porosidad promedio y calcule la conductividad térmica promedio.
8.17 ¿Cuáles son Jos usos principales de Jos diamantes?
-PROBLEMAS CUALITATIVOS
8.43 Se puede demostrar que el peso mínimo de una columna que soportará una carga dada depende de la relación de la rigidez del material con la raíz cuadrada de su densidad. Trace esta propiedad para un cerámico como una función de la porosidad.
8.18 Explique por qué los cerámicos son más débiles a Ja tensión que a la compresión.
8.19 ¿Cuáles son las ventajas de Jos cermets? Sugiera aplicaciones en adición a las dadas en el texto. 8.20 Explique por qué Ja conductividad eléctrica y térmica de los cerámicos se reduce al incrementarse la porosidad.
8.44 Haga una lista de las partes cerámicas que usted pueda encontrar en su hogar y en su automóvil. Explique la razón por la cual estas piezas están fabricadas de cerámico.
-22!)
C1pitulo /3 I
c,,·~micos, r:rofito y di.imante: estructura, p1oriecbcles gener,des y aplicaciones
!l.45 Suponga que usted e.sui en ventas técnica;: y cstü totalnicutc familiarizado con todas las vcnli\jas y limilaciones de ccrdmicos ¿Cuides de los mercados que tradicionalmente mifüan materiales no cerámicos pueden se1r atacados los cerámicos? ¿Quéque es cUo.s lo queharán? usted le diria a sus posibles clientes durante sus visi1as de venta? ¿Qué clase de guntas piensa uslcd
8.,tl{) ca Describa en la.s cuales rcsultarfa de;:eublc un material cerámico con un cocficieme de dilatación cercanoaplicaciones a cero. El módulo de d;:sticiclad de los cerámicos en general se conserva a temperaturas elevadas ¿Qué aplicaciones de genicría podrfon aprovechar esta característica? 8A.g Liste mico. y analice los factores c¡ue usted lomaría en consideración al reemp.lazar un componen1e metálico por
ílA'I Obtenga datos de la literatura técnica disponible muestre cuantitativamente d efec10 de la temperatura sobre la re. .sislencia y el móc!uio lle elasticidad de vatios cer
il.52 Se est{¡ pensando en utilizar pi.stones cerámicos para un motor de conilmslión de alta vcoloci,bcl. Lisie fo, heneficius y !a:~ prcocupacwncs que usied !endría en relación cun esta nplicnciün. Lu.s ulensilios de cocina Pyrex prcscntun nn ICnómcno !inico: i\Jnc1on1111 bien durante un gran número de ciclos, y despué.s, se rompen en muchas piezas. lnve.stiguc este fenómeno. lht.e las c;,i1sas proh;ib)e, y :mal ice las considn11ciones de 1nanuf;1c1ura c¡ue pud!cran aliviar o contri:)uir a dich
Materiales cornpositos:* estructura, propiedades generales y aplicaciones 9. 1 9.2 9. 0, 9.4 9.5 9.6 9.7
introducción La estructura de los pl.ísticos reforzados Propiedades de los plásticos reforzados 1\plicaciones de los pl<\sl:icos reforzados Cornpositos de matriz metálica (MMC) Compositos de matriz de cer.imica (CMC) Otros compositos
9.1 lhJTRODUCC!ÓN
-------------·---------------·
EníTe los desarrollos principales en los materiales en los años recientes estún los compositos o matedalies compositos. De r11~cho, los compositos son ahora una de b.c; clases tnús importantes de rrna~elf'b- ~es de ing~uieiría, ya qul; ofrecen vmi.ls propiedades extraordinarjas en con1paración con los n1ateria!.~s convencionales. Un material cornposilo es una combinación de dos o rn;is fases quírnicmnc:nle dlstintas e insolubles; sus propiedades y rendimiento estructural son superiores a aquellas de los constituyentes al actuar de manera indcpcndic:nte. En el capítulo 7 se vio que los phísticos poseen propiedades mec:.ínicas que son generalmente inferiores a los de los metales y aleaciones, en particular la resistencia mecünica. la rigidez y la t·esistencia a la termofluencia bajas. Estas propiedades se pueden mejorar incrustando refuerzos de varios tipos (como fibras de vidrio o de grafito) a fin de producir plásticos reforzados. Los metaíes y los cerámicos, tambic!n, pueden ser incrustados con partículas o fibras. a fin de mejorar ws propiedades; estas combinaciones se conocen como composilos de matriz metálica y de matriz cerám¡ca. Como se puede •Jbservar en la tabla 7. 1, los refuerzos de fibra mejoran la resistencia mecünica, la rigidez y la resiskncia a la termofluencia de los pláslicos, así corno sus relaciones de resistencia a peso y de rigidez a peso. Los materiales compositos han encontrado cada vez mayores aplicaciones en aeronaves (fig. 9.1 ). naves espaciales, estructuras en la plataforma continental, tuberías, electrónica. automóviles, embarcaciones y artículos deportivos. El ejemplo miís antiguo de compositos es la adición de paja a la arcilla en la construcción de chozas de lodo y la elaboración de ladrillos para uso estmctural; esta combinación se remonta a 4000 a.c. En esa aplicación, la paja es la fibra de refuerzo y la arcilla, la matriz.
*Nota del R.T. El término "composite'' se suele traducir como "material composito" o en diversos centros universitariot:l prefiere usar el ténnino "composito". Por fluidez en la lectura se decidió por este último término.
SG
221
222
Capítulo 9 /Materiales cornpositos: estructura, propiedades generales y aplicaciones
, Sección 9.2 /La estructura de los plásticos reforzados
flGURA-'U Aplicación ele materiales compositos avanzados en Ja aeronave
comercial Boeing 757-200. Fuente:
Alerones posteriores Fuselado de soporte de los alerones " Exteriore.-, Segmento delaJJtero (grafito/Kcv!ar º Interiores +material Kcvlar no tejido) Segmento posterior (g;afito/fibra de vidrio)
Tipos y características generales de los materiales cornpositos
TAIHA 9.1
0
vidrio).
Material
0
Características
Fibras Vidrio
Alerones
Resistencia alta, rigidez baja, densidad alta; costo más económico; los tipos de uso común son el E (aluminoborosilicato de calcio) y S (aJuminosilicato de magnesio) Disponible como de módulo alto o de resistencia elevada; costo bajo; menos denso que el vidrio.
Boeing Cornmercial
Airphne Company.
Grafito Duetos del sistema de control ;1111bi1;:ntal (Kevl:ir)
Puertas del tren Je
Fuselado de ala a fuselaje de Paneles inforio1e.s del borde delantero del ala " Pucrlas Ud tren de aterrizaje principal
lrcn
Otro ejempio ele un material composito es el refuerzo de la aJbafülerfa y del concr<0to con varillas de hierro, qLie se inició en los años de l 800. De hecho. el concreto mismo es un material composito formado por crmcnto. arena y grnva. En el concreto reforzado, las varillas de :Jcero imparten la resistencia a la tensión necesaria al cornposito; el concreto por sí mismo es frágil y comt'.mmente tiene poca o ninguna resistencia n Ja tensión. Este capfruJo describe la estructura de los materiales compositos, de Jos tipos de fibras de refuerzo que se utilizan y su características. y algunas de las aplicaciones principales de estos materiales. El procesamiento y el formado de los materiales compositos, quedan descritos en el capítulo 18.
r.rr~--..-.-,
-
-
Los ¡piástkos refonm'.iios, también conocidos como composiüis de matriz polimérica (.i?MC, por sus siglas en inglés) y plásticos reforzados de fibras (FRP, por sus siglas en inglés), están constituidos de fibras (la fase discontinua o dispersa) en una ma1riz plástica (la fase contimia), según se puede observar en la fig. 9.2. Las fibias comúnmente utilizadas son el vidrio, el grafito, las aramiclas y el boro.
~titas;
Resistencia y rigidez
Ararnidas (Ke:vlar) Otras fibras
de tungsteno en su parte central. Relación de resistencia a peso más elevada de todas las fibras: costo alto. Nylon, carburo de silicio, nitruro de silicio, óxido de aluminio, carburo de boro, nitruro de boro, carburo de tJ.ntalio, acero, tungsteno, molibdeno.
Estas fibras son fuertes y rígidas (tabla 9.1 ), y tienen una resistencia especifica (relación de resistenc.ia a peso) y rigidez específica (relación tigidez a peso) elevadas, como se observa en la fig. 9.3. En general, sin embargo, son frágiles y abrasivas, carecen de tenacidad y se pueden degradar químicamente al ser expuestas a ia atmósfera. Como también se hace notar en la parte inferior de la tabla 9 .2, las propiedades de las fibras pueci.en vaiiar de manera significativa, dependiendo de la calidad del material y del método de procesamiento. Las fibras por sí mismas tienen poco valor estructural. La matriz plástica es menos resistente y menos rígida. pero e.s más tenaz que las fibras. Los plásticos reforzados poseen las ventajas de ambos constituyentes. El porcentaje de fibras (en volumen) en los plásticos reforzados usualmente está en un rango entre 10 y 6()%,. Prácticamente, el porcentaje de fibra en Ja matriz queda limitado por la distancia promedio entre fibrn.'' o partículas adyacentes. El contenido práctico más e1evado de fibra es de 65%; un contenido más elevado por lo general da como resultado propiedades estructurales inferiores. Cuando se utilizan más de un tipo ele fibrn en un plástico reforzado, el composito se conoce como nn híbrido; los híbridos comúnmente poseen aún m<> jorcs propiedades, pero son más costosos.
mX
s
~
"
Fibras continuas
FIGURA 9.2 Ilustración esquemática ele los métodos para reforzar los plásticos (matriz) con (a) partículas, (b) fibras cortas o largas u hojuelas. l.as cuatro capas de fibras continuas de la ilustración (c_I se ensamblan en una estructura laminada.
"' "i:l
*
·~
o::
5
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15
20
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r--
•
:~ o
30
411
Celion 3000 HS (BASF)
20
Kevlar49 (Du Pont)
15
Boro
• •
•Vidrio E
Thomel P-55 (Amoco)
Thornel P-100 -~ 10 (Amoco)
•Acero •Aluminio
~-'-~~~~~~-'-~~~~~~~~~~~~~~o
o
1
2
4
5
6
7
9
Módulo específico (pulg x 108)
FIGURA 9.3 Resistencia a la lensión específica
25
•
®
Vidrios
6
30 -·--,----,
Kevlar 29 (Du Pont)
"
~ ~
Fibras cortas o largas u hojuelas
12
o
~ JO .:;, 2
(b)
el costo más alto; tiene un filamentn
Materiales de la matriz Tcnnoestablcs Epóxico y poliéster utilizándose más el primero; otros son los fen6Jicos, tos fluorocarbonos. poliestersulfona, el silicio y las poliimidas. Poliéteretercetona; más tenaz que los termoestables pero con una menor resistencia Termoplástico8 <01 la temperatura Aluminio, aluminio-litio, magnesio y titanio; las fibrns son ele grafito. óxido de Metaks aluminio, carburo de silicio y boro. Carburo de silicio, nitruro de silicio. óxido Je aluminio y rnulita: las fibras son varias Ccrámíco cerámicns.
(aj
Pmjfoulas
la máxima
den~idad;
Boro
delantero
[)EL()~~
223
10
11
12
13
b X
E
(relación de la resistencia a la tensión a densidad) y módulo a la tensión específico (relación del módulo de elasticidad a densidad) para varias fibras usadas en plásticos reforzados. Nótese la amplia gama de resistencias y rigideces específicas disponibles.
2:2:4 C:Jpítulo 9 / Maleriales compositos: esrruc1u1a, pmpiedades generales y aplicaciones . Sección 9.2 /La estructura de los p!ásticos reforzados
Además de una resistencia y rigidez específicas elevadas. las estructuras de pi<ístico reforzado prcsen. tan una mejor resistencia a la fatiga, mayor tenacidad y mayor re:;istencia a la tennofluencia que aquellas fa_ bricaclas ele plásticos no reforzados. Estas estructuras son relativamente fáciles de diseñar. fabric
9.2.1
de refuerzo
Vid•io. Las fibras ele v.idrio son las ele más amplio uso y ias menos costosas de toc"1s las fibras. El 1nc,lcrial composito se llama plástico reforza¡fo con fibra de vidrio (GJFRP, por sus siglas en inglés: Glass Fiber Reinforced-Plastic) y puede contener entre 30 y 60% volumétrico de fibras de vidrio. las cuales se fabrican estirando vidrio fundido a través ele pequeñas aperturas en un dado de platino. Existen varios tipos principales de fibras de vidrio:
Tipo E, un vidrio de aluminoborosilicato de calcio, el tipo de uso más común: Tipo un vidrio ele aluminosilic;1to de magnesio, que ofrece una ro a un costo superior;
Grafito. Las fibras de grafito (fig. 9.4a) aunque son rnás costosas que Jas fibras ele vidrio, tienen 1.ma combinación de baja clensidad, alta resistencia y elevada rigidez. El producto se conoce como plástico reforz:Mfo con !lhrar; de carbono (CFRP, por sus siglas en inglés: Carbon Fiber Reinforceel PJastic). 1hclas las fibras de grnfito se fabrican por pirólisis de pl'ernrsores org{Jnicos, comúnmente el pu!iacrilonitrilo (PAN) en rnzón a su reducido costo. 1itmbién c;e pueden usar como precursores el my
de 1as Fi brJs de refuerzo a la tensión
Boro CtU"bono Alta rcsi:;lencia
Múduloa!to Tipo E
3000
275
200()
415
49
190() 1900
3500
n
4600
248()
85
2540
Kcvlar 29
Densidad
---~-)-------~)_______(kg/m 3) Jsoo :rno 2wo
Vidrio
Tipos
iVJódulo cl:ístico
2800
62
2800
l 17
._. Fibras de grafito
O.! mm
O.O 1:2 mm
FIGURA 9.4 (a) Sección transversal de una raqueté1 ele tenis, mostrando las fibras de refuerzo de grafito y aramidas (l
rigidez 1mís elevadas pe-
Tipo Ji{ .. (]:i'., una fibra ele viclrio:) de aito rcndimicnio de reciente: desarrollo, que ofreu; una rt0sis1encia a allas tei.Tiperaturas y a !a corrosión úcit.l(i m~¡s elevadas que e! vidrio E.
-·---~----·---
Matriz
--· Fibras de Kcvlar
Las 11hras de refuerzo para compositos de matriz polimérica son por Jo general el vidrio. el grafito, las aramidas o el boro (tabla 9.2).
a.
225
t·\x.;to El rnüs alto Bajo
Bf\ÍO El má.s bajo
El más bajo
1A4() ,..,.
r'l.HU
1440
Alto
Nota: estas propiedades varían de una manera significativa dependiendo del material y del método de preparación.
La diferencia entre carbOi1!Q.} y ~rafito, a pesar de que estos t1Srrninos a menudo se con~üJeran intercambiables, dependen ele la temperalum de pirólisis y de la pureza del malelial. Las Jlbras de carbono generalrneo· te son un 80 a 95% de carbono; las de grarito usualmente tienen más de 99% de carbono. Una f·lbra de carbono típica por lo común contiene carbono amorfo (no cristalino) y grafito (carbono cristalino). Las fibras se clasifican según su módulo elástico, que varía de 35 GPa a 800 GPa: módulo bajo. intermedio. alio y n1uy alw. Las resisl<,~ncias a la tensión van de 250 MPa a 2600 MPa. Ahora se est:in produciendo fibras de grnfüo comiudoiras. para hacer posible mejorar la conductiviclad eléctrica y térmica de componentes de plástico reforzado. Las fibras se recubren ele un metal, usualmente níquel, utilizando un proceso ele electrodepósito continuo. El recubrimiento típicamente tiene nn espesor de 0.5 ¡.tm, sobre un núcleo de fibra de grafito de 7 ¡.tm de diámetro. Disponible en forma de tramos o conlinua. las fibras se incorporan directamente en las piezas de pbslico mold1oatlas por inyección (sección 18.J). Las aplicucioncs de -~sle producto incluyen biindajes eiectroma;;néiicos y de radiofrecuencia y protección contra rayos. Aramidas. Las aramidas (sección 7.6) son de las fibras con mayor tenacidad; tienen resistencias específica:; muy elevadas (fig. 9.3). Una ararnida común se comercializa bajo el nombre de Kevlar. Las aramiclas pueden sufrir algo de deformación plástica antes ele la fractura, y por tanto tienen una tenacidad más elevada que las fibras frigiles. Sin embargo, las aramidas absorben humedad (higroscópicas); esta tendencia degrada sus propiedades y complica su aplicación. Boro. Las fibras ele boro están hechas ele boro depositado (mediante técnicas ele deposición química de vapor) sobre fibras de tungsteno (fig. 9.4b ), Aunque también el boro puede depositarse sobre fibras de carbono. Estas fibras tienen propiedades deseables, como una resistencia y rigidez elevadas tanto a la tensión como a la compresión y resistencia a altas temperatnras. Debido a la alta densidad del tungsteno, son sin embargo pesadas y también costosas; su utilización incrementa el peso y el costo ele! composito ele plástico reforzado. Otras fibras. Se están utilizando otras fibras como el nylon, el carburo de silicio, el nitruro de silicio, el óxido de aluminio, el zafiro, el acero, el tungsteno, el molibdeno, el carburo de boro, el nitruro de boro y el carburo ele tantalio. También se utilizan triquitas como fibras de refuerzo. Se trata de pequeños cristales individuales en forma de aguja que crecen de l µm a 10 ¡.ttn (de 40 ¡ipulg a 400 ¡.tpulg) de diámetro; tienen relaciones ele aspecto (definidas como la relación entre la longitud y el diámetro de la fibra) que van de 100 a 15000.
227
Sección 9.3 /Propiedades de !os plásticos reforzados
226
Capítulo 9 / MaLeríak's compo:iítos: estructura, propiedades gene!rales y aplicaciones
Debido a su pequeño tamaño, las triquitas o bien están libres de imperfecciones o las im:pe.rfr:ccion.edÍiili·
que contienen no afectan de manera significativa su resistencia, mis1na que se acerca a la resistencia del material (efecto por tamaño). Los módulos elásticos de las triquitas van de entre 400 GPa y 700 resistencia a la tensión es del orden de 15 GPa a 20 GPa. Ahora está disponible una fibra de polietileno de alto rendimiento; de nombre Spectrn (nombre coinercial), ti.:ne un peso molecular ultra-alto y una elevada orientación de cadena molecular. La fibra tiene mejor resistencia a la abrasión y resistencia a la fatiga por flexión que la fibra de aramida, y a un costo lar. Además, debido a su menor densidad (970 kg/m 3), tiene una resistencia y una rigidez específicas más a]. tas que la fibra de aramida. Sus limitaciones principales en varias aplicaciones es un bajo punto de pobre adherencia a otros polímeros.
9.2.2 Tamaño
y
longitud de las fibras
El diámetro promedio de las fibras que se utilizan en los plásticos reforzados es por lo regular inferior a O.Oí mm (0.0004 pulg). Las fibras son muy resistentes y rígidas a tensión. Esto se dt~bc a que las moléculas de las
g~E LOS PLÁSTICOS REFORZADOS Las propiedades mecánicas y físicas de los plásticos reforzados dependen del tipo, forma y orientación dei material de refuerzo, de la longitud de las fibras y de la fracción volumétrica (porcentaje) de material de refuerzo. Las fibras cortas son menos efectivas que las largas (fig. 9.5) y sus propiedades se ven fuertemente influenciadas por el tiempo y la temperatura. Las fibras largas transmiten mejor la carga a través de ]a matriz, por lo que usualmente se utilizan en aplicaciones críticas, especialmente a temperaturas elevadas.El refnerzo de fibra también afecta otras propiedades de los compositos, las propiedades físicas y la resistencia a la fatiga, a Ja termofluencia y al desgaste, dependen del tipo y de la cantidad de refuerzo. Los plás1.ie-os reforzados pueden también ser fabricados a partir de otros materiales y con otras formas para la matriz de pol.únero, con la finalidad de impartir propiedades específicas (como por ejemplo, permeabilidad y estabilidad dimensional), para facilitar el procesamiento y para reducir los costos de producción. Un factor crítico en los plásticos reforzados es la resistencia de la unión entre la fibrn y la matriz de polímero, dado que la carga se transmite a través de la interfaz fibra/matriz. Una unión débil causa extracción de fibras y deslaminación de la estructura, particularmente en condiciones ambientales adversas.
fibras están orientadas en la dirección longitudinal, y sus secciones transversales son tan reducidas que es muy baja la probabilidad de que existan defectos en la fibra. Las fibras de vidrio, por ejemplo. pueden tener resistencias a la tensión de hasta 4600 MPa (650 ksi), aun cuando la resistencia del vidrio en volumen es tnucho menor.
Las fibras se dasifican como fibras cortas o iargas, tan1bién conoódas corno fibras discontlinuas o conümms, respectivamente. Las fibras cortas generalmente tienen relaciones de aspeclü entre 20 y 60. y 1,as h-irgas entre 200 y 500. Lns designaciones fibra "corta" y "larga" son en general) en base a la siguiente distln~ ción: en un tipo dado de fibra, si las propiedades mecánicas se mejoran como resuitado de incrementar la longitud promedio de la fibra, entonces se conoce como un.a.fibra corta. Si no ocurre mejoría, se le conoce como fibra larga. Los elementos de refuerzo también pueden presentarse en forma de fibras cortadas, puniculas u hojuelas. o incluso en forma de una.fibra continua (hebra ligeramente retorcida de fibras), tejido (similar a b tela), hi!.o (fibrilas retorcidas) y esteras de varias combinaciones. También e~;tán dispun1btes hilos hfbridos.
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Fibras de
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30
Refuerzo (%)
Refuerzo(%)
la matriz La matriz en los plásticos reforzados tiene tres funciones:
a.
Soportar !as fibras en su lugar y transferir los esfuerzos a las mismas, mientras éstas sopo11an ia mayor parte de la carga;
b.
Proteger las fibras contra daños físicos y contra cJ entorno;
c.
Reducir Ja propagación de grietas en el composito, en virtud de la más elevada ductilidad y tenacidad de la matriz plástica.
Los materiales de la matriz son por lo general termoplásticos o t.ermoestables; comúnmente están formados de epóxico, poliéster, fenólicos, fluorocarbonos, polietersulfonas o silicio (secciones 7.6 y 7.7). Los de uso más común son los epoxis (80% de todos los plásticos reforzados) y los poliésteres, que son más económicos que los epóxicos. Las poliimidas, que resisten Ja exposición a temperaturas superiores a 300ºC (575ºF) están en desarrollo para su uso con fibras de grafito. Algunos termoplásticos como son el poliéter etercetona (PEEK, por sus siglas en inglés), también se utilizan como materiales de matriz. Tienen en general una más elevada tenacidad que los termoestables, pero su resistencia a la temperatura es inferior, quedando limitada a IOOºC-200ºC (200°F-400ºF).
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/~;oone ~ 200 Fibras de vidrio cortas
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Refuerzo (%)
Refuerzo (%)
El efecto del tipo de fibra sobre varias propiedades del nylon (6,6) reforzado con fibras. FIGURA 9.5 Fuente: NASA.
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........-221l Capitulo 9 /Materiales compositos: estructura, propiedades generales y aplicaciones Sección 9.3 /Propiedades de los plásticos reforzados
FIGURA 9,6 (a) Superficie de la fractura rfo un composito epóxico reforzado con fibras de vidrio. Las fibras tienen 1O µm (400 µpulg) ele diámetro y una orientación al azar. (b) Superficie de Ja fractura de un composito epóxico reforzado con fibras de grafito. las fibras, de 9 µm.-·¡ ·¡ >tm de diámetro, están en manojos y tocias están orientadas en una rriisrna dirección. Fuenle: L l. Broutman.
Se ha fabricado un rotor ele volante composito utiiizando una técnica especial de tejido, en el cual las fibras de refuerzo (vidrio E) quedan alineadas en la dirección radial, así como también en la dirección del cerco. Diseñado para sistemas de almacenamiento de energía mecánica en vehículos eléctricos e híbridos de bajas emisiones, el volante puede operar a velocidades de hasta 50000 rpm.
.· ~jernplo: Resistencia y módulo de elasticidad de los plásticos reforzados 'L; resistencia y el módulo elástico de un plásüco reforzado con fibras longitudinales se puede determinar en funcíón de la resistencia y módulos tanto de las fibras como de k\ matriz y en función de la fracción volurnétriéá de las fibras en el composíto. En las ecuaciones siguientes, e se refiere al composito,f a la fibra y m ::i la matriz. La carga total P,. sobre el composito está compartidá por fa fibra (P1) y la matriz (P,,,); por tanto P,,
La adherencia en la interfase se puede mejorar mediante tratamicn1os superficiales especiales, como el uso de recubrimientos o agentes acopladores. Las fibras de vidrio, por ejemplo, se tratan con un producto químico de nombre sifano (un híbrido de silicio), para una mejor humidificación y unión entre fibra y matriz. La importancia de una unión adecuada se puede apreciar inspeccionando las superficies de fractura ele lo.5 plásticos reforzados. mostradas en las figs: 9.6a y b. N6te.se. por ejempío, la separación cnlre fibras y matriz; una mejor adl·1erencia entre ellos mejorará la resistencia general del cornposito.
s~
En general, obtiene la rigidez y resistencias m:ís elevadas en p/(isticos reforzados c1ratE10 fao fibras cslán alineadas en la dirección de la fuerza Je tensión. Este composilo será, naturalmenie, muy anisotrópico (fig. 9.7). Corno resuhado, otras propiedades del composito. como la rigicbc. la resistencia a la lcrmoJlueneia, hi conducUvidad térmica y eléctrica y la diiataci611 térmica también son Las propiedades transven;alcs de cs1ruclura reforzada cstcín muy por debajo que las longitudinales. Nó
,~sta
Para una situación específica de servicio, es posible dar a una pieza de plástico refor1ado una ,:onfiguración óplima. Por ejemplo. si/¿¡ pieza de plástico reforzado va a ser sometido a focn:as en dií'crcn1cs dicccciones (corno ocurre en recipiente:·; ele pared delgada a prnsión), (a) ias libras se ¡:wcdcn cnlrrcrn;,ar en la matriz. n (b) se pueden colocar capa:; ele fibras oricmadas en diferentes direcciones en una cs1ruc1ura iarninar i B. !1.2).con propiedades mejorndas en rn;ís de una dirección (1·<:ase embobinado de filmnen/os, sección
2.0
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1000
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1
~-Aiazar ~~~~~.~~~~~~~~~o
20
40
60
80
Contenido de vidrio(% por peso)
+ lT 171 A 111 ~
1:ríz.) Podemos ahora volver a escrihir la ecuación
(9.2)
ffr = X
+ (1
{9.2)
como sigue:
-
(9.J¡
x)rTm·
Ahóra podemos calcular la fracción de la carga total soportada
bs fibras. Primero observarnos
que, eíl ei composito bajo una: carga ú la tensión~ las deforn1adones en
fibras y en la matriz son la:; mis-
= e.r =e,,), Después recordemos de la sección 2.2, que
mas ! esto es
(T
e
p
(9,3,li
r;
en consecuencia (51,4)
Pm /t 111 E 111 Conocernos las cantidades irnp01tantcs para una sjtuación específica, por lo que mediante el uso de la cettación 9.l, podernos determinar la fracción P1!P,.. Después, utilizando l
+ (l -
x)E,,,.
(9,5!
Los datos dados son x = 0.2, ló~·= 300 GPa y E;,,.= 100 GPa. Utilizando Ja ecuación 9.5, en-
~óntramos que
500 ~OrtogonaJ
0.5
(9,JJ
=
Solución:
;:;;
ro
+ Pm,
Supongamos ahora que un plástico reforzado de epóxico y grafito con fibras longitudinales contiene 20% de fibras de grafito. El módulo elásUco de la fibra es 300 GPa, y el de la matriz de epóxico es de l.00 GPa. Calcule el módulo elástico del composito y la fracción d,e la carga soportada por las fibras.
/
Unidireccional
e :~
Pr
donde A,,. ;\ 1 y A,,, son 'las iireéls ti·ans,ernales del composito, de la fibra y de la matriz respectivamente: por lo qucA Hagarnos ahora que J.- se() Ja fracción de rirca de las fibras e11 el con1posito. (Nólcse que x tan1biCn representa 1a fracción volurnétrica, porque fas fibras esU:ín colocadas uniforrncmcnr.e 1ongit:udjna1es en la 1TW-
E, '= xEr
/
X
=:
que podemos escribir de la forma
r----------·--·---- - ----- --------
'S
2:29
FIGURA 9.7 la resistencia a la tensión del poliéster reforzado con vidrio como una función del contenido de fibra y de su dirección en la matriz. Fuente: R. M. Ogorkiewicz, The Engineering properties of p!astics. Oxford: Oxford University Press,
1977,
Ec = 0.2(300)
:J: (1 -
02)100 .. "" 60
+ 80 = 140 GPa.
(95.l)
de carga P11Pm dela ecuación9:4:
P¡ .•
···. (300)
.··•··.
P,n "' ()'.2Gc8(10()} .";", Q}5·
·(9.5.2)
230
Capitulo 9 /Materiales cornposilos: estructura, propiedades generales y aplicaciones Sección 9.4 /Aplicaciones de los plásticos reforzados
231
Debido a que .
P,.=
A y;;-·-----)
. p. J
o:J5·,
:
/___..~r/'"·,' / "
·
Encóntramos que
._....,../,,,,,...
/ -·~
/~,A Dos capas de laca de poliuretano con terminado anti
Hemos demostrado que la<; transversal (y por tanto el
Tejido extra resistente de vidrio muhiaxial en tres capas
Tiras de ~carbono
APLICACIONES DE LOS PLÁSTICOS REFORZADOS La primera aplicación de los plásticos reforzados (en 1907) fue par·a un depósito resistente a los ácidos, fabricado de resina fenólica con fibras de asbesto. Laformica, que comúnmente se utiliza para cubiertas de cocina, fue desan·o!Jacla en los años 1920. Los epóxicos se utilizaron por primera vez corno un material de matriz en los años 1930. Empezando a partir de los años 1940, se fabricaron las embarcaciones con fibra de vidrio, y se ulilizaron plásticos reforzados para aeronaves. equipo déctrico y artículos deportivos. A partir de la década de 1970, se inició un desarrollo importante de los compositos; ahora estos materiales se conocen como cmnp()sj. tos avanzados. Ahora ,;e están desarrollando pl
un~
La sustitución del aluminio por plásticos reforzados con grafito epóxico en grnndes aeronaves comerciales pudieron reducir tanto el peso como los costos de producción en un 30%, ofreciendo de manera sinmlt:ínea una mejor resistencia a la fatiga y a la corrosión. La estructura del avión de pasajeros Le:u Jet Pan 2100 está casi totalmente fabricado de plástico reforzado de grafito epóxico. Casi 90% de la estructura de la ligera aeronave Voyager, que le dio vuelta a la tierra sin recargar combustible, fue fablicacla de plástico reforzado con carbono. La estructura contorneada del bombardero Stealth, está hecha de compositos de fibras de carbono y de vidrio, de matrices de resina epóxica, de poliimidas de alta temperatura y de otros materiales avanzados. Los cornpositos reforzados de fibras de boro se utilizim en aeronaves militares, en los vástagos de los palos de golf, en las raquetas de tenis, en las cañas de pescar y en las tablas de surfing a vela (fig. 9.8). El procesamiento de los plásticos reforzados presenta retos significativos; se han desarrollado varias técnicas innovadoras para la manufactura de tanto piezas grandes como pequeñas, particularmente mediante moldeo, formado, corte y ensamble. En aplicaciones críticas es esencial una cuidadosa inspección y prueba de los plásticos reforzados, a fin de asegurar que en toda la estructura se ha obtenido una buena unión entre la fibra de refuerzo y la matriz. En algunos casos, el costo de inspección puede llegar a ser de una cuarta parte del costo total del producto composito.
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iii"·t'",.."'"""""''"-'•·,•w":O:";~,,,~="·~··
(j bra de o Kevlar
Larguero de composito laminado
Sección transversal de una tabla de surfing a vela compuesta, un
FIGURA 9.8
Refuerzo de vidrio
Núcleo de espuma ultraligero de poliestireno expandido en el interior del panal de abeja.
Refuerzo de tejido de vidrio
Capa del composito
ejemplo de una construcción con materiales avanzados. Fuente: K. Easterling,
Tomorrow's materials (2a EcLi, pág. ·133_ lnstitute oí Metals, 1990.
Ejemplo: Hélices de composito para helicópteros Las hélices me1álica'i de Jos heiicópteros están siendo reemplazadas por hélices hechas de materiales compositos, principalmente por fibras de vidrio Sen una matriz de epóxico (debido a que d vidrio S liene una vicia a la fatiga más larga que el vidrio E). Estas hélices tienen una elevada rigidez, resistencia. elasticid:" y resistencia a la temperatura y fatiga. Poseen también una alta resistencia al impacto; en consecuencia. compm·ación con las hélices de mctal, los compositos pueden resistir un impacto balístico importante falla catastrófica y el hclícóptero puede regresar con seguridad a su base. Además, se pueden efectuar reparaciones a las hélices dañadas en el campo. en tanto que las de me-tal requieren de un mantenimiento más completo. También se ha demostrado que las hélices de cornposí to reforzado con vidrio tienen una mejor relación de costo/desempeño. y que son superiores también a lw composítos reforzados con cm·bono o con ararniclas.
Ejemplo: Escaleras de fibra de vidrio : Ef ~atería! tradicional para la> escaleras es Ja madera ·o el aluminio. En parte en razón a su peso: una esc.¡ili;ra~~ madera le da al usualio una ,sensación de seg~ridad. Sin embargo, la madera puede tener defec• tos fi1ternos o externos que, de no ser detectados, pueden .réducít de manera significativa laresístencia ele . ]Jl;isfale~a,Cú,ando está seca, .la madera 1'.º es conductoradfía electricidad; mojada, sin embargo, lo es. •.• \'.in() p_qdebería por tanto,. usar nna.escalera.mojaqa . eerca; pé'~ ·a:i~wpri,!do. elé~trico expm;sto. }i escalerás de.aluipínio son.ligeras, )' sepµedbil dís¡,;ñaf Sº~:u~.are~isteIÍciay rigidez ~l~~ad~~· Tic:, ~~~üri vií:líl más Jarg:fque las escaleras de maii~ra, yrequforérrpo~ci rÍÍantenimiénto, ¡}efo spn éonP,uéto' l:iú; •cte !á'électricidad: . ·· · · · ·· · · · '
••·.t3f'
-232 Cepnulo 9 /Materiales compositos: estructuro, propiecL1des generales y aplicaciones Sección 9.7 /Otros compositos
,\c1.ualmcnte se cstún usando marcrialcs composnos para Ja fabricación de cstalerns para varios n.sos La fibra Je refuerzo m:ís común es la fibra de vidrio, con cpóxieos y poliéstercs al material de matriz', Los plásticos reforzados se l>tilizan en los pasamanos de las escaleras, en tanto que los barrotes sera: brican de aluminio. Estas c.scaleras tienen ventajas similares a las ele aluminio, y en vista que cond cen la electricidad son preferidas por los electricistas. Las escaleras reforzadas con fibra de tienen una apariencia tosca y le dan al usuario una sensación de seguridad, y se pueden fabricar de varios colores.
TABLA 9.3
233
Materiales y aplicaciones de los compositos de matriz metálica ~~~~--~~~
Fibra Gr~fito
Las escalerns cíe fihra (k vidrio pueden, sin embargo, absorber humedad y sufrir intemperismo pcrficial al quedar expuestas a en10rnos éKter'iores, especialmente en climas calientes y húmedos y a Ja luz sol:1r (sección 7.3 J. Ocurre una pérdid
corm~
Matriz Aluminio Magnesio Plomo
Estructuras de sat0lites, misiles y hdicóptero.'; Estruc1uras espaciales y de satélites Placas de balerías de ;Jlmaceno.mienlo
Cobre
Contactos eléctricos y cojinetes
Boro
Aluminio Magnesio Titanio
Aspas de compresor y soportes Estructuras de antenas
Alúmina de fisión
Aluminio
Limitadores superconductores en rnactores de cncrgfo
Plomo Magnesio
Pbcas de baterías de almacenamiento Estructuras de 1~1 transmisión de helicópteros
Aluminio, titanio Superalcac;ón (base cobalto)
Componentes de motor ele alta temperatura
Superaleación
Componentes de motor de alta temperatura
Carburo de silicio Molibdeno, tungsteno
estruclurale~
Alabes de motor de mOlor a rea,~ción
Estructuras ele allas temperaturas
·~~~~~~~~~~~~~~~~-
Ejemplo: Cascos mifüares de compositos ~
Se ha desarrollado un casco mi.litar de composi10 el cual. aunque pesa aproximadamente igual que· el ca.;co convencional de accrn al manganeso. cubre más la cabeza y ofrece dos veces la protección '1a . lística y de fragmentación. Para detener una bala. un material debe en primer término dcformarlu o apianarlo: este proceso ecurrc cuando la puma de Ja bala entra en contacto con tantas fibras indÍ\'id0a.. ies como sea posible en el composi10 sin que éstas Séan empujadas a un lado. Un casco composil'o tiene una construcci.ón de fibrw, no tejidas. hecho de fibras de políeti.lcnn de peso moiccuiar en una lll
CCltv!P .ncnrw Las ventajas de una ma!rfa metálica sobre una matriz de polímero son un módulo elüsticu müs alto, su resistencia a temperaturas clevacfos y su tenacidad y ductilidad mayores. Sus Jimitacion•!s son una mayor densidad y una mayor dificultad en el procesamiento ele las piezas. Los materiales de la matriz en estos compositos son por Jo general aluminio. aluminio-litio, magnesio, cobre, titanio y superaleaciones. Los mate1iules de las fibras pueden ser el grafito, el óxido de aluminio, el carburo de silicio, el boro, el molibdeno y el tungsteno. El módulo elástico de las fibras no metálicas 3000 MPase encuentra entre 200 GPa y 400 GPa, con resistencias a la tensión en el rango de 2000 MPa a En la tabla 9.3 se dan composiciones y aplicaciones típicas para compositos de matriz metálica. En razón a su rigidez específica elevada, ligereza y conductividad térmica elevadas, las fibras de boro en una matriz de aluminio se han utilizado en sopo1ies tubulares estructurales en el transbordador espacial. Los compositos de matriz metálica con fibras de carburo de silicio y matriz de titanio se están utilizando para Ja cubierta eKterior, las vigas, Jos refuerzos y las estructuras de las aeronaves hipersónicas en desarrollo. Otras aplicaciones se encuentran en marcos para bicicleta y en artículos deportivos. Se están haciendo estudios para desarrollar técnicas para la unión óptima de las fibras a la matriz metálica.
9.6
DE MATRIZ DE Los compositos con una mat;-iz cenimka son otro desarrollo de importancia en los .materiales de ing1;niería debido a su resistencia a temperaturas elevadas y a entornos corrosivos. Como se describió en el capílulo 8, los cerámicos son fuertes y rígidos. y resisten temperaturas elevadas, pero en general carecen de tenacidad. El carburo ele silicio, el nitruro de silicio, el óxido de aluminio y la mulita (un composito de aluminio, silicio y oxígeno) son materiales de matriz que conservan su resistencia basta 1700ºC (3000ºF). Los compositos de matriz carbono-carbono conservan gran parte de su resistencia hasta 2500ºC (4500''F), aunque carecen de resistencia a Ja oxidación a temperaluras elevadas. Los materiales de las fibras son usual-mente el carbono y el óxido de aJurnirrío. Se están inves!igando varias técnicas para mejorar las propiedades mecánicas de los compositos de matriz cerán1ica, en particular ele su tenacidad. Las ap]jcaciones se encuentran en rnotores a reacción y auto1no~ trices. equipo de minería submarino profundo, recipientes a presión, componentes estructurales, hetrnmientas de corte, y dados y troqueles para la extrusión y el estirado de los metales.
9.7 OTROS COMPOSITOS Los compositos plteden también consislir en recubrimientos de varios tipos sobre metales base o substratos (capítulo 33). Los ejemplos son (a) el electrodepósito de aluminio y otros metales sobre plástico, en general para fines decorativos, (b) los esmaltes, y (c) los recubrimientos vítreos sobre superficies metálicas para vaiios propósitos funcionales u ornmnentales. Se fabrican compositos en herramientas de corte y dados, como las carburos cementados y los cermets (capitulo 21). Otros compositos son las ruedas de esmeril hechas de partículas abrasivas de óxido de aluminio, carburo de silicio, diamante o nitruro de boro, unidas con varios aglutinantes orgánicos, inorgánicos o metálicos (capítulo 25). Un composito desarrollado recientemente consiste en partículas de granito en una matriz de epóxico. Tiene resistencia elevada, buena capacidad de amortiguamiento o vibraciones (mejor que el hierro fundido), y buenas características a la fricción. Se utiliza en bm1cadas de máquinas herramientas para ciertas rectificadoras de precisión (sección 24.3).
r 234
(Jpíwio 9 /Materiales cornpositos: estructura, propiedddes generales y aplicaciones Preguntas de repaso
235
TERMINOS CLAVE ., Los compositos son una clase importante de materiales que tienen numerosas propiedades atrae. tivas. Tres clases principales son los plásticos reforzados con fibra, los compositos ele matriz metálica y los de matriz cerámica. Tienen un amplio abanico de aplicaciones en las industrias aérea, aerospacial y del transporte, en artículos deportivos y como componentes estructurales. ., En los plásticos reforzados las fibras están hechas usualmente de vidrio, grafito, aramidas o bo. ro, sirviendo por lo común los poliésteres y los epóxicos como material de Ja matriz. Estos co111. posilos tienen una tenacidad y relaciones resistencia a peso y rigidez a peso particularmente altas.
Se esperan desarrollos de importancia en !os compositos de matriz cerámica en !o que se refiere a mejorar la resiskncia mednica, tenacidad y resistencia a ias fallas hajo carga 110 axial o al impacto. Se han encontrado amplios desarrollos en compositos de matriz mct;:ílica en aplicaciones aerospaciales que requieren de resistencia y rigidez a elevadas temperaturas, particularmente en !os composilos de aleación de titanio reforzado por fibra continua.
Precursor
Matriz de cerámica
Silano Triquitas
Matriz de metal
Engüwering plastics and composites (2a Ed.). ASM Intemational. 1993. Fitzer, E., y L. J\11. .Manocha, Carbon rei11forcements and car· bon/carhon com11osites. Springer, 1998.
Se están logrando mejoras en los métodos de fabricación, en el aseguramiento ele la calidad, en la reproducibilidacl, en la confiabilidad y la capacidad de pronóstico del comportamiemo de los 1nateriaies composiios durante su vida de servicio.
Un :lrea importante de estudio es la reducción de los costos de ias materias primas y de fabricación de .los materiales composilos.
Matriz
Agarwal, B. D., y L. J. Broutman, Analysis and performance offiber composites (2a Ed.).Wiley, 1990. Bittence, J. C. (Ed.). En¡;ineering plastics and composites. ASM !ntemational. 1990. Bcrtholet, J.-M., Composite materials: mech.anical behavior and structural analysis. Springer. 1999. Chmvla. K. K., Composite rnaterials: science and engineering (2a Ed.), Spcinger, 1998. Cheremisinoff, N. P. y P. N. Cheremisinoff, Fiberglass reinÍÜrced plastics, Noyes Publieations, l 995. Engineered materials handhook, Vol. i: Composites. ASlvl lnternational, 1987.
"' Además del tipo y calidad de los materiales utilizados, son factores de importancia en la estructura de los materiales compositos el tamafio y longi1ud de las fibras, su porcentaje volumétrico en relación con el de la matriz, la resistencia de !a unión en la interfaz. fibra/matriz y la orientación de las fibras dentro de ia matriz.
mejoría de su resistencia a la compresión, pandeo e irnpacto.
Piró lisis Plásticos reforzados
BIBLIOGRAFÍA
Para los compositos de matr·iz cer{unica, las fibras son usualmenlc de carbono y óxido de aluminio y los materiales de la matriz son de carburo de silicio, nitruro lle silicio, óxido de aluminio, carbono o mulita (un cornposito de aluminio, silicio y oxígeno).
Están ocurriendo dc:;arrollos en técnicas para el refuerzo lridimensional de los plásticos y p;ff;1 ia
Materiales de ingeniería
Híbrido
" En los compositos de matriz metálica las fibras están hechas de grafito, boro. óxido de aluminio, carburo de silicio, molibdeno o tungsteno; los materiales de la matriz incluyen el aluminio, aluminio-litio, el magnesio, el cobre, titanio y las superaleaciones. <>
Materiales compositos
Compositos avanzados Delaminación Extracción de fibra Fibras
y
Handbook ofceromirs and composites, 3 volúmenes. Marcel Dekkcr, 19'! ! . Harper, C., !Jandbook ofplastics, elastomers and cornposfres (3a Ecl.). MeGraw-Hill. J996.
Hull, D., y T. W. Clyne., An introduction to cmnposite materials.
Cambridge Univ. Press, 1996. Jang, B. Z .. Advanced polymer composires: principies and applications. ASM lntcrnational, J 994. Kelley, A., R. W. Cahn, y M. B. Bever (Eds), Concise encyclopedia of composile materials (Bel. Rev.). Pergamon, J994. Mallik, P. K., Cornposites engineering handbook. tviarcel Dekkcr. 1997. Mileiko, S. T., Metal and cerarnic based composites Elsevier, 1997. Pcters, S. (Ed.J, Handbook ofcomposites. Chapman & Hal!. 19'.) /. Pilato, K. Y M. J. Michno, Advan.ced composite material.\· Spri;iger, 1994. Potter, K., lntroduction to composite ¡nvducts: design, development and manufacture. Chapman & Hall, 1997. Schwartz, M., Composite material:>, Vol l: properties, non-de:;lructive testing, and repair; Vol 2: processing, fabricalion and applications. Prentice Hall, 1997. Starr. T. Y K. Fors
PREGUNTAS DE REPASO 9.1
Explique la diferencia entre compositos y aleaciones metálicas.
9.2
Describa las funciones de la matriz y de las fibras de refuerzo. ¿Cuáles son las diferencias fundamcnla·-
9.3
les en las características de estos dos materiales?
" Han llamado la atención en forma importante los cornposilos de matriz metálica reforzados por particuJados en aplicaciones automotrices que son mny sensibles al costo; se enfocan Jos desarrollos en la reproducibilidad de las propiedades de los materiales.
9.4
¿Qué fibrns de refuerzo se utilizan generalmente para la fabricación de compositos? ¿Qué tipo de fibra es la más resistente? ¿Qué tipo de fibra es la más débil? ¿En qué rango de longitud y de diámetro se utilizan las fibras de refuerzo?
., Se están desarrollando herramientas de corte de matriz cerámica, hechas de alúmina reforzada
9.5
Liste los factores de importancia que determinan las propiedades de los plásticos reforzados.
con carburo de silicio, que presentan una mucha mayor vida de la herramienta. Se están desatTollando materiales de matriz cerámica reforzados con triguitas de carbono, para válvulas y bujes, debido a su elevada dureza y a sus propiedades favorables en lo que se refiere a desgaste, fricción y lubricación.
9.6
Compare las ventajas y limitaciones de los compositos de matriz metálica, los plásticos reforzados y los de matriz cerámica.
9.7
¿Cuáles son los materiales de uso más común en las matrices?
., Un área importante de investigación es el uso de polímeros reforzados con fibras en aplicaciones de ciclos elevados de fatiga.
9.8
¿Qué es un composito híbrido?
9.9
¿Qué propiedades materiales se mejoran al añadir fibras de refuerzo?
9.10 ¿Cuál es la finalidad del material de la matriz?
,.. 236 Capitulo 9 / Matc-:ritdes compositos: estl"Uctura, propiedades
9.H ~-12
9.B 9..!41
~
1 1 ., :1
generalt~s y apllc:'l.ciones
Síntesis y diseño
i!
¿Qué es una triq11i1a? ¿Cuá! es ta diferencia entre lric¡uiut y fibra'! ¿Cómo están hechas las fibras de boro? ¿Por qué son tan pesadas?
.i~JI
¿Por qué son interesantes los compositos de matriz metálica?
--------------------------------- --·------- f
9.35
9.37
9.38 Haga referencia a las propiedades lisiadas en la tabla 7. 1. Si el acetal se refuerza con fibras de vidrio de tipo E. ¡,cuál será el rango de contenido de fibra en e1 aceta! reforzado con vidrio?
I:
Trace el módulo elástico y la resistencia de un cornposito de matriz metálica de aluminio con fibras de carbono de módulo alto, como una función del conlcnido de fibra.
1
9.40
Para lo~; datos en el ejemplo de la sección 9.3, ¿cuál deberá ser el contenido de fibra de fo11T1a que las fibras y la matriz fallen simultáneamente? Utilice un esfuerzo pennisible para Ja fibra de 200 MPa y una resistencia c1e la matriz ele 50 IVJPa.
\¡; &
9Al
¿Qué aplicaciones para los materiales cornposilos se le pueden ocurrir que sean distinlos a lus listados en la sección 9.4? .¿Por qui.! piensa usted que sus aplicaciones son adecuadas para dichos materiales?
9.42
Utilizando la información dada en este capítulo, desarrolle diseños y formas especiales para nuevas aplicaciones de materiales compositos_
Jt•
l1ngue'' lclenti/iquc metales y aleaciones que tengan resistencias comparables a las de los plásticos reforzados.
1
'1.18 En este capítulo se describieron muchas ventajas de los materiales co1npositos ¿Qué limitaciones o des.. ventajas tienen esos materiales? ¡,Qué sugeriría usted para superar e"<1s limitaciones?
•.¡¡g;.
f{ SÍNTESIS Y
9.19 ¿Qué factores contribuyen al costo de las fibras de refuerzo? (véase también la tabla 9.2) Dé ejemplos de mate1iales compositos c!islintos a los incluidos en este capitulo.
1
9.20 9_2J
~
Se define un composilo híbrido como el que liene dos o más tipos diferentes de fibras de mfocr:w ¡_Qué ventajas tiene un composito de este tipo sobre los dcmüs''
.
~-
9.22
Expliguc por qué es como se muestra él comportaniiento de Jos materiales que aparecen en la fig. '>.5
9-23
¿Por qué en los ma1erialcs cornposiws las 11br'" tienen la capacidad de :;aportar una porción imporli11ite. ele 1" carga"
1ff¡f
9.24
¿Tienen los compositos de matriz metálica vcmajas sobre Jos pláslicos rnforzados? Explique.
f
"''
!1-
Dé rnzon•_os que justiriqnen el desmrnllo de los compositos de matriz cerámica. Mencione algurn¡ cxplicación posible. 9.26
~.27
~~
Explique de qué manera procedería usted para determinar la dureza de los plásticos reforzados y la de los materiales compositos ¿Tienen algún significado ias mediciones de dureza'.' ¿Hace la difercucia el larnal'ío de la indentación'.' Explique.
,;F
¡,Cómo procedería usled para iratar de determinar la rcsis1encia de una fibra''
f~
K~;,
,:!,
Se J¡¡¡ dicho que las l'ibras ele vidrio son mucho más resistente'; cjue el vidrirJ en voiumcn ¿Por que! 9.2'! ¡,!)ajo qué circunstancias :;e podrfa utilizar un vidrio como una matriz'!
--------
Cuando los csiados norteamericanos de la planicie quedaron colonizados. no cxistian árboles para la construcción de viviendas. Los pioneros corlaron tabiques en la pradera. básicamente tierra de la prndern como malriz. y pasto con su sistema de raíces como refuerzo. Explique porgué esto debe funcionar. También. si usted fuera un pionero, ¿apilaría los tabiques con el pasto hom.ontal. o verlicill'J Explique.
e
9.43 ¿Tendría algün uso práctico un m<:
9.ti41 Haga una lista de producL(•S para los cuales el
..,
.
l~ ···
9.45
Repase Ja fig. 9.1, y explique qué otros componentes de una aeronave, incluyendo las piezas de !a l•ina, pudieran fabricarse de composi Los.
\l.46
Nombre <1plicacioncs en la!":i cua!es, tantn la resistencia como ht rigidez específicas {Flg. 9.2) son irn
9.47
¿Qué ap!icacínnes para materiales composilos se le pueden ocurrir en las cuales una ekvada conduclividud tórmica sería deseable?
9.43
Como ocurre en otrns materiales. las propiedades mecánicas de los composJtos se obtienen preparando especímenes apropiados y después prohán
9.49
Diseñe y describa un método ele prueba para determinar las propiedades mecánicas de los plásticos reforzados en la dirección
portantes.
para el refuerzo tridimensional de los plásticos. Describa (a) aphcaciones en las cuales la resistencia en la dirección del espesor del composito es importante. y (b) cuáles son sus ideas respecto a cómo lograr esta resistencia. Incluya simples esquema de la estructura utilizando estos plásticos reforzados.
Calcule el aumento promedio de las propiedades de los plásticos dadas en la labia 7.1, como resultado de su refuerzo, describa sus observaciones.
9.33
ca~
9.50 En !a sección de Tendencjas de este capítulo, se dijo que están teniendo lugar desanollos en técnicas
9.3! 9.32
l1SO de materiales cornposilos pudiera ser ventajoso en
razón a sus propiedades an1sotrópica,s.
!:J;
9.28
'! .. 3()
Repita los cálculos del ejemplo de la página 229, (a) si se utiliza una fibra de carbono Je alto módulo y (b) si se utiliza Kevlar.
9.39
9.l6 ¿Qué productos ha visto usted persona/mente que estén hechos de piásticos reforzados? ¿Cómo los dis1.17
Trace Elp y Elp 05 para los materia.les compositos listados en la tabla 9. J, y haga una comparación con las propiedades de los materiales descritos en los capítulos 4 al 8 (véase también la tabla 9.2)
9.36 Cakuk los esfuerzos en las fibras y en la matriz del ejemplo de la sección 9.3. Suponga que el área transversal es O. 1 pu!g 2 y P, = 500 lb.
9.15 ¿Cómo piensa usted se originó el uso ele paja en la arcí.!la en Ja manufactura de ladri!Jos pma viviendas? . , 1
237
j-ZJ,
¡,Existe alguna diferencia entre una fibra de carbono y una de grafito'! Explique.
~u
En el ejemplo de la sección 9.3,¿cuál sería el porcentaje de la carga soportada por las fibras si resistencia es de 1100 MPa y la resistencia de la matriz es de 200 MPa'? ¿Qué pasaría si se duplica la rigidez de las fibras y la rigidez de la matriz se reduce a la mi~td? Haga una investigación de la literatura técnica reciente, y presente datos que indiquen los efectos de Ja longitud de las fibras sobre propiedades mecánicas como la resistencia, el módulo elástico y la energía al impacto de los plás6cos reforzados.
9.34 Calcule el incremento porcentual en las propiedades mecánicas del nylon reforzado. partiendo ele los datos que se muestran en !a fig. 9.4.
9.Sl
Como fue descrito en este capítulo, los plásticos reforzados pueden verse adversamente afectados por el ambiente, en particular por la humedad, por los productos químicos y por las variaciones en temperatura. Diseñe y describa métodos de prueba para determinar la propiedades mecánicas de los materiales compositos sometidos a estas condiciones.
9.52
Comente sobre sus observaciones respecto al diseño de la tabla de surfing mostrada en la fig. 9.8.
9_53 Describa las similitudes y las diferencias entre el cartón corrugado ordinario y una estructura en panal de abeja. 9.54
Sugiera productos en los que se puede utilizar cartón corrugado. Comente sobre las ventajas y las limitaciones.
238 Cdpítulo 9 /Materiales compositos: estructura, propiedades generales y aplicaciones
9.55 9.56
Sugiera diseños de productos de consumo que pudieran utilizar estructuras de pana] de abeja. Haga una investigación de varios artículos deportivos, e identifique los componentes fabricados de ma· tcriales compositos. Explique las razones para y las ventajas de usar compositos en esas aplicaciones e¡.
~~~~ 9.57
9.58
En este capítulo se han descrito varias combinaciones de materiales y de estructuras. En términos r vos, identifique aquellos que pudieran ser adecuados para aplicaciones involucrando alguno de lo gue: (a) muy bajas temperaturas, (b) muy altas temperaturas, (c) vibraciones, (d) humedad elevada. Obtenga un libro de texto sobre materiales composítos, e investigue la rigidez relativa de un polímero re. forzado con fibra continua. Trace la rigidez de este composito como una función de la orientación con respecto la dirección de las fibras.
9.59 Deduzca una expresión general para e] coeficiente de dilatación térmica para un composito reforzado con fihra continua en dirección a la fibra.
.
Parte 11
Procesos y equipo para la fundición de metales Están disporübles varios métodos diferentes, como la fundición, el moldeo, el formado, la metalurgia de los polvos y el maquinado, para dar forma a los metales y convertirlos en productos útiles. Uno de los procesos más antiguos es Ja fündición, que básicarnc~nte involucra el vaciado de metal fundido en Ja cavidad de un molde donde, al solidificarse, adquiere la forma de la cavidad. La fundición se utilizó por primera vez alrededor de 4000 años a.C. para la manufactura de ·ornamentos, puntas de flecha de cobre y varios otros objetos. El proceso de fundición es capaz de producir formas complejas en una sola pieza, incluyendo aquellas con cavidades internas, como los monoblocks. Se pueden fundir una amplia diversidad de productos. La fig. Il. l, por ejemplo, muestra componentes fundidos en un automóvil común, un producto que fue utilizado en la introducción de la parte I a fin de ilustrar la selección y uso de una di. versidad de materiales. A lo largo de muchísimos años se han desarrollado muchos procesos de fundición (fig. U.2). Igual que en toda la manufactura, cada proceso tiene sus propias características, aplicaciones, ventajas, limitaciones y costos. Los procesos de fundición son los que se seleccionan más a menudo, en comparación con otros métodos de manufactura, debido a las razones siguientes: <> La fundición puede producir formas complejas con cavidades internas o con secciones huecas:
"' Puede producir piezas muy grandes; "' Puede utilizar materiales para la pieza de trabajo que serían difíciles o no económicos de pro·· cesar utilizando otros procedimientos; @
La fnndición es co1npetitiva en cornparación con otros procesos.
fiGURA IU
Pdrtes fundidas en un automóvil común. Carcaz3 del allcrno.dor
Monoblock, carburador,
Carcua de la Carcaza dd diferencial
/ Poleos de la bomba --·de agua
Múltiples/ de admisión y de escape
Ruedas, frenos de disco
Manijas de puerla
Cilindros de frenos
239
24íl
Parte JJ / Procesos y equipo p.lra Ja fundición de mctak:s
r
Procesos de fundición de mclal
~{
r-~"--~~~
Fundidoras
1
==i_
Molde pernwucnlt::
! 1 /\ren;i Yesoconsuniible cerámico cxpnnsiblc modelo C.;ra pctdida
FiGURA H.2
Presión
Monocrislalcs paro la rnicroelcctrónica Alabes de turbina monocristalinos
Esquema de los procesos de fundición de metal que se describen en la parte JI.
Casi tocios los metales se pueden fundi ,. prácticamente en la forma final o casi final deseada, a menudo con sólo unas cuantas operaciones de acabado requeridas. Esta capacidad coloca a la fundición entre las tec. nologías de ma11mfactinnn de for,m:as rielas más con la fo1ja de form¡¡ neta (capítulo 14), el estampado de lámina de metal (capítulo 16), y la metalurgia ele polvos (capítulo 17;. Con técnicas de procesa. miemo y control de composicicin química modernas, las propiedades mecánicas de fas fundiciones igualar a las producidas con otros procesos.
Fundamentos de la fundición de rnetales 10.1 10.2 10.3 10.4
lntroducci
10.5
Transferenci;1 cie c1 lor
10.6
Defectos
--------------------------·
1 O."l ! El proceso ele fuindicü.ún b:ísicamente se trata dL: (a) vaciar rnetJ.l fundido en un molde construido ¡;uü:~ndo la forma de la pieza a manuh1ctururse, (b) dejar que se enfríe y (e) extraer el metal del :1101ck. Al igual que en todos los clemüs procesos de manufactura, es esencial comprender !os fundamc:ntos, tunto pam la producción de fundiciones de buena calidad y económicos, como para estabkcer las técnicas adecuadas para el diseño del molde y la práctica de la fundición. Los puntos importantes a tomar en cuenta en operaciones de fundición son los siguientes:
"' El flujo del metal fundido en Ja cavidad del molde; ©
La solidificación y enfriamiento del metal en el molde;
"' La influencia que tiene el tipo de material de! molde. Este capítulo describe la relación entre los mnchos factores involucrados en la fundición. El flujo de los metales fundidos en la cavidad del molde se analiza en función al diseño del molde y a las características del flujo del fluido. La solidificación y el enfriamiento de los metales en el molde se ven afectados por varios factores, incluyendo las propiedades térmicas y metalúrgicas del metal. El tipo de molde tiene una intluencia importante ya qlle afecta la velocidad ele enfriamiento clci metal dentro del molde. También se describen factores que tienen influencia en la formación de defectos. En los capítulos 11 y 12 se describen los procesos de fundición industrial de metales, las consideracio11cs ele diseño y los materiales para la fundición. La fundición de cerámicos y de los plásticos, que involucran métodos y procedimientos similares, se ven en los capítulos 17 y 18, respectivamente.
241
242
Capítulo ·¡O/ Fundamentos de la fundición ele metales Sección 10.2 /Solidificación de los metales
243
10.2 SOUD!FICAClÓN DE LOS METALES Después que un metal fundido es vaciado en un ill().lde, ocun-en una serie de eventos durante la solidificaci · · de la fundición y su enfriamiento hasta la temperatura ambiente. Estos eventos influencian de manera imp. tante el tamaño, forma, unifonnidad y composición química de los granos formados en toda la fundición, que a su vez tiene influencia sobre sus propiedades generales. Los factores de significación qne afectan a es tos eventos son el tipo de metal; las propiedades térmicas tanto del metal como del molde; la relación geomé. !rica entre el volumen y área superficial de la fundición; y la .forma del molde.
10.2.1 Metales puros
~-Y ~;¡¡·:'."~ ~t -~t}t i = ~- \ . l /-
---
f,
~*9(\r)< -... \ "'· . . ..~ ~ -_3_~~:_>L•····- :.;;:
<
Dado que un metal puro tiene un punto de fusión (o ele solidificación) claramente definido, se solidifica a temperatura constante. El aluminio puro, por ejemplo, se solidifica a 660ºC (l 220ºF), el hierro a 1537°( (2798ºF), y el tungsteno a 34JOºC (6170ºF). (véase también la tabla 3. l y fa fig. 4.4). Después que la temperatura del metal fundido baja a su punto de solidificación, la temperatura se mantiene constante mientras el calor latente de fusión se disipa. El frente de solidificación (interfaz sólido líquido) se mueve a través del metal fundido, solidifidndose a partir de las paredes del molde hacia el centro. Una vez ocurrida la solidificación en cualquier punto, se reanuda el enfriamiento. El metal solidificado, conocido como es extraído del molde y dejado enfriarse a la temperatura ambiente. La estructura ele grano de un mela! puro fundido en un molde cuadrado aparece en Ja fig. l O. 1a. En las paredes áel molde, que están a temperatura ambiente, el metal se enfría con rapidez. Un rápido enfriamicmo produce una piel o cáscara de granos finos equidimensionados. Los granos crecen en dirección opue.st2 a la
Zona
-
1
""'".º'""
f
FIGURA 10,2 Desarrollo de una textura preferida en una pared ele un molde frío. Nótese que sólo crecen gr;u10s favorablemente orientados alejándose de la superficie del molde.
de la transferencia de calor a través del molde. Aquellos granos que tengan una orientación favorable crecsrán de manera preferencial y se conocen como granos columnares (fig. 10.2). Conformo se reduce la fuerza impulsora de la transferencia térmica al alejarse de las paredes del molde, Jos granos so hacen cquiaxialcs y grandes. Aquellos granos que tengan orientaciones sustancialmente distintas quedan bloqueados contra un crecimiento adicional. Este desarrollo de los granos se conoce como m.; .. cleación homogénea, lo que quiere áecir que los granos (cristales) crecen sobre sí mismos, a partir dc¡nred del molde.
FIGURA Hl.1 Ilustración r-squem;ítica de tres estructuras lunciiclas de metales solidificados en un molde cuadrado: (a) melcdes puros; (b) aleaciones de soludón sólida; y (e) estructura ob1enida utiiizanclo agentes ele: nucieación. Fuente: G, W. Form, l. F. Vl/allace, J. L. Walker y A. Cibula. -Zo1la de enfriamiento (b)
Estructt1n.1
---- T.1
1
1
""
i Elcmen(o de aleación (%)
_,
:;t ,,..,___
1-Só!ido->-.
Dendritas
1
244
CJpítulo ·¡O J Fundamentos de l;:i flrndición de metaies
Sección ·¡ 0.2 /Solidificación de los metales (aJ
ru-r-c·~~
~ ..
..,_
11
(b)
Acero
0.05-0.1 O% e Molde de arena
Molde frío
40
60 Minutos después de vaciar
90
jj\JV\N\Í'--o
fV\fVW~
'/:0 del
Acero o.55-0.60% e
Molde de arena
D
2 Minutos después de vaciar
16
molde
[]
(b)
=íqLüdo
Ilustración esquemática de tres tipos básicos de
2
4
fundición aun está blanda en su totalidad. Se necesitan aproxirnad
peratllrn, la aieación está en un estado blando o pastoso con demfritas colmYmllres (del griego dcndmn, cJUe significa "parecido a" y drys, "árbol'').
i'--l<Í!cse la presencia de 111eta! liquido entre los brazos de las dendrí1as. Las dendritas tienen brazos y rnnws tridimensionales (brazos secundarios) que al final se como sc puede observm· en b fig. l 0.4. csludio de las eslrncturas aunque complejo, es importante porque estas estructuras contribufactorcs ne¡rnl-ivos como vw·ü1cioncs e11 la composición, segrcg<1ción y rnicroporo::idad. Ll ancho de la w1121 hfamfa. donde est
~J
FIGURA 10.5
so
--
Sólido
¿¿a~J\J\)}
Molde frío
flGURA -WA (a) Patrones de solidificación para el hierro fundido gris en una pieza cuadrada de ·1 mm (7 pulg). Nótese que después de ·11 min. de enfriamiento, las dendritas se alcanzan las unas a las otras, pei-o la
Rango de solidificación = T1.
-~
p,rcd
Acero 0.25-0.30% e Mol ele Molde de arena frío
15
~
102
(e)
(b)
(a)
245
(HU)
Se puede ver en la fig. J0,3 que los metales puros tienen un rango cíe solicli ficación que sc acerca a cero, y que e.I frente de solidificaci<ín se mueve como un frente plano, sin formar una zona blanda. Los rntéc1iUi.\' (sección 4.3) solidifican cíe una forma simihu·, un frente aproximadamente plano, El tipo ele estructura de solidificación dcsairnllada depende de la composiciün del eutéctico. En aleaciones con un diagrama de fose casi simétrico, la estructura es generalmente laminar, con dos o más fases sólidns presentes, dependiendo del sistema de aleación. Cuando Ja fracción volumétrica de la fase menor de la aleación es inferior a aproximadamente 25%, la estructura en general se hace fibrosa, Estas condiciones son particularmente importantes para los hie1rns fundidos. Para las aleaciones, aunque no es exacto, por lo general un rango de solidificación corto involucra una diferencia de temperatura de menos de 50ºC (90ºF), y un rango de solidificación largo más de l lOºC (200ºF). Las fündiciones de hierro por lo general tienen zonas blandas angostas, en tanto que las aleaciones de aluminio y de maguesio tienen zonas blandas anchas. En consecuencia, estas aleaciones se conservan en un estado blando a lo largo de la mayor parte del proceso de solidificación.
Hecto de las velocidades de enfriamiento. Bajas velocidades de enfriamiento (del orden de 102K/s)
o tiempos de solidificación local largos clan como resultado estructuras dendríticas gruesas con grandes es-
paciamientos entre los brazos dendríticos. A veiocidades más rápidas ele enfriamiento (del orden de J0 K/s) o tiempos de solidificación local cortos, la estructura se hace más fina con un menor espaciamiento entre bra8 6 zos clenclríticos. Para velocidades de enfriamiento aun más elevadas (del orden de desde 10 a l 0 I'Js) las estructuras desarrolladas son amorfas, corno se describe en la sección 6.14, Las estructuras desarrolladas y el tamaño de grano resultante influ@cian las propiedades de la fundición. Conforn1e se reduce el t<:m1aiio del grarH), se incrementan la resistencia y la ductilidad de la aleación fundida, se reduce la microporosiclad (huecos de contracción interclcndríticos) en la fundición y disminuye la tendencia de la pieza fundida a agrietarse (desgarramiento en caliente, véase la fig, lO.l l) durante la solidificación. La falta de uniformidad en el tamaño y en la distribución del grano dan corno resuli.ado fundiciones con propiedades anisotrópicos. Un criterio que describe la cinética de la interfaz líquiclo-sóliclo es la relación G/R, donde Ges el gradieníe térmico y R es la rapide<~ a la cual se mueve la imerfaz líquido-sólido. Valores típicos para G van cíe J02 a J. 03 K/rn ypara R de l 0-3 a 1o-" mis. Las estructuras ele tipo dendrítico l 0.5a y b) típicamente tie12 nen una relación R en el rango de 1()5 a 107 , en tanto gue relaciones ele a 10 producen una interfaz líquido-sólido de frente plano. no dendrítica (fig, J 0.6).
10.2.3 Relaciones estructura-propiedad Dado que se espera que todas las fundiciones tengan ciertas propiedades para que cumplan con los requerimientos de clis.;no y de servicio, son importantes aspectos de la fundición, las relaciones existentes entre las propiedades y las estructuras desarrolladas durante la solidificación. En esta sección, describimos estas relaciones en función a Ja morfología de las dendritas y a la concentración de los elementos de aleación en varias regiones. La composición ele las dendritas y del metal líquido está ciada por el diagrama defáse ele la aleación particular (sección 4,3). Cuando se enfría la aleación muy lentmnente, cada denclrila desarrolla una composición uniforme. Bajo las velocidades normales (más rápidas) ele enfriamiento que se encuentran en la práctica, sin embargo, se fonnan dend1it_¡¡~\l!!<;l~.fil!.!l~, Las dendritas nucleadas tienen una composición superficial distinta a la de sus núcleoIT~ta,diferencia se conoce como_;:,radf€J..1!f_d.LJ:.
(a)
Líquido
Líquido
FIGURA 10,6 Ilustración esquemática de estructuras fundidas en (a) frente plano, una fase, y (b) frente plano, dos fases, Fuente: D. Apelian.
246
C
La superficie tiene una concentración más alta de elementos de aleación que el núcleo de Ja dendrita, debido al rechazo de so luto del nticleo hacia la superficie durante: la solidificación de la dendrita __ ···' g;regatiÉ.!J}. El sombreado más oscuro en el líquido interdendrítico cerca de ias raíces de la en fig. 10.5 indica que esas regiones tienen una concentración más elevada de soluto; en esas regiones Ja micro. segregación es mucho más pronunciada que en otras.
'·'~
Mazarota
/// su¡:ieiior
l~~~EO,§e~r!gas.i!)n
inv • Existen varios tipos de segiregación. A diferencia de la mícrosegregación, 0 lucra diferencias en composición en toda la pieza fundida. En situaciones donde el frente de solidificación se aleja de la superficie de una fundición como un frente piano (fig. 10.6), los constituyentes con menor punto de füsión en la aleación en solidificación 0011 empujados hacia el centro En consecuencia. superficies. este tipo de fundición tiene una más elevada concentración de elementos de aleación en su centro que en sus
2.~7
FIGURA Hl.7 Ilustración esquemática de una fundición típica con el sistema ele alimentación y mazarotas. Los bebederos sirven de depósito ele metal fundido suministrándolo a la pieza fundida conforme ésta se contrae durante la solidificación. Véase también la fig. 11 .4. Fuente: American Foundrymen's Society.
~.l:g?S.!.!i!l.!!QJ:fill!!.).
En estructuras dendríticas como las que se encuentran en las aleaciones de solución sólida (fig. !O.lb), ocurre lo contrario: el centro de la fundición tiene una menor concen(rnción de elementos de aleación~ gadón inversa). La razón está en que el metal líquido (que tiene una concentración más alta de eJemen:os de las cavidades desarrolladas debido a contracción por solidificación en los brazos dendríticos, que se han solidificado con anterioridad.
-;;Í~~~i61;)-~1~traen
La¿!'_~gl!cL~!!.l>Qtgi:;n:tl[i.i!..
Otra forma de segregación es debida a la gravedad. describe al proceso mediante el cual las inclusiones o compuestos de densidad más elevada se hunden, y los elementos más líge. ros (como el antimonio en una aleación de antimonio-plomo) flotan hacia la superficie. Una estructurn de pieza fundida típica de una aleación de solución sólida con una zona inkrna de gra .. nos cquicliaxiales aparece en la fig.10. lb. Esta zona interna se puede extender por toda Ja fundición, como se puede ver en la fig. 10. Ic, al afütclir (llgente de nucleación) a la aleación. El inoculanlc l'1 nucleación de los granos por todo metal líquido \!!.J!El~~!Q!:!l!.•~~'!:Q~m'.ª1,
ind11c~
Debido a ia presencia de gradientes térmicos en una masa en de metal líquido. y deb.ido a la gravedad y !as diJ:erencias .resultantes en densidad, la convección tiene una fuerte influencia sobre las es1.ructuras que se desarrollan. La convección promueve la formación de una zona de enfriamiento exterior: refina el tamaño del grano; y acelera la transición de granos co.lumnares a equ.iaxiales. La estructura que se rnuestra en la fig. l 0.5b también se puede obtener incrementando la convección dentro del metal líquido, y por ende los brazos dendríticos se separan (multiplicación de d!emkitas). Por otra parte, la reducción o diminación de la convección da como resultado granos columnares dendríticos más largos y más grandes. Los brazos dendríticos no son pmticuiarmente fuertes y en las primeras etapas de fa solidificación se puecic11 romper por :igitación o por vibración mecánica (fonm::ado semisóiid!o de metal y reQfmrndición; la sección l !. J4.2). Este proceso da como resultado un tamaño de grano más fino. con granos no dendrítJcos eguiaxíales distribuidos más uniformemente en toda la fondición (fig. !0.5c). Se puede aumentar ta convección usando métodos inecánicos o electromagnéticos.
v1~asc
Hoy en día se están llevando a caho experimentos durame los vuelos espaciales en relación con los efoc!os qne tiene la gravedad sobre la mícroestructura de las fundiciones. La falta de gravedad (o mlcrog,.avedad. como ahora se conoce en relación a los viajes espaciales) significa que, a diferencia con la Tierra, no se presentan diferencias de densidad o gradientes térmicos significativos (y por tanto, no se presenta la convección) durante la solidificación. Esta carencia de convección afecta la estructura de solidificación y la distribución de impurezas. Experimentos recientes involucran el crecimiento de cristales para la producción de muestras de semiconductores de teluriu.ro de cadmio-zinc, teluriuro de mercurio-zinc y arseniuro feirnso de galio dopado con selenio.
Bebedero
Los canalesde alimentación son los canales del molde, o que conectan el bebedero con los ataques.
Lü§..í!ͪCl~;~ la-porción- cl~Í ~;~;] de alimentación a través de los cuales el metal fundido eolra en la cavidad del molde. Las mazarotas actúan como depósito para suministrar el metal fundido necesario para evitar la conlracción a;;-~;¡;te la-s¿]ictificacicín. A pesar de que un sistema de bebederos como éste parece relativamente simple, una fundición de ;);cito requiere del diseño y control apropiado del proceso de solidificación para asegurar un flujo del fluido adecuado en el sistema. Por ejemplo, una de las funciones de mayor importancia del sistema de alimentación en la fundición en arena es atrapar contaminantes (como por ejemplo, óxidos y otras inclusiones) existentes en el metal fundido, haciendo que éstos se adhieran a las paredes del sistema de alimentación, evitando así que lleguen a la cavidad misma del molde. Además, un sistema ele alimentación correctamente diseñado evita o minimiza los problemas, como por ejemplo., nn enfrian1iento prematuro, turbulencia y trampas de gas. Aún antes de que llegue a Ja cavidad ele\ molde, el metal fundido debe ser manejado cuidadosamente para evitar la formación de óxidos en las superficies del metal fundido debida a exposición al ambiente o a la introducción de impurezas en el metal fundidD. En el diseño de los canales de alimentación, son de interés dos principios básicos de la mecánica de íluidos: el teorema de Bernoulli y la ley de la continuidad de masa. Teorema de !lemmim. Este teorema se basa en el principio de la conservación de la energía y re:a. cwna la presión, la velocidad y la elevación dei fluido en cualquier sitio en el sistema, así como las pérdida,; por fricción en el mismo cuando está lleno de líquido, de acuerdo con la ecuación:
h
A fin de enfatizar la importancia del flujo del fluido, describamos brevemente el sistema de fundición básico según se muestra en la fig. 10. 7. El metal fundido es vaciado a través de un depósito en forma de copa (o basín). Después fluye a través del sistema de alimentación (bebedero, mazarotas y canales de alimentación) en la cavidad del molde. Corno se describe en la sección 11.2.2 y se ilustra en la fig. 11.3, el bebedero es un canal vertical a través del cual el metal fundido fluye hacía abajo en el molde. --~.. -~
v2
2g
= constante
(rn.21
'
Donde hes la elevación por encima de un cierto plano de referencia, pes Ja presión a dicha elevación, v es la velocidad del líquido a dicha elevación, Pes la densidad del fluido (suponiendo que es incompresible), y ges la constante gravítacional. La conservación de la energía requiere que, en un sitio particular en el sistema, se satisfaga la relación,
h+J!J_+vi=h+P2+ 1
10.3 FLUJO DEL FLUIDO
D
pg
+ ...:__ + .._
pg
2g
2
pg
2g
+f
('HJ.3)
donde los subíndices 1 y 2 representan dos elevaciones diferentes, respectivamente, y f representa la pérdida por fricción en el líquido al moverse éste hacia abajo a través del sistema. La pérdida por fricción incluye factores como pérdida de energía en las interfases líquido-pared del molde y turbulencia en el líquido. Continuidad. La ley de continuidad de masa dice que para líquidos no compresibles y en un sistema con paredes impermeables, la velocidad de flujo es constante. Por lo que, Q = AiV 1 = AzV2,
(10.4)
248
C1pltu!o l O/ Fundanienlos de la fundición de nie1ales Sección 10.4 /Fluidez del metal fundido
donde Q es la velocidad de flujo (como por ejemplo m'/.s), A es el área transversal de la corrien¡e de líq1iido, yLesves la sistema. velocidad promedio del líquido en dicho sitio. Los subíndices 1 y 2 se refieren a dos sitios clilerenen el
De acuerdo con esta ley, la velocidad de flujo debe conservarse en cualquier parte del sistema. Es importante l:i permeabilidad de las paredes del sistema, porque de lo contrario parte cid líquido se saldría a través de las paredes (como por ejemplo, en los moldes de arena) y la velocidad de flujo se reducirá conforme el líquido se mueve a través del sistema. Una aplicación de ambos principios que acabamos de enunciar es el disefio tradicional de los bebecie, ros en forma de cono truncado (según se ilustra en la fig. !0.7); podemos determinar la forma del bebedero utiiizanclo las ecuaciones (10.3) y (10.4). Suponiendo que !a presión en fa parte superior del bebeáero es igual a la presión en la parte inferior y que no hay pérdidas por fricción, la relación entre altura y área transversal en cualquier punto del bebedero está dada por la relación parabólica
(¡:;,
A,
249
U'OS están hechos de cerámica, mica o fibra de vidrio y es importante su colocación y localización correcta para un filtrado efectivo de la espuma y de la escoria. Los filtros también pueden eliminar el flujo turbulento en el sistemn de canales de alin1entación.
FLUIDEZ DEL METAL FUNDIDO Li! caJ2_acidad del metal fundido Qªra llenar las cavidades del molde,
se conoce como
fluúlBz; consiste de dos
fa~to~e~pri~~ir;ales y-básico;~!) las característica¿ del metal flmdid;y-(2ffospará;n~-ttos del vaciado, Las
siguientes características del metal fundido tienen influencia sobre la fluidez:
(] 0.5)
a. Viscosidad. Conforme se incremente la viscosidad y su sensibilidad a la 1emperatura (índice de visco-
donde por ejemplo, el subíndice l indica la parte superior del bebedero y el 2 la interior. 1\lfoviéndonos hacia abajo a partir de la pmte superior, el área de la sección transversal de] bebedero debe reducirse. Dependiendo de las suposiciones que se hayan hecho, también se pueden obtener expresiones diferentes a las de la ecuación ( I 0.5). Por ejemplo, podemos suponer una cierta velocidad del metal fundido V, en la parte superior del bebedero. Entonces utilizando las ecuaciones (10.3) y (l0.4) podemos obtener una expresión para la relación /i 1/11 2 de las úreas transversales en función de h , h y V¡.
b. Tensión superficial. Una elevada tensión superficial del metal líquido reduce la fluidez. Debido a loan-
·-A2 =
1
·1J--" h 1
2
Recuerde qLte en un líquido en caída libre (como por ejemplo, agua de una llave), el área de la sección transversal de la corriente se reduce conforme va adquiriendo velocidad hacia ab¡\jo. Si diseñamos un bebedero con un área transversal constante y vaciamos metal fundido en el :nismo, pueden desarrollarse regiones donde eJ líquido pierda contacto con las paredes del bebedero. Como resultado puede dm·se el fenómeno de la
(Hl.6)
donde ves la velocidad del líquido, Des el diámetro cleJ canal, y p y r¡ son la densidad y Ja viscosidad del iíquido, respectivamente. Mientras más elevado sea este número, mayor será la tendencia a un flujo turbulento. En sistemas de alimentación ordinarios, Re tiene valores de 2000 a 20000. Un valor Re de hasta 2000 representa un flujo laminar; entre 2000 y 20000, representa una mezcla de Dujo laminar y turbulento. Este tipo de mezcla en general se considera como inofensiva en los sistemas de alimentación. Sin embargo, valores de Re de más de 20000, representan una severa turbulencia dando como resultado el atrapado de aire y la formación de "escoria" (la espuma que se forma en la superficie del metal fundido) debido a la reacción del metal líquido con el aire y otros gases. Las técnicas para minimizar la turbulencia generalmente involucran el evitar cambios súbitos en la dirección del flujo y en la geometría de las secciones transversales del canal en el disefio del sistema de alimentación. La espuma o escoria se puede eliminar casi completamente sólo mediante la fundición al vacío (sección 11.8). La fundición atmosférica convencional reduce la espuma o escoria mediante el desnatado, el uso apropiado de copas de vaciado y de canales de alimentación, o mediante el uso de filtros. Por lo general, los fil-
sidad), se reduce la fluidez. terior, las películas de óxido sobre la superficie del metal fundido tienen un efecto adverso significativo sobre la fluidez: por ejemplo, una película de óxido sobre la superficie del aluminio puro fundido tdplica la tensión superficial.
c. lndusim1es. Como partículas insolubles, las inclusiones pueden tener un efecto adverso significa1ivo sobre la fluidez, Este efecto se puede verificar observando la viscosidad de un líquido como el aceite con y sin pmtículas ele arena incluidas; e} primero tienen una viscosidad más elevada. d. Patrón de solidilkadiin de la aleación. La forma en que ocurre la solidificación. según se describe en Ja sección 10.2, puede influenciar la fluidez. Es más, Ja fluidez es inversamente proporcional ai rango de solidificación. Mientras el rango sea más corto (como ocurre en los metales puros y en los eutécticos) la fluidez será más elevada. Por el contrario, las aleaciones con largos rangos de solidificación más grandes (como por ~jemplo, las aleaciones de solución sólida) tienen una !1uiáez menor. Los siguientes parámetros de vaciado influencian a la fluidez así como al flujo del fluido y a las teristicas térmicas del sistema;
car~K-·
a. Diseiio del molde. Tanto los diseños como las dimensiones del bebedero, los canales de alimentación y las mazarotas, todos ellos tienen influencia sobre la fluidez.
b. Material de molde y sus características superl'icñalcs. Mientras más elevada sea la conductividad térmica del molde y más ásperas sean las superficies, menor será la fluidez del metal fundido. Aunque el calentamiento del molde mejora la fluidez, alarga el tiempo ele solidificación del metal y la fundición desarrolla granos grandes, y por tanto, una menor resistencia. c. Grado de snpercalentamiento. Definido como el incremento dé la temperatura por encima del punto de fusión de una aleación, el supercalentamiento mejora la fluidez al retrasar la solidificación. d, Velocidad de vaciado. Mientras más lenta sea la rapidez del vaciado del metal fundido en el molde, me, nor será la fluidez debida a una velocidad de enfriamiento más alta. e, Transferencia de calor. Este factor afecta de manera directa a la viscosidad del metal líquido (véase más adelante). A pesar de que las interrelaciones son complejas, utilizamos el término general ele colabilidacl o capa, cidad de fundición para describir la facilidad con la cual se puede vaciar un metal para obtener una pieza de buena calidad. Este término no solo incluye la fluidez, sino también las prácticas de fundición.
250
C1pítuJo ·1 O/ Fundamentos d0 L:1 fundición de metales
Sección ·¡ 0.5 /Transferencia de calor
Sólido --...¡... _Liquido - -...
FIGURA HU! Un método de prueba para la fluidez utilizando un molde en espiral. El índice de fluidez es la longitud del metal solidificado en el pasaje en espiral. Mientras mayor sea la longitud del metal solidificado, más elevada será su fluidez.
Punlo ti de fusíón
§' ¡S ·-t. __
D.. T · -t- -
---·-------------~
DE Una consideración de importancia en la fundición es la transferencia de calor durante el ciclo completo desde e! vaciado hasta la solidificación y el enfriamiento hasta ia temperatLml ambiente. El flujo de calor en diferentes sitios del sistema es una fenómeno complejo, y depende de muchos factores relacionados con el material de fundición y los parámelros del molde y del proceso. Por ejemplo, en Ja fundición de secciones delgadas, la velocidad de flujo de metal debe ele ser Jo suficientemente alta para evitar un cnfriamien10 y solidificación prematuros. Sin embargo. la velocidad de flujo no debe ser tan alta que cause excesiva turhtdénci2 coo sus efectos nocivos en el proceso de fundición. En b fig. 10.9, se muestra una dislribuci6n típica de temperatura en la interfaz líquido-metal del molde. calor del metal líquido es disipado a 1Tavés de la pared del molde y del aire circundante. La caída de temperatura en las interfases aire-molde y molde-·metal es cmisada por Ja presencia de capas límite y un contacto imperfecto en dichas inte1fases. La forma de l.a curva depende de las propiedades térmicas del metal fundido y del molde.
rn
1
o ~
'!0.4. l Pruebas de fluidez Se han desarrollado varias pruebas para cuantificar Ja fluidez, aunque ninguna de ellas es de aceptación universal. En una prueba de estas, que se muestra en la fig. J 0.8, se hace que el metal fundido fluya a lo .largo de un canal que está a la temperatura ambiente. La distancia que recorre el metal antes de solidificarse y detenerse, es una medida de su fluidez. Obviamente esta longitud es una función de las propiedades térmicas del metal y deldemolde. así como del diseño de] canal. Estas pruebas son útiles y ele manera razonable simulan situaciones fundición.
251
-
En la interfaz metal-molde
.L.
Temperatura ambienlc
6. T
1-----"
En la interfaz
Distancia
FIGURA 10.9 Distribución de la temperatura en la interfaz de la pared del molde y el metal líquido durante la solidificación de los met»les en la fundición.
Por lo que una esfera grande y sólida solidifica y se enfría a ia temperatura ambjente a una velocidac1 mucho más lenta que una cst"era más pequeña; la razón es que el volumen de una esfera es proporcional al c'J-· bo de su diámetro, y el área superficial proporcional al cuadrado de su diámetro. De manera similar, se pneck demostrar que un metal fundido en un molde de forma cúbica se solidificará más aprisa que en un molde cé"férico dd mismo volumc:n (véase el ejemplo mús adelante). Los efectos de ia geometría del molde y del tiempo transcurrido sobre el espesor y forma de la pelfu:la se muestran en la fig. l O. l O. Como queda ilustrado, el metal fondido no solidificado ha sido retirado del moide a intervalos de tiempo, desde cinco segundos hasta 6 minutos. Observe que el espesor de Ja película se incrementa con el tiempo tr:mscurrido, pero la película es más delgada en los ángulos internos (punto A de la fig.) que en los externos (localización B). Esta última situación es causada por un más lento enfriamiento c:n los ángulos internos que en los :íngulos externos.
-iü.5."J Tiempo de solidificación Durante las primeras etapas de la solidificación, se empieza a formar una película delgada solidificada en las paredes frías del molde y conforn1e pasa el tiempo. dicha película se hace más gruesa (fig. l 0.1 O). Con paredes del molde planas, este espesor es proporcional a la raíz cuadrada del tiempo. Por tanto al duplicar el tiempo se hará que la película sea = 1.41, es decir, 41 % más gruesa.
flGURA 10.10 Película solidificada en una fundición de acero. El metal fundido restante es retirado en los tiempos indicados en la fig. Los objelos ornamentales y decoralivos huecos se fabrican mediante un proceso llamado fundición de dscara, que se basa en este principio. Fuente: H. F. Taylor, J. Wulff y M.C. Flernings.
v2
B
El tiempo Chvorinov); esto de es, solidificación es función del volumen de la fundición y de su área superficial (regla de 2 . Tiempo de solidificación = C ( , volumen _ . ) , a.rea superficial
donde una constante que refleja el material del molde, las propiedades del metal (incluyendo el calor latente) yCes la temperatura.
8 5s
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252
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Capitulo 1O/ Fundamentos de la fundición de metales
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Ejemplo: Tiempos de solidificación para varias formas
tien~n mismo:~olumen
distint~s: m~a e~
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TABLA Hl.1
Contracción por solidificación de varios metales fundidos
Tres piezas de metal gue se están fu?diendo el per?: formas üna cs. j. fera, una un cubo y la otra un crlmarn de altura igual a su drnmetro ¿Que pieza se soliddicara mas aprisa :i.I'.·'.. y cuáJ más lentamente? ;: 1;, Solución:
·.' •·,1~¡· ·
El volumen se asume igual a la m1id.. ad, por lo que. t.er1e.mos, de fa Ecuación ( l 0 . 7 ) . .
\~:,
.:.:!
í.¿: .
Tiempo de.solidificaci6n·rx Las
,·Jt
ún~as superficiales respectivas son cumo sig!;~:
:Í~ ¡j.:
4\
'
( ... Lrrr3• , = .· \3) :• r '"
Esfera:
11
' ( 3 ., vA= 4'7Tr=4r, - ,
-
.fa}
Cubo:
V=
a'.
Ci.iindro:
V .:. -.:
1rr
(l " '
2
l
y
h = 2rir
A = 2rir
1
2
1
i/'
~'
5.54.
Por tanto, los tiempos respccfrvos de solidificad6n son: 1. ",fer;i
Por
= OJJ43C,
1niix; ::.-::
0'.028('
Y
Aluminio AI-4.5%Cu M·12%Si
Metal o aleación
6.6
70%Cu-30%Zn
6.3 3.8
90%Cu--10%A! Fundición de hierro gris
2.5-3
Magnesio Fundición de hiaro blanco Zinc
Acero al carbono Acero al l % de carbono
4
Cobre
4.9
solidificación(%) 4.5 4 Dilatación del 2.5 4.2 4-5.5
6.5
Fuenre: Según R. A. Flinn.
Como podremos ver en esta sección así como en otras secciones en las partes U·lY, en el proceso de manu· factura se pueden presentar varios defectos, dependiendo de factores corno los materiales, diseño de las piezas y técnicas de procesamiento. Aunque algunos de los defectos s61o afectan a b apariencia de las piezas. otros
causan efectos adversos de importancia en la jntegridad estructural de la piezas fabricadas (véanse los capítulos 11 y 12).
y
21'rh = Ó7ir.: =
Metal o aleación
Contracción volumétrica por
:,, jf€J,6 DEFECTOS
A= 6a 2 ·= 6:
r
Contracción volumétrica por solidificación (%)
'!WP"/ -·,
= 4.84.:
I •
253
Sección 10.6 / Defectos
f.ilmdJ·r, ·:::::
0.03~~C.
Cu11dición c:i forma de cubo c.s b.quc se soJidificarü m;ís aprisa y b fundición en forma sol.idificar:l con mayor lentitud.
En razón a sus características ele dilatación tó-mica. los metales se encogen (c"nlracn) durante ia solidificación y el enfriamiento. La 1·0111racció11, que caus;1 cambios dimensionales y, alguna.'; vec •.,s, agrietamiento. es el resultado de los siguientes tres eventos: a. conlrncción del metal fundido al enfriarse antes de su solidificación. h. contracción del metal durante el cambio de fase de líquido a sólido (calor latente ele fusión). e. contracción del metal solidificado (la fundición) conforme su tcmperalura b
En las fundiciones se pueden generar varios defectos (figs. l 0.1 1 y l 0.12). Dado gue en el pasado se ban utilizado nombres diferentes para descdbir 1.m mismo defecto, el lnternational Committce of Foundry Tech·· nica1 Associatíons, ha desarrollado una nomenclatura estándar que consiste en siete categorías básicas de defoctos de fundición, identificados con letras mayúsculas en negritas: A. Proyecciones metálicas, formadas por aletas, rebabas o proyecciones masivas como ondulacione:; :: superficies ásperas. R Cavidades, formadas por cavidades redondeadas o ásperas internas o expuestas, incll1yendo sopladur;t:·: porosidad y cavidades de contracdón (véase "porosidad", más adelante).
FIGURA 10. 11 Ejemplos de grietas en caliente en íundiciones. Estos defectos ocurren porque la fundición no puede contraerse libremente durante el enfriamiento, debido a restricciones en varias parles de los moldes y núcleos. Pueden usarse compuestos exotérmicos (que producen calor) (como por ejemplo un compensador exotérmico) para conlrolar el enfriamiento en secciones críticas a fin de evitar agrietamiento µor calor.
c
Grietas en caliente
Fundición·-···!~
1
t
Grietas en co.liente
~
Grietas en caliente Núcleo
La mayor contracción ocurre durante el enfriamiento de la fundición. El valor de la contracci6n durante la solidificación de varios metales se muestra en la tabla l 0.1. Nótese que el hierro fundido gris se expande. Esto se debe a que el grafito tiene un volumen específico relativamente aJto, y cuando se precipita en forma de hojuelas de grafito durante la solidificaci6n genera una dilatación neta del metal. La contracción se analiza adicionalmente en la sección 12.2.1 en conexión con consideraciones de diseño en la fundici6n.
tamhié:~
·-- Cubeta de vaciado
Fundición - -
'-(~·-·
Canal de alimentación
,. 254
í
C1píru!o 1O/ FundJ.menJos de la fundición ele rnetaies
r.fi¡,.
¡~:
255
t/
(e)
Sopladura
Sección 10.6 /Defectos
"
))'i
(b)
_,
¡,,-
)'¡}\,,
(:t)
.
lQ.6.1 Porosidad -
Cicalriz lncrustaciones
t
(e)
(f)
Molde de arena
Arras1Te
(g)
Ataque
Falta de llenado
AU.K¡nc Al<1qm:
Puntos fríos
FiGUilA Hl.12 í:jernplos do defectos comunes <'n las fundiciones. Estos defectos s" pueden minimizar o l;i preparoción df' los moldes y e! control rle los procedimientos de eliminar mediante un diseño vacin.rlo. Fuente: l. Datsko.
~propiado,
H1:süon1mm1r121,de:s,, como son grjetas. grietas en caliente o en rrfo~ y puntos frfos. Si al meta! en solidifi<:ación se le restringe en su libre contracción, puede ocurrir el agrietamiento y el desgarramiento. Aunque están involucrados muchos frictores en el agrietamiento. un tamaiío de grano grancko y la presencia de segregados de bajo punto de fusión a Jo largo ele las fromeras de grano incrcmc1't" la tendencia al agrietamiento por calor. E! punto/Tío es una interfaz en una fundición que carece ele una fusión completa debido a ia unión de dos corrientes de metal líquido provenientes de puertas c:iteremes. Superfick de 6xido. (fofectiwsa. como son pliegues, traslapes, cicatrices, c;ipas de arena adheridas y ca:>cariila
La porosidad en una fundición puede ser causada por contracción o por gases o por ambos. La porosidad es perjudicial a la ductilidad de una fundición y a su acabado superficial, haciéndola permeable, y por tanto, afectando la compacidad a la presión de un recipiente a presión fundido. Se pueden desarrollar regiones porosas en las fundiciones debido a la contracción del metal solidificado. Las secciones delgadas en una fundición solidifican más pronto que las regiones más gruesas; como resultado el metal fundido no puede ser alimentado a las regiones más grnesas que todavía no se han solidificado. Pueden desarrollarse regiones porosas en sus partes centrales debido a contracción conforme las superficies de Ja región más gruesa empiezan a solidificarse primero. También se puede desarrollar la microporosidad cuando el metal líquido se solidifica y se contrae entre dendritas y entre ramas dendríticas (sección 10.2.3). La porosidad causada por contracción puede reducirse o eliminarse utilizando varios procedimientos. Un metal líquido adecuado debe ser provisto a fin de evitar cavidades causadas por contracción. El uso de enfriadores metálicos internos o externos, en fundiciones en arena (fig. 10. 13), es también un medio efectivo de re· ducir la porosidad por contracción. La función de los enfriadores es incrementar la velocidad de solidificación en regiones crúicas. Los enfriadores internos por lo general, están hechos del mismo material que la fundicíón y se dejan en la misma. Sin embargo, existen muchos problemas involucrados en la fusión apropiada de los enfriadores internos con la fundición; por esta razón las fundidoras tratan de evitar los enfriadores internos. Los enfriadores externos pueden estar hechos del mismo material o pueden ser de hierro, cobre o grafito. En las aleaciones, la porosidad se puede reducir o eliminar haciendo más abrupto el gradiente de temperatura. Por ejemplo, se pueden utilizar materiales para ei molde con una conductividad térmica más elevada. Otro método de reducir la porosidad es someter la fundición a presión isostática caliente (sección 17.3.2). Los metales líquidos tienen una solubilidad mucho más grande para los gases que los metales sólidos (fig. 10.14J. Cuando un metal se empieza a solidificar, los gases disueltos son expulsados de la solución. También pueden resultar gases de reacciones entre el metal fundido y los materiales del molde. Los gases se pueden acumular en regiones ele porosidad existente (corno por ejemplo, las regiones interdendríticas) o pueden causar microporosidad en la fundición, particularmente en el hierro, aluminio y cobre fundidos.
F!GURA 10.13 Varios tipos de (a) enfriadores internos y (b) externos (áreas oscuras en las esquinas), utilizados en [as fundiciones para e!irnindr la porosidad causada por contracción. Los enfriadores se co!ocan en regiones donde existe un mayor volumen de metal, como se puede observar en (e).
~
(a)
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d~l
Dimensiones o formas incorrectas, debido a factores como una inadecuada tolerancia de contracción, un error en el montaje del modelo, una contracción irregular, un modelo deformado o una fundición torcida por la liberación de esfuerzos residuales. G. h:idusiones, que se forman durante Ja fusión, solidificación y moldeo. Por Jo general, de naturaleza no metálica, se consideran corno pe1judiciales porque actúan como elevadores de esfuerzo y reducen la resistencia de Ja fundición. Se pueden filtrar partículas de hasta de 30 µm durante el procesamiento del metal fundido. Durante la fusión se pueden formar inclusiones cuando el metal fundido reacciona con el entorno (por Jo general oxígeno) o con el material del crisol o del molde. Reacciones químicas entre los componentes del metal fundido pueden producir inclusiones; las escorias y otros materiales extraiíos atrapados en el metal fundido, también se convierten en inclusiones. El desmoronamiento de las superficies del molde y del corazón tan1bién prodncc inclusiones, lo que indica la importancia de la calidad de !os moldes y de su mantenimiento
iu ' ~ YS?O ~
Fumlkión como son las faltas de llenado (debidas a una solidificación prematura). volumen insuficiente de metal vaciado y fugas (debido a pérdida de metal del n1oldc despuéc: vaciado). Se pueden obtener fundiciones incompletas si el metal fundido está a una temperatura demasiado baja o si se vacía muy lentamente.
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(b)
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(e)
Fundición
...-..--- Saliente -+-- Enfriador
256
Capitulo l O/ Fundame111os de Ja fundición de metales Términos c!ave
~;t\'-'\ó.º~
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,. La solidificación ele los metales puros ocurre a una temperatura constante; la solidificación de las aleaciones ocurre a lo largo ele un rango de temperaturas, dependiendo de la composición. Los diagramas de fase son herramientas importantes para identificar el punto o puntos de solidificación para materiales tecnológicamente importantes.
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.. La composición y la velocidad de enfriamiento de la fundición afectan el tamaño y la forma de los granos y de las dendritas en la aleación en solidificación. A su vez, el tamaño y la estructura ele los granos y de las dendritas tienen influencia en las propiedades ele la fundición solidificada. El tiempo de solidificación es una función del volumen de la fundición y de su área superficial (regla de Chvorinov).
/Fusión
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o
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~ Punto de Fusión Temperatura
257
'" La estructura ele grano ele las fundiciones se puede contrnlar mediante diversos métodos para obtener las propiedades deseadas. Dado que los metales se contraen durante la solidificación y el enfriamiento. se pueden formar cavidades en la fundición. La porosidad causada por gases liberados durante la solidificación puede ser un problema ele importancia, particularmente en razón de su efecto adverso en las propiedades mecánicas de las fundiciones. En las fundiciones se pueden desarrollar varios defectos debido a carencia ele control clel material y ele las variables del proceso.
flGVH?A HU 4 Solubilidad del hidrógeno en el aluminio. Nóicsc la brusca reducción en sulubiliclad cuando el metal fundido se empba a solidificar.
Los gases disueltos pueden ser sacados de! meta! fundido mediante "lavados" o purgas con un gas le, o fondiendo y vaciando d metal en el vacío. Si el gas disuelto es oxígeno, el metal fundido se pucue oxidar. El acero es usualmente desoxidado utilizando aleaciones de aluminio, silicio y cobre con materiales que contengan cobre, titanio y zirconio fosforado (véase también la sección 5.2).
" Aunque la mayor parte de los metales se contraen durante la solidificación, el hierro fundido gris y al·· gunas aleaciones de aluminio de hecho se expanden. Los cambios dimensionales y el agrie1.amien10 (grietas en caliente), son dificultades que se pueden presentar durante la solidificación y el enfriamiento. Se han identificado siele C
d<~.
Puede req1l1ar difícil de determinar si 18 microporosidad es resultado la contracción o ha 'ido cn1s:ida por gases. Si la porosidad es esférica con paredes lisas (parecidas a los agujeros brillantes del queso suj. zo), comúnmente es debido a íos gases. Si las paredes son ásperas y angulares, es prohablc que la porusidad provenga de contracción entre las dendritas. Una gran porosidad proviene de la contracción y usualmente se
" Las prácticas de fusión tienen un efecto directo sobre la calidad de las fimdiciones, igual que las operaciones en las fundidoras como es la elaboración Je modelos y ele moldes, el vaciado del metal fundido, ei retiro de las piezas fundidas de los moldes, la limpieza, el tratamiento térmico y la inspección.
conoce como c.aví
fundición de cañones en Estados Unidos en los años de 1860 t:n !a fondjci6n de coronel Tliomas J. Rodm;m mirn1uw, cm com;mclante del Rock Island Arsenal. en JJJinois, ail<í por !860. En este proceso d ca1ló11 ele hicrrn fundido era enfriado l.ÍCS
TENDENCIAS La decarburizac56n y desoxidación por argón y oxígeno, así como la refundición eléctrica de escoria. la metalurgia en cuchara, la refinación por pbsma y Ja inyección de alambre ele calcio para la producción de aceros ele alia C<1liclad, son prácticas llevadas a cabo en la actualidad por las fundidoras modernas. ., fata en marcha la investigación sobre Jo siguiente: el agitado electromagnético del metal fundido en el molde y la vibración del molde para obtener un tamaño de grano 1mís pequeño y más uniforme duran te la solidificación, el vaciado cont.ra la gravedad y la protección de la corriente ele la colada. ®
rcsidtdcs a hi compresión, El resultado era un caii6n más confiable y müs rcsistcnk, conocido
el caí'ión Rodman, dei cual se dice que duraba veinte veces más que otros cailones. Este proceso revolucionó en todo el mundo el arle de la fobricación de cm'íones. Algunos historiado· ;·es le cfon crédilo a la intención ele convencer a las i"uerzas navales europeas de no inlcrvcnir en la guerra
" Técnicas de diseño y manufactura asistidas por computadora se están utilizando para predecir patrones de solidificación, para impedir clefcclos ele fundición y para calcular pesos, volúmenes y dimensiones para un diseño apropiado ele molde y una producción económica.
ci·:ii de Estados Unidos En la fabricación de recipientes cilíndricos de alia presión. es aliora :1na tecnic:a bien conocida Ja contracción de capas sucesivas de tubos concénlricos uno encima del otro. Con csie método las capas interiores de! recipieme quedan sujetas a elevados niveles de esfuerzos resiclaales a rnmpresión, mismos que a su vez pemliten que e! recipiente soporte presíones in temas elevadas.
"' Se están efectuando mejorías en la eficiencia de los hornos, en la calidad del metal fundido nicas de purificación y de filti-ado.
-·---------------
RESUMEN
<> La fundición es un proceso de solidificación en el cual el metal fundido es vaciado en un molde y de-
jado enfriar. El meta] puede fluir a través de una variedad de pasajes (incluyendo copa clco vaciado, be· bederos, canales ele alimentación, mazarotas y ataques) antes de llegar a la cavidad final del mol ele. Las herramientas analíticas utilizadas en el diseí'io, son el teorema de Bemoulli, la ley de Ja continuiJad Y el numero de Reynolcls, teniendo como meta una velocidad de flujo apropiada y la eliminación de de· fectos asociados con dicho flujo del fluido.
TÉRMINOS CLAVE Aspiración ·, _Bebedero ... ""tanales de alimentación
· _;,; Contracción ·'._,,,. Copa de vaciado
·Dendritas J)~ndritas columnares
Dendritas nucleadas
Enfriadores Fluidez
Fundición Granos co!umnares Inoculante Insertos
Macrosegregadón Mazarotas Microsegregación Molde Nucleación heterogénea Nucleación homogénea Número de Reynolds
y en las téc-
258
C:ipítulo 1O/ Fundamentos de la fundición Ü(· rnetales
Problemas cuantitativos
Película PieJ Porosidad
Rango de solidificación Respiraderos Segregación Sistema de aiimcntación
Puerta
Solidificación Teorema de Bernoui Ji Turbulencia Zona blandJ
--------------AS/Vi Nandhonk, Vol 15: Casring. ASM International, i988. Heine, R. Principies of Metal Caslin.g. McGrnw-Hill, l 999. Liebermann, H.H., (Ed.), Rapidly So/idified A/loys. Marce! Dekker, J993. Mike!onis, P. J. (EcL), Foundry Technology: A Source Book.
ASM lnternational. l 982.
Minkolf, l., Solid(fication and Casr Structure. Wi!ey, 19.%. Steel Castings Handbook (6a Ed.). Steel Founrlers' America, 1995. Szekely, J., Fluid Flow Phenomena ín demic Press, J979.
·--------------
DE REPASO H~.]
¿Por qué la fundición es un proceso importante de manufactura?
W.2 ;.Cuál es la diferencia entre ia solidificación de Jos metales puros y Je la aleaciones metálicas? HU ¿Qué son las dendritas'' WA Diga cu:ii es la diferencia entre rangos de solidificación cortos y !argos ¡,De qué mancrn se determina el rango? !W.5 Describa Jos parámetros sobre Jos que depende la solidificación_ l).G Defina contracción y porosidad ¡,De qué manera puede usted saber si las cavidades en una lírndición son dci1id,,s o
H
porosid
J0.7 ¡,Cuál es la función de los enfriadores? 10.8 ¿De qué manera se eliminan los g11scs disueltos del nieta! fundido? 10.9 Describa las características de un sisterna de al.irnentación completo. i!H.HV ¿C6rno se define ta fluidez? ;,Por qué es importante? R Explique la razón de la presencia de grietas en caliente en l"-!ombre varios defectos -en tas fundiciones.
~i-~}. '12
la~ fundiciones.
¡.J'or quépara es importante eliminar las espt1mas y escorias al vaciarse el metal fundido en e! molde? ¿Qué mdedo.; '" ulilizan ;;u eliminación?
W.M ¿Cuáles son Jos efectos del material para los moldes "'bre el flujo de! fluido y sobre l.a trnnsferencia ri<: calor? í!0 . .[5 ;,Pnr gut5 es importanle en la fundición Ja ecuación de BernoulJj? J'.0.]6 ¿Qué es una mazarota?
259
10.23 ¿Qué demostraciones prácticas puede usted ofrecer para indicar la relación entre el tiempo de solidificación con el volumen y con el área superficiaJ?
10.24 ¿Piensa usted que una temprana formación de dendritas en un molde puede impedir el fluj9 libre del material fundido hacia el interior del molde? De una ilustración. 10.25 Explique por qué usted desearía someter una fundición a varios tratamientos térmicos.
10.26 ¿Por qué tiene la porosidad un efecto perjudicial sobre las propiedades mecánicas de las fundiciones? ¿Se verían \a111bfon afectadas por la porosidad las propiedades físicas como la conductividad térmica y eléctrica? Explique. 10.27 Se debe fundir un manubrio de rayos en hierro gris. A fin de impedir la desgarradura por calor de los rayos, ¿aislaría usted los rayos o les pondría insertos? Explique. 10.28 ¿Cuáles de las siguientes consideraciones es o son importantes para que una mazarota funcione co1Tectamente? Debe: (a) ¿tener un área superficial mayor que la pieza que se está fundiendo?, (b) ¿mantenerse abierta ~11a presión ;ií..·· rnosférica? y/o (e) ¿solidificarse primero'' ¿Por qué" 10.29 Explique por qué la constante C de la ecuación (10.7) depende del material del molde, de las propiedades del meca! y de la temperatura. Hi.30 ¿Son los enfriadores externos tan eficaces como los internos? Explique. 10.31 Explique por qué el hieno fundido gris sufre una dilatación en lugar de una contracción durante la so1idificación, corno se observa en la tabla 1O. l. 10.32 Haciendo referencia a la fig. l O. l O. explique porgué las esquinas interiores (como en A) desarrollan una película rnú:; delgada que las esquinas externas (como en 8) durante 1a solidificación. 10.33 Observe la forma de las dos mazarotas de la fig. 10.7, y analice sus observaciones con respecto a la ecuación ( lG. 10.34 ¿Existe o no alguna diferencia en la tendencia a fa formación de huecos por contraccióo para metales con rango.s de solidificación cortos y largos, respectivamente? Explique. 10.35 ¿Cuál es la inrluencia del área transversal del canal en espiral de la fig. 10.8, sobre los resultados de la prueba de fü¡idez? ¿Cuá] es el efecto calentados a ten--;p:: · raturas elevadas, ¡,serían más Utiles los resultados? Explique. 10.36 Haga una lista de consideraciones y precaucíones de seguridad que deberán tomarse en cuenta en relación con tcdns los aspecLos de la fusión y fundición de los metales, incluyendo el equipo involucrado. 10.37 Los fundidores y encargados de colar lingotes han observado desde hace mucho tiempo que las bajas tempen.1:rt'.f"~_t', de vaciado, es dei:.:ir, un bajo supercalentarniento. promueve la formación de granos equiaxiales en lugar de grano~) CD·· lumnares. También. que los granos equiaxiales ~;e hacen más finos confonne baja la te1nperatura de vacia
RO.l7 ¿CwU es la finalidad de los in0culantes?
cu··· W.18 Describa las etapas involucradas en la contracción de los metales durante la fundición. W.19 metales. Explique las razones por las cuales la transferencia de calor y el flujo de fluido son de importancia en la fundición de Hl.20 lo Sabemos que vaciar metal a alta velocidad en un molde tiene ciertas desventajas ¿Existe alguna desventaja en vaciarlentamente?
l0.21 Describa los eventos ilustrados en la fig. J0.4. 10.22 ¿Le preocuparía saber que una parte de los enfriadores inlemos se quedan dentro de la fundición? ¿De qué materia· les piensa usted que deberían fabricarse los enfriadores, y por qué?
PROBLEMAS CUANTITATIVOS 10.40 Esboce una gráfica de volumen específico en función de la temperatura para un metal que se contrae al enfriarse del estado líquido a temperatura ambiente. Sobre la gráfica, marque el área donde la contracción se compensa mediante mazarotas. 10.41 Una fundición redonda tiene 0.2 m (7.9 pulg) de diámetro y 0.5 m (l 9.7 pulg) de longitud. Otra pieza de fundición del mismo metal es de sección transversal elíptica, con una relación de eje principal a menor de 2, y tiene la misma longitud y área transversal que la fundición redonda. Ambas piezas se han fundido siguiendo las mismas condiciones ¿Cuál es la diferencia en los tiempos de solidificación de ambas piezas? 10.42 Una placa cuadrada de 100 mm (4 pulg) de espesor y un cilindro recto o circular con un radio de 100 mm (4 pulg) y una altura de 50 mm tienen el mismo volumen. Si cada uno de ellos debe ser fundido utilizando una mazarota cilínd1ica, ¿requerirá cada una de las piezas una mazarota del mismo tamaño para asegurar una correcta alimentación? Explique.
'::.,.··· : r· . .
. . . . . ~
261)
CclfJÍlulo 1O/ Fundamentos
;):
de fri fundición de meldles
.1f •I;:
Hl.43 Determine las dimensiones ele cada uno de los parámetros en el número Reynolds ciado en la ecuación ( 10.6) y ve¡¡. 7 fique SIJ co11sistencia.
lll.44 Suponga que !a parte superior ele un bebedero redondo tiene un diámetro de 3 pulg (75 mm) y está a una altura des,I
co.:.~·.
pulg (200 mm) del cam!I de alimentación. En base a la ecuación ( l 0.5), lrnce el perfiJ de! diámelro del bebedero mo una función de su altura. Suponga que la pared del bebedero liene un diámetro de 0.25 pulg (6 mm) en la panc·1; ·~ infr.rior. •vi
Hl.45 Se vacía aluminio puro en un rnolcle de arena. El nivel del metal en la copa de vaciado es 8 pulg por encima del nive1JI. del rnelal en el molde, y el canal de alimentación es circular con un diámetro de 0.5 pulg ¿Cuál es la velocidad de1',:I flujo del metal en el molde? ¿Es el flujo turbulento o laminar? , 0 •.
11 l.l~Y:
rn.46 Para el bebedero que se describió en el problema 10.45, ¿qué diámetro de canal de alimenlación se necesita para asegu. ; .: rar un número Reynolds de 2000CI ¿cuánto tardará una fundición de 25 pulg3 en llenarse utilizando esle tipo de canales' l¡\¡
l (lA7 Un bebedero tiene 1O puJg de largo y tiene un diámetro de 5 pulg en su pmw superior, donde se vacía el metal. Si se 3 desea alcanzar una velocidad ele flujo de 40 pulg /seg, ¿cuál debe ser el diámetro en Ja parte inferior del bebedero? ·w: ¡,aspirará este bebedero'! Explique
.l
'i'.
i,:
';'!,_;
HIAm ¿Puede usted inventar pruebas de fluidez distintas a las mostradas en la íig. 10.8? Explique las caracteríslicas éle '"' métodos ele prueba.
i
w. ;,\<.)
;~
Las figuras que se 111UCslrnn a continuación indican varios clefecws y disconlilmiclades en prodt1ctos fundidos. Reví· se cada uno de ellos y ofrezca soluciones para evitarlos.
de metales
!{
j;;
i~ ):.,(:
(
Prc)cesos de fundición 1LI 11.2 1 i .3 11.4 11.5 11.6
L~_=r
11.7 11.H 11.9
(d~~'[r1íl
®Jlfü Grie1as en frío
11.10
11.11 11.12
1"!.'13 11.14
11.15 11.16
W.50 La prueba de fluidez mostrada en la fig. 10.8, únicamente ilustra el principio de esta prueba. Dise1k una instalación rara dicha prueba, mostrando el tipo de rnateriales y el equipo a utilizar. Explique el niétodo median le el cual usted determinaría la longitud del metal solidificado en el pasaje en espiral.
1U7
rn
11. 11.19
Introducción Fundición ten arena Moldeo en ciscara o en concha Fundición de modelo consumible (poliestireno expandido) Fundición en molde de yeso Fundición en molde cerámico Fundición por revestimiento Fundición al v;icío Fundición en mold<~ perm,1ncnte Fundición en ciscara o hueco Fundición ,¡ presión Fundición por inyección en méllriz o dados Fundición centrífuga Fundición por ciado impr<'sor y formado de metal sernisólido Técnicas de colado para componentes rnonocristalino;, So.lidificación rápida (aleaciones amorfas) Inspección ele las fundiciones Pr<Ícticas y hornos el·~ fusión Fundidoras y automatización ele las fundidoras
Hl.5l Utilizando el equipo y los materiales disponibles en una cocina típica, diseñe un experimenlo para reproducir resultados similares a los mostrados en la fig. JO.JO. Comente sus observaciones. 10.52 Un método para aliviar las concentraciones de esfuerzos en una pieza es aplicando una pequeña deformación plástica unifo1111e a la misma. Haga una !isla de sus preocupaciones y recomendaciones si se sugiere esle tipo de solución
11.1 INTRODUCCIÓN
l0.53 Si una fundición de una forma dada debe ser duplicada en su volumen, descliba los efectos en el diseño del molde, in· cluyendo el cambio requerido en el tamaño de las mazarotas, canales de alimentación, estranguladores y bebederos.
Las primeras fundiciones se hicieron durante el periodo 4000-3000 a.C., utilizando moldes de piedra y metal para el colado del cobre. Con el transcurrir del tiempo se fueron desarrollado vanos procesos de colado, cada uno de ellos con sus propias características y aplicaciones, a fin de llenar requerimientos específicos de ingeniería y de servicio. (tabla 11.1). Mediante el colado se manufacturan muchas piezas y componentes, incluyendo cámaras (fig. 11.1), carburadores, motores, cigüeñales, partes automo trices (fig. 11.2), equipo agrícola y para ferrocarriles, tubería y acoplamientos de plomería, herran1ientas eléctricas, cañones de iifle, sartenes y componentes de gran tamaño para turbinas hidráulicas (fig. 11.3)
para una fundición.
10.54 Lleve a cabo una búsqueda de literatura sobre la solidificación de las aleaciones de tipo eutéctico y de los defectos de
fundicí<'5n que ocmTen.
261
262
C1pltuJo 1"J /Procesos de fundición de metales
IABl.A 1U Proceso Arena
Resumen de procesos de colado, sus ventajas y limitaciones Ventajas Se puede colar prácticamcnie cualquier metal;
no hay límite de tmnaúo, forma o peso; costo de hcTI"amentaJ bajo. Moldeo en cáscara
Modelo con.surnible
Molde de yeso
Moide ccr<'imico FundiGíón por revestimiento
Buena precisión dimensional y acabado superficial: alta velocidad de producción. La mayor parte de los metales pueden ser fundiciones sin lími le de tamaño; formas complejas. Formas complicadas; precisión dimensional y acabado buenos: porosidad lx\ja. Fonnas compJejas; piezas de toierancias estrechas; buen acabndo superficial.
Acabado supcrficiu.1 y precisión dime.nsional
buenos; porosidad '.l'roqucJ
-------
Restricciones en e! tamaño de la pieza; se requieren modelos y equipos costosos.
FIGURA H.2 Fundiciones de hierro gris típicas utilizadas en los automóviles, incluyendo el cuerpo de válvulas de transmisión (izquierda) y el
Los modelos tienen baja n.:sisLencia y pueden ser co:-;tosos para pequeñas cantidades. Limitado ::i. metale~ no ferrosos; tamaño y volumen de producción limitados; tiempo de fabricación del molde relativamente largo.
rotor de !a masa con el cilindro del freno de disco (adelante). Fuente: cortesía de Central Foundry Division of General Motors Corporation.
Tamaño limitado.
Formas complejas; acabado superficínl y precisió11 excelentes; pr<Ícticamente se puede fundlr cualquier mct<:
JVl"uJdc permanente
Limitaciones
Se requiere algo de acabado; un acabado algo áspero: toJerancías amplias.
b~iu; velocidad de producción alta.
Precisión dimensional y ¿Kabudo .superfic:al C'H:ckntc,c.,: velocidad de pruducci611 devada.
El tarnaúo de la pieza es limitado; mcdf'lo.s, moldes y mano de obru costosos.
Costo del molde elevado; :forma y complejidud limitados: no adecuado para metJ.lcs de aho puma de fusión.
El costo de l<: matriz
eB
alto; el tamaiio de ia
pieza\!(-; !imitado; por lo general limitado a Ccntríl"ugt>
Grandes piel.as cJJfndr'[Ca.~ de buena cnlidad;
Dlta ·-···-·----·-----···--···------
Je pmducción.
mctaks no fcnnsos: tiempo de entrega larg(1
EJ equipo es co¡;;toso; la forma de la pieza cs Jimilada.
-----------·------Ac!ualmente dos lendencins están teniendo un impacto de importancia en !a industiia de Ja fundición. L1 primera es la constante rnccaniwciún y automatización del proceso de fünclición, que ha conducido cambius significativos en el uso dd equipo ele !a mano de obra. Maquinaria y sHemas de control de proceso automáticos han reemplazado los métodos tradicionales de fundición. La segunda tendencia de importancia es de piezas fr.mdidas el.e aira calidad, con toierancias dimensional.es cerradas, y sin dcfoc. wscrecicnlc (tabla i l demanda .2).
flGURA ·~ L3
Una carc:i.za
de transmisión colacld.
TABLA 11.2 fiGURA ·¡ ·i. (a) Cám.1ra digital Poi aro id PDC-2000 con una carcaza de magnesio AZ91 O fundida a presión y de alta pureza. (bJ Caja de cámara Pol.1roid de dos piezas fabricada utilizando el proceso ele lu11dición de troquel /Vle1ai Casting, inc. en cám;ira caliente. Fuente: Cortesía de Polaroid Corporation y de Chic:ago Wh1te
Proceso
CaractHfsticas Materiales fundiciones típicos
de fundición
Acabado Espesor de ia seccicíu Peso (kg) superficial Comple(mm) típico ji dad Precisión Máx1rn\.) Mínimo Máximo (µm, Ra) Porosidad* de forma* dimensional* Mínimo
Arena
Todos
O.OS
Moldeo en cáscara
Todos
O.ü:\
Modelo
Todos
0.05
Sin límite 100+ Sin límite
5-25 1-3 5-20
4 4 4
1-2 2-3
Sin límite
2
Sin límite
desechable
Molde
0.05
50+
l-2
0.005
100+
l-3
Todos
0.5
2-3
3-4
< 0.05
300 50
2-3
No fenosos (Al, Mg, Zn, Cu)
1-2
1-2
3-4
0.5
50 12
5000+
2-10
!-2
3-4
2
100
No ferroso (Al, Mg, Zn, Cu) Cera perdida Todos (elevado punto de fusión)
1-2
de yeso
::'. Centrífugo
Todos
75
~.Calificación relativa: I el mejor, ) el peor.
Nota: Estas calificaciones son sólo generales; dep(~ndiendo de Jo-.; m1Stodos utilizados pueden ocurrir variaciones significativas.
263
-264
Capítulo "J1 /Procesos de fundición dt: meta/e:, Sección
Este capítulo está organizado siguiendo las clasificaciones principales de las prácticas de fundición (véase la fíg. ll.2), en la Introducción a la parte H). Estas clasificaciones están relacionadas con el material de los moldes, los procesos de moldeo, y los métodos para alimentar al molde con metal fundido. Las categorías principales son !as que siguen:
Mazarota abierta
.3. Moldes compinestos, fabricado., de dos o más materiales distintos, como arena, grafito y metal,
~!..+- Llnea de
partición
Falsa
FIGURA 11.4
com-
Arena
!lustración esquemática. de un molde de arena, mostrando varias características.
S deo
r---:¡
___S
J-
F:lbricactón clci modelo
F::ibric:ación del corazón
- Si:-acrna de
alim-~ntaci(\n
~I
l~~~r---~-__j~
¡-------->------
Vaci:J.do},
·11
Pieza fundida
en molde
EN ARENA
1--1
1
1
deJ;,,,~;cia
cado brevemente, b fúndición en arena consiste en (a) colocar un modelo con Ja forma de b pieza arena par;1 crear una impresión, (h) incorporar un sislcnrn de alimentación, (cJ llenar la cavidad r
paso;~
Aunque el origen de la fundición en arena se ccrnonta a los tiempos lejanos, s:igue siendo la forma más prevaleciente de fundición. Sólo en los Es1.ados Unidos se vacían apmximadamenlc 15 miilone<; de tondadas de metal usando este método cada afio.
i ! .2.
Arenas La mayor parte de Jas operaciones de fundición en arena usan mena de sílice (Si0 ), que es el producto de la 2 desintegración de las rocas a lo !argo de periodos de tiempo extremadamente largos. La arena es económica y adecuada como material de molde, debido a su resistencia a altas temperaturas. Existen dos tipos generales de arena: naturalmente unida (arena de banco) y sintética (arena de lago). En vista que su composición se puede controlar con mayor precisión, la mayor parte de las fundidoras prefieren la arena sintética. Son importantes varios factores en la selección de la arena para los moldes. La arena con granos finos y redondos se puede prensar más y fomm una superficie lisa en el molde. Aunque la arena de grano fino aumenta la resistencia del molde, los granos finos también reducen la permeabilidad del molde. Moldes y corazones con buena permeabilidad permiten ia fácil salida de gases y vapores que se presentan durante Ja fundición.
Hornos
fílGURA 11.S
So!iciíficación
Tra'.amicn!<;-L]__ 1__
t0r~J
l:mpicza
~rmrnado
l
Inspección
1 1 1
1
Eí método trndicio11al de vaciado de metales es en moldes de arena y ha sido usado durante milenios. Expli-
265
----·-- C<*.l de moldeo
binando las ventajas de cada materia!. Se utilizan en varios procesos de fundición para mejorar la resistencia del molde, controlar la velocidad de enfriamiento y optimizar la economía general del proc'·'so. Los principales procesos de molde desechable se presentan en las secciones .11.2-l l .8, y los procesos de molde permanente en las secciones l 1.9- i i. J 4. Debido a sus características y aplicaciones únicas. partic1Jiarmente en Ja manufactura de dispositivos nücroelectrónicos, también se describen técnicas básicas de crecimiento ele cristales. El caµítulo concluye con panorama general de modernas instalaciones de fundición.
en arena
Respiraderos
l. Moldes deseeilables, fabricados de arena, yeso, cerámica y materiales similares. Estos materiales son por lo general mezclados con varios aglutinantes o agentes de unión. Como se describe en el capítulo 8, estos materiales son refractarios, es decir, son capaces de resistir las elevadas temperaturas de los metales fundidos. Una vez solidificada Ja pieza colada, en estos procesos el molde es roto para retirar la fundición. 2. Moldes permaiu:ntes, hechos de metales que conservan su resistencia a aitas temperaturas. Como iinplica su nombre, se utilizan de manera repetida y están diseñados de forma que la pieza colada puede ser retirada con facilidad y utilizar ei molde en la siguiente colada. Dado que los moldes de metai son mejores conductores del calor que los moldes desechables no metálicos, la fundición al solidificarse queda sometida a una velocidad de enfriamiento más elevada, lo que a su vez afecta la microestructura y el tamaño del grano en Ja fundición (capítulo JO) .
n .2 /Fundición
Sacudida Eliminación de canales d<:: ._\lime1ttación y mazarotas
Tratarnienlü térmico adicional
Defectos
Esqucrna de !os pasos de producción en una operación típica ele fundición en
El molde deberá tener buena colg¡>§(l/'.i./irJcL<.0.JAmi permitir que la pieza fundida se contraiga al enfriarse) a fin de evitar defectos en el colad¿, como grietas en caliente y agrietamientos (sección i0.5). Por tanto, la selección de la m-ena incluye ciertos pros y contras con respecto a las propiedades. Comúnmente se acondiciona la arena antes de su uso. Se utilizan miquinas de mezclar para integrar uniforme y completamente la arena con los aditivos. Para unir las partículas de arena, dándole resistencia, se utiliza la arcilla (bentonila) como aglutinante. A menudo se utilizan arenas de zirconio (ZrSi04 ), olivino (MfüSi04 ), y silicato de hierro (Fe2Si0 4 ) en fundidoras de acero debido a su baja dilatación térmica. La cromita (FeCr2 0 4 ) se utiliza debido a sus elevadas características de transferencia térmica.
101..2.2 Tipos de moldes de arena Los moldes de arena se clasifican según los tipos de arena que los forman y los métodos utilizados para su producción. Existen tres tipos b<ísicos de moldes de arena: arena verde, caja fría y moldes no cocidos. El material de molde más común es la arena de moldeo verde, que es una mezcla de arena, arcilla y agua. El término "verde" se refiere al hecho de que al vaciarse el metal en su interior, la arena en el molde estáhúmeda o mojada. El moldeo con arena verde es el método más económico de fabricación de moldes.
266
Ctµílulo 11
í
Pmcesos de fundición de metales Sección ·1 ·1.2 / funtjición en arena
26'7
En el método ele película seca, las superficies del molde se secan, ya sea almacenando el molde al aire
o secándolo con soplete. Debido a su mayor resistencia, estos moldes generalmente se utilizan en fundicio.
nes grandes.
Los moldes de arena también se secan en horno (horneados) antes de vaciar el metal fundido; son más resistentes que los moldes de arena verde y le dan mejor precisión dimensional y acabado superficial a la co. lada. Sin embargo, este método tiene inconvenientes: es mayor la distorsión deJ moldee; las fundiciones tienen mayor tendencia a sufrir grietas en caliente debido a la menor colapsabilidad del molde; y !a tasa de procluc. ción es más lenta en razón del tiempo de secado requerido. En el proceso de molde de caja fría, se mezclan varios aglutinantes orgánicos e inorgánicos en la are. na para químicamente unir los granos para una mayor resistencia. Estos moldes son dimensionalmenie mis precisos que los moldes de aena verde, pero son más costosos.
En el proceso de moi!le rm cocido, se mezcla una resina sintética líquida con la arena; la mezcla se en. durcce a la temperatura ambiente. Dado que la unión del molde en este proceso y en el de la caja fría ocurre sin calor, estos procesos se conocen como procesos de curado en frío. A continuación aparecen los componentes principales de los moldes de arena (fig. l J .4):
TAB!.A 11.3
Características de !os materiales de los modelos Calificaciónª Aluminio
Acero
Plástico
Maquinabilidad Resistencia al de:;.;gaste Resistencia mecánica Peso' facilidad do reparación
E P F E E
G G G G P
F E E P G
G F G G F
Resistencia a: Corrosión' Hinclrnrnientd
E p
E
p
E
p
E
E
E
E
·-~-----------------·
-----
Lado clcl molde: superior
F!GURA 11.6
') ') ,L,.,._)
Los modelos se utilizan para moldear b mezcla de arena a ia forma de la fundición. Pueden estcu· hechos de madera, plástico o metal. La selección del material del modelo depende del tamaño y de la forma de la fun· díción, la precisión dimensional, la cantidad de coladas requeridas y el proceso de moldeo (tabla l 1.3). En vista gue los modelos se usan de manera repetida para la fabricación de moldes, la resistencia y durabilidad del material seleccionado debe reflejar el número de coladas que el molde tiene que producir. A fin de reducir el desgaste en regiones críticas pueden ser fabricados de una combinación de materiales. Por lo ge· neral los modelos son recubiertos por un agente separador para facilitar su extracción de los moldes. Los modelos se pueden diseñar con una diversidad de características gue se adecuen a la aplicación y" los requerimientos económicos. Los modelos de una sola pieza, también conocidos como patrones sueltos o sólidos, se utilizan generalmente para formas simples y producción de bajo volumen. Normalmente se ha· cen de madera y son poco costosos. Los modelos divididos son de dos piezas, fabricados de manera que ca· da parte forme una porción de la cavidad para la fundición: de esta manera se pueden producir piezas fundidas con formas complicadas.
Un modeio de
metal con placa bipmlido típico que se utiliza en
'lt El sistema de aiimenüufores, que son canales que llevan el metal colado desde el mazarota a la cavidad del molde. Los ataques .-;on las entradas a Ja cavidad del molde.
lkiipkmíe1ms, que se coíocan en los moldes para extraer los gases producidos cuando el mela! !'undi· do entra en contacto con la
p
G
"Por agtw Fi1cnre: D. C. Ekey y W. R. Winter. l11trod11ction. to Founc/Jy Tech11o!oxy, Ncw York. McOraw··Hill, 1998.
Un hcllc1forn, a través del cual el metal fundido flllye hacia abajo.
parle exterior de la fundición para formar características . como letras sobre b superficie de !a pieza fundida, o barrenos ciegos profundos.
G
i·como un factor en la faüga del operador
dos por moldes supel'íoir e inferior. La unión entre ambos es Ja línea de partición. Cuando se utilizan más de dos piezas, las adicionales se llaman cachetes. CoJPla de vadado o hasfn. en el cual se vacía el metal fundido.
G E
'1E, i::xcelente; G, bueno: E regular; P, pobre
!. El moide mismo, que estü soportado por una caja de moldeo. Los moldes de dos piezas estün forma-
5.. Mazarnias . que suministran metal adic.ional a la fundición conforme ésta se c<>ntrae durnnte la soiidif'icación. La fig. l l .4 muestra dos tipos diferentes de mazarotas, una mazarota ciego y una mazamta ahierta (rebosadero).
Hierro fundido
Madera
Característica
fundición en arena.
Los moldc;s de p!aca 11Jii1m:füfos son. un t.ipo popular de modelo montado, en el cual se forman los m,,c;c_ íos de dos piecéas t\jando cada mitad de uno o más modelos divididos a los lados opuestos de una placa (fig. i En este lipo
FIGURA 1·1,7
Ángulos de salida en los modelos para facilitar la extracción del molde de arena. -11·-Ángulo de selida
Daño
-- Caja de moldeo
·- Molde de arena
Pobre
Bueno
26B
Cct¡Jít11lo ·¡·¡/Procesos de fundición de metalE~s
Sección ·¡ 1.2 /Fundición en arenJ
269
(a)
Planiil!a para
cor.:v.nne:.,
Pistas paq cor:izones
11.ll
- -Ejemplo·. de cor;uones de arena moslTando pistas para corazones y sopo1tes para los misli1os. ~-
/\. ire a prssión
·~--i
Diafragma
l.2A Para íirndiciones con cavidades o pasajes inlernos. como los que se encuentran en un monoblock o en un cuerpo de v61vulas au:omotrices. se Lrtilizan corawnes. Los corazones se colocan en la cavidad del molde
Por lo general los corazones se fabrican de rnanera similar a los moldes; la mayor parte se hace ul.iiiz;mdo procesos de moicles en céscarn. no cocidos o de caja fría. Los corazones se forman en cajas de c1wwo11es. que se: iltifü111.1 de una mancrn muy similar a los nwdeios p
.S
para el
la arena
rn
1nétodo más antiguo conocido de moldeo que se sigue utiíizando para fundiciones simples. cos compactar la arena presiomíndola con la mano (apisonamiento) o compactándola alrededor del modelo. Para la m,1yor parte de las operaciones, sin embargo, la mezcla de arena se compacta alrededor del modelo utilizando máquinas de moldeo (fig. 1 l.9). Estas máquinas eliminan horas de mano de obra, ofrecen fundiciones de alta calidad ;11 mejorar la aplicación y distribución de las fuerzas. manipulan el molde de tina manera cuidadosamente con1.rnlado e incrementan Ja velocidad de prodLrcción. La mecanización del proceso de moldeo puede ser asistida por apisonamiento del conjunto. La caja de moldeo, la arena del molde y el modelo se colocan en primer té1mi110 en una placa modelo montada en un yunque. y después es apisonada hacia acriba con presión de aire a intervalos rápidos. Las fuerzas de inercia compactan la arena alrededor del modelo. El apisonado produce la compactación más elevada en la línea de partición h01izontal, en tanto que en la compactación por placa para la compresión (fig.11.9) es más elevada en la zona cercana a dicha placa, por lo que se puede obtener una compactación más unifom1e al combinar la compresión y el apisonado. En el moldeo vertical sin caja, las mitades del modelo forman una pared de cámara vertical contra Ja cual se sopla y se compacta la arena (fig. J l.10). Luego, las mitades del molde se unen horizontalmente. con
Cilindro hidr:lulico FIGURA H ,9 Varios diseños de cabezas d" compre,;ión para la fabricación de molde<;; (a) cabeza pJ;rn¡¡ convencional; {b) cabeza perfilada; (e) pistones p,ua uniforrn2r !J. compresión; y (d) diZJfragrno flexible. Fuente:(!~ !nstitule of Br!tish Founrfrymcn. Usado con permiso.
la línea ele parl.ición orientada verticalrnenk moviéndose a lo largo de un transportador de vaciado. Esta o¡x:ración es simple y elimina la necesidad de manejar cajas de moldeo, permitiendo velocidades de producción muy elevadas, particularmente cuando ya están automatizados otros aspectos de la opcració11 (como la coincación de corazones y el vaciado). Los filanzadores de arena llenan la caja de moldeo de manera uniforme con la arena en un chorro de aJr.a presión. St. utilizan parn llenar cajas de moldeo graneles y típicamente se operan mediante una máquina. Un impulsor en la máguina lanza arena desde sns aspas o tazones a velocidades tan aitas que la rnáquina no só\o coloca hr .1rcn;1, sino que la compacta apropiaclamenle. En el moldeo por impacto. la arena se compacta mediante una explosión controlada o mediante ia !ibernción instantánea de gases comprimidos. Este método produce moldes de una resistencia uniforme y buena permeabilidad . En e! moldeo por vacfo, también conociclo como el proceso "V"". el modelo se cubre completamente con una hoja delgada de plástico. Se coloca un cajón ele moldeo sobre el modelo recubierto y se llena con are· na seca sin aglutinante. Se coloca entonces una segunda hoja ele plástico sobre la arena, y una acción de vaMoldeo vertical sin caja. (a) La an~n;i se comprime entre las dos mitades del modelo. (b) Los moldes ensamblados son transportados a lo largo de una línea de ensamble para el vaciado.
FIGURA 11.10
(b)
(a)
Arena
Fuerza de compactación---?-
Modelo
_ _ _J
El metal
aquí
..
'lt '\F' -------~ .
,, 27~)
C1µliulo ·11 /Procesos de íundición de metales
¡¡¡
Sección 11.2 /Fundición en arena
cío cnducecc 111 arena de manera que se puede retirar el modelo. De esta manera se hace cada mitad del de. mismo que después se ensmnbla.
~ 1
Durnme el vaciado el molde se conserva en vacío. pero no la cavidad de la fundición. Una vez cado e! metal. se elimina el vacío y la arena cae . Liberando la fundición. El moldeo por vacío produce con detalle de alta calicfod y precisión dimensiomiL Es especialmente adecuado para fundiciones grandes y re. Jativan1ent·c planas.
..
¡T'',
La or8rtir;, rlc fundición en arena
la,~
(e)
Después de :a
~~ Cajas de corazones
~::...~~ ~
Distribuidor
Placa modelo del molde superior
(d)
U na vez formado el molde los corazones colocados en su sitio. las dos mitades (moldes superior e se cierran. se sujet;:m y se íes coiocan pesos encima. Esto último se hace pura impedir la separación de secciones del 1110JJe debida a la presión ejercida cuando e! metal fundido es vaciado en la cavidad del molde. El diseño deo! sistema de alimentación es importante para una correcta alimentación del metal fundido a la cavidad del molde. Como se describió en la seeeión 10.3, debe minimizarse la turbulencia. permitirse el escape de aire y ele gases mediante respiraderos y establecerse y mantenerse los gradientes de temperatura apropiados. a fin de minimizar Ja contracción y la porosidad. El disefio de ías mazarotas es también importaníe a iln de surninislrar el metal fundido neco0sario durante la solidificación de la fundición. La copa de vaciado tambié11enpuede tra ia fig.servir i 1. 1.l.de mazarota. Una secuencia completa de las operaciones en la fundición en arena se .mues-
Plantillas
Á1ornzón
~» ~ Plantilla de corazón
,
Dibujo mecánico ele i'~l pieza .
i
(e)
(b)
(a)
¡. 1110
2/"l
Placa modelo del mokk infcnor
(f)
/ t\1azarotas
Bebedero\-~-~ ... ~ ~
~
~~H-i:=i:;>
Cajacle~.,.¡-:.~ ~~ ~ moldeo~~ 7".
Mitades de corazones pegadas
. . p ara Ja arena Molde superior listo (i)
(h)
se sacucle la pieza fundida sacándola de su molde. y por vibración (uscmdo
un vihD1clor) o mediante chorro de arena. eliminan las capas de arena y óxido adheridas a la fündición Las 1undicioncs ele hierro también se limpian con chorro de granalla de acero o arena. Las rnaz:iro-
i.;,s y
sistemas de alimentación se cortan por corle con oxicombustibie gas, sierra. ciz
Molde sup~rior con arena y de retirar y las mazarotas
.Molde inferior para !a arena
~
caracterís1icas de la Fundición en arena y de otros procesos de fundición aparecen en la labia 1 l .2 el c:ipírulo 11). Práctkamentc todos los metales ele uso comercial se pueden fundir en a'u1;1. ;1cab:.<1. n :mpcrficial obtenido ( J]g. 1l.l2) es princjpalmente fünción cl0 los materiales utili;caclcs en d mol-
La superficie de las fundiciones es importante en !.as operaciones ele maquinado "°'"c:rncmes. porque b maquinabilidad puede resultar adversamente afectada si ias piezas no se limpiw1 adecuadamente y quedan rcwtículas de arena. Si algunas regiones de la fundición no se han formado correc1amentc o se han fom1ado de manera incompleta. se pueden reparar Jos defectos rellenándolos con soJclaclura adecuada. Las fundiciones en ymolde arena generalmente cle de Josdemateriales utilizados. tienen superficies ásperas y granuladas, dependiendo de la ca!i.clad del rno.1La pieza colada puede entonces tratarse térmicamente (capítulo 4), a fin ele mejorar ciertas propiedades necesarias para el uso de servicio pretendido, estos procesos son particularmente importantes para las fundiciones ele acero. Las operaciones de acabado pueden incluir el enclerezcu· a máquina, o el foijado con dados para obtener las dimensiones finales. También las imperfecciones superficiales menores pueden llenarse con un epoxy cargado de metai, es· pecialmente para fundiciones de hierro colado que son difíciles ele soldar. La inspección (sección 36.9) es un pasodefina! importante se calidad. lleva a cabo para asegurar que la pieza fundida cumple con todos los requerimientos diseño y controly ele
(m)
(l)
(j)
!vé;1sc lrunhió1 1
precisi
Molde inferior después de retirar el modelo
Molde inferior con el corazón colocado en su sitio
Fundición tal y como sak del molde: tratada M·oldes superior e inferior térmicamente ensamblados listos pm«.\ el vaciado
~J@ Fundición lista p:ua su embarque
FIGURA n:n llustracicín esquemática cfo la s<écuencia de operaciones para la fundición en arena. Fuente: Steel Founders' Socicty of America. (a) 5,, utiliza un dibujo mecánico de la pieza pai-a generar un diseño dei modelo. Deben incorporarse en el dibujo consideraciones como contracción ele la parte y ángulos de salida. (b-c) Los modelos han sido montados en placas equipadas con bujes de alineación. Nótese la presencia de plantillas para corazón diseiíadas para sujetar el corazón en su sitio. (el-e) Las cajas de corazón producen
mitades de corazón, mismas que se pegan. Los corazones se utilizarán para producir el ;irea hueca de la pir-:.::za
que se muestra en (a). (f) La mitad del molde superior se ensambla íijando la placa del modelo del molde superior a la caja de moldeo utilizando bujes de alineación, y colocando insertos para formar la mazarota y el bebedero. (g) La caja de moldeo es compactada con arena y después se retiran la placa y los insertos. (h) La mitad inferior se produce de una manera similar, con el modelo insertado. Se coloca una placa inferior por debajo del molde inferior y se alinea con los bujes. (i) El modelo, la caja de moldeo y la placa inferior se invierten, y se retira el modelo, dejando la cavidad apropiada. (j) El corazón se coloca en su lugar dentro ele la cavidad. (k) El molde completo se cierra al colocar el molde superior encima del inferior y fijando el ensamble con pernos. La caja de moldeo se somete entonces a presión para contrarrestar las fuerzas de flotación en el líquido, que pudieran levantar el marco superior. (1) Una vez solidificado el metal, el colado es retirado del molde. (m) El bebedero y los canales de alimentación son cortados y reciclados, y la fundición se limpia, inspecciona y se trata térmicamente (cuando es necesario). //
:JJ;_
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el)
272
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1
Capíiulo 11 / l'mc"sos ck fundición de metales
·:¡ ·:f
Rugosidad (H,)
µ l1l
50
25 1000
l2.5 500
6J 250
3.2 ¡ 25
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0.80
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63
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HCURA 11. ]2 f
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La/úndición en molde en cáscara o en concha se desmTolló por primera vez en ia década de 1940. crecido de manera significativa. y<1 que pueden producir a bajo co.sto muchos lipo' de fundición con cstrccbs roJernncias dimensionales y un buen acabfüio superficial. En este proceso. :_:-i) un modelo mont;l(ío :1ccho 1fo un mcwl ferroso o de aluminio c:s calentado a í75ºC-370ºC (b) es recubierto con un agcme ··;cparador como el silic6n.. y (e) se sujeta a un caja o a una cá1nara. La caja contiene arena fina me?clada con 2.5 4% de aglutinante de resina termocsiabk (como ci foque recubre fas ¡xu·tícu!as de arena_ La caja se voltea (fig. 11.13) o la mezcfa de arena se :-;obre eI modelo, _permiücndo que 1a arena recubra dicho modelo.
í !\11oldeo en
273
c3scarJ o en concha
para que sopmtc el peso del líquido fundido. Los cascarones son ligeros y delgados (por lo general 5 mm-1 Omm. 0.2 pulg-0.4 pulg), y en consecuencia sus características térmicas son distintas ele las de moldes más gruesos. La arena del cascarón tiene una mucho menor permeabilidad que Ja arena que se utiliza para el moldeo en arena verde, ya que para el moldeo en cáscara se utiliza una arena ele un tamaño de grano mucho más pequeño. La descomposición del aglutinante ele! cascarón de arena también produce un elevado volumen de gas; a menos que los moldes estén correctamente ventilados. el aire y el gas atrapados pueden causar serios problemas en el moldeo en cáscara ele fundiciones ferrosas. Los mol eles en cascarón por lo general se vacían con la línea de partición horizontal y también pueden estar soportados en mena. Las paredes del molde son relativamente lisas, ofreciendo poca resistencia al flujo del metal fundido y produciendo fundiciones con esquinas más agudas, secciones más delgadas y proyeccio· nes más pequeñas ele lo que es posible en moldes de arena verde. Con el uso de sistemas múltiples de compuertas. se pueden producir varias piezas coladas en un solo molde. Prácticamente cualquier metal adecuado para la fundición en arena puede ser colado mediante el proceso de moldeo en cáscara y puede resultar más económico que cualesquiera de los demás procesos de fun· dición, dependiendo de varios factores de producción, El costo ele los aglutinantes de resina queda compensado en parte por ei hecho que solamente se necesita una vigésima parte de la arena utilizada en la fundición en arena. El costo relativamente elevado de los modelos ele metal se convierte en un factor de poca importancia conforme se incrementa el tamaño ele Jos lotes de producción. La elevada calidad de la pieza terminada puede reducir d<.' manera significativa Jos costos de acatado. maquinado y otros. Se pueden producir formas complejas con menos mano ele obra, y se puede automab:.::'· el proceso con reiativa facilidad. Las aplicacjones
-~
lil'
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J 1I· i~{i/
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1
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·¡3
(~opl~1
Sección "i 1.3
1
1L3.1 Moldes compuestos
Todo el conjunto se coloca entunces en un horno durante: un corto pccrioclo de tiempo pai-a complcLlr d crrraclo de la resina. En !a mayor parte de las máquinas de moldeo en cóscarn, el horno es una c
Los nwldes cornpuesLos eslán hechos de dos o n1ás n1ateriales diferentes y se utilizan en el moldeo en c<;isc¿;ra y en otros procesos de fundición. GeneraltnenLe se emplean en la fundición de forma~ complejas corno lrnFIGURA H."i4 (a) liusu-;1ción esquemática de un molde cornpue~,1.o semipennanenle. Fuenle: Stee! c;Jstings hand/Jook, Sa [cL Stcel Founckrs' Socicty of 1\JT1erica 1 -19eo. (b) Un rnolde compuesto utilizo.do en la fundiuón de un convertidor a bdse de aleación de aluminio. Esta pieza se fundía c1nteríorrnenle en un n1olde tol".::i.lrnc11tt:
espc:sor del cascarón se puede c!cienninar con precisiém rncdiante eJ coni-roJ del iiempo e¡ Lle ei rnüik:iu c:;oníacto rnoídc. De c:s/a manern, se puede fonrnir e! cascarón con la rcsis1cr1cia y rigídc;-. réqucridas
yeso. Fuente: ivletais hancluook, Vol. 5, t:a Ed. (b)
(a)
Bebedero
Arena n:~cubjcrü1
--- Caja de volteo
de
(n) Modelo
n la caja
··.'..>,,._
FIGURA 11.13 Un método común para fabricar moldes ele cascarón. Llamada técnica
-·Revestimiento (e) Caja Je volteo de! modelo en posición para el revestimiento
...:'.,::..._ '...
(el) Modelo y cascarón retirados de la caja de volteo
.,.,~,~,-'"">-!'•"' ''''N::':e::.'_'~=.:-!C'.'.'.f:'l•=:'°'~'"-=-'-"'=-•'·"
de volteo, las limitaciones son posibles formaciones de cavidades en el cascarón y el descascare (cuando secciones del cascarón se caen al levantarse el modelo). Fuente: ASM lnternational.
Venlilación
Componente externo ele la falsa (molde permanente) 1
Grafito
-274
C1pítu!o
n
/Procesos dE: fundición
df~ lllP.(Jk::s Sección
pul sores para turbinas. En Lis /"igs. 1. l 4a y l l. l4b se muestran ejemplos de moldes compuestos. Los inatc riaies de moldeo comúnmente utilizados son los cascarones (fabricados como se describió anteriormente), yeso. la arena con aglutinante, el metal y el grafito. Los moldes compuestos pueden también incluir corazones e insertos para controlar la velocidad de , lidificación en áreas críticas de la fundición. Los moldes compuestos incrementan la resistencia del molde. me 3 joran la precisión dimensional y el acabado superficial de la fundición y pueden ayudar a reducir los cosr generales y el tiempo de proceso.
71 .3 .2 Proceso al El materiai del molde en el proceso al silicato de sodio es una mezcla de arena y de L5 a 6% de silicato de sodio (vidrio líquido) como aglutinante. La mezcla se compacta alrededor del modelo y se endurece soplan.. do dióxido de carbono (C0 2) a través de él. Este proceso, también conocido como arena curada con 11lica1 o proceso al dióxido de carbono, se utilizó por primera vez en los años de 1950, y ha sido posteriormente de-0 sarrollada por ejemplo, utilizando otros productos químicos como aglutinantes. Los corazones elaborados con este proceso reducen la tendencia de las piezas a agrietarse debido a su adecuación a altas temperaturas.
¡ .3.3
(b)
.4 /Fundición de modelo consumible (poliestireno expandido)
En es1e proceso se utiliza el grafito compactado para fabricar moldes para colar metales reactivos como d liian(o y el zirconio. No se puede utilizar arena porque estos metales reaccionan vigorosamente con ci ':ílice. Los moldes se compactan de una manera similar a Jos moldes de arena (sección 1 1.2.5), se secan a: se hornean a ! 75ºC (350ºF), se queman a 870''C y después se almacenan a humedad y ¡,o;1nperaturas comrnladas. Los procedimientos de fundición ,son similares a los de los moldes en arena.
ain~.
' ,,Lf
proceso de .fúndiciún en modelo umswnible uti"iiza un modelo de ¡ivnest1reno, mismo que se evapora en coni;1c1.o con el metal fundido para formar una cavidad para la fundición. El proceso también se conoce co-
mo/imdición de modelo evaporado o de y con el nombre comercial de proceso ele molde lle·· no. Antes era conocido como el ''proceso del polies!ireno expandido··· y se ha convertido en uno de los ¡¡rocesos ck fundición más importan!:es para metales ferrosos y no ferrosos, en particular para ia industria automotriz. En este proceso. se colocan perlas de poliestireno crudo desechable (EPS, por sus siglas en ing.lés), conteniendo de 5 a 8% ele peniano (un hidrocarburo volátil), en un dado precalentado que por lo general está hecho ele aluminio. El poliestireno se expande y loma Ja forma de la cavidad del dado; se aplica más calor a fin de fundir y unir las perlas entre sí. El dado se deja entonces enfriar y se abre, retirándose eí modelo de poliesLireno. También se pueden hacer modelos complejos uniendo varias secciones de modelos individuales utiíizando un adhesivo de fusi6n en caliente (sección 30.4). El modelo se recubre con un barro refractario base agua, se seca y se coloca en una c;tja de moldeo. La caja se lJena de arena suelta y fina, que rodea y soporta el modelo (fig. l l .15) y puede secarse o mezciarse con agentes aglutinantes para darle resistencia adicional. La arena es compactada de manera periódica utilizandoendiversos medios (véase la fig. J l .9). Entonces, sin retirar el patrón de políestireno, se vacía el metal fundido el molde.
Esta acción de inmediato vapo1iza al modelo (un proceso de ablación) y llena Ja cavidad del molde, reemplazando completamente el espacio antes ocupado por el modelo de poliestireno. El calor degrada (despolimeriza) a! poliestireno y los productos de la degradación se ventilan hacia la arena circundante.
275
(e)
Metal fondido Pieza bruta de
polili'ººº
¡1
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FIGURA 11. 15 llustr,1ció11 "sque111;itica del proceso de fundición con conocido co1110 espuma perdida o colado evaporativo.
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La velocidad ele flujo en d molde depende de la rapidez de degradación del polímero. Los estudios han mostrado que el flnjo del me!al fundido es básicamente laminar, con números de Rcynolcls del orden de 400 a 3000 (sección 10.3. l). La velocidad del metal fundido en el frente del modelo de metal-polímero se estima en el rango de 0.1 m/s-1.0 mis. La velocidad se puede controlar produciendo modelos con cavidades o secciones huecas; por tanto Ja velocidad aumentará al cruzar el metal fundido estas regiones huecas, de manera s~mifar a v
!J. Para el proceso bastan cajas de moldeo de bajo costo. c. El po!iestireno es económico y se puede procesar con facilidad en modelos con formas complejas. ta-· maños varios y un fino dctal.le superficial. d. La fundición requiere un mínimo ele operaciones ele acabado y de limpieza. e. El proceso puede ser antornatizado y es económico para grandes lotes de producción. Un factor p1incipal es el costo de producir el dado utilizado para la expansión de las perlas de poliestireno a fin de hacer el modelo. Aplicaciones típicas para este proceso son las cabezas de cilindro, los cigüeñales, los componentes de frenos y los múltiples para automóvil, así como las bases para maquinaria. Mediante este proceso se fabrican motores de aluminio y otros componentes de los automóviles Saturo de General Motors. Entre los desarrollos recientes se incluye el uso del polimetilmetacrilato (PMMA)y el polialquilencarbonato corno materiales para modelos para fundiciones ferrosas. En una modificación del proceso del modelo evaporativo, un modelo de poliestireno es rodeado por un cascarón cerámico (Replicast C-S Process). El modelo se quema antes del vaciado del metal fundido en el mol-
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de. Su ventaja principal sobre la fundición por reveslimiento (utilizando modelos de cera, sección l l .7j, es que··.·.·. ". .· :.··.· · se evita complelamente la absorción de carbono eo el metal. ;:; ~:· Nuevos desairollos en Li fundición por modelo evaporalivo incluyen la producción de cornposit(,s me.· IP 1al Jllatnz (secciones 9.5 y J 8. l 3) Drnante el proceso del moldeo del modelo de polímero. se mcrustan en su volumen Üb1 dS o pano de la !L1nd1c1ó11 mediante ei uso de refmado1 es de grano y de alea- · c1011cs mae,tJas mod1ficad01as (secc10n l l 18) en el mtenor del modelo mientras éste se e'tá mokle"ndo ';
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Barro cerániico
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En el pi oceso ele fa fu11d1uó11 m molde de yeso, l'i molde se lMce de yeso (sulfato de crrlc10 ), con b ad1c1ón de ld!co y hamM de sílJCe para me1orar la resistencia y controlar el tiempo requerido para el curado del Estos componentes se mezclan con agua, y el barro resullante es vaciado sobre el modelo.
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Una vez curado el yeso, por Jo general después de 15 minutos, se retira el patrón y se deja secar el rnol- ,.•; ele a l 20ºC-260ºC (250ºF-500ºF) para eliminar la humedad. Pueden utilizarse temperaturas de secado rnüs '/).{, elevadas dependiendo del tipo de yeso. Las mitades del molde se ensamblan para formar la cavidad del mismo , y se prccalientan hasta aproxinmdamente l 2íJºC (250ºF). El metal fundido es vaciado entonces en el molde. (,Y . Dado que tos moldes de yeso tienen una muy baja permeabilidad, los gases que se forman durante la soliclificación del meiaí no oueden escaparse. En consecuencia, el metal fundido es vaciado en un vacío o
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Los modelos pan el colado en yeso ;;e fi.1hrican por lo general de aleaciones de aluminio, de plásticos 1en-noestahles, de latón o de aíeaciones de zinc. Los modelos de madera no son adecuados para la e!aborncicín de un gran número de moic!cs. porque están en contacto repetido con el barro de yeso. En vista de que existe un límite para la iemperatura m
Vaciado del barro
fiGURA 11.16
Eliminación del molde verde
Quemado
Secuencia de operaciones en !a eli:\boración de un molde ele cerámica. Fuente: 1\!íetais hancf-
book, vol. 5, i.\a Ed. peraturas), para impartir resistencia al molde. Las caras se ensamblan después formando un molde completo, listo para su vaciado (fig. l U 7). La r•.:sislencia a las altas temperaturas ele los materiales refractarios moldeados usados permite que estos moldes se utilicen en el colado de aleaciones ferrosas y otras de alta temperatura de fusión, de aceros üwxidables y de aceros para henamienta. Las piezas fundidas tienen una buena precisión dimensionai y buen acabado superficial en una amplia variedad de tamaños y formas complejas, pero el proceso es algo costoso. Las piezas que típicamente se fabrican son impulsores, cortadores para operaciones de maquinado, dados pa ra trabajo en metal y moldes para la fabricación de componentes de plástico o de hule. Con este proceso han fundición piezas con pesos de hasta 700 kg ( 1500 lb).
flGURA 11.17
Un rnolde cer;írnico típico (proceso Shaw) para ia fu11dició11 de dados de acero usados en L.,
forja en caliente. Fuente: M'ctals hanc/book, vol. 5, <3a Ed. (b)
(a)
E1·:lc proo.;so y ios proccso1, de fundición en mo!des cerámico y por !·ccubrin1ien10 (dC.'·:crilos m
p~ecisi{in,
'Banda
de acero
refractaria
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CERÁMICO
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El proceso de fu11dición en molde cerámico. es similar al proceso de molde de yeso, con la excepción que utili:1,a materiales refraciarios para el molde adecuados para aplicaciones de altas temperaturas. Ei barro es una mezcla de zirconio de grano fino (ZrSi04), óxido de aluminio y sílice fundido, que se mezclan con agentes aglu1inantes y se vacían sobre el modelo (fig. l 1. 16) mismo que ha sido colocado en una caja de moldeo. El modelo puede estar hecho de madera o de metal. Después del endurecimiento, Jos moldes (caras de cerámica) se retiran, se secan, se queman para eliminar toda materia volátil y se hornean. Los moldes se fijan firmemente y se utilizan como moldes totalmente de cerámica. En el proceso Shaw, las caras de cerámica son recubiertas ele arcilla refractaria (arcilla usada en la fabricación de ladrillos refractarios que resisten allus tcm-
refractaria
(e)
Respaldo de arcilla refractaria
lD Cara de cerámica
27H
Capi'tu/o ·¡ ·¡ /Procesos de fundición de 1-r1e!:)Jcs
1L
Sección 11.7 /Fundición por revestimiento
El proceso también ilarnado ¡¡la cern perdida, se utilizó por primera Vez rnnte el periodo de 4000-3000 a.c. El modelo se hace en cera o en plástico (como policstireno) utilizando nicas de moldeo o de prototipado rápido. Las secuencias involucradas en la fundición por revestimiento muestran en la fig. 1J.!8. Se fabrica el modelo inyectando cera o plástico fundidos en Llll dado ele metal con la forma del modelo. Éste después se sumerge en un ba1ro de material refractario corno por ejemplo, sílice f¡, n:, y aglutinantes, incluyendo agua, silicato ele etilo y ácidos. Una vez seco este recubrimiento inicial, el pa. tró11 se recubre varias veces a fin de incrementar su espesor. El término revestimiento proviene del riecho de que el. modelo es revestido con el material ......... ··--·v. Los modelos de cera requieren de un manejo cuidadoso, porque no son lo suficientemente resistentes para so. portar ias füerzas involucradas durante la manufactura ele! molde. Sin embargo, a diferencia de los patrones de pi!istico, la cera puede ser recuperada y reutilizada.
flGURA 11.1 ll ilustración esquemática de la fundición por revestimiento (proceso a la cera perdid;1). Se pueden h
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del modelo cera o dt.:: plástico
Ensamble del mnddo
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Hcveslimiento con yeso
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A.l1toclave
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Fundición
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plástico Fusión d ' e1 modelo fundidos Vaciado
Sacudido
El molde ele una pieza se seca al aire y se calienLe a una temperatura de 90ºC-l 75ºC (200ºF-375ºF). Se deja en una posición invertida durante aproximadamente 12 horas para fundir la cera. El molde se quema entonces a 650ºC-1050ºC (1200ºF-1900ºF) por aproximadamente 4 horas, dependiendo del metal que se va a fundir, a fin de eliminar el agua de cristalización (agua químicamente combinada) y quemar cualquier cera residual. Una vez vaciado el metal y solidificado, se rompe el molde y se retira la fundición. Se pueden unir un conjunto de patrones para formar un molde, llamado un árbol (fig. 1l .18c), incrementando de manera significativa la tasa ele producción. Para piezas pequeñas, el árbol se puede insertar en una caja de moldeo penneable y llenar con un reves· timiento de ba!To líquido, el revestimiento se coloca entonces en una cámara y se hace el vacío para eliminar las burbujas de aire basta que el molde se solidifica. Entonces la caja de moldeo se trata como el molde que se muestra en la fig. 1J .18, excepto que por lo general se coloca en una máquina de fundición por vacío, de manera que el metal fundido es succionado al molde permeable y en la pieza, produciendo un fino detalle. Aunque la mano ele obra y los materiales involucrados hacen que el proceso de la cera perdida sea cos·· toso, resulta adecuado para la fundición ele aleaciones de alto punto de fusión con un buen acabado superficial y tolerancias dimensionales. Por tanto, se requieren pocas o ninguna operación de acabado, que de lo contrario aumentarían de manera significativa el costo total de ia fundición. Este proceso es capaz de producir formas complejas, con píezas que pesan desde 1 g hasta 35 kg (0.035 oz a 75 lb), ele una diversidad ele metales ferrosos y no ferrosos y sus respectivas aleaciones. Las piezas típicas que se fabrican son componentes para equipo de oficina así como componentes mecánicos como engra·· nes, levas, válvulas y trinquetes. Utilizando este proceso se han manufacturado con éxito piezas de hasta 1.5 rn (60 pulg) ele diámetro y un peso de hasta J 140 kg (2500 lb).
Ejemplo: Cómo eliminar ia porosidad en la fundición Ja fundición porrevcstimicnto de un cuerpo de válvula de aleaciones de alum.i.üio, se presentó porosi·· en !a in1erfaz entre el corazón y la pieza colada. El molde originalmente fue calentado a 200"C (400'TJ, lo que cm demasiado elevado para que el metal alrededor del corazón se solidificm·a a una velocidad suficientemellle alta. La fundición se empaó a solidificar desde la parte exterior hacia el corazón, y ei gas (hidrógeno¡ pulsado durante la congelaci<)n del metal se acnrnu!ó en el área cerca de la interfaz con el corazón. resul" tando en porosidad. Bajando Ja temperatura del molde a aproximadamente 9lY'C (200''F), el metal alrededor del corazón se solidificó a una velocidad lo suficientemente alta de tal manera que previene la cxpulsi6n de los gases alrededor del ií.reu_ del corazón, .eliúünando así la porosidad.
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Revestimiento con barro
279
tJ Modelo
Fundición por revestimiento en cáscara de cerámica. Una variante del proceso ele fundición por revestimiento es lafundición en cáscara de cerámica. Utiliza el mismo tipo de modelo de cera o de plástico. que se introduce primero en un gel de silicato ele etilo y posteriormente en una cama fluida ele sílice fundido de grano fino o de harina de zirconio. El modelo se recubre después con un sílice de grano más grueso para acumular capas adicionales y un espesor adecuado para que el modelo pueda soportar el choque térmico dd vaciado. El resto del procedimiento es similar al de la fundición por revestimiento. Este proceso es económico y se ntiliza ampliamente para la fundición de precisión de aceros y aleaciones de alta temperatura . La secuencia de operaciones para la fabricación de un disco de turbina utilizando este método aparece en la fig. 11.19. Si se utilizan corazones de cerámica en la fundición, se retiran por lavado con soluciones cáusticas a altas presión y temperatura. El metal fundido puede ser vaciado en el vacío para extraer los gases y reducir la oxidación, mejorando así la calidad de la pieza colada. Para reducir aún más la microporosidacl, las fundiciones fabricadas por éste y otros procesos se someten a una compresión isostática en caliente (véase la sección 17 .3). Las fundiciones de aluminio, por ejemplo, se someten a una presión de gas de hasta 100 MPa (15 ksi) a 500ºC (900ºF).
t 21!1)
Chdpítulo 1·1 /Procesos de fur1clición de metales
Sección '11.9 /Fundición en molde permanente
FIGURA ·11.21 Ilustración esquemática del oroceso de fundición al vacío. Observe que el ~olde tiene una compuerta inferior. (a) Antes y Después de la inmersión del molde en el metal fundido. Fuente: From R. Blackburn, "\Íacuum Casting Goes Commercial," '~\dvanced Materials and Processes, febrero 1.9'l0 pág. 18. ASM lnternational.
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FIGURA 11.19 Fundición por revestimiento de un rotor integralmente colado parJ una turbina de gas. (a) Ensamble del modelo de cera. (b) Cáscara de cercímica alrededor del modelo de cera. (c) La cera se funde y se llena el molde, bajo vacío con una superaleación fundida. (el) El rotor fundido, producido a la forma final o G1'i final. Fuenle: Howrnet Corporation.
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Mela\ ;·undi
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Horno de inducción
Ejemplo: Componentes de superaieadón fundidos por recubrimiento para turbinas de gas Desde la década de l 960. las supcraleaciones fundidas por revcstimienlo han _venido reemplazando a rnn'-rnrartcs en las turbinas de gas de airo rendimiento. Ha habido mucho.s desarrollos en Ja producción de superaleacioncs más limpias (base níquel y hase cobalto). Se Jia.n hecho mejoras en las l"ccnica:, deo fusión y de como es b fusión por inducción al 1·acío y el uso de controles ror res. Continuamenh: se han venido reduciendo los niveles de impurezas y de incl.usiones. mc.iorancb ia resiskncia y la ductilidad de estos componenres. tipo de control es esenciai porque estas piezas operan a una temperatura que c:;tá sólo a alrededor 5WC (90ºF) por debi\jo de la línea sol idus (sección 4.3). La microcstructura de un rotor de turbina de gas fundido inte¡,>ralme.nte por revestimiento aparece ,,n fo porción superior de Ja fig. l l .20. Observe los granos uniformes y cquiaxfalcs en 1oda fa sccrn)n trnnsversal. Técnicns recientes para poder obtener este resultado focluyen la adición d,, inocuJantes ;;i mela! fundido, así como un comrnl es1ricto de su de las técnicas de vaciado y dd <>mrrnl de !a vcibcidad de enfriamiento de la fundicidn.
fo~jadas
É~sle
En coritm.stc, la porción inferior de la fig. 11.20 muestn el mismo tipo de rotor tundido de rn:u1ern convencional: observe l:i e.strncturn de grano basta. Este rotor tendrá propiedade:; inferiores c!i comparación con ci rotor de grano fino: Debido a Jos desarrollos en estos procesos. la proporcióu de piezas fundida,; enalrededor relación con otrasenpiezas de 45%peso.de los motores de aeronaves se ha incrementado de aproximadamente 20'h hasta
En la fig. l j .2 J se muestra una ilustración csquemútica del proceso de .fúndióón al vado, o proceso de bajo presión contra fo gravedad (CL. counter-gravity low-pressure process) (no confundir con el proceso del moldeo al vacío que se describe en la sección l l .2.5 ). Se moldea una mezcla de arena fina y de metano sobre da dos de metal que se cura con vapores de amina. El molde es sujeto después con un brazo robótico y se sumerge parcialmenle en metal fundido que se encuentra en Lm horno de inducción. El metal se puede fundir al aire (proceso CLA) o en vacío (proceso CLV). El vacío reduce la presión det aire en el interior del molde a aproximadamenLe dos terceras partes de la presión atmosférica, succionando por tanto el metal fundido en l:ls cavidades del molde a través de un canal ele alimentación en la parte inferior de! molde. El metal fundido en el horno está a una temperatura por lo general 55ºC (1 OOºF) por enc.ima de la peratura líguiJus; en conseCL1encia, empieza a solidificarse dentro de una fracción de segundo. Una vez llen(! el molde, se retira de! metal fundido. Este proceso es alternativo a la fundición por revestimiento, de la fundición por moldeo dscarn y d" fundición en arena verde, y es particulannenlc ;1decuado para formas complejas ele pared delgada (0.75 0.03 pulg) con propiedades uniformes. Con esle mtitodo se han fundido al vacío piezas de acero al. carbo"" de baja y atta aleación y de aceros inoxidables con un peso de hasta 70 kg (155 lb). Las piezas CLA .se fabrican fácilmente en elevados volúmenes y a un costo relativamente bajo. Las piezas CLV usualmente involucran metales reactivos, como aluminio, titanio, zirconio y hafnio. Estas pieza;;, que a menudo se encuentran en forma de superaleaciones para turbinas de gas., pueden tener paredes de un espesor de hasta 0.5 mm (0.02 pulg). El proceso puede ser automatizado y los costos de producción son similares a los de la fundición en arena verde.
FUNDJCIÓN EN MOLDE PERMANENTE FIGURA "11 .20 Sección transversal y rilicroestructura de dos rotores: (superior). fundición por .revesfü'nfento; (inferior) fundición convenciOnalmente, Fuente: j\dvan_ced Mctterials and ?roces.ses, octubre 1990; pag: i.~: ASM lnternational.
En el proceso de fundición en molde permanente, también conocido como fundición en molde duro, se fabri-
can dos mitades de un molde de materiales como el hierro colado, el acero, el bronce, el grafito o aleaciones de metal refractario. La cavidad del molde y el sistema ele canales de alimentación se maquinan en el molde Ypor tanto forman parte integral del mismo. Para producir piezas con cavidades internas, se colocan corazones hechos ele metal o de agregados de arena en el molde antes de la fundición. Los materiales típicos para el corazón son la arena aglutinada con aceite o con resina, el yeso, el grafito, el hierro gris, el acero de bajo carbono y el acero para dado de trabajo en caliente. El de uso más común es el de hierro gris, particularmente para moldes grandes en la fundición de aluminio y de magnesio. También se utilizan insertos para varias partes del molde.
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Secci<)n 11 12 /Fundición por inyección en matriz o dados
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Cámara
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Rueda
(a) El proceso de fundición a presión alimentada por el fondo utiliza moldes de grafito para la producción de ruedas de acero para ferrocarril. Fuente: The Grifíin Wheel Division of Amsted Industries lncor- do de v;ic1a - do por graved a d d e una rue d a de ferrocam·1 tund1 · 'd a. Observese ' porated. (b) ,\!\eto que 1a copa d e vaciado también sirve como man rota. Las ruedas de ferrocarril también se pueden fabricar por forja
FIGURA 11.22
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Se hi,co b ob:;crvación en la fig_ 1O.! Dque en una fundición se desarrol/;i en primer término una película sofü1ificada y que esla pclkula con eí liempo se hace más gruesa. Se pueden fabricar fundiciones huecos con paredes delgadas mediante la fundición en molde permanente utilizando este principio, un proceso conocido como fundición en cáscara. El metal fonclido se vacía en ei molde de metal; una vez obtenido el espesor deseado de relfcula solidificada, se invierlco el molde y el metal líquido restante se extrae. Se abren las mitades del molde y se retira la fundición. La t'undición en cáscara es adecuada para pequeñas corridas de producción y en general se utiliza para la elaboración de objetos de ornato y decorativos (como por ejemplo, bases y postes para lámparas) y juguete;; partiendo de metales de bajo punto de fusión como las aleaciones de zinc, estaño y plomo.
1Ll"í FUNDICIÓN A PRESIÓN En los dos procesos de molde permanente arriba descritos, el metal fundido fluye hacia el interior de la cavidad del molde por gravedad. En el proceso de fundición a presión, también llamado fundición por vaciado a presión o de baja presión (fig. 11.22a), el metal fundido es obligado a fluir hacia arriba por presión de gas en un molde de grafito o de metal. La presión se mantiene hasta que el metal se haya solidificado totalmente dentro del molde. El metal fundido tainbién puede ser obligado a fluir hacia arriba mediante un vacío, que también elimina Jos gases disueltos y produce una fundición con menor porosidad. La fundición a presión por lo general se utiliza para fundiciones de alta calidad, por ejemplo, ruedas de acero para carros de feJTocarriL Estas ruedas también pueden ser fundidas en moldes de arena o en moldes semi permanentes hechos de grafito y de arena (fig. l l .22b).
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Me'"J f'uod,do
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~ara pei::~:~:;: ~ ;~. ~~ucidos m~cmliwndo
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11, 12 FUNDIC!ON POR INYECCION Ei'J MATRIZ O DADOS .
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El proceso de myeccwn en matnz o dados. desarrollado a pnnc1p1os de los anos de 1900, es un ciernplo ad1• , de la fund1c1on . • , en molde permanente. El metal funcltdo • • • • o c10nai es forz.ado dentro de b cavidad de la matnz · , · · ...., .· • · ·, · dado a prcs10ne'; que van ele (J.7 MPa-7 ()O MPa (O.! ksi-100 ks1). l:ol termrno europeo defund1c1on en mamz a presión o simplemente fundición en matriz, que se describe en esta sección no debe confundirse con el tórmino dejúndición a presión (descrito en la sección 1l. l l ). Las pie:i:as típicas que se fabrican mediante la inyección en matriz son componentes para motores, máquinas para oficina y enseres domésticos, heJTamientas ele mano y jugL1etes. El peso de la mayor parte de las piezas fundidas va desde menos de 90 g (3 oz) a aproximadamente 25 kg (55 lb). Existen dos tipos básicos de máquinas de inyección en matriz: las de cámara caliente y las de cámara fría.
11.12,1 Procesodecámara
iente
El proceso de cámara calienfe (fig. l l .23a) involucra el uso de un.PioLúQ,_que atrapa un cierto volumen de metal fundido y lo obliga a pasar a la cavidad de la matriz de vaciado a través de un cuello de cisne y una tobera. Las presiones de inyección son de hasta 35 MPa (5000 psi), con un promedio de aproximadamente 1S MPa (2000 psi). El metal se mantiene a presión hasta que solidifica en matriz ele vaciado. Para mejorar Ja vida de ia matriz y ayudar con un rápido enfriamiento del metal (reduciendo por tanto el tiempo del ciclo de colada), las matrices de vaciado usualmente son enfriadas por agua o aceite en circulación a través de varios canales en el interior de la matriz colada. Los tiempos del ciclo van desde 200 a 300 inyecciones (individuales) por hora para el zinc, aunque componentes muy pequeños como los dientes de cierres de cremallera se pueden fundir a una velocidad de 18000 inyecciones por hora, Mediante este proceso usualmente se funden aleaciones de bajo punto de fusión como las de zinc, magnesio, estaño y plomo.
.12.2 Proceso de cámara fría En el proceso de cámara fría (fig. l l .23b ), el metal fundido se vacía en el cilindro de inyección (cámara de inyección). La cámara de inyección no es calentada, de ahí el término cámara fría. El metal fundido es for-· zado en la cavidad de la matriz de vaciado a presiones en un rango usualmente de 20 MPa a 70 MPa (3 ksi a 10 ksi), aunque pueden ser tan altas como l.S-Ó MPa (20 ksi). Las máquinas pueden ser horizontales (figs.
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esqu~rnática del proceso de inyección en matriz de c.}mara del proceso dr~ inyección en matriz de c.lrnara fría. and Technofogy.
. 24 (a) !lusliación esquernc\tica de una máquina de inyección en matriz cié> cámara fría. Estas rnáquinc:s son grande;; en comparación con el ldmaño de bs pie?2s lundidas porque se requieren de fuerzas para mantene1· ías dos milades de las matrices cerr¿KJas. (bi Máquina de inyección en matriz de cámara calien1·e i.\00 toneladas, D•IM ilCio·¡ (fr1hricacb en 1\lemania en 1998). Es la m5quina de cárn;ira caliente más wande del mundo y mesta aprox11T1acJa:1i<:~n(1· miilones de dólares,
(<1)
.12.3 Capacidades del proceso y selección de máquinas
,;¡
Debido a las airas presiones involucradas, las matrices tienen tendencia a abrirse a menos que estén firmemen· te sujetas. Las máquin:J.s de inyección en matriz ~e clasifican según la !~I~~~9__~p~~ic_~e_ g~~~~-1~-~~C:~~-·~l.~!~~-9[ para mantener los troqueles cerrados. La capacidad ele las máquinas comercialmente disponibles están en el fañgóqueva-Jesde aproximadamente 25 basta 3000 toneladas. Otros factores de importancia en Ja selección ele las máquinas de fundición a presión son el tamaño de las matrices, la carrera del pistón, la presión de la
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inyección y el costo. Las matrices y dados a presión (fig. 11.25) pueden ser de una sola cavidad, de múltiples cavidades (con varias cavidades idénticas), de caviclacles combinadas (con varias cavidades diferentes) o dados unitarios (pequeños dados simples que se pueden combinar en una o más unidades en un dacio maestro de sujeción). Tfpicamente. la relación del peso del dado al peso de la pieza es de l 000 a i, por lo que el dado para una fundición que pese 2 kg pesaría aproxiinadamente 2000 kg . Por lo general los dados c:;lán fabricados de aceros para dados para trabajo en caliente o aceros para mol· de. El desgaste del dado aumcnla en función de la temperatura del metal fundido. Puede ser un problema e; agrietamiento por calor de los dados y matrices (agrietamiento superficial por el enfriamiento y calel1l11miento repetido de! dado, que fue analizado en la sección 3.6). Cuando se seleccionan y se mantienen correctamente los maleriales para matrices, éstas pL!eden durar más de medio millón de inyecciones antes de que presente cualquier desgaste significativo. El disel1u de! dado incluye un ángulo de salida para pen11itir la extracdón de la pieza ftmd]da, El tribuidor y ios canales de alimentación pueden ser retirados ya sea maimaJme11le o utilizando troqueles corte en una pre11sa. La Lotalidad del proceso ele inyección en matriz y las operaciones de acabado pueden il!J lomalizam; ele manera importante. A menudo se aplican lubricantes (agentes separadores) como finos brimientos en la superficie de ios dados y malrices de colada. Se trata usualmente de lubricantes base-aguce con grafito u otros compuestos en suspensión. Dada la elevada capacidad ele cnfrüimiento del agua, estos flu;-. dos también reSL!ltan eficaces para mantener baja la temperarnra de los dacios. La inyección en matriz tiene la capacidad de producción rápida de piezas resistentes de alta calidad formas complejas. También imparte buena precisión dimensional y buenos detalles superficiales, ele rnanu que las piezas requieren de poco o ningún maquinado subsecuente o de alguna operación ele terminado (fo>:mado de forma final). En vista ele las elevadas presiones involucradas, se producen paredes de hasta un espesor de 0.38 mm (O.O 15 pulg). Estas paredes son más delgadas que las que se obtienen utilizando otros métodos de fundición. Quedan marcas ele los eyecton:s, igual que pequeñas cantidades de rebaba (material deigado que ha sido extruído de entre los troqueles) en la línea de partición del dado.
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1 :I
FIGURA H.25 Varios tipos de cavidades en un dacio de inyección en matriz. Fuente: cortesía de American Die Casting lnstitute.
(b)
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~ h¡º:at?r~ ~~ ~ujtJ$ $ (a) Matrb:deunasola cavidad
(b) Matriz
(e) Mmriz combinado
(d) Matriz unitario.
286
Cap1tuio l "! /Procesos c!e fundición de metales Sección -¡ ·¡ .13
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FIGURA H .26 Ejemplo ele insertos de fundiciones en su sitio en la inyección en matriz. ía) Buje moleteado. ibJ Varilla
I Fundición centrífuga
287
Metal
roscada ranuradJ:.
IABLA. ·¡ 1 A Propiedades y aplicaciones típicas de aleaciones inyección --·----------- -para -· - - -en-mariz - -comunes Resistencia tensil máxima
~~:'.ción __________ ___J~ Aluminio 380 {3.5 Cu-8.5 Si)
320
Resistencia a Ja cedencia (MPa) 160
.Elongación en .50 mm (%) 25
IJ (]2 Si)
Latón 858 (60 Cu) 1\!Jagnesio /1.Z9l B (9 A!-0.7 Zn} Zinc Ntím 3 (4 Al)
5 (lJ.\1--1 Cu)
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dalos del hmerican
300
.380 23() 280
:no ln:.;títntt!.
150
200
2.5
15
160
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Aplicaciones En5eres doméslicos. componentes automotrices, imstidores y c2rc<1zas d~: motores eléctricos Formas complejas de pareJ delgada. piezas que requieren resislenci.:i a temperaturas elevadas Artículos de plomería, herrerfo y cerrajería, bujes. fundiciones ornam::nta!l.!S Herramienta<> eléctricas, pie1;1:: auiomoLrice:;. artículos deportiv1J.~ Piezas automotrices, equipo d~ ofa.:ín
~.Mol&~: Wíi<
(b)
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FIGURA H .27 Ilustración esquemática del proceso de fundición centrífuga. Las
tuberías, las camisas de cilindro y f)Íezas de forma similar se pueden fundir mediante este proceso.
.11.13 FUN Como su nombre implica, lafundición centrífúga utiliza la fuerza de inercia causada por la rotación para distribuir el metal fundido en fas cavidades del molde. Este método fue sugerido por primera vez a principios de los aiíos ele l 800. Existen tres tipos de fundición centrífuga: la fundición centrífuga verdadera, la fundición semiccntrffuga y el centrifugado.
a. Fmulición celltrífüga verdadera. En bfimdición centrffúga verdadera, se producen piezas cillnciri·cas, como tuberías, cañones de armas~ y postes telefónicos, mediante las técnicas que se rnuestran en la pieza lfpica hecha por inyección en nrn1riz es mostrada en la fig_ l l. lb; nótese la forn10_ cump!eia d detalle superficial. En la fabricación de ciertas piezas. la inyección en ma1ri.z puede compe;:ir favoniblemente con otros métodos de rnanuf;>s;turn, como es el estampado de lámina, y la forja, o ele otros procede fundición. Además, ciado que el metal fundido se enfría rápidamente en las paredes de Ja matriz de colado, la piefundida tiene una película dura de grano fino con mayor resistencia. En consecuencia, la rebción de resistencia a peso de las piezas inyectadas en matriz aumenta al reducirse el espesor de las pared'"'· En vista del buen acabado superficial y de su precisión ia inyección en matriz puede producir superficies de rodamiento que normalmente se maquinan. Componentes como bujes, ílechas y sujetadores roscados se puccle!l inyectar en matriz de manern inte, graL Conocido como moldeado con inserto, este proceso es similar a la colocación ele palos de madera en las paletas antes de su congelación (véase también la sección 18.3). Para una buena resistencia en la interfaz, ios in:;ertos pueden estar moleteados, ranurados o estriados (fig. l l.26)_ Para la selección de los materiales de íos insertos, debe tomarse en consideración la posibilidad de corrosión galvánica. Por ejemplo Jos insertos de acero, latón y bronce se utilizan comúnmente en aleaciones de fünclición por inyección. Si la con·osión galvánica resulta un problema potencial, el inserto puede aislarse, revestirse o tratarse superficialmente. Los costos ele equipo, particularmente el costo de las matrices de inyección, es algo elevado, pero los costos por mano de obra generalmente son bajos ciado que el proceso está semi o totalmente automatizado. La inyección en matriz es económico para corridas de producción grandes. En la tabla l l.4 se clan las propie· clades y las aplicaciones típicas de las aleaciones comunes de inyección en matrices y dados.
fig. 1 l.27, en donde el metal fundido es vaciado en un molde rotativo. El eje ele rotación es por lo general horizontal., pero puede ser verticat para piezas corlas. Los moldes están hechos de acero, hierro u grafito y pueden estar recubiertos con una capa refractaria para incrementar la vida del molde. Las superficies del molde se pueden modificar ele tal manera que se puedan fundir tuberfas con formas exteriores diversas, incluyendo cuadradas y poligonales. La superficie interna de la colada se con, serva cilíndrica porque el metal fundido es distribuido de manera uniforme por las fuerzas centrífugas. Sin embargo, debido a diferencias en la densidad, los elementos más ligeros como escoria, impurezas y partes ele! revestimiento refractario tienden a acLunularse en la superficie interna de la pieza fundida. Se pueden fundir por el método centrífugo piezas fundidas desde 13 mm (0.5 pulg) hasta 3 m (JO pies) de diámetro y 16 m (50 pies) de largo, con espesores ele pared desde 6 mm hasta 125 mm (0.25 pulg a 5 pulg). La presión generada por la fuerza cent1ifuga es elevada, tanto como 150 gs, y esta elevada presión es necesaria para la fundición de piezas ele pared gruesa. Mediante este método se obtienen fundiciones de buena calidad, precisión dimensional y buen detalle superficial. Además de tubos, piezas típicas fabricadas con este proceso son bnjes, camisas de cilindro de motor y anillos de cojinete con o sin brida. h. Fundición semicentrífuga. Un ejemplo de la fundición semicentrifuga se muestra en la fig. l 1.28a. Este método se utiliza para colar piezas con simetría rotacional como por ejemplo una rueda con sus rayos. c. Centrifugado. En el centrifúgado, también llamado fundición centrifuga, las cavidades del molde de cualquier fonna se colocan a una cierta distancia del eje de rotación. El metal fundido se vacía por el centro y es obligado a pasar al molde debido a la fuerza centrífuga (fig. 1 L28b). Las propiedades de las fundiciones varían en función ele la distancia del eje ele rotación.
288
C.1pí!ulo ·¡ í / Pron~sos de fundición ele metales Sección 1'1.14 /Fundición por ciado impresor y formado de meial semisólido
289
(a) (b)
Copa de vaciado y distribuidor
C:üa:, de 1nnJdeo
hrndi•:lo
M(~!Je Di~nositivo
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de ",ujcción
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l\1esa gira1oria
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Ejemplo: Rótula delantera de la dirección hecha mediante fundición por dado impresor
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Met;:il
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FunJic1Gn
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flGURA 11.28 la) iluslración esquemática del proceso de fundición sernic('r11n'fuga. Con 0s1e proceso se pueden fundir ruedas con rayos. lb) Ilustración esquemática dei colado poi cenlrifugado. Los moldes 51, colocan en ia periferia ele la rn.\quina, y se obliga al rnelal fundido a entrar en los moldes por la fuern cen!:i-ífuga.
1. l 4
IMPRESOR SEM!SÓUDO Existen clos procesos de fundición que son básicamente la combinaci611 de la fündicirín y la fo1ja (capflulo 14). es decir Ia/úndición por do do impresor y el fornu.1do de metal semisó!ido.
.1
por pnx:eso ckji111dicirin por dado imr1-esm; ofórju de me:u/ liquido, Jüe Jesaffollado en los afios de l%0e involucra la sniiclificación del metal fondido a alta presión lfig. ! 1.29). La maquinaria incluye un dado o maíriz. un puru:cín y un buje cyeclor. La presión aplicada por el punzón mantiene los gases atrapado,s sc,Jnción d contacto a alta presión en la interfaz dacio-metal prornueve una rápida translú·éncia de calor. resuiwndo c.n una fina microestruc1ura con buenas pn)piedades mcc;ínicas. La aplicación de p1.·esi6n también resuelve problemas de alimentación que se pueden pre.,cnl"ar al !'undir metales con un rango de congelación grande (sección l 0.2.2). Las presiones que se requieren en la fundición por dado impresora son inferiores a la forja en caliente o en frío correspondientes. Las piezas se pueden fabricar a unafimna casifi11al, con formas compleja." y un fino delalk supe1-ficial, l2tnto de aleaciones no ferrosas como fotTosas. Los productos típicos son componentes autoruotrices y cuer-
pos de morlero (un cafión corto).
flGU!V~ 11.29
Secuencia de operaciones "n el proceso de fundición por dado impresor. l..1 fundición y de la forja.
Este pmceso combina las ventajas de
(a)
(b)
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L~c;:iJ
Meta! fundido
QV
CiiJ
Vacíe el metal fundido la matriz o dado
(cJ
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(d)
1
V
~ii~ =!~ =~= LJ:lJ ~ Lll[J Cierre la matriz o Extraiga la fundición por dado y aplique presión dado impresor, cargue de metal fündido y repita el ciclo
La rótula de la dirección delantera para e1 Taurus de Ford J997, e! Sable de Mercury y el Li1K1oln Com;nental fue rediseñada para fabricarse de aluminio por hmdición por dado impre$or, reemplazando una nitufa de hierro dúctil hecha por fundición en arena verde. Aunque el costo ele la fundición por dacio impresor re~ultaha superior a la de la fundición de hierro, la caracte1istica de forma final daba como resultado un;1 réducción sustancial en npcraciones de maquinado. Además de un ahorro en peso de 50%. la rótula de aluminio ele 3.85 kg (85 lbs) tenía rneilor porosi dad, la misma rigidez y una resistencia a la ccclcncia y tcnacicbd superiores que las de la pieza de hicn·· dúctíl. La pieza fue someüda a un aná1h1s de elementos fini1os a fin de optimizar su resistencia y sus de rigidez. Fuente: CTvH lntcrnationaL
.14.2 Formado de metal semisólido También conocido como con/órmado de metal semisólido. el formado de metal semisóliclo fue desarrollado en Ja década de 1970. El mela! o aleación tiene una estructura de grano fino no dendrítica, casi esférica, al cmrar a la matriz o molde. La aleación exhibe un comportamiento Hxotrópko (de ahí que el proceso también seconoce como tixo[Orrnad\0) esto es, que su viscosidad se reduce al ser agitado. Por ejemplo, reposo y por arrib~\ de su temperatura solidus (fig. 10.3) la aleación tiene una consistencia de mantequilla de mesa. pero al ser a;:;;tada violentamente :m consistencia se prn·ece más a la de los aceites lubricantes para motor. Este comportamiento se ha utilizado en el desarrollo ele tecnologías que combinan la fundición y el für·jado de piezas, ulilizando lingotes de fundición que se forjan cuando estún de 30 a 40% líquidos. Piezas magnesio por ejemplo, se han hecho en máquinas que combinan los procesos de fundición por inyección a presión y de moldeado por inyección de los plásticos con tornillos reciprocantes (sección 1g.3). La tecnología formado de metaks semi sólidos ya estaba •on producci
Ejemplo: Componentes fundidos de! motor de automóvil reemplazados por forjas semisólidas El pedestal de aluminio de Ja Hecha de balancines para un motor V6 de 24 válvulas Ch;·yslcr 3.5L se ñó originalmente para su producción mediante fundic.iún en molde permanente; sin embargo. la pieza r.csultante no tenía la resistencia sulicienle. La función de esta pieza es sujetar el mecanismo ele accionamic:,1" de llli> válvullli> a ia cabeza de cilindros. Para esta pieza se pensó en hierro dúctil (nodular), pero >U pe,o era 1.rés veces supe<"ior. El proceso fue reemplazado con una forja semísólída en la cual "tochos de a!mninío espedalmentc colados" se f01jaban cuando estaban en estado semisólido. aproxim
fundida~c •· ÉIJ.'roceso de forja semisólidá también fue utilizado para fabricar uha ménsula _de aluminio de pivo¡c d,C:)ltensíonador de la .banda de tiempo paraeste motor. rediseñado ele hi(:)IJ"ºdúctiL La nu&vn mé.usula re/nÍ:.tht1en:as tolerancias dimensionales,n()reqt!~ria de \Jingún proceso de maq11inado arlici.onal significativo;s~costo era Z.!5 dólares.menos por' pieza que Ta ménsula de h.ierro dúctil. Fuente; Advanceri Materíol.1 & Prdcesses, junio l 993.
291()
CapítuJo l l /Procesos de fundición de metales Sección ·¡ ·¡ .16 /Solidificación rápida (aleaciones amorfas)
11 .1 S TÉCNICAS
COLADO PARA
En el capítulo 1 se describieron las características de las estructuras monocristalinas (constiluídas por un solo cristal) y pol.icristalinas en los metales. Esta sección describe las técnicas Lttilizadas para colar tes monocristalinos como aspas de los álabes de turbina, que por lo general están hechos de supera1ea,;1onesA}I' a base de níquel (sección 6.6) y gue se utilizan en las etapas de alta temperatura del motor. Los procedirnien. los involucrados también pueden ser utilizados para otras aleaciones y componentes.
~~-·"•'·vwcu-nik
a. ilhmdkión convencional de álabes de turbina. El proceso de .fundición crmvencional utiliza un molde de cerámica. El metal fundido es vaciado en el molde y se empieza a solidificar a partir de las paredes de cerámica. La estructura de grano desmTollada es policlistalina y similar a la gue se muestra eG Ja fig. 1O.Je. La presencia de fronteras de grano hace que esta estructura sea susceptible a la termo. fluencia y al agrietamiento a lo largo de las fronteras de grano bajo fos ruerzas centrífugas y las elevadas temperaturas que comúnmente existen en una turbina de gas en operación. solidificados direccionalmente. En el proceso de solidificación direccional (fig. 1l .30a), que se desaffolló por vez primera en 1960, el molde de cerámica es precalentado utilizando calor radiante. El molde es soportado por una piaca de enfriamiento enfriada por agua. Después ele haber vaciado el metal en el molde, todo el conjunto es bajado lentamente. los cristales empiezan a crecer en la superficie de la p!aca de enfriamiento y hacia arriba, como los granos columnares que se muestran en la Jig. 10.2. El üiabc se solidifica por tanto direccionalmente, con fronteras de grano iongillldinalcs pero ninguna transversal. En consecuencia el aspa es müs resisl:ente en la dirección de ias ti.1erzas cenlrífogas desarrollaJ:is en ia turbina de gas.
n.1lor.mcristaHnos. En el crecimienfo de cristales. desarrollado en l 967, d rnokle tiene un estrnn~ guiamiento en la forma de un tirabuzón o hélice (figs. 1 .30b y e), cuya sección transversal es tar1 reducida que solamen(e permite que pase un solo cristal. El mecanismo de crecimiento de cristales es tal que solamente los cristales orientados más favorablemente pueden crecer a :rnvés de Ja he'Jice, y:< que todos los demás son interceptados por fas paredes dei p<1sajc iie!icoidal. una situación aigo simibr a Ja que n1uestra en la fig. 10.2.
1\1étodos par;1 fundir .:ihb1::s de turhin~1: (a) Solidific)ción direccional; (b) M{Sfoclo pztr,_t producir un cllabc monocristaJino; y (e) Un <:lbbe monocristalino f.:on lJ. porción estrangulada J.L·1n coneclada. Fuente: (a) y (b) B. H Kear, octubre de 'l 9H6; (e) Advanced A1atcria/s ancl Processcs, octubre de 1990, pág. 29, !\SM lnternationaL ('.\) Ocf!ec!ores de cnlor
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FIGURA 113-~ Dos métodos de crecimiento de cristales: (a) Extracción ele cr1s\al (proceso Czochralski) y (b) El método de zona flot;1nte. El crecimiento
de cristilles es espécialmen\e importante en la industriil de semiconductores. Fuente: L. H. Van Vlack, Maierials for Engincering. Addison-Wesley Publishing Co., lnc., 1982.
Conforme el ensamble es bajado lentamente, un rnonocristal crece hacia arriba a través del estrangulamiento y empieza a crecer en d molde. Es necesario un control estricto de la rapidez de movimiento. La masa solidificada en el mc·-!de es un álabe monocrista1ino. A pesar de que esLos álabes son más costosos que otros tipos. la carencia de fron\eras ele grano Jos hace resistentes a Ja lermof!uencia y al choque tfr· mico. por Jo que tienen una vida de s0rvicio más larga y más confiable. d. Crecimiento de mm::wcristales. Con el advenimiento ele la industria ele los semiconductores, el crecimiento de monocri:;tales se ha convertido en una actividad importante en la manufactura de dispositivns microelectrónicos (capítulo 34). Existen dos métodos básicos de crecimiento de cristales. En el método de exlracción de cristal conocido como proceso IC:wchrnlski. (fig. J l.3 la), un criwü semilla se sumerge en el mewl fundido y después es extraído lentamente (a una velocidad de aproximadamente 10 µ,m/s) mi.entras se le e:;tá h;iciendo ginu·. El metal líquido empieza a solidificar sobre c.I cristal setn1Ha, y 1a esrnictura cristalina del crista! se preserva en el material producto del crecimienro. Pueden agregarse dopantc~; (elementos de aleación) al metal líquido para impartir propiedades eléctri-cas especiales. Monocristales ele silicio, germanio y otros elementos son producidos utilizando este proceso. Se puc-den producir mediante esta técnica lingotes monocristalinos típicamente de 50 mm a 150 mm (2-6 pu!g) de diámetro y de más de l m (40 pulg) de longitud. La segLmda técnica para ci crecimíe11to ele cristales es e! método de zona flotante (fig. 11.31 h). Par-tiendo de un
.16 SOLIDIFICACIÓN RÁPIDA (ALEACIONES AMORFAS)
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291
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Las propiedades de las aleaciones amorfas. también conocidas como vidrios metálicos, fueron descritas en la sección 6. J4. La técnica para la fabricación de estas aleaciones, llamada solidificación rápida, involucra el en6 friamiento del metal fundido a velocidades tan elevadas como 10 K/s de manera de gue no tiene tiempo suficiente para cristalizar (véase la fig. l. l l). La solidificación rápida da como resultado entre otros efectos en una ampliación significativa de la solubilidad sólida, la refinación del grano y una reducida microsegregación (sección 10.2.3).
~J>f:f'/!fJ:~é:Yi?f {,<. 'dii /~:,y,~:·,,,,,, '""''),j--:;:; ~"'nr,:t<:1~f;-1~'·:;}2dXZ!s:.\:C:.x;o~"1"·;·-;··"·""""''""'W'fiY"Mm""&~"' '" ·-.~-~-
2'92
Capítulo 1! /Procesos de fundición de met,1les Sección n .18 / Práclicas y hornos de fusión Cin~
Crisol
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Bobina ele fVktal 1unchuo
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flCURA H .32 Ilustración esquemc1tica del enfriamiento
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por disco rolatorlo para
producir tiras delgadas de metal amorfo.
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En un método llamado métodlo die enfriamiento en disco rotatorio l L32), la aleación se funde por inducción en un crisol de cerámica. De ahí es impulsado a una muy a!ta velocidad bajo una alta presión de gas contra un disco de cobre giratorio (bloque de en(i·iamiento) que enfría rápidamente la akación (en/í-iamiento por rociadura).
FUl'lDICIONES Se pueden utilizar varios métodos para inspeccionar las fundiciones a fin Je determinar su calidad, asf cumo b presencia de cualquier defecto. Las funcliciones se pueden inspeccionar visual u ópticamente en busca de defectos superficiales. Los defectos subsuperficiales e internos se utilizando vmias técnicas no 1ies!mc1iv([s (sección 36.9). En las pruebas deslructivus (sección 36. l O), se especímene:; de prueba de va•·ias secciones de nna pieza fundida para ensayar su resistenci3, ductilidad y olras propiedades niecüni<"as, y p.i1ra determinar !a pre,c;encin y localjzación de porosidad y otros defectos.
extr¿1<~n
La caída ele presión o hermeticidad de componentes fundidos (válvuJas, bombas y tuberías) se dereuni· na por lo general sellando las aperturas de la pieza fundida y presurix.ando con agua. aceite o aire. vJSt,1 que ain; es compresible, su uso es peligroso en este tipo de pruebas debido a la posibilidad de mw explosión s1jbiía ornsinnada por un defecto importante en la fundición.) Para requerimiton1os de extrerna Jicn•icti· cicbd a fugas, se ntiliLan heiio presurizado o gases especialmente armrnitizaclos corno detectores.·'' Después Ja fundición'" inspeccionada en busca de fugas mientras se mantiene la presión. Lis füncliciones no acepU>· bie:-; o defectuosas se vuelven a fundir para su reprocesamjeoto. Duela In importancia en el impacto económico, los tipos de defectos presenr.es en las nind1ctnnes, asi co-
,.,.,º sus causas deben ser investigadas. Es importante pm·a mantener urn; buena ccilidad Je control en ludas las ctap:ts del proceso ele fundición. desde b preparación del molde hasta la ex1rau:ión de la lúndición de los moldes o dados.
11.18 PRÁCTICAS Y HORNOS DE FUSIÓN
-·
La práctica de la fusión es un aspecto importante de las operaciones de fundición, ya que tiene un efecto dircc· lo sobre la calidad de las piezas fundidas. Los hornos se cargan con material de fusión consistentes de metal, ele· mentos de aleación y otros materiales corno el fundente y formadores de escorias o escotificantes. Los fundentes son compuestos inorgánicos que refinan el metal fundido al eliminar los gases disueltos y varias impurezas. Los fundentes tienen varias funciones, dependiendo del metal. Por ejemplo, para las aleaciones de aluminio hay fundentes de cobertura (para formar una banera a la oxidación), fundentes de limpieza, fundentes de escoria, fundentes de refinación y fundentes para la limpieza de la pared (debido al efecto perjudicial que de los R.T.: Muy similardea lo que se realiza con el gas doméstico (propano) el cual es inodoro, y para detectar una probable fL1ga se- *N. le adiciona un aromatiz~rnte olor caractcristico.
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293
algLmos fundentes tienen en los revestimientos del horno, particularmente en los hornos de inducción). Lo;; fundentes pueden ser adicionados manualmente o inyectados automáticamente en el metal fundido. Los fundentes para el aluminio típicamente consisten en cloruros, fluoruros, y boratos de aluminio, de calcio, magnesio. potasio y sodio. Un fundente típico para el magnesio consiste en una composición de clormo de magnesio, cloruro de potasio, cloruro de bario y fluoruro de calcio. Para las aleaciones ele cobre, existen fundentes oxidantes (que incluyen el óxido cúprico o el bióxido de manganeso), Jos fundentes de cobertura neutra (bornx, ácido bórico o vidrio), fundentes reductores (grafito o carbón vegetal), fundentes ele refinación y fundentes para el molde para fundiciones semicontínuos (para evitar la oxidación y mejorar la lubricidad). Para las aleaci,0ncs de zinc, como las que se utilizan en la inyección en matriz los fundentes típicos Íllcluyen a los cloruros ele zinc. de potasio y ele sodio. Los fundentes para el hierro fundido típicamente incluyen el carbonato de sodio y el fluoruro ele calcio. Para proteger la superficie del metal fundido contra la reacción y contaminación atmosférica, y para refinar el metal fundido, éste debe estar aislado contra pérdidas térmicas. Por Jo general se provee aislamiento cubriendo la superficie o mezclando el metal fundido con compuestos que forman una escoria. En aceros fundidos, la composición de la escoria incluye Caü, Si01 , Mnü y Feü. Por lo general se extrae una pequeña c~n tidad de mct<:il líquido y se analiza su composición. Entonces, se efectúan las adiciones e inoculaciones necesarias, antes de vaciar el metal en los moldes. La carga de metal puede estar compuesta ele metales primarios comercialmente pL1ros, que son chata,.,-a refundida. También se pueden incluir en la carga fundiciones rechazadas, sistemas de alimentación y mazarotas. Si los puntos de fusión de los elementos de aleación son lo suficientemente bajos, se agregan elementos de aleación puros para obtener la composición deseada de Ja fundición. Si los puntos de fusión ele los elementos ele aleación son demasiado elevados, no se mezclarán con foci Edad con los metales ele bajo punto ele fusión. En este caso, a menudo se utilizan aleaciones maestras o endure· cedo res. Por lo ge~cral están formadas de aleaciones de n1enor punto de fusión con altas concentraciones de uno o dos de los elementos de aleación necesarios. No deben existir grandes diferencias en las gravedades especí!';cas de ias aleaciones maestras a fin de no causar segregación en la fundición (véase la tabla 3. l para los rangos de temperaturas de fusión ele varias aleaciones de metal). Hornos d~ fusílón. Los hornos de fusión que comúnmente se utilizan en las fundiciones son los
nos de arco eiéctrico. los hornos de inducción, los hornos ele crisol y los cubilotes.
elfrtrico foeron descrilos en la sección 5.2.3 e ilustrados en la fig. 5.1. Estm; hc'>r· nos se utilizan ampliamente en ]as fundidoras y tienen ventajas tales con10 una elevada rapidez de: fu, sión (y por tanto Ltna elevada tasa cic producción), mucha menos contaminación que otros tipo:-; circ bornos, y la capacidad ele conservar el metal fundido (conservarlo a una temperatura constante durn'1 · te un periodo ele tiempo) para efectos de aleación. b. Los hornos de im:lm:ción (fig. 5. lc) son especialmente útiles en fundidoras más pequeñas y producen también fusiones más pequeñas de composición controlada. Existen dos tipos básicos. El horno de ill· ducción sin núcleo consiste ele un crisol totalmente rodeado de una bobina de cobre enfriada por agua a través de la cual pasa la corriente de alta frecuencia. Dado que se presenta una fuerte acción de agi· tación electromagnética durante la calefacción por inducción, este tipo de horno tiene excelentes características de mezcla para aleaciones y para agregar nuevas cargas de metal.
lL Los hornos de arrn
El otro tipo, llamado un horno de núcleo o de canal, utiliza baja frecuencia (tan baja como 60Hzi y tiene una bobina que sólo rodea una pequeña porción ele la unidad. Se utiliza comúnmente en fundidoras no fenosas y es particularmente adecuado para sobrecalentar (calentamiento por encima de la temperatura normal de fundición para mejorar la fluidez, sección 10.3.2), mantenimiento (que lo hace adecuado para aplicaciones de fundición por inyección en matriz), y duplexado (uso de dos hornos para, por ejemplo fundir el metal en un horno y transferirlo al otro). c. Los homos de crisol (fig. 11 .33a), que se hm1 utilizado ampliamente en el pasado, se calientan utilizando diversos combustibles, como gases comerciales, petróleo combustible y combustible fósil, así como
294
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Capítulo 11 /Procesos de fundición de met,1ks
1
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·-· Sopo11c mferior
Dos tipos de hornos de fusión utilizados en fundiciones: (a) Crisol y (b) Cubilote.
la electricidad. Pueden ser estacionarios, inclinables o móviles. Muchos metales ferrosos y no ferrosos
se funden en estos hornos. ¡!,
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Los c11bilotes son, en esencia, recipientes de acero verticaics recubiertos de refractario cargados Cün capas alternadas de metal, coque y fundente (fig. 1l .33b). A pesar de que requieren de inversiones de im. portancia y de que están siendo reemplazados por los hornos de inducción, los cubilotes operan de maivcra ~ continua, tienen elevadas velocidades de fusión y producen grandes cantidades de metal fundido. ffZ
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"· F11sión por levitación. Este proceso involucra Ja sus:oensión magnética del metal fundido. Unu bobina ti'.' de inducción calienta de manera simultánea una palanquilla sólida y agita y confina Jo fundido, elirni· nando la necesidad de l111 crisol que podrfo resuHar una fuente de coIHaminación con inclusiones de óxidos. El metal fundido fluye bacir1 abBjo on un molde de fundición por revestimiento (sección l i .7) que se coloca directamente por debajo de la bobina. Los experimentos indican que las fundiciones hechas utilizando este método, están libres de inclusiones debido a Jos refractario;, y de porosidad por gris, y liencn una c:;tructura de grano fino uniforme. selección del liionrw requiere tomar en consideración varios factores que pueden infüiir de mancrJ c,ignillcaliv;i la caiidad de las fundiciones. así como la economía de las operaciones de fundición. L1 ,.clecci6n de un horno en genera! depende de los siguientes factores: Consideraciones económicas, como costo inicial y coslo-1 de operación y mantenimiemo. La composición y el pumo de fusión de b aleación a fundir, así como !a faciiidacl para controlar ,,us caracterfsticas químicas. ..:. El control de la atrnósfora del horno para evitar contaminaciórl del mela l. d. La capacidad y .la rapidez de fusión requeridas. e. Consideraciones de tipo ecológico como contaminación del aire y ruido.
f, Suministro de energía y su disponibilidad así como el costo de combústibles. g, Facilidad de sobrecalentamiento del metal.
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Sección .1 ! .19 /Fundidoras y automatización de las fundidoras
295
cha mano de obra manual, las fundidoras modernas tienen instalaciones automatizadas y computaiizadas para todos los aspectos de sus operaciones. Producen una amplia variedad y tamaños de piezas fundidas a elevadas velocidades de producción, bajo costo y con buen control de calidad. Como se dijo en la fig. 11.5 las operaciones de las funciicioras inicialmente involucran dos grupos distintos de actividades. El primer grupo es la fabricación de modelos y moldes. Actualmente se están utilizando el diseño y la manufactura asistidos por computadora, así como técnicas de prototipado rápido para minimizm el proceso de prneba y error y rnejorm la eficiencia en estas etapas. Se utiliza una diversidad de maquinaria automatizada para minimizar los costos de mano de obra, mismos que pueden ser significativos en la producción ele piezas fundidas. El segundo grupo de actividades es la fusión de los metales, el controi de su composición y de sus impurezas, y su vaciado en los moldes. El resto de las operaciones (como el vaciar en moldes sobre bandas transportadoras, el sacudido y extracción de piezas, la limpieza, el tratamiento térmico y la inspección) también están automatizados. La automatización minimiza la mano de obra, reduce la posibilidad de error humano, incrementa la velocidad de producción y alcanza niveles de calidad mayores. En las operaciones de las fundidoras como la limpieza, el corte de espejos, la ventilación de los moldes. el rociado de moldes, el vaciado, la clasificación, inspección y Jos sistemas automáticas de almacenamiento y recuperación de corazones y de modelos en vehículos automáticamente guiados (sección 38.6), se están utilizando ampliamente robots industriales (sección 38.7). El nivel de automatización en las fundidoras es una consideración económica de importancia, particn·larmente en vista del hecho de que muchas fundidoras son negocios pequeños. El grado de antomatización depende del tipo de producto fabricados. Una instalación de fundición por inyección en matriz o una fundidora fabricando piezas para la industria automou·iz pudiera hacer frente a campafias de producción del orden de cien·· tos de miles. por lo que es deseable un elevado nivel ele automatización. En este tipo de instalaciones puede ~ostearse Ja aulomalizaci6n. Por otra parte, nna fundidora maquiladora que produzca pequeñas campañas de producción quizás no esté tan automatizada. Lo que es más en general las fundidoras se han caracterizado como operaciones calientes, sucias de mano de obra intensiva, y puede resultm difícil encontrar personal calificado para trabajar en este tipo de entorno. En consecuencia ia autornatización se ha hecho cada vez más necesaria para compensar por la reducción en la capacidad de los trab¡ijadores.
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'""'"''m'"" ern ~as fund~doras~ Como en todas las den1ás operac~ones de manufactura, la segurjdad en las fundidoras es una consiclernción importante (véase también la sección 37.3). La seguridad es de particuiar importancia en estas operaciones en razón de los fo_ctores sigu]entcs: a. El polvo de Ja arena y otros compuestos utilizados en el colado. Es necesario por lo anterior tener una ventilación adecuada de ventilación y equipo de seguridad para el personal. h. Los humos de los metales fundidos, así como las salpicaduras del metal fundido durante las transferencias y el vaciado en los moldes. e, La presencia ele combustibles para los hornos, el control de su presión y la operación c01Tecta de válvulas, etcétera. d, La presencia de agua y de humedad en crisoles, moldes y otros sitios de la planta, ya que rápidamente se transforma en vapor creando nn severo peligro ele explosión.
h. Tipo de material de carga que es posible utilizar.
e. El manejo inadecuado de fundentes. que son higroscópicos y son un peligro al absorber lwmedad.
11. 19 FUNDIDORAS Y AUTOMATIZACIÓN DE LAS
f. Inspección de crisoles, herramientas y otro equipo en busca ele desgaste, grietas, etcétera.
FUNDIDORAS
Las operaciones de fundición descritas en este capítulo, por lo general se llevan a cabo enfúndidoras (del latínfundere, que significa "fundir y vaciar"). Aunque estas operaciones tradicionalmente han involucradn mu-
g. Inspección de equipo, como los pirómetros en función de su precisión y calibración adecuadas. h. La necesidad de un adecuado equipo de seguridad personal como guantes, delai1tales, petos y batas, protectores faciales y zapatos.
296
C1pfrulo 1'J /
Pwcesos de fundición de n1ct,1lcs Preguntas de repaso
297
" Cada vez se utiliza más en la industria automotriz la fundición de modelo consumible y por revestimiento. .. El formado de metal semisólido es una tecnología emergente con aplicaciones para piezas de aleación de aiuminio para usos militares, aerospaciales y automotrices. También se están desarrollando otros metales mediante esta tecnología.
" Los procesos de fundición comúnmente se clasifican como fundición en molde deseclrnble o en molde permanente. Los procesos en molde desechable más comunes son la fundición en arena, el molde en c{is. cara, el molde de yeso, eJ molde cerámico y la fündición por revestimiento. Los procesos ele molde per. manenle comunes incluyen la fundición en cáscara o hueca, la fundición por inyección en matriz, Ja fundición a presión y la fundición centrífuga. La fundición en molde desechable por Jo general involu. era costos inferiores en moldes y en equipo, pero produce una menor precisión dimensional. 0
Los moldes que se utilizan en la fundición en molde permanente son hechos de metai o de grafi10, y se· utilizan de manera repetida para producir un gran número de piezas. Dado que los metales son buenos conductores del calor pero no permiten la sal.ida de Jos gases, los moldes permanentes tienen efectos fon. damentalmente diferentes sobre la pieza fundida en comparación con los moldes de arena o de otros materiales en forma de agregados.
"" En !a fundición de molde permanente, los costos de los dados y matrices y del equipo son re!ativ,1mcnte elevados, pero los procesos son económicos para grandes corridas de producción. La pérdida por desperdicio es bftja y la precü,ión dimensional es relativamente alta, con buenos detalles supcrCícinles. "' Otros procesos ele fundición incluyen el dado impresor (combinación de fundición y forja), el form11do de mela! semioóliclo, la solidificación rápida para la producción c!e aleaciones :imorfas (vidrios metálico:;¡, y la timdición de componentes monocrista1ino.s como son los álabes de turbina para los motores a rcacci(Jn. Los procesos de h1sión también son importantes en las operaciones de fundición. Incluyen la fo:;1ó11 adecuada de los metales, !a preparación parn la aleación, la eliminación de la escoria e yd vaciado de! meta! fundido en los moldes. También es importante la inspección de las piezas fundidas en busca de defectos internos y externos. Las fundiciones pueden ser someíidas de manera subsecuente a procesos adicionales, como es el tratamiento térmico y varias operaciones de maqL;eadas y las características supcrficiale~; finales.
" Un aspecto importante de la fundición de los metales es el impacto ecológico de las operaciones de las fundidoras.
<: Agente separador Aglutinantes Aleaciones maestras /;\rena. para moldeo en verde Corazones Crecimiento de cristales Formado de metal scm[sólido
Fundentes Fundición a !a cera perdida Fundición a troquel Fundición al vacio 'Fundición centrífuga Fundición de precisión
Fundición en Fundición en Fundición en Fundición en
arena cáscara o hueca modelo consumible molde cerámico
Fundición en mo!de de yeso Fundición en molde permanente fundición por dado impresor Fundición por inyecc.;ión en matriz Fundición por levitación Fundición por moldeo o concha Fundidora Insertos Moldeo con insertos
" Un área imporlanie de desairnllo e implementación continua es ía automatización de los procesos de fa. bricación de moldes y fundición, a fin de reducir costos y mediante el uso de controles por comput;1doréi, sensores y robots industriales.
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BIBLIOGRAFÍA A!lsop, D.F, y D. Kcnncdy, Pressure die casting·- par//!: 1'lze rechno!ogy r~fthe casting mu! the die. Pergamon, 1983. An introduction ro die casting. American Die Casting fns1itu
:le es!fü1 implementando a gran velocidad cí diseifo y la m
Molden de grafito por compresión Moldes compuestos Moldes
te, 198 i. ASM handbook, YoL 15; Casling. ASM lntcrnational, J 988. Brndley, E. F.. High-performance castings: a technicaL guide. Edison Weiding .lnstitute, !989. Clegg, A. J., Precisinn casting processes. Pergamon. 199 L Kaye,A., y A. C. Street, Die casting metal!urgy, Butterworths,
Product designfor die r:asúng. Diecasting Dcvelopmcnt Coun· ciL l 988. Steel castings handbook (5". Ed.). Slecl Founders'Soci~~ty America, 1995. Street, A. C.,; The diccasting book (Y Ed.). Portcullis Prccs. 1986. The mewllurgy of die casting s. Socicty of Ole Casting Enginecrs, 1986. Young, K. P., Serni-solid processing. Chapman & Gal!, l 907.
1982
" Está en curso las investigaciones sobre la inspección automatizada de las piezas fundidas utilizando. por ejemplo, la visión de máquina y las fibras ópticas para inspeccionar las superficies internas de las fundiciones qt1e no pueden ser revisadas directamente. " Están en progreso mejorías en técnicas de fusión y de refusión, así como la refinactón del metal fundido antes de su vaciado, incluyendo el uso de materiales exoténnicos para impedir el estrangulamiento en los canales de alimentación.
• ,,.,,,,,.,,,.,,,.<"t'i"
La fundición por revestimiento sigue siendo una tecnología eficiente para darle forma a los metales, fabricándose piezas estructurales más grandes y más complejas, pmiiculam1ente para aplicaciones aerospaciales de alta temperatura.
M·,,·,1·::dt4nc,\f),«Pi'f·:V.;;,'<'"
,;»;.>.~'J,"'"'~''''"""''""'-''""~"''I""''"""'"=~·,·-~-~-=·""~~=··"·
11.1 Describa las diferencias entre los moldes desechables y permanentes. 11.2 Nombre los factores para Ja selección de ]a arena para moldes. 11.3 ¿Cuáles son los tipos pr[ncipales de moldes de arena? ¿Cuáles wn sus características? 11.4 Liste consideraciones de importancia en la selección de m.ateriales para modelos. 11.5 ¿Cuál es la función de un corazón? ¿Qué son las plantillas de corazón'!
-298
Capitulo 11 /Procesos de fundición ele metales
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H.li Nombre y describa las características de los lipos de máquinas de moldeo de arena. 1
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l l.9 Dcscnba las carncterís!lcas de la l1mclrc1ón en molde de yeso
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l l.l O , Por que es el proceso de fundición a b cc1 a perdida capaz de pt oducir un fino detalle superficial en las piez
29' · ·
Jl.35 Usted ha conslatado que a pr~sar de que la fundición por inyección en dado produce piezas delgadas, existe un límite respecto al espesor. ¿Por qué no se pueden hacer mediante este proceso piezas aún más delgadas? 11.36 Describa la fondón de una mazarota ciega. ¿,Cuál es su importancia? Explique. 11.37 Describa las características de los materiales para soportes de corazones. ¿Deberán fundirse al vaciarse el metal runúido y solidificarse en el molde? Explique .
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1J.38 Explique el uso ele las 111azarotas. ¿Por qué las mal',arolas ciegas pueden ser más pequeñas que las mazarolas abiertas en la parte superior?
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1 <.B Liste las ventajas y limitaciones de la fündíción por inyección en matriz. U.14 ¡_Qué son los agentes separadores?
1:·
ll.U ¿Cuál es la diferencia entre una fundición centrífuga verdadera y el semicentrilügado? H. l8 Dé ejemplos de razones para el uso ele los insertos parn dado. :U.19 ¿Cuár es la función de un corazón?
. . Problemas cuant1tat1vos
1
.t l.U Nombre el tJpo de matenales que se ut1iwm para los procesos ele rn11d1rní11 en molde permanente. l l .12 ¿Cuáles son las ventajas de la fundición a presión?
l 1.15 Describa los métodos usados para la producción de piezas monocrista!inas o constítuíelas por un solo cristal. !l.J(i ¿Cuüi es la finalidad ele una mazarota'' ¡,De un respiradero o viento?
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1.
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11.39 ¿Cómo se hacen las piezas huecas con varias cavidades mediante la fun
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11.41 El volumen ele! molde en !a fundición en arena representa uua cierta proporción del volumen total de arena. Expiiquc los factores involucrados al scleccion;:i.r la proporción de volumen del molde al total de arena.
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11.42 ¿Cómo se colocan las mazarola.s y el bebedero en Jos moldes de arena? Explique con esquemas apropiados.
t;¡:
H.43 La s~:cción ! 0.3.5 descrihió de manera breve !os tres factores involucrados en ia contracción durante la fundición. Utilizando dato.s numéricos obtenidos de la literatura técnica. muestre cuál es la contracción relativa debido a estos factores.
·~· ,~
11.44 En la fundición en molde en cüscara. el proceso de curado es crítico para la calidad del molde terminado. En esla parte dct txoceso, ~1 ensamble dc1 molde en cáscara y los corazones se colocan en un horno durante un breve periodo de tiempo para terminar el curado del aglutinante de resina. Liste las l:ausas probables de coral'.ones curados de rn.anera no uniforme o de espesores no uniformes de lo~ corazones. Expliq¡¡c por qué una pic;:a fundida puede íencr una forma iigernmcntc distinta a la del modelo utilizado p1:ra 1ahri· car el molde. 1!1.2J! ¿Cuáles son las rawncs por las cuales en el transrnrso del tiempo se ha desarrollado una grnn diversidad de pn>ccor.•,, de fundición? Explique dando ejemplos específicos.
Describa las ven lajas y limitaciones de íos procesos de funciici6n por inyección de cámara caliente y de dmara fría.
respcctiv~mente.
l L45 Además de ser una forma ex.celen le para producir piezas cilíndricas huecas, la fundición centrífuga representa unn forma de centrifugar contaminantes ligeros. no rnetúlicos (escori<:1) al diámetro interJor de la pieza. En ese sitio los contanünantcs pueden ser 111aguinados fácilment~ elin1inándo!os después de la fundición, en vez ele es lar dispersos en lod;i la pieza, (a) Explique cómo ocurre lo anterior; (b) Listt::: difercnlcs variables en el proceso que gobiernan la cCecliviclad de este proceso de separación; y (e) Exp!ique por qué. ili el metal se vacía a una t.cmpcrntnra demasiado bDj.a, el efecto de separación pudiera no ocurrir. 1L46 ¿Por qué tiene Ja múqJJina de inyección en matri,~ que se muestra en Ja fig. ! l .24a una prensa Lk ¿:;ujeción lan grande?
Expíiqlle ¡V>r qué !os procesos de fündición en arena, molde de cáscm·a. yeso y a la cera perdida pueden produci1· picza11 con una mayor complejidad de forma que las fondicioncs en molde perm,111ente, con ma:1 ices y úados y ceil!rffugo.
11.47 E! chocolale estü disponible en rormas huecas. ¿,Qué proceso se utiliza p;;1rn huccr estos dulces? lo~,
¡,A qué se debe que la fu1Jclición por inyección en matriz es !a que puede producir !as piezas müs pequcfias'I
H.48 ¿CuáJc.s son !os beneficios y ciar el metal fundido?
¡,Qué diforcncü1s esperaría, si es que se deben cspcrnr en las prnpiedade.s de piezas fundidas licchas en molde pcrma· ncnte en contraste con las de arena?
11.49· En la funJición scmiccntrífugn. cornlmmente se hacen girar los metales como el aluminio en una plano horizontal, en
J i!.26 ¿Por qué razón recomendaría usted prccaicntnr los moldes que se usan rn la fimclición en molde pcrmam nlc'' ;,Ex·
n .so Las dendritas, que derivan su nombre de ia palabra griega COJTespondiente a árbol, pueden tener bra%OS sccunJ;J.rios,
1
inconvenientes de calentar el molde en la fundición por revestimiento, antes de v,
tanto que el platino usualmente es girado en un plano vertical. ¿Por lracría usted la pieza justo después de su
s0Jidific~1ci
l L27 Describa las ven18:jas de los moldes compuestos. ¿Dónáe los usarÍé.l usted? l L28 Haciendo referencia a fa fig, 11.4. ¿piensa usted que sería necesario poner pesos a ambas mitades del molde o sujelar!as con una prensa'' Explique sus razones. ¡)'iensa usted que liene importancia el tipo de metal l'undiclo, como por ejemplo hierro fundido gris a di ferencja con el aluminio, sobre la fuerza de apriete? Explique.
qu~?
que se conoc~n como ramas. ¿Por qué en Ja fundición por rcvestimlenlo los úrboles no Lienen ramas que se extienden desde la mazarota central con partes localizadas en el extremo de las ramas?
ll.51 El estado ''lodoso" de las aleaciones se refiere a aquél estado entre las temperaturas ele sofü.ius y liqui
¡ I.29 Dé un procedimiento paso a paso para los procesos siguientes; (a) fundición a la cera perdida, (b) fundición por in· yección y (e) fundición por poliestircno expandido. U.30 Explique por qué la fundición por dado impresor produce piezas con mejores propiedades mecánicas, precisión
1 l.32 ¿Qué haría usted a fin.de mejorar el acabado superficial en los procesos de fundición con molde consumible?
PROBLEMAS CUANTITATIVOS 11.52 Estime la fuerza de cierre para una máquina de jnyecci6n en matriz donde la fundición es rectangular con dimensiones proyectadas de 125 mm por 175 mm (5 pulg por 7 pulg) ¿Dependerá su respuesta de si el proceso es ele cámara caliente o de cámara fría? Explique.
U.33 ¿Cómo fijaría usted los modelos individuales de cera en un "árbol" en la fundición por revestimiento''
11.53 La pieza en hruto para el carrete que se muestra en la figura a continuación debe fundir.se en arena de una aleación de
l 1.34 Describa las medidas que tomaría a fin de reducir el conimiento del corazón en la fundición en arena.
aluminio para fundición A-319. Haga un dibujo del modelo de madera para esta pieza. e incluya todas las tolerancias necesarias para tomar en cuenta la contracción y el maquinado. ...:
3()()
Cap1'tulo 1·1 /Procesos de fundición de metales
Síntesis y diseño
1tl Y'~7hr !/
301
11.56 Estime ia fuerza de .sujeción requerida para la inyección en matriz de soldados de juguete hechos de plomo, reconociendo que la presiones del fluido están en el extremo bajo de la escala del proceso de cámara fría. Los soldados cicncn aproximadamente lOO mm de altura y 50 mm de ancho. ¿Cuántos soldados se pueden fundir en cada inyección de una m¡íquina de inyección en matriz con una capacidad de 1 MN? Calcule la tasa de producción de silicio monocristalino a partir de los dos métodos ilustrados en 1a fig. 11.3 L
11.58 Si es necesaria una aceleración de 100 gs veces la de la tierra para producir unu pieza en fundición ccntríl'uga y la picz.a tiene un diámetro interno de 1O pulg, un diámetro exterior promedio de 14 pulg y una longitud de 25 pies,, ¿qué velocidad de rotación se necesita?
'~~."~Ji
11.59 Un joyero desea producir veinte anillos de oro en una operación de fundición a la cera perdida. Las piezas de cera se sujetan a un bebedero cen!ral
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l l .54 Repita el problema 11.53. pero suponiendo que se va a fundir el carrete ele aluminio por fundición de modelo mible. Explique las diferencias importantes entre ambos modelos.
11.55 En la fondición en arena, es importante que la mitad del molde superior esté sujeto con la de abajo. con la fuerza su. ficiente para impedir que se obra cuando el metal fundido sea vaciado. Para la pieza que se muestra en la figura a con. tinuación, calcule la cantidad mínima de peso necesario para impedir que el molde superior se abra al Vaciar el metal fundido. (Sugerencia: !a foerza de flotación ejercida por el metal lundido sobre el molde clepcncle de la al!tl.t:t efccti· va de la pane c!c meta] por encima del molde superíor.)
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11.60 Haga una lista de los materiales para e! molde y mmrices utilizados en los procesos de fundición descritos en esle capftu!o. Ba.io cada Lipo de material, liste !os procesos de fundición empleados, y explique por qué estos procesos son adecuados p::!ra dicho material particular de molde o matriz. H.61 La forma óptima de una mazarota es esférica para asegurarse que se enfría más lentamente que 1a fundición al cual alimenla. Las mazarotas ele forma esfé1ica, sin embargo, son difíciles de colar. (;J) Dibuje la forma de una mazarota ciega fücii de moldear, pero que tenga también la relación más pequeña posible de área superfkial a volumen. (b) Compare el Liempo de solidi(icación
en la sección HL3.4).
11.62 Este capúulo hizo una breve descripción de las características de los hornos de fusión para la fundición. Haga una investigación cic !a literatura técnica y prepare una tabk1. detallando las apiicaciones. ventajas y !imitaciones de esh):; hornos. Incluya sus comentarios sobre las tendencias respecto al diseño y los desarrollos de los hornos. 1] .63 Esboce una línea de fundición aulornatizada (utilizando bandas transportadoras, sensores, maquinaria, robots, etc.)
_L_________JJ
ql:".:
pueda 11evar a cabo de manera automática el proceso de fundición de modelo desechable. 11.64 Describa una prueba que pueda ser llevada a cabo para medir la permeabilidad de la arena para la fundición en arcr.r.,
Sección A-;\ ,~~
SÍNTESIS y DISEÑO
__ . , i.oo ¡--
-----------·--·-¡---__ -
11.65 Si necesita solamente cinco unidades de una fundición, ¿qué procesos utilizaría'? ¿Por qué?
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11..66 ¿Cuál de los procesos ele fundición sería el más adecuado para la fabricación de pequeños juguetes? ¿Por qué? 11.67 Describa Jos procedimientos necesario;.; para la fabricación ele una estatua de bronce. ¿Qué procesos de fundición rían ad(.;cuados? ¿Por qué?
Tltrf[¡
11.68 Escriba un breve informe sobre la permeabilidad de los moldes y las técnicas que se utilizan para determinar la permeabilidad. 11.69 En Ja fig. 1 l .13 s~ ilustra un método común para producir moldes en cáscara. Haga una investigación de la literatura de la fundición e ilustre otros métodos para hacer estos moldes. 11.70 Los metales ligeros por lo común se cuelan en moldes de hule vulcanizado. Lleve a cabo una búsqueda en la literatura sobre la mecánica
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Mmcrial: acero bajo carbono Densidod: 0.26 lb/puJgJ Todas la!> djrncnsiones en pulgadas.
ll.71 La fundición en arena que se muestra en la fig. l J .11, requiere solamente unas cuantas operaciones de terminado, es decir. la eliminación de mazarota<> y canales de alimentación de la pieza final. Suponga que la pieza debe ser magujnada para cumplir con requerimientos especiales de acabado superficial en las bridas. ¿De qué manera modificaría usted el diseño de la pieza para colocarla en un dispositivo en la máquina-herramienta adecuada sin modificar el proceso de fundición en nin,guna otra manera'?
11.72 Algunas veces, es deseable enfriar los metales más lentamente de cómo se enfriarían si se conservaran los moldes a la temperatura ambiente. Liste y explique métodos para alargar el proceso de enfriamiento. 11.73 Haga un dibujo a escala de un farol de la calle y el molde requerido para fundir de manera centrífuga esta pieza. Compárela con la de la fig. 11.27. 11.74 Prepare un dibujo detallado de una hacha. Sugiera formas para colar esta pieza, y después prepare dibujos detallados de las herramienta o modelos necesarios para su producción,
--Sección -12.2 / Consid~raciones ele diseño
303
(b)
(a)
Pobre
FIGURA 12.1
Modificaciones
sugeridas a! diseí'ío para evilar
.
1
n. s' 12A
ateriales . 1 es
Bueno
les®
12.2.1 Diseño para la fundición en molde desechable Las guías ele acción que se dan a continuación son aplicables a todos los tipos de fundiciones en generai. Las consideraciones ele diseño de mayor significado quedan idenlificaclas y resueltas.
as
ángu~os y espesor de la sección. Deben evitau:e las esquinas agudas, los ángulos y los bi·· seles (fig. l 2. 1), porque actúan como elevadores de esfuerzos y pueden causar el agrietamiento y grietas del metal (y de las matrices) durante la solidificación. Los radios de los biseles debe seleccionarse p;1ra reducir concentraciones de esfuerzos y para asegurar un flujo adecuado de metal líquido durante ci proceso de vaciado. Los radios de los biseles usuahnente se hacen en un rango ele 3 mrn a 25 rnm ( l /8 a J pulg), mmque pudiera permitirse un radio menor en piezas pequeñas y en aplicaciones limitacias. Por otra parte, si los radios de los biseles es demasiado grande, el volumen del material en esas regiones también será grande y en consecuencia, la tusa de enl1:ian1iento será menor. Los cambios de sección en las piezas fundidas deberán ser suaves y progresivamente pasar de uno a otro. La localización del circulo mayor que se pueda inscribir en una región en particular es crítica por Jo que se refiere a la generación de cavidades por contracción (figs. l 2.2a y bJ. Dado que la velocidad lk
L Esquinas,
ck~ diseilo Aleaciones para las fundiciones )c.ir/(.q·:,.r:n..",.".
clefoclos en las fundiciones. Nótese que se evitan esquinas agudas a fin de reducir concentra.clones de esfuerzos.
económicas de la fundición
12, En Jos dos capí!:ulos anteriores, se hizo notar que las buenas y exitosas pnkcicas de fundi.ciún requieren de un conlml cuidadoso de uu grall número de variable;.. Estas variables cornospondcn a bs caraclcrísticas particulares de los rr1c1;1Jes y aleaciones (jl!C se están fundiendo . el mt'todo de iundic'ón, los ill:tkr'iiiles del molde y de las nw.trices y cladcs, e! diseíio del molde y olros par.ímel.ms del jlmccso. El i'lujo del mclal fundido en las cavidades de los moides, los í.istcnuts de L vdocidad de enfriamiento y los gases generados todo dio infltH.:ye en la calidad de nna fündición. Este carítuJo describe las consideraciones generales de diseño así como las guías de acción pa· rala fundición de metaies y presenta sugerencias para evilar los clefcclos. Tambi,;n describe ias carac· tedsticas ele las aleaciones gt
enfriamiento en 1as reg]ones con círculos grandes es menor, se conocen como puntos caHeuites. Estas f(>· giones podrían desarrollar cavidmles de rn11trncció1J y pornsidml ( figs. l 2.2c y el). Las cavidades en los puntos cnlíentes pueden eliminarse con pcqueí1os corazones. Atmque produzcan orificios por el coraz(Jn en la fundición, (fig. 12.2c), cslos oriflciof; no afectan su resistencia de 1nanera importante. Otros ejemplos de principios de diseño pueden usarse para evitar las cavidades de contracciü1·1 corno se mueslra en la fig. 12.3. Aunque ellos incrementan el costo de la producción, los bloques de metal (enfriadores) en el molde pueden eliminar o reducir los puntos calientes. Estos bloques actúan corno enfriadores externos, como los que se muestran para la fundición de una pieza cilíndrica hueca parn FIGURA 12,2 E1emplos de diseños que muestran la importancia ele mantener secciones transversales uníformes en las piezJs fundidas a fin de evilar punlos calientes y cavidades por conlracción.
(a)
Como en tocias las operaciones ele manufactura, a través de muchos años se han desarrollado cierras guías y principios de diseho. Estos principios fueron establecidos piincipalmente debido a la expe· riencia práctica, pero ahora se están poniendo en cada vez un mayor uso nuevos métodos analíticos, modelado ele procesos y técnicas ele diseño y manufactura asistidas por computadora, mejorando la productividad y la calidad de las piezas fonclidas y dando como resultado ahorros significativos en el costo.
(el)
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(e) Cora?ón
12.2 CONSIDERACIONES DE DISEÑO
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Capítulo 12 /Fundición de rne1aies: diseño, mater·iales v consideraciones económicils (a)
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Sección 12.2 ! Consideraciones de diser1o
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L~íneade partición i'.~e_gular
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f!ClJRA 12.J Ejemplos de modificaciones al diseño para evitar cavidades por contracción
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FIGURA 12.4 Us() de bloques ele metal (enfriadores) pdra increrneníar b velocidéld de
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enfriarniento en regiones gruesas de una fundición a fin de evitar cavidades por contracción. Fuente: Steef castings handlx!Ok, 5a Ed.
1
Sleels Founders' Society of
!?
AnH:-:rica. Usado con permiso.
°'"'~ ~ l1lJI"=rrrF";]t11 "'''"''
Diseño mejorado
,1
11
FIGURA 'l 2.5 Rediseño de una fundición haciendo la línea de partición recta para
evitar defectos. Fuente: Steel casting handbook, Sa Ed. Steel Founders' Socrety of America, 1980. Usado con permiso.
Las dimensiones del modelo también deben prever la contracción durante la solidificación y el enfriamiento. Las holguras por contracción, también conocidas como tolerancias de contracción del fabricante del modelo, usualmente están en el rango de alrededor de 10 mrn/m a 20 rnm/m (1/8 pulg/pk a 1/4 pulg/pie). La tabla 12. 1 contiene las tolerancias normales por contracción de los metales comúnmente fundidos en arena.
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1'------~, Cavidad<:
en ias piezas fundidas. Fuente: Stee/ castings handbook. 5a Ed. Steel Founders' Sociely of America. Usado con permiso.
Bueno
1
¡
4. Línea de partición. La línea de pmtición es aquella línea o plano que separa las mitades superior e inferior de los moldes (figs. l J .4 y 12.5 ). En general es deseable que la línea de partición quede a lo largo de un plrrno único, en lugar de seguir un contorno. Siempre que sea posible, la líne
~§
La localización ele la línea de partición es importante, ya que irlfluencia el diseño clei molde, la f;J .. cil.iclad del moldeado, el número y Ja forma ele los corazones, el método de soporle, y ei sistema de ce
evitar las cos!illas internas, wr fig_ 12.4_ Es .importante mamener lo rrnís que sea pnsibie la urufon'1idad sccóonal y el espesar de las paredes en ioda la fundición para evitar las cavidades de conlracci6n.
5. Angulo de saiidla. Como se puede observar en la fig. 11.7, se incluye un ángulo de salida pequeño en los modelos para moldes de arena para permitir la extracción ele! modelo sin dañar al molde. Los ángu-
Ancas planas. Deben evitarse las áreas planas grandes (superficies simples), ya que se pueden torcer durante eJ enfriamiento debido a gradientes de temperatura o formarse Llll mal acabado superficial (por un flujo no uniforme del meta) durante el vaciado). Las supert1cies planas se pueden dividir usando cos!Íllas de refuerzo o serraciones_
(a)
3. Contracción. A fin ele evitar el agrietamiento ele la pieza fundida, deberán c:
TASI.A 12.1
Tolerancia normal por contracción para algunos metales fundidos en moldes de arena
Metal Hie1To colado gris Hierro colado blanco Hien-o colado maleable Aleaciones de aluminio Aleaciones de magnesio Latón amarillo
Bronce al fósforo Bronce al aluminio Acero al alto manganeso
305
~
DO
(b)
0.83-1.3
2.1
Sin corazones
Corazones exteriores
__ -_. :·
0.78-1.0
1.3 1.3 1.3-1.6 1.0-l.6
2.l 2.6
1\\
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(e)
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Pobre
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FIGURA 12.6 Ejemplos de modificaciones de diseño de fundición. Fuente: Steel Casting Handbook, 5a Ed. Steel Founders' Society of America, 1980. Usado con permiso.
3íl6
Capítulo ·12 /Fundición de metales:
cli~,elio, niateriaJes y consideraciones C'G.mórn1cas 307
Sección ·12.3 /Aleaciones para las 1undiciones
(a)
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en tocia la pieza. Fuente: f1i,..,..,,....,.:~.-·- ,,.
r'c:ic.·r·ino
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Nótese -·-bd riel espesor cp ronserva -·,nrrión.
(b)
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280
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FIGURA 12.7 Ejemplos rJe prácticas de dise11o deseables y no deseable~ p;:.1ra piez¿¡s
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7_ Jf-folgtira de lfüHFlim1'10. Dado que ia mayor pa'1c de las Ji.mdiciones en molde consrnnibie requieren de algunas operaciones adi.,:ionaleo: de acabado. como por ejemplo el maquinado, deberán preverse holguras en e! disefio de Ja fundición pani estas operaciones. Las holguras de maquinado, qu<: se inciuyc:n en b: dimensiones del modelo, dependen del tipo de fundición y ;lUmcntan con cJ tamafio y el u;pesor de ia sección de !as fundiciones. Por io generai van desde aproximadamente 2 mm a 5 mm((). i pulg d 0.:2 puJg) para 1unCHCHJllcs, pcquei'ía;, h.as!a más de 25 mm ( l puJg) para fundiciones grandes.
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'folcrnudas dimensirn:ialcs. La tolerancias dimensionales dependen cleJ proceso de fundición en pmticular, del tamaño de la fundición y del tipo de modelo usado. Las tolerancias son las más cerradas dentro de una región del molde, pero dado que son acunmJativa.s, aumentan entre cid moidr:. Las lolerancias deben ser tan amplias como sea posible, dentro de los límite.1 de un buen desempefio de i
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11
2.2.2
para la
en molde permanente
(h)
Ln., principios de diseño para la fundición en molde permanente son por lo gcncrnl simiiarcs a los correspon-
i
~¿
dientes a la fundición en molde consLm1ibJc. En la ilg. 12.7 se presentan esquem;ílicamente guías típicas de discfio y ejemplos para la fundición por inyección en molde permanente. Nótese que se han reducido !as secciones transversales a fin de disminuir el ticn1po de solidificación y el ahono material. En la fundición por inyección en matrices se involucran consideraciones especiales para su diseño Y herramenlal. Aunque se pueden modificar los diseños para eliminar el üngulo de salida para una mejor precisión dimensional, por lo general es necesario un ángulo de salida de 1/2º o incluso de l /4°. De lo contrario puede prcsentm·se un agatTe entre la pieza y la matriz y causar distorsión.
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123 ALEACIONES PARA LAS FUNDICIONES En los capítulos 5 y 6 se describieron las propiedades generaJes y las aplicaciones de los metales y aleaciones ferrosas y no fe1TOsas respectivamente. Esta sección describe las propiedades y aplicaciones de los metales y aleaciones para fundición; en la fig. 12.8 y en las tablas 12.2 a 12.5 se resumen sus propiedades Y características de fundición y ele manufactura.
lJ.l\%Xc1<~~l<-!&."1;"c\,~'l!/-:Í:J:;,.',J<~'i!<¡;¡.,"'ffM~l>iM"l1'11<'<'41M&."'1m~~'='~'~.,---------
FIGURA 12.8 Propiedades mecánicas para varios grupos de aleaciones para fundición. Nótese que el hierru gris tiene muy poca ductilidad y tenacidad, en comparación con la mayor parte de las otras aleaciones para fundición, algunas de las cuales sufren de una considerable elongación y reducción de área a tensión. Nótese también que incluso dentro del mismo grupo, las propiedades de las aleaciones para fundición varían en un rango amplio, en particular para el caso de los
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~jr,;
308
t(i{
C1pilulo 12 /Fundición Je metales: dise11o, materiales y consiclei-acioncs 1,x:onómicas
IABILA
2.2
-------------------
Tipo de aieacir5n
Aplicación
Capacidad
carcazos ele embrague, múltiples ele admisión
Cobre
Hierro dúctil Hierro gris
Capacidad
de soldado* ele-maquinado* f· - - - · - - -G-E ----
,:;:::~::::~;;~:;;~:;® '~"
;
;
G-!~
1
E
D
Dureza (HB)
20
i52
572
66 a97
156
25 30 35
179
669
79 a 102
174
214
752
90 a 113
210
252
855 965
!Oüa 119 110 a 138
212
'.293 362 431
1130
130 a 157
262
1293
141a162
302
Álabes de turbina de gas, componentes para bombas y válvulas para pbntas químicas
Propiedades y aplicaciones típicas de aleaciones para fundición no ferrosas
TABLA 12.5
F
F F
Resistencia ten sil
F
!\cero (al carbono y Bloques para LrnqucJ, engranes de servicio pe.sacio, miembros del tren de uterrin\jc de aeronaves. ruedas de ferroccirri ¡
60
235
G
Níquel
máxima
E
F
Estado
Aleaciones (UNS)
(MPa)
Resistencia ala cedencia (MPa)
Elongación en 50 mm (%)
1.,;omponemc.~
¡:,·
E
de
Recubrimiento de molinos, loberns de grana!J,1, za¡x11a;:; para ferrocarril, tri111radorns y
F
G
VP
Vi>
Zinc
típicas
195 (A,0195())
Tr;:it¿¡cJas térmicamente 220-280
110-220
8.5-2
Fundidas en arena
319 (A03190)
Tratadas térmicamenle 185-250
125-180
2-LS
fundidJs en arena.
356 (AOJ.560)
Tratad,1s térmicamente
260
185
Latón roio (Cl3 600)
Recocido
235
ns
25
Latón ,1marillo (CB6400J
R(·;coclc!o
27S
95
25
Herraje, ornamental
Recocido
4BO
19.J
30
Masas, aspas de héllcr.~
Recocido
26()
105
Y:i
Engran~s, cojinetes, vJlvu!a~
Recocido
275
JOS
JO
Fundidas en molde permanente
A!eacior1es de cofne
radiador
G, bueno;
Aplicaciorn~s
Aleo.cíones de rJ.iuminio
Hierro bl;1nco
t;xccknii~;
(GPa)
50
G
G
Carca.zns de lurbina de gas. de bombas y de válvulas, 1rlturadoras de roca
Módulo elástico
40
Cárter, c~1rc.:u:.as de transmisión
Acero (al1a ;1/e;:ci6n'1
Resistencia a la compresión (MPal
Clase ASTM
309
Propiedades mecánicas de los hierros colados grises
Resistencia tensil máxima (MPa)
,~~ 1 \i;:
-,
Hierro maleable
de b;_1jc1 aleación)
TABLA 12.4
ll!
de freno, ba.'les de m
~,
--., (0,
Capacidad
de colado''' E
Alummio - - - - - - - - -Pistones,
Sección ·12.3 /Aleaciones para las fundiciones
Í
Apiic:iciones típicas de fundiciones y sus características
1)
E
Bron(.e JI rnJ.nganeso
Acoplamientos de tubcc;ríJ, engranes
(C86100)
__,_,de los hierros c·oJados Re;.;istenci.::.i
tensil
R.csii'l!encia ~i la
HicrffJ coludo
-··-- ·-·-···-·--Cr is
f)erlítico
{110duJ,1r)
Ferrílico Perlítico
MJrtensita revenida
Maleoble
l3lc.n1co
((92500) fvtelJI para cafión (CgosoO)
El.ongación en 50 mm
Ferrftico
275 550 41.5
550 825 365
140
0,4
240 550
0,4
275 380 620 240
o 18
6
Piezas p;:uJ bomba, acoplamientos
l 1 lz1tJ al níquel ((97600}
Martensffico DLícii!
Bronce ,.11 est.:-irío piorno
-----·-Co111po11c1ntes para i.u!J<•r1ds y sistemJ.s -··-·-- ---·
sanit;:inos Motores, nh1quinas herrarnien1·as Superncies de desgaste
Recocido
275
175
230 275
150
T4
15
Piezas marinas, v::.11vuias
,c\le:aciones de magne~io AZ91A
AZ631\
95
Inyección en dados
12
Fundidas en arena y en
molde permanente
AZ9'1C
T6
275
130
AltJ resistencia
EZ33A
T5
160
11 o
Temperatura elevada
Piezas para máquinas de alta resisten-
HK31A
T6
210
105
cia, piezas resistentes al desgaste
QE22A
T6
275
205
Tuberías,. servicio genertd
Cigüeiia/es, piezas de Jito esfuerzo
TemperaturJ elevada
4
La más alta resistencia.
18
Per/ítico Martensita revenida
450 700
310 550
10
Per!ítico
275
275
o
Herrajes1 acoplamientos para tubos, servicio de ingeniería en general Equipo de ferrocarril, acoplamientos Equipo de ferrocarril, engranes, bielíls
12.3.1 Aleaciones para fundición no ferrosa Las aleaciones no ferrosas comúnmente coladas son las que siguen:
Piezas resistentes al desgaste, rodi!!os de molino
l. Aleaciones base aluminio, Las aleaciones base aluminio tienen una amplia gama de propiedades mecánicas. debido principalmente a los varios mecanismos de endurecimiento y de tratamiento térmico que
........-3~G
C1píiulo 12 /fundición de rne1ales: disc'tio, rna1erial(:'S y consrcleracioncs económicas
e~.
se les puede aplicar (sección 4,9), Su fluidez depende de los elementos de aleación y de los óxidos el metal. Estas aleaciones tienen una elevada conductividad eléctrica y en general una buena resisten." cia a Ja corrosión atmosférica, Sin embargo, su resistencia a algunos <Ícidos y a todos los áicalis es po._ bre y debe tenerse cuidado de evitar la corrosión galvánica. No son tóxicos. son .ligeros y tiene buena· maquinabilidad. En general, excepción hecha de las aleaciones con silicio, tienen sin embargo, baja re. sistencia al desgaste y a la abrasión. Las aleaciones base aluminio tienen muchas aplicaciones, incluyendo el uso arquitectónico y de. corativo. Los motores de algunos automóviles están fabricados de fundiciones de aleaciones de alun ¡. njo_metal Las piezas de ligero.fabricadas de aleaciones base aluminio y base magnesio, se conocen como fundiciones 1 Aleaciones base magnesio. La densidad más baja de todas las aleaciones para fundición comerciales son 1.as del gr1.1po base magnesio. Tienen una buena resistencia a la corrosión y una resistencia modera. da, dependiendo del tratamiento térmico particular utilizado. 3, Aleaciones base cobre. Aunque algo costosas, las aleaciones base cobre, tienen la ventaja de una bue. na conductividad eléctrica y térmica, resistencia a la corrosión y no son lóxieas, así como propiedades de desgaste adecuadas para ciadas por los elementos de materiales aleación. de apoyo. Las propiedades mednicas y Ja fluidez se ven influe • 11
Aleaciones base ziac. Un grupo cíe aleaciones de bajo punto de fosión, las aleaciones base zinc tienen buena fluiciez y suficiente resislencia parn aplicaciones estructurales. Estas aleaciones son de uso comtin \oll la fundición por inyección en matrices.
Afo:icfones de alia !emperaturn. Las aleaciones de all'a temperatura !ienen una amplia gama de propiedades y típicamente requiere de rernperaturns de hasta l 650ºC para fundiciones de titanio y superaleac1ones, y superiores para aleaciones refractarias. Se utilizan técnicas especiales como el crecimiento ele inonocristales (sección ! l. 15). para fundir estas aleaciones eo piezas para componen/e,¡ de mo!ores a reuccíón y de chorro. Algunas de estas aleaciones son nús adecuadas y económicas para su fundición que pani su formado mediante otros métodos de manufactura como !a forja.
para Lis aleaciones ferrosas comtinmenre fundidas son como sigue:
'COÍmfos, Los hierros u1iados rcpresen1an el volumen más grande de todos los metales funcii-drx:. y se puede frícilmente rundir en formas complejas. Comúnmente poseen varías propiedades dcseabks como resistencia al desgaste, dureza y buena maquinabilidad. El término hierro colado se refiere a una familia ele aleaciones. Tal y como fue descrito en la secci.cín 'i.6, se clasifican corno hierro colado gris (hierro gris), hierro dúcli/ (nodular o esíl-rnidaJ), hierro colado blanco, hierro maleable y hierro al gnilüo compactado. Las caractcríslicas de cada uno de estos hierrosdadas colados se presentan Sus propiedades generales y su;; aplicaciones típicas aparecen en las tablas 12.3a ycontinuación. 12.4. ~~.
Hierrn colado gris. Las fundiciones de hierro colado gris tienen relativamente pocas cavidades por contracción y poca porosidad. Se identifican varias formas de hierro colado gris como ferri· tico, perlítico y martensúico. En vista de las diferencias en sus estructuras, cada forma tiene propiedades diferentes. Los usos típicos del hierro colado gris se encuentran en los motores, las bases de máquinas, las carcazas de los motores eléctricos, las tuberías y las superficies de desgaste ele las máquinas. Los hierros colados gris se especifican mediante una designación ASTM de dos dígitos. La clase 20, por ejemplo, especifica que el material debe tener una resistencia a la ten· sióngris mínima de 20 ( 140 12.4. MPa). Las propiedades mecánicas para varias clases de hierro colado aparecen en ksi la tabla
b. Hierro dúctil (nodular). Típicamente utilizado para piezas de maquinaria, tubería y cigüefiaies, los hierros dúctiles se especifican mediante un juego de dos dígitos. Por ejemplo, la clase o grado
·i,t-S·1:1.'f~'f-Ki¡·J-:."~,>ú~;r;¡:::J' >">,·r,:~:,oc.~..,;., 1 :'.'f·Y<·';10""'.il»:».'~"~~,;;."~''w·i~''""''""'~""·:Nzrn&=-w"'~
""'---~-
Sección 12.4 /Consideraciones económicas de !a fundición
3'i 1
80-55-06 indica gue el material liene una resistencia a la tensión mínima de 80 ksi (550 MPa), una resistencia a la cedencia mínima ele 55 ksi (380 MPa) y un 6% de elongación en 2 pulg (50 mm).
c.
Hierro colado blanco. Debido a su extrema dureza y resistencia al desgaste, el hierro colado blanco se usa principalmente en partes de maquinaria para el proceso ele materiales abrasivos. rodillos para trenes de laminación y zapatas de frenos de carros de ferrocarriL
d.
Hierro maleable. El uso principal clel hierro maleable es en equipo para ferrocarril y en varios tipos de herrajes. Los hierros maleables se especifican mediante una designación ele cinco dígitos. Por ejemplo, "35018" indica que la resistencia a la cedencia del material es de 35 ksi (240 MPa), y que su elongación es de 18% en 2 pulg (50 mm).
e.
Hierro al grafito compactado. Producido comercialmente por primera vez en 1976, el hierro al grafito compactado (CGI. por sus siglas en inglés) tiene propieuades que quedan entre las ele los hierros grises ydúctiles, El hierro gris tiene una buena conductividad térmica y una buena capacidad de amortiguamiento, pero una baja ductilidad. en tanto que el hierro dúctil tiene una pobre capacidad ele amortiguamiento y conductividad térmica pero una elevada resistencia a ta tensión y a la fatiga. El hierro al grafito compactado tiene propiedades de amortiguamiento y térmicas similares
él
las del hierro gris y una resistencia y rigidez comparables a las del hierro dúctil. Debido a su re-sistencia, las piei:as hechas de CG! pueden ser más ligeras, Es f;!cil ele colar, tiene propiedades uniformes en todo el colado, y su maguinabiliclacl es mejor que la del hierro dúctil, lo que es una consideración de importancia, ya que se utiliza para motores automotrices y cabezas de cilindro,
2. Aceros colados. Debido a las altas temperaturas requeridas para fundir los aceros colados (hasta aproximadamente l 650ºC o 3000ºF), su fundición requiere de considerable experiencia y conocimientos. Las alrns temperaturas involucradas presentan dificultades en la selección de los mal.eriales del molde, particularmente debido a la alta reactividad ele los aceros con ei oxígeno, en la fusión y vaciado del m<.>taL Las fundiciones de acero poseen propiedades que son más uniformes (isotrópicas) que los con-seguidos mediante procesos de trabajo mecánico, que se describen en la pmte lII. Los aceros colados se pueden .soldar; sin embargo, la soldadura altera la microcstructura del colado en la zona afectada por el calor (véase la sección 29.2.2), influenciando Ja resistencia, ducLi!idad y tenacidad del inetal b0..c.:~. Debe !levarse a cabo un tratamiento térmico subsecuente, a fin de restablecer las propiedades mecánicas del colado. Soldaduras de colado han aumentado su importancia en situaciones donde una con· figuración compleja o el tamaño de la fundición pudieran impedir el colado de la pieza económicamente en una sola vez. 3. Acems inoxidables colados. La fundición de los aceros inoxidables invo.lucra consideraciones simüa .. res a las de Jos aceros. Los aceros inoxidables por lo general tienen largos rangos de solidificación extensos y elevadas temperaturas de fusión. Desarrollan vm·ias estructura, dependiendo de su composición y parámetros ele procesamiento. Los aceros inoxidables colados están disponibles en varias composiciones y pueden ser tratados térmicamente y soldados. Eslos productos tienen una elevada resistencia al calor y a Ja corrosión. Las aleaciones para fundición base níquel se utilizan para entornos muy corrosivos y en servicios de muy altas temperaturas,
12.4 CONSIDERACIONES ECONÓMICAS DE LA FUNDICIÓN Al repasar varios procesos de fundición, se hizo la observación que algunos requieren de más mano de obra que otros, algunos requieren de maquinaria y matrices o dados costosos y otros necesitan gran cantidad de tiempo para su producción (tabla 12.6). Cada uno de estos factores individuales afecta en diversos grados el costo general de la operación de fundición.
sm
312 Capitulo ·12 /Fundición de rnetaJes: diseño, materiales y consideraciones económicas
IABILA 12.6
Ca1·acterísticas generales de
----.. Procesos Art!na Moldeo en cásc:.ir;i
Yeso Por revestimiento Molde permanenle Inyección en nn1triz
Matriz o dado l L-M L-M M-H M ¡.¡
Bibliografía
~los procesos de colad_()_
cionados con la naturaleza del flujo ele metal líquido en los moldes y matrices y la velocidad de enfriamiento en diferentes regiones del molde o matriz.
Costo*
.. Están disponibles varias aleaciones para fundiciones ferrosas y no ferrosas, con una amplia gama de propiedades, caracte1isticas de colado y aplicaciones. Dado que muchas fundiciones se diseñan y producen para ensamblarse con otros componentes y estructuras mecánicas (subensambles), también son importantes otras consideraciones como la soldabilidad, la maquinabilidad y el estado de las superficies.
Equipo L
M-H M L-M M '·I
<50 <10 <1000 <60
de los límites de un buen rendimiento, los aspectos económicos de la fundición son de tanta im-· " Dentro portancia como las consideraciones técnicas. Los factores que afectan el costo general son el costo ele
<200
Como se describirá con mayor detalle en el capítulo 40, el costo de u11 producto incluye los costos de materiales. mano de obra, herramental y equipo. Las preparaciones para la fundición de un producto inciuye la producción de los moldes y matrices que requieren de materias primas, tiempo y esfoerzo, lo que influencia el costo del producto. Como se puede observar en la tabla l 2.6, se involucra un costo relativamente pequeño en los moldes para la fundición en arena; por otra parte, Jos dados y matrices para Ja inyección de metales requiere de materiales costosos y gran cantidad de maquinado y preparación. Además de molde.' y matricc\S, se requieren instalaciones para la fusión y el vaciado del metal fondido en moldes o en matrices. Esl2s instalaciones inciuyen hornos y maquinaria relacionada; sus costos dependen del niveí de automatización. Finalmente existen coslos involucrados en el tratamiento térmico, la limpieza y la inspección ele las fundiciones. El tratamiento lénnico es una parte importante de la producción c!e muchos grupos de aleaciones, c1pecialmente de las fundiciones ferrosas, y pudiera ser necesario producir propiedades mecánicas mejoradas. Sin embargo, el tratamiento térmico también produce otro conjunto de problemas de producción, como es la formación de cascarilla y distorsión, que pueden Jlegru· a ser un aspecto significativo de los costos de pn,ducción, La cantidad de mano de obra y las habilidades requeridas para estas operaciones pLtedcn variar de manera dependiendo de cada proceso y nivel de automatización en particular. La fundición por revestimiento, por ejemplo, requiere gran cantidad de mano de obra, en vista clel elevado número de pasos invoiucrados en esta operación. Por otra parte, las operaciones como ias inyecciones eo ma:1-i;c aitament.c :mtoma1izacias pueden mantener eleva¡~;is tasas de producción con poca mano de obra.
los materiales, moldes, dados o matrices, equipo y mano de obra, cada uno de los cuales varía en función del proceso de fundición particular. Un parámetro importante es el costo por pieza fundida, mismo que para grandes corridas de producción, puede justificar grandes desembolsos para maquinaria automatizada y controles por computadora.
TENDENCIAS " Se están desarrollando métodos de colar hierro gris de alta resistencia, hierro dúctil ele alta temperatura y hierro dúctil bainitizado.
" Se están siguiendo desamJllos en aceros de baja aleación de alta resistencia medi
"' El diseño y manufactura asistida por computadora y ei prototipado rápido de moldes y matrices son áreas importantes que se están estudiando e implementando. " Los costos por mano de obra continúan siendo el componente menor del costo Lota! ele las funclicirn•es debido al uso creciente de la automatización y del prototipado rápido.
"' Se están construyendo plantas de fundición modernas con instalaciones de punta incluyendo comroi por computadora de todos los aspectos de la fundición y de la inspección., a fin ele producir fundici''''"': de calidad de manera económica.
Debe hacerse notar que el costo de equipo por pieza fundida (cosi:o anitarfo¡ se recluciní conforme se
incremente ei número de piezas fundidas, Altas velocidades de producción sostenidas pueden por tamo, jusriFicar el elevado costo de dados o matrices y de maquinaria. Sin embargo, si Ja demanc!a es relativamente pe· c¡ueña, el costo por fundición aumenta rápidamente. Resulta entonces más económico manufacturar las piezas mediante ia fundición en arena o con otros procesos de manufactura según se describe en las partes l!I y IV Los dos procesos arriba comparados (arena e inyección en matriz) producen fundicione,, con características dimensionales y ele acabado superficial significativamente distintas (tabla 1 1. J). No todas las decisio· nes de manufactura se basan de manera exclusiva en consideraciones económicas. De becho, como podrá observarse a lo largo del resto de este libro, usualmente se fabrican las piezas mediante más de uno o dos procesos. La decisión final depende en consideraciones tanto económicas como técnicas (capítulo 40).
3q 3
TÉRMINOS CLAVE Ángulo de salida Cavidades por conlracci6n Costo unitario Hierro al grafito compactado
Hierro colado Línea de parUclón Porosidad Principios de diseño
--
Puntos calienles
Rebaba Tolerancia de maquinado Tolerancia por contracción de fabrica1iic del modelo
BIBLIOGRAFIA
RESUMEN " Se han establecido principios generales para auxiliar a los diseñadores en la producción de fondiciones libres de defectos y que llenan tolerancias dimensionales, requisitos de servicio, especificaciones y estándares, Estos principios se refieren a la forma de la fundición y a varias técnicas para minimizar los puntos calientes que pudieran conducir a cavidades por contracción. Dado el gran número de variables involucradas, es esencial un control estricto de todos los parámetros, particularmente de aquellos rela·
<'5\ ASM handbook, VoL
[5; casting, ASM lnternational, 1988. '·· :·. ".AS)W specialty handbook: cast irons. ASM lnternational, 1986. '.;:Bradley, E. F., High-performance castings: a technical guide. ,,, Edison Welding lnstitute, 1989. Casting' defects handbook. American Foundrymen's Society,
;,;
1972.
/l(áye, A., y A. C. Street, Die casting metallurgy. Butterworths,
1982. Mikelonis, P. l (Ed.), Found1y /echnology: a source book. ASM lnternational, J 982.
Powell, G. W., S. H. Cheng y C. E. Mobley, fr., Afractography atlas of casting alloys. Batelle Press, 1992. Rowley, M. T. (Ed.), Intemational atlas (Jf casting defects. Ame-
rican Foundrymen's Society, 1974. Steel Castings Handbook (S'. Ed.), Stee! Founders' Society of America, 1995, Walton, C. F. Y T. J. Opar (Editores), !ron castings handbook (3a Ed.), lron Castings Society. 1981.
............314
Capitulo 12 /Fundición de• metales: dise11o, no;iteriales y consideraciones cconó111ic¡¡s
--
Síntesis y diseño
.315
'" SÍNTESIS Y DISENO
].2.il LisLe las consideraciones generales de diseño en 1Ds fundiciones. 12.2 ¿Qué son los puntos e
12.26 La porosidad se desarrolla en el mamelón de la fundición que se. ilustra en la figura a continuación. Muestre que con
~2.3 ¿Qué es tolerancia por contracc1(}n':'
el simple reposicionamiento de la línea de partición de esta fundicióo, se puede eliminar e0tc problema.
de maquinado'! ft2.4 ¿Por qué son necesarios los ángulos de safida en algunos moldes? ]2.5 ¿Qué son las fundiciones de metal Hgero? 12.6 Nombre los tipos de hie1rns coludos disponibles y liste sus características principales. 12.7 ¡,Por que son mris cliücilcs de fl.111clir los aceros que los hierros cobclos? 12.8 Nombre los factores importantes involucrados en la economia de las oper'1cione.s de llindición. 12.'.!P De:-.criba sus observaciones en relación con las figs. l 2.2 a 12 ..5.
Mok""""'°"°'
- 1 11~ L~_)
------Molde
CUALITATIVOS Describa el procedimiento que usted scguiria para determi1rnr si un dcfocto en mw fundición es una cavidad pDrcontracción o e.s porosidad causada por gases. Ll. l l Explique de c¡uó manera procederb a (in de evitar !as grietas en caliente.
inferior---~
12.27 Parn la rneda que s~ ilustra a continuación, muestre la forma en que se puede utilizar la cc1locación de (a) la mazarn~ ta. (b) el corazón, (e) t~nfriaclorcs para ayudar a alimentar el metal fund1do y eliminar la porosidad en el mamelón de la maza ais!ada.
necesita sólo una.s cuantas pie;,as f1111dida.s dci miomo diseño, {,Cuiilc.s serian los tres procesos m
¿En general e.st{¡ usted de acuerdo con las calificaciones de costo de la tabla l2.6'1 de ser asi ¡,por c¡ué'I
Explique por qué resultan 1ltiles las costillas de refuerzo y las a:;crracioncs en d colado de superficies pl;"""" que de otra rnanera se torcerían. Dé una ilustración. Describa la naturaleza de los cambios ele diseiio hechos en !a fi2. 12.6. ¿Qué pnncipios gcncrale., observa nstcd" En la fig. 12.8 notarrí que la duciilidad de algunas aleaciones Fundidas c.> rnuy pequeña. ¡,Piensa usted que csl" debe ser una preocupuci<ín
ímport~mte en !as aplicaciones de ingeniería de las fundicione;.;?
¡,Picrn:a P::tcda que se prescmrwiin '"'""" deiéCLo"; <:u un cofocio hecho medianle vaciado por gravcdw.I en cni:trn.',t<' cn11 uno vaciado prc~icín '! ¿Por que' se incluyen lolcrancias en la pruriw:ción de modci
f::Cqiliquc ciil'crcncia en irnport:mci.t de los :ingulos r!c sa!id:t en la fundición en arena verde en contrnstc con 1:1 fu11· dición en ia mok!c pcnnancnti::-:.
.12.21 dicicmcs. Fxpliquc las ventajas y las limitucioncs de !os filetes puntiagudos y redondcado.s, respectivamente en el dise1\o de liin·
12.28 En vista del material que hu sido Lratado en los capítulos anteriores y en base a la intorrnación dada en la flg. J 2.8 ¿,qué enunciados de tipo general emitiría usted en relación con las propiedades rnecánicas de ias fundiciones? 12.29 Suponga que falta la introducción a este capítulo. Escriba una breve intnxiucción para resaltar la importancia de los lemas incluidos.
¿Haciendo a lasExplique. tablas lfJ. ! y 12.1. piensa llsted c;ue existe contradicción en relación con el comportamicn· lo de hierroreferencia colado gris?
12.30 En la figura que sigue, d diseño de la Cundición original que se muestra en (aJ fue modificado aí diseño mostrado en (b). La fondición es redonda, con un eje vciiical de simetría. Corno una pieza funcional, ¿qué vent~~jas piensa usted que tiene el nuevo diseño en comparación con el anterior?
¿Qué lipo de hierro colaclo .serí11 adecuado ¡xu·a una pe.sacia base de rnaquimu-ia' ;,Por qué? 1
!2.23 labia Explique 12.4.por qué el módulo cJ[istico E del ilicrro colado gris varía con lama amplitud según se puede observur en I' "---~·---
-·----------------------~~---------~-~~ CUANTITATIVOS
_¡ 1.5 pulg
12.24 AJ diseñar modelos para la fündición, los fabricanres de modelos utilizan reglas especiales que incorporan de mane· ra automática tolerancias ele contracción sólida en sus diseños. Por tanto, una regla de modelista de 12 pulg tiene m:ís de 1 pie. ¿De qué largo es una regla del modelista de patrones si está diseüada para la preparación de modelos para (a) fündicioncs de aluminio, (b) acero al alto manganeso? 12.25 Utilizando los datos dados en la tabla 12.2, obtenga trazos aproximados de (a) colabilidad (capacidad de colado) en función de listados. la soldabilidad, y (b) capacidad de colado en fünción de la maquinabilidad para por lo menos cinco de los materiales
(38 mm)
1 ¡ 1~
{25 mm)
1
C
m1::·t,1k~s: diseflo, ir1;1teriúl~:s y consider;icione;, ecqnórnic-t',
En la ilgura que c.;igue se nmc:-:tra un di:-;cilo incorrecto y uno corrcc!o para umi fundición.
(U~H.1os y cornenlc :-,us Vt.:.nt
(;1¡
Conv.ón exterior
11)
ado
Procesos eq ·po para el y model o
incorrecto
Corazón cxtcnor
1\ con1inuaciún :-;e nrn1.:s!ran tres conjuntos de ciiseiio para la ínyección en al da(fo del di.<...elío 1 y comente !u:-; ra1:oncs.
(;¡¡
Parte !11
rn~!lnu's
Por lo general damos por sentado muchos de los productos que utilizamos, o con íos que nos topamos todos los dfas, así como los materiales y componentes a parlir de los CLiales fueron fabricado,, CuafülO revisamos estos productos, de imnediato nos darnos cuenla que se han uLihza
jínetes de bolas, caceroias de cocina), pero otros licnen configuraciones complejas con caracterí~Li cus superficiales detalladas (monedas, cuh."iertos, monobioqu.cs). A]gunos productos se utilizan aplicacjones especificas (nspas de turbina, bielas para motores, cables de elevador), en tanto otros utilizan en aplicaciones rutinarias (regaderas, cucharas, sujetapapc1e,c,). E! maicrial lnicial utilizado en e1 formado y modelado de los metales es usualmente metal i~n estado líquido, que es vaciado en li.ngotcs incllviduales o, más recientemente la cübda continua de placas, vari1las o tuberías. La~ esLructuras vacü1das o coladas se convierten en csiructuras "'trab;~j;J das'' m.ecfürnte procesos de deforn1ación como los que describen en la parte Jll. Adcn1ás de las estn,c·· turas fundidas y trabajadas, la materia prima para la fabricación de productos puede consistir en polvo:-,
de metal. Pani los plú:--:íicos, el materia! con que \e inicia son corniJnn1ente. partículas "pc!let.'-:"', judas o polV(). y para los cerá1nicos ~on arcillas y óxfdos, obtenidos de minerales o producidos manera slntélica. Nóíl'.-':c que las pnJabras.fórnuu/o y nwdelnd(r, aparecen nnüx1s en el düdo de esra sección. AP1·; que difercnc1a entre ambas no es rfgú.la. d modelado se refiere al cmnhio de la forma un flGU~V\
Lrnen de partici<ín
Piezas n1odclc1d<:t<; y formddas en un cwtomóvil co1-r1lm.
Fil!ros Je pulvl• de 111CLal
Tubo c:;l1radnp:11a
P,u·<1bri~a~. form~d(1 Wdvula~,
Tab!crn
laa111c11a
moldc~ldo
fr1r_¡adas o pbí::li,·nrcl'orzado par•1 la (;arroccría
Placas cstampmlas
(el Mic:.is
moldeadas
por inyección
Clrnrolade. aceilc cst;.impada
Llantas moldeadas
317
3-g3
PJrre lll i
Pron~sos y equipo par
formado y modelado Pa1t~ lll / Procesos y equip0 para e!
tr~ibajo
sólido existente. El cuerpo que se llamará pieza de o simplemente pieza en bruto o materia prima el resto de este libro, puede estar en forma de placa, boja, barra, varilla, alambre o tubería de diversas secc 11es transversales.
Un gancbo para ropa ordinario de alambre, por l'iemplo, se hace modelando c:n tramo recto de ala torciéndolo y doblándolo hasta que adquiere la forma ée gancho. La carrocería de un automóvil se fabrica do forma a la lámina de metal en troqueles, a partir de lá;nina plana. El material inícja] para un anuncio pt; citario translúcido es una pieza plana dtc plástico; se modela calentándola y después obligándola a ton lúrn1a bajo un vacío ele presión ele aire dentro de un molde. Estos se conocen como procesos de formarlo. Los pnicesos
plac~cs.
Algunas de estas operaciones de manufactura producen productos largos y continuos, como ho. jas, l.uberfa y barras con varías secciones transversales. Los procesos de laminado, extrusión y estirado son capaces de eiaborar estos productos a partir de malena!es metálicos y no metálicos, incluyendo los plásticos rc-
f /.\iíUA. TI!t 1
mod2lac!o
Prnccso
Carac!erística.s
L;1n1im1ti<1 plano
plac~;,
Producción de hoja y folio planos entrarnos largos. a al la velnc1cbd y con un buen acc.
por mano de obr:.t dt.: bu.jo a moderad··)
induy~
Pm(Íl
pit~;1s
t(~cnicns
coslu de mallo Je ohr;1 dto moderado,¡-¡ ;dtn: habilidad de! 1)pcr<1dor de í:1odcrnc!
dL~
Producción de. !rnnm!1 brgos de materiales .'.Ólidos o hueco.-. sección transversal constante: usualm(:mc producido :.t tcmpcrawra:·; elevadas; el producto e.': pusteriorntente ronado a l
fo1ja y se u1iliza parn la fallricacicín de productos discretos; co.sto modc;rndo a alto de dados y co.<:to de m;:mo de obra de b¿~jo a moderado: habilidad del opcrado1 t.k bajo ~1 rncykTndo
E<.1ii:1do
c~uipo:
transvcrs~i!c·,
Producción de varillas y a!ambrc.s largo.s, con secciones redondas o van.:is; <;ecciones iransversale:. meJlores que las extrusioucs: buen aco.bado superficiai: costos de troqueles, equipoB y mano de nbta de b~~io a moderado; habilidad del operador de b~jo a nioder:idn. Producción de una amplia variedad de forma.> con paredes delgadas y geometrías simples o compleias; por lo general con costos de dados, equipo y mano de obra de bajos a moderados; habilidad del operador de bajo a moderada.
fvú;t;durn1;n de: los polvos Producción de formas simples o complejas mediante ta compactación y sinl"crización de polvos metálicos; puede ser competitivo con la fundición. fot:ia y procesos ele maquinado; costo de y equipo moderados; costos y habilidades bajos para la mano de obra. '
dado.~
Proccsamíento de plásticos y materiales compuestos
~_::__
Modelado y formado
Producción de una diversidad de produc:os continuos o discretos por extrusión, moldeado, vaciado, y procesos de fabricación; puede ser competitivo con piezas de lámina de metal; costos de dados o matrices y de equipo moderados: ckvad
~~J~_Y equipo de hajo a moderado; habilidad del
Producción de materiales cerámicos discretos mediante una diversidad de procesos de formado, secado
_ _ _ _ _ _ _ _Y_quemado;
orcrador de moderJda
D
alw,
formado y modelado
319
forzados; posteriormente se cortan a las longitudes deseadas. Por olrn parte, los procesos como la forja, la metalurgia de los polvos y la mayor parle de los procesos de modelado y de formado para maleriales no metálicos producen productos discretos, como discos para turbina, engranes y pernos. En Ja pru.1e Ill, se describen los factores de importancia involucrados en cada proceso de formado y de modelado, junto con la forma en que las variables del material y de los procesos tienen influencia en la calidad de un producto (tabla Ill. 1). Explicamos tanto Ja forma en que algunos materiales pueden ser procesados sólo mediante ciertos métodos de manufactura y no por otros, y por qLté las piezas con formas especiales sólo se pueden procesar utilizando ciertas técnicas y no otras. Las características de la maquinaria y del equipo utilizado e11 estos procesos también afectan ele una manera significativa la calidad del producto, su tasa de producción y la economía de la operación de manufactura. Una consideración ele importancia es la capacidad de trahajar y de modelar los materiales, o sea hl cantidad máxima ele deformación que puede resistir un material sin failar en un proceso espedfico ele formado y modelado. El término capacidad de trabajado por lo general se aplica a procesos de deformación volumétrica (como fo1ja, laminado y extrusión) en los cuales las fuerzas aplicadas a la pieza de trabajo son de naturaleza predominantemente compresiva. En contraste, el término capacidad de formado usualmente se utiliza para procesos de formado de lámina (como doblado, estampado, modelado por esliramiento y embutido profundo) donde las fuerzas aplicadas son principalmente ele tensión. La primera mitad de la parte lll describe de manera específica el laminado de productos planos y formHclos, el forjado de piezas discretas, la exlrnsión de largas piezas con varias secciones transversales, y el 0stirado de varilla, alambre y tubo. Estos procesos se conocen con10 procesos de deformación volumétrica, por·que las piezas y los procluclos tienen una relación relativamente alta de volumen a área o;uperficial o de volumen a espesor. Lo siguiente describe los procesos de formado de lámina, las técnicas de metalurgia de los polvos y el procesamiento de polímeros, de compuestos de cerámicos y de vidrios y finalmente de operaciones para lograr prototipos rápj(los.
Sección 13.2 / L.arnin ..1clo plano
321
Laminado en . . Larninudo en calienle de ti1a Lnnpiado.químico frío de tira ).
-~
b
lubnrnd~
y
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r~
-~~1ldado ~
Tubo
Solera o tira
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o lami ado de · etales
13. I
13.2 ILJ 13.4
L3.S Ll.6 IJ.7
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-· ,.J ~
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Préichca del laminado plano MuUnos de 1Jn1inación
l i ntc:gradas
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productos
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Tubo sin costura
Formas estructurales
Rieles
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~ 1
Introducción Lan1inddo plano
()peraciones de larnin;1do de forn1a Pt{)d:ccción de tubos y tuberi'us ~;in costura CoLada y lamin2do continuos;
Barras estiradas
~
~-i·;;~~~~
Coiada continua
Ro
•¡~~~~
í:squerna de varios procesos de !aminado plano y de forma. Fuente: American !ron and Stec:i
lnstitute. El lamfoa1fo es d proceso de reducir el espesor \o modific¡¡r la se,;ción transvernal) de 1m lar· i"ucrzas Lle compresión aplic
'''"''~'--'--:;imple,
1
' 320
en gener.il se consideran corno ele un espesor superior a 6 ""n ( i/4 pu!g), se ..es estructurales. corno son las estructuras de rn:iquinaria. lus c:isrns de buques. las calderas. los puentes y ios recipienles nucleares. Las placas pueden llegar a tener hasta un espesor de 0.3 m ( 12 pulg) para los apoyos de las grandes calderas. 150 mm (6 puig) de espesor para los y 100-125 mm (4-5 pulg) para los buqLtes y los tanques de guen-a.
recipisi:¡J.es...~actores
~~múnmente tienen menos de 6 mm de espesor; se fabrican para manufacturar materias ptimas mtermcclias como piezas planas o como cinta en rollos para procesamiento posterior en varios productos. Se utilizan en Jas caJTocerías de automóvil y füselajes de avión. en ew,eres domésticos, en recipientes para alimentos y bebidas. y en equipos para cocinas y oficinas. Los' fuselajes de las aeronaves comerciales usualmente se fabrican de una hoja de aleación de aluminio de un mínimo de l mm (0.040 puJg) de espesor. Por ejemplo, Ja cubierta exterior de un Boeing 747 tiene J.8 mm (0.071 pulg); la de un Lockheed LJOJ J es ele l .9 mm (0.075 pu!g). Las latas de refrescos de aluminio se fabrican ahora de hojas de 0.28 mm (O.O 11 pulg) de espesor, misma que se reduce a una pared final de la lata de 0.1 mm (0.004 pulg). El papel aluminio, que comúny cigarrillos, tiene un espesor de 0.008 mm (0.0003 pulg). mente se utiliza para envolver dulces f'l ••
ÍíJ\Y~i';;;¡;:,¡*~"';)Lt~;:f¡~¡.:~~ZH!V~
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~-=--="""""""-·"·~~·-
Esl:e capítulo describe el proceso básico de las operaciones
,,_rrm.,_ ia producción de lubo y tubería sin costura~ y los faclores de la laminación. De manera tradicional, la fornia inicial del material para imninación es un lingote. Co1no se jo en la sección 5.4. sin embargo, esta práctica está actualmente siendo reemplazada rápidamente por la lada y laminación continuas, c0n una eficiencia mucho 1mís elevada y a un costo inferior. La laminación primero se efectúa a 1emperaturas elevadas (laminado en caliente); durante esta fase. la estructura de grano basta. frágil y porosa del lingote o del metal continuamente colado se reduce a una est;-nctnra laminada (forjada) con un tamaño de grano más fino y mejores propiedades.
13.2 LAMINADO PLANO En la fig. 13.2a se muestra una ilustración esquemática dei proceso de laminado piano. Una tira de espesor h0 entre el espacio de lillni!!rui.@ donde un par de rodillos en rotación 1a reduce a un espesor h1, cada uno de los rodillos movido a través de su propia flecha por motores eléctricos. La velocidad superficial de los rodillos es V, .. La velocidad de la tira se incrementa de su valor de entrada V0 a través del espacio de laminación. de la misma manera que el fluido se ve obligado a moverse más rápido al pasar por un canal convergente. La velocidad de la tira es máxima a la salida del espacio de laminación; la identificamos como Dacio que la velocidad superficial del rodillo es constante, existe un deslizamiento relativo entre el rodillo y !a tira a lo largo del arco de contacto en el espacio de laminación, L En nn punto a lo largo del u·amo de contacto, conocido como el .ll!1nto nim_tro o ¡:umto..de no desfoa-. • mie!l_tQ.. la velocidad de la tira es la misma que la del rodillo. A la izquierda ele este punto, el rodillo se mue-
v¡,
~
322
Capítuio "! 3 /Rolado o L:1mi11Jc/o de rnetalr::s (a)
323
Sección l 3.2 /Laminado plano (b) (e)
Mientras más elevado sea el coeficiente de fricción entre los rodillos y la tira, mayor será la divergencia, y la fórmula dará como resultado una fuerza de rodillo menur a la fuerza real. La potencia necesaria por rodillo se puede es ti mar suponiendo que la fuerza F actúa a la mitad del arco de contacto; en la fig. l 3.2c. a= L/2. El par de torsión por mamo es el producto de F por a. Por tanto la potencia por rodillo en unidades Sl es
j~=wFLj
Fucr;;:as de fricción
~
.
cion, L
·
¡
ue saJ!da
Potencia= ... 27rFLN___ /Ú\l 60,000 -
donde F está en Newtons, Len metros y N es la velocidad en rpm del rodillo. En uniclacle;, inglesas tradicionales, la potencia se puede expresar de la forma
Po.r de
lorsión
ffGUl'IA. 13.2 (a) Ilustración esquern,ílica del proceso de laminado pl;:ino. (b) Fuerzas de fricción c¡ue actúan sobre hs superficies de !a lira. (e) La fuerza de laminado, F, y el par de torsión que actú;:i sobn· los rodillos. El
Pote11cia = donde F está en libras, y len pies;
ve m{is rüpido que la tira; a la derecha ele] mismo, la tirn se mueve con mayor velocidad que el rodillo. Por lanlas fuerzas de fricción que se oponen al movimiento actúan sobre la lira .';epín se muestra en la fig. ! :l.2b.
10,
3I·1
(}3.3)
e~:tas
27rt'"LN
(13.4)
33,000 hp
formulas se aplican en el ejemplo que sigue a continuación.
Ejemplo: Cálculo de fa fuerza y par de torsión de! rodillo Una lira de cobre recocido. de 9 pu!g (228 mm) de ¡mcho y de 1.00 pulg (25 mm) de espesor, se lamina
de
un espesor c!e 0.80 pulg (20 mm) en una pasada. El radio del rodillo es de 12 pulg (300 mm), y los rcdi-
Jlos giran a 100 rpm. Calcule Ja lilerza del rodillo y la potencia requerida en esta operación. Los rodillos tiran el ma!erial lwcía dentro clej espacio de huninación a •ravés de unafúcrw dc/i·iccirin 11e1a sobre el material. Se puede ver que es la fuerza de fricción neta debe actuar hacia la derecha en Ja fig. ; 32b; en consecuencia ia fuerza. de fricción a la izquierda del punto neutro ckbc .set más elevada que Ja Fuerza de fricción a fa dert-:cha.
p~lra
signific~:
Aunque la fricción es necesaria para la htmínación de los rnateliales. se disipa energía vencerla; por lo que el incrementar Ja f1"icci6n aumentar los requerimientos de fuer?,as y de potencia. Adc:P>ás, 111"/il cievada fricc;ón podría da!íar la superficie dei prociuc10 laminado. Se tiene que llegar a un punto meciio, uno c¡uc consiga bajo coeficientes de fricción mediante el uso de lubricanws efectivos. flfnci(í¡¡n1<íxi1wl posible. que
Solución: La fuc.rz.a dd rodiilo se ddern1ina a partir de Ja ecuación 13.2, en la cual Les la io11gi1ud de contacto cntrn ei rodiilo y la tira. Se puede demostrar por simpic geometría que esta longitud está apro:d~ macla mente da.da por
L=
.00 - 0.80) = !.55 pnlg
Ahora debernos determinar Ja tira en esta operación es
8
=
define como !a diferencia c1llic los c.spcsorc·s inici'.ll y Fin1d.
(13.1)
Por ia1110., mientras más alta sea la fricción sea rodillo, mayor será e! li.ro máximo posible (y !a reducción en espesor). Esta situación es simil.ar al uso ele llanras grandes (R alto) y cubiertas 2speras (¡,i,
J 3.2 . 2
y requerimientos
LOO 0.80
03.-t:::i
= 0.223.
Haciendo rcfe::--u1cia a flg. 2.6, ob:-.crvamos que d cobre t\XOcido tiene un c:sfoerzu real ,Je madamente l 2,000 psi en ci estDdo no esforzado, en tanto que a una deformación real de 0.223 el esCucr · zo rea! C;'. de 40.000 psi. Por lo que el esfuerzo promedio es de aproxilnadamcntc 26,000 psi. Ahora puede dctcrn1inar la ru~rza del rodillo como sigue
F=
=
(l.55)(9)(26,000) = 363.000!b = l.6MN.
Dado que los rodillos aplican presión sobre el material a fin de reducir su espesor, se necesita de una fuerza perpendicular al arco de contacto (fig. l 3.2c). Nótese en la fig. l 3.2c, que esta fuerza del rodillo. F se muestra perpendicular al plano de Ja tira, en vez de a un ángulo. Se utiliza esta alineación porque el arco ele contacto comúnmente es muy pequeño en comparación con el radio del rodillo, por lo que podemos suponer sin un error significativo que la fuerza del rodi1lo es perpendicular. La fuerza del rodillo en el laminado plano se puede estimar partiendo de la fórmula
(13.-4.3\
La potencia ror cada rodillo se calcula a partir de la ecuación (J 3.4). donde N = IOO. Por tanto Potencia= 2r.FLN/33,000 = 2r.(363.000)(1.55/12J(l0ü)/33.000
potencia
(13.4.
para el cobre recocido. El vainr absoluto dd esfuerzo real que ;.;uf;«.:
(13.-1.4)
= 898 hp = 670 kW. Dad(J que hay dos rodillos, la potencia total en el laminado será de 1796 hp
=1340 kW.
Es difícil hacer el cálculo exacto de la fuerza (y de los requerimientos de.potencia) en Ja laminación. dadas las dificultades involucradas para determinar Ja geometría exacta de contacto, y para estimar wn precisión tanto el coeficiente de fricción como la resistencia del material en el espacio de laminación, especialmente para el laminado .en calíente, üsí como la sensibilidad del material respecto a la defonnación .a temperaturas elevadas.
(13.2)
donde Les la longitud de contacto entre rodillo y tira, w es el ancho de Ja tira, y >'.wg es el esfuerzo promedio real de la tira en el espacio de laminación. La ecuación (13.2), idealmente coJTesponde a una situación sin fricción.
Reducción de la fuerza de laminación. Las fuerzas de laminación pueden causar deflexión y aplastamiento de los rodillos; estos cambios afectarán a su vez, de manera adversa la operación de laminado. También, el tren de laminación, incluyendo la carc.aza, cuñas (tacones) y rodamientos (fig. 13.3), puede estirarse
324/.
C1pí1ulo ·¡ 3 /
J~oL:1do o J;:nnin;1do de metales Sección 13.2 / Laininodo pli:rno Tornillo o
111ecar1is1110
(
"'::
::......"::.}-
-
Tl!
ma::.:
ºíllCSd •'
en el ccnlrn
Rodillos de 1rubay1
FIGURA '13.3 lfodillos
Ilustración esquemática de un tren de
larnfnaci<)n de cuatro rodillos, mostrando sus diversas caracterí.slícas. La rigidez de la carcJza, los rodillos y los rodamientos de los rodillos son lodos de imporl.;:tncja para controlar y mantener el espesor de la /"ira laminada.
bajo las fuerzas de laminación de forma la! que el espacio de laminación se abra de manera sigoificai1v:t En consecuencia los rodillos deben ajustarse más de cerca de lo calculado, par11 compensar esta deflexi611 y para obtener el espesor final deseado_ Las fuerzas de laminado puedén reducirse mediante cualquiera de los proccdimien1os siguientesreduciendo la frjcción; 1lliliz<1ndo rodillos de diámetro menor. a fin de reducir el área de contacto; e, efectuando reducciones más pcqucfías por pasada, a fin de reducir el área de conlacto; y
rt laminando a lempcraturas elevadas. a linde reducir la resistencia del materíaL Otro método efectivo de reducir las fuerzas de laminado es ap.licando !ensiones longitudinales:;; fo :_ira durante la laminación_ Como resultado, los esfuerzos a ta compresión requeridos para el material disminuyen_ Dado que requieren elevadas fuerzas de laminación, estas tensiones son de imporlJncia particular en la laminación de metales de alta r<0sistencía_ Las tensiones pueden ser aplicadas a la lira, ya sea en la 1.ona de entrada (tensión fJnstedor) o en !a zom1 de salida (ie1rnsión antel!'ior o frontal) o en ambc;s_ La knsión posterior ec; aplicada a la hoja sometfando al rollo que alimenta la hoja al espacio de laminación (el rollo de su111inistm) a una acción de frenado mediante algún procedimiento adecuado_ La tensión m11crior se aplica incrcm(;;11t<1do Ja velocidad de rolación del rollo tensor_ La laminación se puede ck;_:ruar iambiú1 con lcrn;ión anterior sin aplicar potencia a los rodillos; csle pi:oceso se conoce c<1n;o lar¡rnfinadólrll Steí:k~~t
geométricas
vis1~1
En de las foerzas qllc actúan sobre los rodillos, éstos sufren ciertos cambios geométricm_ De Ja misma nnnera qlle una viga t-ccta se Hexiona b<\jo una carga transversal, las fuerzas de laminación 1ienen tendencia a flexionar los rodillos elásticamente durante el laminado (fig_ l 3.4a); mientras más elevado sea el módulo de elasticidad del material del rodillo, menor será la detlexión del mismo. Como resultado de la flexión del rodillo, la lira laminada tiene tendencia a quedar más gruesa (generar una corona) en su centro que en sus bordes_ El método usual para evitar este problema, es rectificar los rodillos de manera que su diámetro en la pai1e central sea ligeramente mayor que en sus bordes (dándoles una comiJadura)_ Por lo que cuando los rodillos se flexionan, su contacto a todo lo ancho de la tira se endereza y la tira que se está lai11inando tiene un espesor constante en toda su anchura. Para e] laminado de metales en hoja, el radio del punto máximo de combadura es por lo general 0,25 mm (0,0 J pulg) mayor que el de los bordes del rodillo, Cuando están correctamente diseñados, los rodillos con combadura producen tiras planas (fig_ l3Ab)_ Sin embargo, una combadura específica es únicamente correcta para una cierta carga y para un cierto ancho de tira_ A fin de reducir los efectos de la detlexión, los rodillos se pueden someter a flexión, mediante la aplicación de momentos de fuerza en sus cojinetes (una técnica similar a la flexión de un tramo de madera en sus extremos); esta manipulación simula la combadura_
;%::~n1?<'!,o/1t:;z~~~*;;rfl"*"'~'·..,...,,,,~;,...,,nnZ..=c•""'3t:Y'
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3 -2-3
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Rud1llos de ccspaJdo
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C1rca;c;1
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J1idr;iulico
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__
(b)~:===~1--::0 , . ?-~·---· con espesor ! { ~--·~--·-···1-L+.··---~ - · -· · ·--·~- Tira nniforme
-r:tr-·--------
1~ --
~~==~~
FlGURA 13.4 (a) Flexión de rodillos cilíndricos rectos, Cdusaclos para la fuerza de laminación, (b) Flexión de rodilios rectificados con combadura. produciendo una tira de espesor uniforme,
Debido al e
Vista lateral
Vista
¡¡{f)-L
-rd)f FIGURA 13.5 Incremento en el ancho (ensanchado) de una tira en el laminado plano (véase también la fig, 13,2a), De manera similar se puede observar el ensanchado cuando se aplana la masa con un rodillo de amasar,
326
Capí!ulo 13 /Rolado
ü
laminado de mela/es $¡_:cción 13.3 /Práctica del laminado plano
l 3.3
NADO PLANO
327
------Hoja
L1 ruptura de un lingote al inicio o ele una placa durante e! proceso de colado continuo se efectúa fominacióu eu caiieuie. Como fue descrito en la sección l 0.2 y se ilustró en la fig. 10. J. una estructura de entada o de fundición comúnmente dendrítica e incluye granos grandes y no uniformes. Esta estructura es usua). mente fnígil y puede contener porosidades. La laminación en caliente (por encima de !a temperatura ele recrislalización del metal, sección 1.6). conviene Ja estructura colada en Lma estructura laminada (fig. l 3.6). Es1a estructura tiene granos más finos y una mayor ductilidad, resultando ambas de la ruptura de los límites de Jos granos frágiles y del cierre de los defoclos internos especialmente de la porosidad. Tal y como se describió en la sección 5.4, los métodos tradicionales de colado o fundido de los ling . 0 tes estcin siendo hoy en día ra.pidamente reemplazados por la colada continua (véase también Ja sección 13.7). Los rangos de temperatura para eJ laminado en caliente son comúnmente ele casi 450ºC (850ºF) para aleaciones de aluminio, hasta l 250ºC (2300ºF) para aceros aleados y hasta de l 650ºC (3000ºF) para aleaciones refractarias (véase también la tabla 14.1).
El producto ele la primera operación de laminado en caliente se conoce co11io !ocho (bloom) o planchón (slab) (fig. 13.l). Un tocho por lo general tiene una sección transversal cuadrada, de por lo menos 150 mm (6 pulg) de lado; un planchón tiene una sección transversal por lo general rectangular. Los tochos se 'iiguen procesando. mediante el laminado de.fórma en perfiies estructurales com0 vigas en I, y rieles de ferrocarril (sección ! 3.5). Los planchones se laminan e11 placas y en hojas. Las paiarn¡uifüis son por lo genera) cuadrados. con un área transversa] rncmor que los tochos; post.criorrnenk se laminan en varias formas. como vaiillas y barras redondas, mediante el uso de rodillos ele forma. Las varillas redondas lmninadas en caiientc se utilizan como el materia! inicial para el estirado de varillas y de alambre (sección 1S.1 O); se conocen como variUas para alambre. En d laminado en caliente de los l.ochos y de los planchones, la superficie del material usua!rncmc se la laminación. El acondicionamiento se efectúa medianle varios procedimientos, como es el uso de un soplete para eliminar !a cascm·i!la gruesa o de un •osmerilado grueso parn suavizar las superficies. Antes del laminado en frfo, la rnsc8ri· lla que se desarroll6 durante el !aminado en caliente. puede ser eliminada mediante ataque quimico con ácido, (ataque ácido), o mediante medios mecánicos tales como el chorro ele agua (o el esmerilado para eliminar ~<.mihíén nlros defec1os).
1.~omiidona (se prepara para una operación subsecuente) antes ele
El !amilla¡fo frfo se liev;i a c;ibo a la !cmpcratura anibieme (sección l .7) y., coniparndo con Ja iarninación en caliente, produce hojas y tiras con un mucho mejor acabado superficial (
1
(b)
• Lingote
con granos no uniforme...,
e~"~:~i:l~~I~
d~~~~~~ :;~s Crecimiento ¡' Formación de/nuevos granos.
.
=-ax;;xx_D l -CJ:)JJJJ= Rodillos niveladores
Un método de nivelación de rodillos para aplanar hojas laminadas. Véase también la fig. 15.22.
FIGURA 13.7
to en dos capas. Un lado de la hoja de aluminio es mate. el otro es brillante: el lado de hoja a hoja tiene un acabado mate y satinado, pero el lado de hoja a rodillo es brillante y pulido, porque ha estado en contacto con los rodillos pulidos. El acero dulce, cuando se le estira durante las operaciones de formado de hoja. sufre una elongacilin de punto de fluencia, un fenómeno gue causa irregularidades superficiales conocidas como defonnaciones de estirado o bandas de Lüda (sección J 6.3). Para corregir esta situación, el melal en hoja se somete a una ligera pasada final de 0.5 a 1.5% de reducción, conocido como lamñnado de relevado (temper rolling) o pase superficial. Una hoja laminada pudiera no quedar lo suficientemente plana al salir de! espacio ele laminación. debido a variaciones en el material o en los parámetros ele procesamiento durante el laminado. A lin ele mejorar la planicidad. la tira laminada se hace pasar a través ele una seiie de rodillos niveladores. Se utilizan varios arreglos diferentes de rodillos, uno de los cuales se muestra en la fig. 13.7. Cada rodillo por lo general está impulsado de manera independiente, por un motor eléctrico. La lira es tlexiona<.la en direcciones opuelitaS conforme pasa a través de! juego ele rodillos.
13.3:1 Defectos en placas y hojas laminadas Pueden presentarse defectos en la superficie ele las placas y hojas laminadas, o pueden existir defectos estructurales internos. Los defectos no son deseables, no sólo porque degradan la apariencia ele i.a superficie pero también porque pueden afectar de manera adversa la resistencia. la capacidad de fonnado y otras caracterfaücas de manufact1ffa. Se han identificado un conjunto de defectos superficiales. como cascarilla, corrosión, rayadurns. mor·· dedurac., picaduras y grietas. Estos defectos pueden haber siclo causados por inclusiones e impurezas en el material fundido origjnal o debido a vm·ias otras situaciones relacionada con !a preparación de1 inaterial y con la operación de laminado. Los hor!les omhnlados en IJs hojas (hg. ! 3.8a) son el resultado de la flexión del rodillo. La tira es mús delgada en sus bordes que en el centro (fig. l3.3a); dacio que ios bordes se :üargan más gue el centro, se luercen. ya que están !imitados en su libre expansión en la dirección longitudinal (de laminado). Las grietas queo se muestran en las figs. 13.8b y c son usualmente el resultado de una deficiente ductilidad del material la temperatura de laminado. El twjcamienío (a!ligatoring) (fig. ! 3.8d) es un fenómeno complejo y puéde estar causado por una deformación no uniforme durante el laminado o por la presencia ele defectos en la palanquilla fundido original. Dado c¡ue la calidad de los bordes de la hoja es impo1tante en operaciones de formado con lámina de metal. a menudo los defectos en los bordes en las hojas laminadas son eliminados mediante operaciones de corte y hendedura (secció11 16.2.2).
.
~/~ Rccnstal!zac16n ,_ \ completa
-
~
Dirección de laminado
Produclo !aminado con granos grande$
Producto laminado con granos pequeños y uniformes
(d)
FIGURA 13.ll ilustración esquemática de defectos típicos en el laminado plano: (a) borcles ondulados; (b) grietas en forma de cierre en el centro de la tira; (e) grietas en los bordes; y (d) hojeamiento.
C.ipí1ulo ·¡ J / Rol;1do o lamindc!o (le Jn(:tc1le;
Sección·¡ :.L4 /Molinos para 1.iminación
329
(h)
flGUR.A 13:lO \/isla generci! de un rnolino de laminación, ruente: lnland SteeL
Tensión ) Comprc:,ión
·~33
Esfuc1-zo::. residuales desarrollado~ ai Jan1int1r con rod¡¡ios pt'<¡t1c1íos o nH-::-didnlc µeq;_1eilt1:i reducciones en el espesor por pasre. (bJ Esfuerzos residuales clesdrrollado:; ¿i[ !arninar con 1odillos grandc•s ·:) nwdianle graneles reducciones en él espesor por pase. :'iólcse la inversió11 de los patrones de esfuc't'Z()', rc";1du.1ic•;. (a)
c2racterísticJ.s Gcbido a la dcforrn:ición no unifon1ie Uel nia1erial en el espacio de !am¡n~1ció11. pncden dcsarrnilar esfuc:rzüs residwde:; e!; piac:is y hojas lmninauas. e:;peciaimemc:· durante la lmnínr.tc:c),, en !río. Los rodillos de pcquciio Ji;ímelro o !as pequeñas reducciones por pase tienden a defonrnir el metal p!ú:;ticllmcníe c.n sus superl'icic:s (fig. i:J.9a). Esta siluacrón produce esfucrws résuíuales a la compn.osi6n las '.·,npcrficies {que pueden ser h1~náficos para un~ mejor vida a la foliga; y c:-:fuerzos a !a tensión en d centro. Por otra parte, rodiJ1os de gran di:.inietro y las grandes reducciones íienden a d¡;fonnar 1.Pdn d '.'Olunicn más que !as sup<'rficics (Yig. !3.9b); cslo se debe la li1ni1.an1c por fricción en las supeifícies a !n i¡¡rgo de! arco cnnl:K:to
El diseño. construcción y operación de los moiilloS de laminación (fig. 13. 10). requ[ere de inversion1.1~ de consideración. Los molinos altamente automatizados producen placas y hojas ele alta calidad y estrictas lerancias en elevados volúmenes ele producción y a un bajo costo por unidad de peso. particularmente cuando estün integradas la colada continua (véase la fig. 5.4). El ancho de los productos laminados puede tener un rango de hasta 5 m (200 pulg.) y un espesor de lo 0.0025 mm (0.0001 pulg.). Las vdocidadcs de laminación van hasta 25 mis (aproximadarncnte una milla por mü1uto) para el laminado en frío. o incluso tnás en instalaciones muy automatizadas y controladas por con~pu tadora. Los molinos de laminación con dos y tres rndiilos (figs. l :l. l la y b) se utilizan para la laminación en c:r-· lientc en Jos pases iniciales 1.mofüi.o de desbaste primario. cogging milis) sobre los lingotes fundidos o en colada continua. con diúmctrns de rodillos que van desde 0.6 m a l A m (24 pulga 55 pulg). En el laminador tres rodillos o lamimidor inven·sor, la dirección del movimiento del material se invicrle después ele cada pe>s:J· da; h1 placa que se . ;st:i bminando es elevada ele forma repelida al espacio superior de laminación. laminad"., y dcspuó~ bc~jada al espacio inferior de laminación 1nediante elevadores y diversos n1Hnipuladores. Los lmn.Rnadorcs de ~~uat:ro rodiHos (fig. 13. 1 Je) y los fa.n1anadores de Cf~nju111to n eTI11 iradn~o rw Seiílld:ú,mfr o Z) (fig. 13.l ld) se basan en e! principio que los rocliHos de dián1etro reducido disminu~. :11 las fuer·~.as de laminado y los requerimientos de polencia, reduciendo d ensanchado. En adic1ón, cuandr tún desgastados o rotqs, los rodillos pequeños pneden reemplazarse a un costo inferinr qut los grandes. embargo, los rodillos peque1·1os se flexionm:i rn:ís bajo de !as fuerz:as de laminado y deben ser soportadm: otros rodillos. corno ocurre en laminadorc.~s ele cuatro rodillos y de conj1mto. Aunque el costo de una ción dt:: un 1ren Scnclzimir puede alcanzar nülJones de dóiares es particularmente adecuado para la lan:in<--:1
un
Las toír,~r;.nici
mucho rn:1yores. La.'i 1oicr:mcíns por pianic!dad usuaime:ntc qw.xfon dentro cic :± p11iglpie) pa.ra Llr~únado en frío y de·± 55 rnm/m {S/g pulg/pie) para e1 iaminado en ca!!enrc.
nim/D~ \J/16
Aspereza SL!perfü::iai En la tlg. l l.12 se dieron los rangos de aspereza superficial en lJ·· minación en frío y en caliente; para fines de comparación., incluye rangos corresponciicnlcs a otros prcx'ccros de mmiufacturn. Nótese que el !amin;ido en ii'io puede producir un acabado .supcrl'icial muy i'i110. por lo que l->s productos hechos con hojas laminadas en li·ío pudieran no requerir de opcracíoncs de acabado. Nótese larnbién que el larninado en caliente y ia fundición en mena (sección l 1.2) produce1J. el mismo rang,1 de aspereza superficial.
1
FIGURA 13.lí llustració11 esquem;ítici de varias disposiciones de rodillos; (a) ele dos rodillos; (b) ele !res rodillos; (e) de rn
...~-CarcaL:a Rodi!lo irnpul.-;adi}
Núrnero de caHbre. El espesor de una hoja usualrnente se identifica por.un número de calibre: mienlras müs pequeño sea el núm•oro más gruesa scr;.í lu hoja. Se utilizm1 varios siste1mts ele numeración, dependiendo del lipo ele l{imina de me!al que se estd clasificando. Las hojas laminadas ele cobre y de latón 1ambién se identifican por cambios en su espesor durante el laminado, como por ejemplo l /4 duro. i /2 duro y :1sí sucesivai11ente.
3.4 --NOS-PAR/\LAMiNACIÓN Se construyen varios tipos ele molinos y equipos para laminación; LLtilizan varios arreglos de rodillos. Aunque el equipo para el laminado en caliente y en f1io es esencialmente el mismo_ existen diferencias en el material de los rodillos. los parámetros del proceso, los lubiicantes y los sistemas ele enfriamiento.
(a)
8
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(b)
fj ~-
({)
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(e)
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0 V
Segundo rodillo in1.crmcd10
.....-33()
Capítulo
"!
¡/
f~obdo o laminado de rneta!es Sección ·13.5 / Operólciones de lamí nado de forma
Pase /
4
T3.S()PERACIONES DE LAMI
HGUR.A 13.12
DE FORMA
Rollo de
Además de la laminación plana, se pueden producir varias formas mediante el laminado c!le forma. Pasando
suministro
la materia prima a través de un juego de rodillos especialmente diseñados (fig. 13.13, también fig. 13. J) se la-
Una operación e11 un l
ción en frío de hojas delgadas de metales ele alta resistencia. Los anchos comúnmente laminados son de 0.66 m (26 pulg.), con un máximo de 1.5 m (60 pulg.). En la laminación en tándem (Fig. 13.12) la tira es laminada continuamente, a través de un número de pases (véase la fig. 13.4), con calibres más pequefios en cada pase. Cada pase está Cormaclo por rodillos coo su propia carcaza y controles. Un grupo de pasos se conoce como un tren. El control del calibre y de la velocidad a la cual se mueve la hoja a través ele cada espacio de laminación es crítico. En las operacio. nes ele laminación en tándem se utilizan controles electrónicos y por computadora, junto con una amplia can. tidacl de controles hidráulicos (particularmente en laminado de precisión).
Rodillos. Los requerimientos fundamentales para el material de los rodiI!os es resistencia y resistencia al desgaste. Los materiales comunes para los rodillos sun Ja fundición de hierro, el acero fundido y el acero frJ1:jado. También se utilizan C
t!lbricantes. La laminación en calicnle de las aleaciolles forrosas ,;e efectúa por lo general sin lubrica11tc:s, aunque se pL!cde usar d grafito. Se usan soiuciones en base agua para enfriar los rodiJJos y para romper la casc
minan rormas cstrucl'urales rectas y largas. como barra sólida (ele varias secciones transversales), canales, vigas en l y rieles de forrocarril. Dado que la sección transversal del material se va a reducir ele una manera no uniforme, el diseño de una serie de rodillos (diseño de pases de rndiilos) requiere de considerable experiencia, a fin de evitar defeclos externos e internos, mantener las tolerancias dimensionales y reducir el desgaste de los rodillos.
13.5.1 Laminado en anillo Ea el proceso de laminad.o en anillo, un anillo grueso se expande a un anillo ele gran diámetro con una sec ción transversal reducida. El anillo se coloca entre dos rodillos, uno de los cuales es impulsado (fig . .l3.14a), y su espesor se va reifocienclo al ir acercando los rodillos uno al otro conforme giran. Dado que el volumen del anilio se conserva constante durante la deformación, la reducción en espesor se compellSél con un incremento en el diámetro del anillo. La pieza en bruto en forma de anillo puede producirse cortándola de 1ma placa. perforándola (véase la sección 14.4) o corlando un tubo ele pared gruesa. Mediante el uso de rodillos para anillo se pueden producir varias formas (fig. l 3.J4b). Las aplicaciones típicas para el laminado en anillo son los grandes anillos para cohetes y turbi1rns . las coronas de engranes las pistas para bolas y rodillos ele cojinetes. las bridas y los anillos de refuerzo para tuhcría, El proceso de laminad.o en anillo se puede efectuar a temperatura ambiente o a temperaturas el.evadas, de¡:ientlienclo del tamaño, resistencia y cluctilidacl del material de la pieza de trabajo. En comparación cor. otros procesos de rnanufactura c~paces de fabricar Ja misma pieza, las ventc\jas ele este proceso son un corto tiempo de producción, ahorros en rnateriaL estrictas tolerancias dimensionales y un flujo favorable del grano en e1 producto.
flGURA E1ap¿1~ e11 ed !aminado de forma de una pieza de sección en H. Mediante esh~ tipo de proceso tamb!én s<:' laminan varias ot1·;:1s secciones estructurdles, como canales y vigas en!. faapa 1
Elapa 2
Etapa 3
l:es;i:;os solubles en agua o lubricante:; de baja viscosidad, como aceites minern.Ies . rnHdsiones, par;1fina y aceite:; g1 (sección 32. l O). El medio ele calentamiento usado para el tratamiento térmico de Jas palanquillas y ele las piacas también puede servir como lubricame. Por ejemplo, las sales residuales de baños de saies fundidas (sección 4. 12.3) ofrecen una lubricación efectiva durante eJ laminado. Rodillos de desbaste
Rodillos canteadorcs
Ejemplo: Una operación de laminado en tándem Etapa 4
aparc~ce
Una operación típica de laminación de hoja en!ándem en la Fíg. 13. 12; indicando el espesor y Ja velocidad ele la hoja después de cada reducción en los pases. La hoja ele 2.25 mm (0.088 pulg.) se sumí.. nis1:rn de un rollo. La velocidad supeiticiaJ ele.Ja hoja después de la primera reducción (pase 5) es de 4..J mis (820 pies/min). Se hacen cuatro reduccionesadíciónales al pasar a través del resto de Jos pas.:s . .El espesor final de la hoja es de 0.26 mm (0.010 pulg.j, y la hoja se almacena en eJ rollo tensionaclora una velocidad de JO mls(6000 píes/111i11). La reducción de espesor H)taJ es (2.2S:--0.26)i).25 0.88 es decir 88%.
=
331
:u: • Etapa5 .
Rodillos de forma horizontal y vertical
E.tapa-~ ! __ . __
'
1
.
'
-
Rodillos intermedios horizontal y vertical
-
Rodillos canteadores
-
··--'= - .
' -·--
Rodillos de acabado
horizontal y vertical
332
C1pítulo 13 /Rolado o laminado de metales
Sección ·¡ 3.5 /Operaciones de laminado de forma
333
(<1)
(e)
(al
~· ~· ~--....... cstacionmio -/::;:__ en
\- ---·---
(b) Rodillo rcdonUcador -
Pieza ~-=-=-=-=-~ roscada Dado
_,'
·'
-4-------
)o--
(b)
Dado
·cu
d ~ , .. Dci;~n~Jrico
1raba.JO " / /
' \
í
Pieza bruto
'
cilíndrico t , estacionariürcr~l
Rodillo Joco
=--
( J_
-¡- .• . --
-
\~: ·1 T
móvil
j-~-Fuerza
11
'
Apoyo de! Picz:: de !r~ünljo
FIGURA 13.15
.•.,;/
trab~tjo
Procesos de laminado de roscas: (a) y (e) Dados planos reciprocanles; (bi dados de dos
rodillos. Mediante estos procesos, se fabrican a bajo costo y altas tasas de prociucción !os sujetarlores roscado'.?, como los pernos, flGU!M 13,'14 ('1) ilustración esquomática de und operación de lamin
,S,2
Las roscas se laminan en Jos metales en condición suave, en vista ele los requerimientos de cluctilid~d. Sin embargo, posteriormente se pueden someter a tratamiento térmico y, de ser necesario, a Llll maquinado o rectificado finaL Para metales en conclicíón dura, las roscas se maquinan y/o se rectifican, Las roscas laminadas están disponibles en las formas de rosca estándar de más amplio uso; las roscas poco comunes o las de propósito especial por lo general se maquinan.
de roscas
¡niceso de lamimulo de roscas es un proceso de formado en frío en el cual se forman roscas rectas o cónicas en varillas reclonclas, al pasar éstas entre dacios para ciar forma, Las roscas se forman sobre la varilla o sobre el alambre en cada carrera de un par de ciados planos reciprocantes (fig, J3, 15a), Los productos típicos son los !ornillos, los pernos y piezas similares roscadas. Dependiendo clei diseño del dado, el di{imetro principal de una rosca laminada puede o !l(J ser mayor que una rosca maquinada (fig. 13, l 6a), esto es, la misma gue el diámetro de Ja varilla en bruto, En cualquier caso, se mantiene el volumen constante, ya que no hay remoción ele material.
f!GUnA ·13.-~6 (<:t) CjrJcterísticJs de una rosca maquinada o laminada. (b) Flujo del gr;::ino en roscas maquinadas y larriinacias. A diferenci<:1 del maquinado, que corta 8. través de los granos del metal, el !aminado de las roscas genera una mejor resistencia, gracias a! trabajo en frío y a un flujo favorable de! grano.
(al
Düímetro de la barra
¡
--r Dlámetro Di{unetro menor
El proceso es capaz de general formas similares, como ranuras y varias formas de engrane, en otras superficies, y se puede utilizar en la producción ele casi tocios los sujetadores roscados a elevadas tasas ele producción. En otro método, se formas las roscas con dados rotatorios (fig. l 3. !5b) a tasas de producción de hasta 80 piezas por segundo. El proceso ele laminado de roscas tiene la ventaja de generar roscas sin ninguna pérdida ele material (desperdicio) y con buena resistencia (debido al trabajo en frío), El acabado superficial es muy terso, y el proceso induce sobre la superficie ele la pieza esfuerzos residuales a la compresión, mejorando por tanto la vida bajo condiciones de fatiga.
___
J
Rosca maquinada o laminada (b)
A -
---- - --
:
.:::::::=-=....-=-:...
El laminado ele roscas es superior a otros métodos de manufactura de roscas, dado que el maquinado de las roscas corta a través de las líneas ele flujo del grano del material, en tanto que el laminado de las roscas deja un patrón ele flujo fino ele grano que mejora la resistencia ele la rosca (fig, 13.16b).
mayor
,_ L~·· t\t' ª _l
~
~
.------=-==--=-
. -=.::::=:~==
--=======·=:._=::::::==-= Rosca maquinada
Rosca laminada
334
CJpftulo ·¡ 3 / F~:olado u !aminado ele mctr:iles Sección-¡ 3,7 /Colada y laminJdo'continuos; ],1rni11o:idmas integradas y minilaminadoras
~""'""es rec-
Mediante procesos de laminado en frío similares al laminado de roscas se pueden"""""'" ios y helicoidales (véase también la sección 23,8), El proceso se puede llevar a cabo sobre piezas
(b)
(a)
sólidas en bruto o sobre engranes precort
Rodillo
(
E! laminado de roscas internas se puede llevar a cabo utilizando un madrnelo de fonmado sin es!rías, (véase también la sección 22, 10), Esta operación es similar a la de la laminación de roscas externas, produce
__
roscas internas de precisión con buena resistencia.
Pieza de trabajo
_r~:;:;> ~1---(
En las operaciones de laminado de roscas la lubricación es importante a fin de obtener buenos acabados e integridad superficiales y minimizar defectos, Eo importante la forma en que el material cambia de forma durante la deformación plástica, ya que es fácil que se generen defectos internos (véase, por ejemplo, Ja
335
'
Varilla
Pieza de (d)
(el
RocJ(JloPiJat.:r
Rodil\o
rig, i4,20), Los dudos que por lo general son fabricados ele acero endurecido, son de manufac!ura costosa debido a que su forma es compleja. Por lo general no es posible rec1ificarlos una vez desga:-::ados, Sin embargo, con los materiales apropiados para los dados y una buena preparación, la vida del dado puede alcanzar una producción de miliones de piezas.
/
'~> P1c7,a de
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tral"~º
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1·-J-1--
=--Ma~1drilfrJ':"j:__ '
~
u! ""'~ ~r--\
tvd)=:J
- - ,
Pieza de lrabajo
!-
llustracicín esquemática de varios pmcesos de laminado de tubos: (a) con mandril fijo; (b) con mandril móvil; (e) sin mandril; y (el) bminado Pilger sobre un mandril y un par de rodilios de lürrna, También mediante otros procesos, corno e! estirado, la extrusión, e! girado se pueden modificar ios diámetros y los espesorc-,; de los tubos, f!GURA 13:.18
y
1
FI niüitivo !ubos es un prnceso de trab;\jo en calic·:nte parn l en expnndicncío la pcrfor;:ciún y dimensionando el di
i'ormaci
rol.c:Jiv,1 de iuhos para l-'11 lo~ alío~ de 1flHO.) (
(bJ (e)
_l_:J
J
8i
-«'--~
Tubo
¡e=------,._(01)'"
B.7 COLADA Y LAM! NUOS; LA/v\li"-JADORAS INTEGRADAS Y MlNILAMINADORAS En la sección SA se describieron las ventajas de la colada continua. Esta operación, también llamada fondidón en tramos, está muy automatizada y reduce ele manera significativa el costo del producto, Se trata de un desarrollo de importancia y la mayor parte ele las empresas están convirtiendo rápidamente sus instalaciones a este tipo de operación, También, en vista que el número de operaciones involucradas puede hacer que la producción convencional de !ubos y tuberías sea costosa, también se puede utilizar un método ele fmullición (cvlado) por rociado (proceso Osprey) (fig_ 13. 19).
Laminadoras o molinos integrados. Se trata de graneles instalaciones que involucran las actividades totales desde la producción del metal caliente en un alto horno (fig, S, l) al vaciado y laminado de productos terminados (sección SA) listos para su embarque al cliente. Minilaminadoras. La competencia existente en la industria del acero ha conducido al desarrollo de las minilaminadoras o minimolinos, una operación relativamente nueva pero de importancia, En una minilami-
1
l(;<.\~~JJ'}o/~~"'.f'\l':>:l;-'"'.l"':'~;'~~l!iio"""'2
1
mantenerse en :.rn siüo mediante una varilla larga., o puede tratarse de un mandril flotante sin apoyo. Debido a la severa deformación que sufre la barra, el material debe tener una ekvada ductilidad y debe estar libre de defectos, El diámetro y el espesor de tubos y tuberías se pueden reducir mediante !a lam.im1ción de tubos, que usa rodillos de fo.nna (fig. ! 3. 18) ..A.!gunas de.estas operaciones puede hacerse con y sin 111andril interno. En la fiaminación p¡Rger el tubo y el mandril interno tienen Lm movimiento reciprocante; los rodillos tienen una ma especial y girnn continuamente, Duran le el ciclo de espacio del rodillo,, el tubo se ndcfanta y rota, inicia111Jr, otro ciclo de reducción del tubo, En el capítulo 15 se presentan otros procesos parc1 1a manufactura ele tubo
·brt'ú·"
filh"'WM''
nadora, se funde el metal de desperdicio o chatarra en hornos de arco eléctrico, se hacen coladas continuas y s~ laminan directamente en Hneas específicas de productos. Cada minilaminadora produce esencialmente w1
336
C1pílulo -¡ 3 /Rolado o L1minado ele metales Bibliografía
337
--
Cuchurón c:.dentado
TENDENCIAS " Se está implementando con gran rapidez ia colada y el laminado continuos tamo de metales ferrosos como no ferrosos. "' El formado por rociado ele productos planos de forma casi final está empezando il competir con el colado directo ele tira. También el proceso Osprey para el colado por rociado ele tubos, hoja y tachos está empezando a alcanzar un status de producción.
flGURA 13.19 Cobdo por roriildo (proceso Osprey), en el cu;¡I el metal tundido es roc:ad0 sob1c un mandril giratorio a fin de pmducir tubería y iubos sin costuru. Fuente. J. Szekely SciP.nliJic American, Julio de 191l7.
" Están ocurriendo desarrollos adicionales en las minilaminadoras. a fin de laminar prodL
1
" Se están efectuando operaciones ele !aminado con un mejor control de las propiedades del maíerial y de su microestructura, y cada vez más están produciendo superficies más tersas. lipo de produclo lamimtclo (varilia, barra o secciones cc;1ructurales corno ángulo) a partir Je básicamente un tipo de metal o aleación. La chatarra, que se obtiene localmente a fin de reducir costos de transporte, c:;t:í por lo general formada por maquinaria, automóviles y equipo agrícola viejos.
"' El laminado en anillo sigue desplazando las operaciones ele maquinado en la producción de pistas pc;ra cojinetes. " Existe una tendencia creciente a buscar lubricantes que sean ecológicamcntc amigables. Se está invcotigando un control más estricto de lubricantes residuales (aceite de laminación), a fin de mejorm· su confiabilidad para procesamiento posterior.
Cas mini!nminadorns tienen las ventajas cco11órnicas de operaciones óplimas de b11ja inversión p;.;r:c
laminación es el proces-.l de reducir d espesor o de cambiar iu wrcción lrnnc
E! h1rnirrndo sr~ puede llevar a cabo a la lemperaturn ambiente (laminado en frío) o a tcmpen1!uras elevadas (laminado en cali,;nte). El proceso involucra varias variables cld m:llcrf"ial y del proce;;o. inciuyenuo el uiúmuro del rodillo (en relación con el espesor del material), rL:duccitín por paoad;;, vc.iociclad, lubricación y temperatura. El ensanchado, ci doblado y el aplanado snn considerncioncs ele importancia para el control de la precisión Jirncnsional del material laminado. L,as laminadoras tienen una diversicbd de configuraciones de rodillos, como por cjcmpJo de dm:, de tres, ele cuatro, en conjunto (Sendzimii) y en tándem. Se puede apiicar tensión frontal o posterior al material, a fin de mejornr la apariencia y para reducir las füerzas de laminado. 0
En rnzón a sus beneficios económicos se ha hecho práctica común la colada y el laminado continuos de metales ferrosos y no ferrosos en productos semitenninados.
'" Las laminadorns integradas son grandes instalaciones que involucran toda Ja secuencia completa de actividades, desde la producción del metal calienle en un alto horno hasta el colado y laminado de productos terminados listos para su embarque al cliente. En una escala mucho más reducida, las 111ini1a111inacloras utilizan chataITa metálica, que es fundida en hornos de arco eléctrico, colada y lamí-nada de forma continua en líneas específicas de productos.
Base
Laminado de rosca::í
Colado ror rociado Comb;;idura
Corona
Laminado en anillo Laminado en cahente Laminado en frío
Eosanchr.1.(lo
L,aminado en tünclcm
Espan.:ir
;.,aminado plano
Eslrucwra colada Estn1ctura la1r1inada ·: i·o1J;.1.d;,)
Laminado Steckd Laminador dcsbaslado1· Luminack1ra Laminadora Pi lger Lam.inadora Scndzirnir Mí1ülaminadora Molinos de lan1inación Número ele calibre
Fundicl6n por rociado Hoja Hoja
Hojeamicnto Laminado Laminado conjunto Laminado de forma Laminado de relevado
N..,~;¡<·
Rodillo
Supone í.k rodillo Tensión frontal Tcnsi6n posterior Tiro Tocho Tren de ian~inación
Palanquilla Papel
BIBUOG Blazynski, T.Z., Plasticity and Modem Metalcforming Technology. Elsevicr, ! 989. Gínzburg, V.B., High.-Quality Steel Rolling: Theory and Practice. Marccl Dekker, 1993. _ _ , Steel-Rolling Technology: Theory and Praclice. Marce] Dekker, 1989. Bosford, WF. yR.M. CadddL Metal Fonning: Mechanics and Metallurgy (2a Ed.). Prentice Hall, 1993. Lange, K. (Ed.), Handbook of Metal Prmning. McGraw-Hill, 1985 .• :
Pases Perforado rotativo dt: tuhus Placa Planchón Proceso rvra11ncsrnann Prrn..:eso Osprey Punlo neutro
- - - - - -------·---Larlce, E.C., The Rolling of Strip, Sheet, ami Plate (2a Ed. ). Chapman & Hall, 1963. Roberts, W.L. Cold Rolling ofStee/. Marcel Dekker, 1978. _ _ , Hvt Rolfing of StceL Marce! Dekker, 1983. Star!lng, C.W., The Theory and Practice o.f Flat Rulling. T;1e University of London Press, 1962. Underwood, L.R., The Rolling ofMeta!s, Vol. L Wiley, 1950. Wusatowski, Z., Fundamenta.Is ()/Rolling. Pergamon, 1969.
33g
Cipítulo l J / RolJdo o l
UNTAS DE REPASO
_ 339
13.29 En la fig. 13.9a, si usted elimina la capa superior a la compresión mediante, digamos, esmerilado, ¿se conservará la tira plana?, de no ser así. ¿en qué dirección se curvará y por qaé?
]J,] ¡Cuül es la lllforcncia entre una plnca y um1 hoja'?
13.30 Nombre varios productos fabricados mediante cada uno de los procesos mostrados en Ja fig. 13.1.
!3.2 Defina (a) espacio de laminación. (b) punto neutro. (e) tiro.
13.31 Estudie algunos pernos para máquina y comente sobre si piensa que fueron fabricados mediante laminado de roscas
13.3 ¿QJJ0 factores contribuyen a la ex1ensi<)n t:n el laminado plano?
o mediante maquinado.
B.4 Explique los tipos de deflexicín que sufren los rodillos. !3.5 Describa las diferencias
exi~tcntes entre u11 tocho, planchón y una palanqudla.
13.6 ¡,Porgué es necesario nívelar los rodillos?
PROBLEMAS CUANTITATIVOS
13.7 Liste los defectos que comúnmente se observan después del laminado plano. ü3.8 Explique las carnctcrísiú.:as de los distinlos tipos de laminadoras. 13.9 ¡,Cuál es ia ventaja de.! laminado en tándem?
13.32 Utilizando simpk.s relaciones geométricas y el principio del p!ann inclinado para la fricción, demuestre la ecuación (13.1).
R3.10 Haga una lista de algunas piezas que :)e pueden fabricar mediante e1 laminado de forma. nJ.ll ¿Cómo se mamrfacturan los tubos sin costura?
13.33 Demueslre que ei máximo ángulo a (conocido como á1rgulo de aceptación, fig. 1:~.2b) al cual se puede tirar de una placa hacia adcnlro del espacio de laminación e.s igual a tan- 1 µ,. siendoµ, el coeficiente ele fricción.
13.12 Describa tipos de productos que se pueden hacer mediante el laminado de roscas. l3.13 Expliqne las car
13.34 Calcule la fuerza del rodillo y el par cie torsión para una tira de acero al carbono AJS! 1020 de 400 mm ele ancho y de 1O mm de espesor, laminado a un espesor de 7 mm. El radio del rodillo es de 200 mm y gira a 200 rpm. ]3.35 En el ejemplo de la sección 1>.2.2, calcule la fuctza del rodillo, F. y la potencia. parad caso en el cual el material de la pieza de trabajo es aluminio 1 100-0 y el radio del rodillo Res de 8 pulg. 13.36 Calcule los tiros individuales en cada uno de !os pases del ejemplo del laminado en tándem dado en Ja sección 13.4.
El la1nim1Jo reduce el c.spesor de las placas y hojas. Es posible, en vez de ello. reducir
rnndu el material. ¡,Sería l;~-;tc un proceso foctib!e'? Explique.
espesor si!llplell!cnlc eHi-
13.37 Suponga que usted es un instruclor ocurxindose de los temas de este capítulo. Prepare tres problemas cuantitativos para poner a prucha los conocimientos de sus estudiantes en relación con ei contenido de este capítulo. Dé sus propias respuestas a cada problerna.
Se dice que la necesidad es L1 madre de las invenciones. Explique por qué fue inventado y desarroliadu ,,¡ p;occso de !aminado. Explique la forn:a en que los ¡x11rones de esfuerzo residual que se muestran en la lig. i 3.9 se invierten cuando se modi rica el radiü del rodillo o Ja reducción por pasada. Explique si es posible que sea rr:icrico aplicar la iécnica Je nivelación de rodillos que se mucstrn cil Ja fig. i .\.7 a pla-
cas grues;_is.
qué manera afectan ti ap!fcnci6n de las tcnsíoncs .a !a prácti.c:.i de laminado plano?
[\~;;criba cuük:-: :~on
lo:; Ltctorcs tJUc afectan lci fuerza del rodiilo,
en ia fig. ! 5.2<:.
hxp!iquc de quC manera aplicaría usted iensioncs fronlalcs y po.stcrior'.:s a m..::taics e¡¡ hoj;_¡ Jurante la larninac!on
En J~1 sección 13.2.2, ohscrv<:;m¡y..; que lo~ rodiHos iienden a aplanarse lx.üo las fucrza.r.; aplicadas ;1 Jos mismo.:;. Dest:riba los métodos mediante los CLmlc:-; se puede reducir dicho aplanamiemo. ;, Qué propii:dad n pmp1edades de urnlt:rial Je! rodillo pueden mcrcrnen!arse par:i_ reducir el aplanamiento? 13.22 El ensanchado en el laminado piano se incrcme111a con (a) la reducción de la relación :ll!cl1" a cspcs(Jr 1kl ma
Explíque por qué se presentan estos incn.:mcntos. Explique la.s razones técnicas y económieas para efectuar reducciones grandes en vez de peque11as por pasada en el laminado plano. 13,2'! En la flg. 11.12, ob.servamos que la aspereza 1fo la superficie en el laminado en caliente es mucho más elevada que en el laminado en frío. Explique por qué.
13.25 Como se dijo en este capHulo, el laminado plano se puede llevar a cabo mediante ten.sión frontal únieamente. utilizando rodillos locos (laminado Steckel). Por tanto el par de torsión de los rodillos es cero. ¿De dónde, entonces, proviene la energía para suministrar e! tra!xijo de deformación de 1a laminación? nJ.26 ¿Cuál es 1a consecuencia de apücar una tensión posterior demasiado elevada en la laminación?
D,27 En la fig. 13. l 1d. note que los rodillos impulsados (rodillos de potencia) son el tercer juego a partir del rodillo de tra· ba¡o. ¿Por qué no se suministra la potencia a través del rodillo de trabajo mismo? ¿Es incluso esto posible? Explique.
13.28 Describa la importancia de controlar las velocidades de Jos rodillos, los espacios de laminación. la temperatura y otras variables de! proceso en una operación de laminado en tándem, como ta que se muestra en el ejemplo de Ja sección 13.4.
13.38 La fig. !3.4 muestra un dibujo sencillo para un pase de una laminadora de cuatro juegos de rodillos. Haga una investig<:1ción de la literatura técnica disponible. y pn::scnte un dibujo mfü; Uetallado de este tipo de paso, mostrando los com ponentes principales. ~3.39 Consiga un pedazo de gomi.l. de horrar blanda
y redonda, como la que se encuentra en ull extremo Je !os lápices y duplique el proceso Hmslrado en Ja !lg. 1'.~.!7b. Observe cómo la porción ~entra] de la gorna empezará a cros1onarse produciéndose una perforación. 0
13.40 Si usted repite el experimento al final de este capítulo,
Sección 14.1 /Introducción
(e)
(a)
j
341
81oc¡ueador
Terminado Dientes foijado
neto\
e los
etal s net()
C:isi ndo
·¡4_-¡ ·¡ 4.2 ·¡ 4.3 ·14.LJ iA.S !4.6
i 4.7 ·¡4_g 1 4_·¡
!I i)
4.
Neto
lnt1·oducció11 Forja.do con dado abier,\·o
(b)
Dado íJTipresor y forjado con dado Cf:rradc ()perdciones relacionadas con¡_::::) rorjado For,iado rotatorio
Disefío del dado de forjado J\!\;iteriales )' lubric1ción de Forjabilidad /vláquinas de forjddo
102'
dado'.::
f-!GiJRA 14.1
Pr()ciica del forj<.ld(} y po~~íbilidades del proceso /Vlétodos de p1·epcffación de d::J.dos c-11 ios d<"!dos del fnrj11cio f~GUlV\
14.2
EsquCíYia del forjJclo y operac..ione~ relacionadas con él.
4.
Fo1jabiliJad
El es un proceso en ei que la pie1.e1 se conforma median le fücrzoi;, ·"lcesivas de cumpresión, aplícaUas a través de diversos clados o inatrices y bcrnunientas. Es u.na de hi;) operaciones .mLls antiguas de trabajo de metales: se prac:icaha cuando n1enos desde 4000 a.C., y quizá de~-;dc 8000 a.C. Se usó primero para fabr.icar joyería, monedas y diversos ímp1ementos, nrnrtiUando d rnelal con herramientns de piedra. Se pueden hacer operacione:; sencillas de foija con un marro de mano, o maceta, y uri yunque, como lo hacen los herreros en forma tradicional. Sin embargo, la mayor parte ele las fo1jaó requieren un conjunto ele matrices y equipo como prensas o martinetes. A diforencia de las operaciones de !aminado, que en general producen placas, J;irninas, solera o diversos pe1fücs, las operaciones de fo1jado producen piezas discretas. Entre los productos característicos del forjado están tornillos y remaches, bielas, ejes de turbinas engranajes (fig. l 4. la), heITamientas de mano y piezas estructurales para m
340
(a) Esquema de los pasos para forja1· un engran·é.'
có11ico con su eje. Fuente: lndustry Association. (b) Corn~ ponentes deí tren de aterrizaje aviones CSA y CS B de transporte, fabricados por forjado. (e) Vista genera[ de una prens::: hiclráulica el•.' 445 /v\N (50,000 ton). Fuente de by e: \VyrnanCo1 don Company.
Cabeceado, acuñado, 1
dado convexo, de: uniiJn, punzonado. Jcsbfü,tC. for:jado en
___ J__
[ Ca!icnlc. ~ Tibio. j
Maquinado.
Tratamiento
!sotó;~~~_J
it!nnicu,.~~?.::do
'1
Dado abierto,
1
' Recorte.
Dado de. impresión.
Estampado,
Dados cakntados
Aserrado,
Despuntado. Maquinado
-----··:r Rl~C01'1(:,
laminado
.
]
Precisión, Orbital.
1 Ll{otatorio
--,1
Mo.11inetc:>, prensas, máquinas de fo1ja Diseño y fabdcación de <.lados Lubricación
LiITIJ?iCZ<.:___
J
lnspc\.Tión
2.ft 342
Capítulo ·¡ 4 /Forjado de los metales Sección 14.2 /Forjado con dacio abierto
(a)
(b)
(e)
Dado
(a)
~rl c¿-~j_
q
-~~. ·./'· .
'"·.··.:· .. ,
Pieza
FJA
(a)
fundición, (b) maquinado, (e) forjado. Fuente: Forging lndustry A.ssociation.
Se puede controlar el flujo de metal y la estructura del grano para que las piezas forjadas tengan buena resistencia y tenacidad y se puedan us2r con confianza en aplicaciones críticas, donde se requieran grandes resistencias (fig. 14.3). El forjado se puede hacer a temperatura ambiente (jo1jado enfrío) o a temperatu.-a elevada (jóríado en caliente; véase la sección l. 7). El forjado '~n frío requiere mayores foerzas, por Ja alta resistencia del malcri;iL y los materiales de la pie· za deben tener la ductilidad suficieme a temperatura ambient.:. Las piezas forjada,; en frío tienen bl!en acabado superficial y buena precisión dimensional. En el fo;jado en caliente se reqLiiercn menores fuerzas, pero producen precisión dimensional y acabado superficial que no son tan buenos. En gcneraL las piezas fo1jadas requieren operaciones adicionales de acabado, como por ejcn1plo tratamiento térmico, para modificar sus propiedades. así como m2quinado para llegar a tener dimensiones linalcs exactas. Se pueden r<:ducir estas operaciones ai mínimo con el.forfado de precisión, importante ejcmpio de Ja tendencia que hay hacia los procesos de conformado a forma neta, o aj(mna casi neta. Esta tendencia reduce en forma apreciable la cantidad de operaciones reyLteridas, y por consiguiente el costo ele manufacl:ma pa-
ra llegar a] producto finaL
lfn componen Le que se pueda forjar bien tainbién puede otros .métodos, en forma ec(;mí1rn. ca, por cjempío, por fundición (parle Il), por metalurgia de polvos (capfrulo 17) o por maquinado (paHe IV). Sin embargo, como era de esperarse, cada proceso produce piezas con distintas características y Jim]taciones en especial en cua1110 a resistencia, tenacidad, precisión dimensional, acabado superficial o defectos externos. 1
E! j(Jrjedo con dado abierto es el proceso mús sencillo de csla dase (tabla 14. l). Aunque
lm; fo1j.-::; hechas con dario abierto pesan en general de 1S .J. 500 kg \}O
l 000
!11),
se han
l~i
mayor par!¡; de
frn~j<-1do
has
IA!B~_/\ 1r 4~-~
P1occso
------------Dack• ahicno
Dado cenado
Bloqueador Tjpo convencional
De prt:cisión
Dado::
sencillo~ pc.1co costosos;
Lítil para pcqucfias
crnuicladL·s: amplia gam~i de tarnaños d1sponibles; buenas carncterí.sticas de resistencia.
Limitado a forrn;1:,
L
t.
~fabricada con tres procedimientos, mostrando el flujo de granos:
---~-------~-----
~rn1-illas; dificil nwn!rncr
to!eruncia.s estrecha:..;: necesario el maqt1in;t
(b)
(e)
·. . !
F:'. )»: ·'._· :. .·
' ~~ .
Dado
FIGURA 14.4 (a) Cilindm sólido comprimido entr¿, dos dados phnos. (bl Deformación uniíorme del rnat.e1·ial sin fricción. (e) Deformación con fricción. Obsérvese el abarrilamiento del cilindro causado por las fuerzas ele fricción en Lis interfases entre tejo y matriz. ta de 300 toneladas. Los tamaños plleden variar desde piezas muy pequeñas hasta ejes de unos 23 m (75 pies) de largo, como los de hélices de barcos. S<~ puede describir al proceso con matriz abierta como una pieza sólida colocada entrn dos dados o matrices planos, cuya altura se reduce por compresión (fig. 14.4a). Este proceso también se llama recalcado, o forjado con dado plano. Las superficies del dado en el fmjaclo con matriz plana pueden tener cavidades sencillas, para producir forjaduras rclalivamente sencillas. La deformación ele la pieza bajo condiciones ideale.', se muestra en la fig. 14.4b. Debido a que se mantiene el volumen constante, toda reducción de altura aumenta el diámetro de la pieza fo1jada. Obsérvese que, en l.a fig. l 4.4b, la pieza se deforma uniformemente. En las operaciones reales, la pieza desarrolla una forma abarrilada (fig. 14.4c); esta deformación también se llama "pancaking". El abarrilamicnto se debe principalmente a fuerzas-él.e fricción en las inte1fases entre dado y pieza, que se oponen ai flujo de los materiales hacia afuera, en esas regiones. Se puede reducir el abarrilamiento al mínimo si se usa un lubricar.te eficaz. Tambi6n puede presentarse el abarrilamiento al apianar pie1.as calientes entre dados fríos. El material en y cerca de las interfases se enfría con rapidez, mientras que el resto de la pieza permanece relativamente caiiente. Así, d material en los extremos de la pieza tiene más resistencia que el del centro. En consecuencia. la parte central de la pieza se dilata más én dirección lateral, que en los extremos. El abarrilamiento debido a efectos térmicos se pL!ede reducir o eliminar con dados calentados; también se usan barreras térmicas, como por ejemplo tela ele fihrn de vidrio en el contacto entre el dado y la pieza. El clesbasle, ("dowing out') es principalmente una operación de forjado en dado abierto en la que se re· cll!ce el espesor de una barra en pasos sucesivos ele fo1jado en intervalos específicos (fig. 14.5). Como el área de contacto por golpe es pequeña, se puede reducir el espesor ele una pieza larga de una barra sin necesidad ele grandes fuerzas ni gran maquimuia. Los herreros hacen estas operaciones con mmtillo y yunque, con piezas calientes ele metal; las rejas de hierro, de diversos contornos, se suelen hacer con este proceso.
producción; utilización rclativamemc mala del mmeria!; se requiere mucha dcslreza. Utilización rclalivamenlc buclla del material; en general mejores propiedades que las f01:jas con dado abierto; buena precisión dimensional; gran capacidad ele producción: buena rcproducibi!idad.
Bajos costos de dado: grandes capacidades de producción. Requiere mucho menos maquinado que el bloqueador; grandes capacidaJes de producc16n; buena utilización del material. Tolerancias cerTadas: cun frecuencia es innecesario el maquinado; muy buena utilización dd material; l!S faclible con almas y bridas muy ctel~;adas
Gran costo de los dados cuando las carytidacles son pequeña:~; con frecuencia se necesita rnaqulnado.
Necesario maquinar para llegar a la forma final: son necesarias almas gruesas y biseles grandes.
(b)
(a)
1 ... - -
Dado
1--
Dado
Costo de matrices algo mayor que para d tipo con bloqueador. Requiere grandes fuerzas, dados intrincados y medios para separar L1 fo~jadura de los dados.
·----------------
.343
fiGl.JRA 14.5 Dos vistas de una operación de desbaste de una barra rectangular. Los herreros usan este proceso para reducir el espesor de las barras martillando la pieza sobre un yunque. Obsérvese el abarriiamiento de la pieza.
'~'14
Cipí'tuJo 14 /Forjado de Jos meraJes
5ecdón 14.J /Cado impresor y forjado con dado cerrado
Esta foerza, F, en una operación de fo1jado con dado abierto sobre ima pic;:a sólida cilíndrica, se puede calcular con la fórmul8
345
fuer.za de
F = Y1 ,,,. r
º(
l.
+
(a)
--E.- -- - --3-
2¡;,r)'
JI-; ,
(14,1)
donde el esfiterw de fluencia del material (véase el siguiente ejemplo),µ es el coeficiente de fricción y r y h son el radio y la alturn de Ja pieza, respectivamente. La deducción de esta y otras fórmulas para diversos procesos de fo1jado se puede consultar en la bibliografía que aparece al final de este capítulo.
PiL~Za bruta (ba1Ta)
(b)
~'~--=--'.:::L
*=-~~~~ Recalcado
Ejemplo: Cálculo de !a fuerza de forjado
~cilíndrico
V
macizo ele acero ínoxídable 304 tiene 150 mm (6 pulgadas) de diámcrro y 100 mm (4 /pulgadas) ele alto. Su allura se reduce a 50% a temperatura ambiente, mediante forjado con matrices planas y abiertas, Suponiendo que el coeficiente de fricción sea 0.2. calcule Ja fuerza de fo1jado al fiml de ia carrera.
Solución: La fuerza de forjado al final de la carrera se calcula con la ecuación (l 4.1 ), en la que las dimensiones se determinan con !as dimensiones de la forja. Así, Ja altura final h l 00i2 50 mm y el radio final, r, se determina por Ja constnncía de volumen, Jgunlándo los volúmenes antes y después de la deformación, se obtiene
=
=
Bloqueo
(e)
~~~ ic___/'\,,~~ Acabado
l~c
En consecuencia, r= i06 mm (4.17pulgadas).
~
La cantidad. Y¡ en la ecuación (14.1) es el esfuerzo de fluencia o punto de cedencía.dcl materia], e! esfuerzo requerido para continuar la defonnación plástica il deterniina
e = In
E~~
100 \
!
50 !
·~ 0.69
~~,
ft=~~--~'-:jJ
L_c_;=]J
-.r<§i
b
Recorte
flGIJRA 14.7 (a) Etapas en el forjado de una biela para motor de combustión interna. Obsérvese la cantidad de rebaba que se requiere parJ asegurar el buen llenado de las cavidades del d<1do. (b) Operaciones con dado convexo y (e) con dado cóncavo para distribuir el material al preconforrnar !a piez,1 bruta que se va a forjar.
AJ examinar la fíg. 2.6, se ve que el esfuerzo ele fluencia del acero inoxidable 304, a llna deformación unitaria rea! de 0.69, es 1000 MPa (140 ksi). Ya se puede calcular la fuerza de fmjado, observando que !as unidades de la ccuacióu (l,f. !), para este problema, deben s('f N y m. Entonceo;
4.5 X J0 N °~ 45 MN "" 107 lb ·~ 5000 tons. 7
··------
----------·---~------IMPRESOR Y FORJADO CON DADO CERRADO
4 ..3
En el.fórjada con dado impresor, o forjado con matriz de impresión la pieza adquiere la forma de las cavidades (impresiones) del dado, al fo1:jarse entre dos matrices perfiladas (fig. 14.6). Obsérvese que algo del material fluye hacia afuera y forma una rebaba. Esta rebaba tiene un papel importante en el flujo del material en
(a)
(b)
(e)
Dado·-~~~ -~ =· .~:;::: ': .
Pieza bruta Dado --
·
-Rebaba
FIGURA 14.6 Etapas en la forja con dado impresor (estampado) estampado de un material redondo sólido. Nótese la formación de rebaba, que es el exceso de metal que después se recorta (véase la fig. 14.8).
el estampado: es delgada, se enfría con rapidez y, por su resistencia a la fricción, somete a graneles presiones al material en la cavidad de la matriz, promoviendo así el llenado de la cavidad. La pieza por forjar se prepara con operaciones como a) corte o recorte ele una barra extruida o estir"da, b) operaciones de preconformaclo, como metalurgia de polvos (sección 17.5), e) fundido o d) una pieza la preformada en un fo1jado anterior. La pieza bruta se coloca en el dado inferior y, al comenzar a descender el dado superior la forma de la pieza cambia en forma gradual, como se ve en la forja ele una biela represen·· tada en la fig. 14.7a. Los procesos ele preformado, como el forjado con dados cóncavos y convexos (figs. 14.7b y c) son para clisttibuir el material en las diversas regiones de la pieza bruta, en forma parecida a como se conforma ln masa para hacer bizcochos. En el forjado con dado cóncavo el material se aleja de una zona; en el forjado con dado convexo se junta en una zona localizada. A continuación, a la pieza se le cla la forma aproximada de la biela con un proceso llamado bloqueo, usando dados bloqueadores. La operación final es el acabado de la forjadura en matrices de estampado, que le dan su forma final. La rebaba se quita, normalmente mediante troquelado (fig. 14.8). Los ejemplos de las figs. 14.6 y 14.7a se llaman también forjaduras con dado cerrado. Sin embargo, en el proceso verdadero de forjado con dado cerrado o sin rebabas, éstas no se forman y la pieza llena por completo la cavidad del dado (lado derecho de la fig, l 4.9b ). Son esenciales el control exacto del volumen del material y un diseño correcto de la matriz, para obtener una forjadura con matriz ce1Tada que tenga las dimensiones y tolerancias deseadas. Las piezas brutas pequeñas no llenan por completo la cavidad del dado; al contrario. las demasiado graneles generan presiones excesivas y pueden hacer que los dados fallen prematuramente o se aplasten.
346
Co1p11u]o 'J 4 / Forj.::1do de los m<;>t,1Je;; Sec~ión ·14.J /Dado impresor y forjado con dado cerrado
347
(a) Anillo de retención
Pun;;6n
(b) ----Pieza
inferior
flGURA -~4.8 Recorte de fa rebaba de una pieza for_iada. l\lótese que el mJ.lerial
[~=o
eliminado por punzenado.
--··--1
~ [~[ ---
delgacio del centro es
Piez;:i
reconado
---
----
1
D:ido con __ ..J
depresiones
flGURA 14.9 Comparación de i.i forj
11
-----
•
\
Dado plano
flGURA ·14.10 (a) Esquema dd proceso de acuñación. Las primeras monedas se hicieron con forja con dado aJierto y c1recían de detalle fino. (b) Un ejemplo de operación de acuñado para producir la impresión de la letra E en un bloque de rneLal.
~in
Sin embargo, se desperdicia rnenos material y se requiere tnucho menos maquinado después~ porque la p1eza está más cercana a iograr su forma definitiva. Por lo anterior, para elegir entre el fo1:)ado convencional y el forjado de precisión se requiere un análisis económico, en especial en lo que concierne ::ti volumen de producción.
14.3.2 Acuñación
111fct·101
Puivón inferior (a) lnicío dd );',olp,;
(h) Final del golpe
de~ Por razones económicas. la tendencia actual en las operaciones de forjado es hacia mnyor pra-isión, WII lo que se reduce la caniidad de las opernciones adicionales de acabado. Las operaciones en que l;i pieza qnc se forma tiene dimensiones cercanas a las finales deseadas, se llaman fo1'.iao:lo ¡¡ forma casi nct.i, o fm::j2d-n 'il fonna 11eía. Las ventajas del forjado a forma casi neta se describieron en la ln1roducción general. En ese proceso hay poco exceso de ma!eriai en la pieza forjada y a continuación se quita, en general por troLJueiado o esmerilado. En el forjado de precisión unos dacios especiales producen piezas con mayores precisiones que las que se obtienen en el forjado con dados de estampado, y requieren mucho menos maquinado. En el proceso se requiere equipo de mayor capacidad. por la necesidad ele aplicar mayores fuerzas para obtener los detalles finos de la pieza. Debido a que las füerzas y temperaturas que se requieren son relativamente bajas, las aleaciones de aluminio y de magnesio se prestan en especial para el forjado ele precisión; también, los dados se gastan menos y el acabado superficial es bueno. También se puede hacer forjado de precisión con los aceros y el titanio. Entre los productos característicos producidos con forjado ele precisión están engranes, bielas, c
El cu.:uilaclo, o acuñación es esencialmenle un proceso de forja con dado cerrado, que se usa en forn1a específica para producir monedas, medallones y joyería (figs. 14.lüa y b). El lejo se acuña en una cavidad comp!etilmenle ,;errada de! dado. Para producir los det
·¡ 4.3 .3 Fuerza de forjado La fuerza F de forjado que se necesita para una operación de estampado se puede calcular con Ja fórmula
F=
(I4.2)
cl<:>ncle k es un factor multiplicativo, obtenido de la tabla 14.2, Yr es el esfuerzo ele flujo del material a la temperatura ele forjado, y A es el área proyectada de la forja, incluyendo la rebaba. En operaciones de fo1jado en caliente la presión real ele forjado para la mayor paite ele los metales va ele 550 MPa a HJOO MPa (80 a 140 ksi).
TABLA 14.2
Intervalos de valores de k para la ecuación (14.2)
Fmmas sencillas, sin rebaba
Fmmas sencillas, con rebaba FQrmas complejas. con rebaba
3-5 5-8 8-12
343
C1p1ú1lo 1ti/ f-urj,1do (le lo::-, met;ilt':>
s.ección 14.4 /Operaciones rel;tcionadcis con el forjado Punzt'ín
349
(111 ¡~
38
... -_.... l47 mm ..
H11l1
Cabeza formad~1 en dj)LJJJzón
Caber:a fonnndn en d dado
l_ 63
34
flGURA '14:12 Un malcrial redondo penetrado 1Twstran1..!o
Jlllll
el patrón de flujo del grano.
)""""--- JJ4mm·· - ,,_¡
rc~madws.
r~;1r;:1 1
Fuente: corte~;ía de Ladish,
de cabeceado p,lfa co11lorma1· cabur;o ele sujeí,1dores, como c!avos y (b) Sucesión d(; operaciones par¡1 producir L:t cabezd de un peri 10 con C
Co., lnc.
14.4.2 ir.npanir la fornrn y lr.1s propiedades deseadas en el producto se hacen varias
~~
{)
ceht·1·codo. rncabewdo o cohecco es esencialrnemc unu o¡x1raci
~wtomati%ad<.1s. Sus produccione~~ con piezas pequdías son de r.:ienlns
c;;inulo. Es rncil que eslas miÍquinas sean :-uidosas; se requieren recintos a prueba de mido, o el uso de ;¡rnlectnres en íos oídos. Se pueden combinar ias operaciones de cabeceado con los procesos de ,~xirusión frío (:~ecci6n J5,5) pan1 f
lln aspecto imporlanic del caheceado es !a tendencia que t.icne la barra de tnrccrse si la rcl;;ción de longitud no soportada a diámclro e•; demasiado alta. Esta relación se suele limitar a menos de J: i, pcrn ruede ser mayor. dependiendo de la geometría del dado_ Por ejemplo, se pneden lograr mayores relaciones si el diámelro de la cavidad de la matriz no es mayor que 1.5 veces diámetro de Ja barra.
de mi tomillo con operaciones cle cabeceado El material inicial. para el tornillo de acero de lafig_ 14.llb es una varilla i'eilonda de 147111111 (5.8 pulgi de longitud y 38 mm (l .5 pulg) de diámetro, cort
:$WlHW0"W.l'.'.?!S':!"i'i;t]'_{!IJ!~iC"'?.".'ti~~·==--··
'--·
El penetntdo es un proceso de indentadón (sin atravesar) de la superficie de una pieza con un punzón, para producir una c~ividad o impresi6n (Cig. 14. ·¡ 2). La pieza puede estar confinada en una cavidad dei dado o de no estar restringida. A1 penetrado puede seguir la perforación, punzonado o taladrado. para producir un ori ficio cu la picz~L También, el penetrado se hace para producir regiones huecas en la~ Coi~jas con eqtüpc1 auxii:ar ele acción lD.tcr:.iL L:t/úerz.a de penetrado depende del ción en ia determinacit)n de la dureza {secclón :2.6.2).
14.4.3 Otras El pmizonado de cavidades consiste en oprimir un ptmzón endurecido, con determinada geometría en 1u punta, sobre la superficie de un bloque de material. A continuación, la cavidad producida se usa como un dado para operaciones de conformado, como en la fabricación de cuchillería. La cavidad del ciado suele ser poco profunda, pero para cavidades mayores se puede quitar algo de material ele Ja superficie, maquinándolo antes de punzonar cavidades. En el laminado forjado o forjado laminar se reduce o se conforma la dimensión transversal de un;; barra pasándola por un par de rodillos con ranuras conformadas (fig. 14. 13). Con este método se producen t:jes cónicos y muelles trapezoidales, cuchillería y herramientas ele mano; también se puede usar como operación preliminar de conformación, a la que siguen otros procesos ele forjado. Un proceso parecido al laminado fmjado es el !aminado inclinado, que se usa normalmente parn fabricar cojinetes de bolas (fig. 14. 14a). Se alimenta alambre o barra redonda al hueco entre los rodillos y se forman piezas más o menos esféricas, en forma continua, por acciórl ele los rodillos giratorios. Otro método de formar piezas casi esféricas para cojinetes ele bolas es cortar tramos de una baiw redonda, para después batirlos en cabeceadores de bola entre dos dados con cavidades hemisféricas (fig. 14. l 4b ). Posteriormente las bolas son esmeriladas y pulidas en una maquinaria especial (secciones 25.6y25.10).
'::-~,
350
Cap(tuJo 14 /Forjado de los rnela!es Sección ·11r.5 /Forjado rotatorio
f ±=7-,_-
(;¡)
(b)
(a)
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Pieza
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flGUllA H Dos ejemplos del laminado forjado. Esta operación también se !lam,1 lamin:ulo inclinado. Con est
~;~{¡~~tona (b)
1
7
lec•
8
3
4
Expulsorl_!.~.~
V;j Espiral
Orbital (;¡)
(b)
~k '""u"S:
Planetario
Líneas rectas
Piczn
FIGURA 14."15
tcnninntb
llamado de dado (matriz) rotatorio, oscilatoria o de vaivén); el proceso se parece a la acción
(a) Dis1inlos rnovimienlos del dado superior en el forjado orbital (también
del pistilo en un morte;o. (b) Ejemplo de forjado orbital. Con este proceso se pueden L1bric:;ir engranajes f...:ónícos, ruedas y anillos para rodamiento. (a) Producción de bolas de ;:icero median!c (~¡ proceso de laminado incíinzido. (b) Producción de bolas de acero rnediaffie .!a comprf:sión de un.a pieza cilíndnc1.
El foi:jado isolér.mico t;S costoso y su producción es lenta. Sin embargo, puede ser ~c.:onórnico para jas intrincadas hechas de materiales como titanio o superaleaciones, siernpre que b cantidad necesaria se~1 lo suficicntcrnen1e gra.iH_k como para justificar Jos costos.
Obsérvese 1;.1 formación de !d rebalJa. Después, las bolas fabricad.as con estos proceso\ si·' recUficdn y pulen p¿ir,1 usarlas e11 los rodamie·nLos de bolas (véanse las .';r:;r:cíones '/ : ~JJ.
Ei orhñtaJ es un proceso el que el. dado superior describe una trayectoria en órbita (fig. 14.15a) fonlla la pieza en forma incremenlol. La operación se parece a lo gue sucede con un mortcoro y su pístilo. Las picz.as que se suelen forjar con este proceso ·tienen formas ele disco y formas cónicas (fig. 14. i Sb), como por ejemplo los engranes cónicos. La fuerz;¡ de forjado es relativamente pequeña, porque en cualquier instante el cuntacto del dado se limita a una zomt pequeña de ia pieza. La operación es rela!iva:nente calm;ida y las piezas pueden ser formadas con las piezas con 10 y 20 cicios del dado en órbita. El f!ffjmfo i11tcremie111tal es un proceso en ei que la pieza se conforma por fo1jado con una herramienta que da la forma en varios pasos pequeños. Este concepto se parece algo a la operación de desbaste (fig. 14.5), en el dado penetra a la pieza hasta distintas proti.mdidades por la superficie. En consecuencia, en este proceso se requieren tuerzas mucho menores, en comparación con el forjado convencional con dado ele impresión; adem:is, las herramientas son más sencillas y menos costosas. Se han fabricado dos partes de aleación 7075 de aluminio para mamparas del avión Airbus con forjado incremental. En el forjado isotérmico, que también se llama forjado con dado caliente, los dados se calientan a Ja misma temperatura que la de la pieza caliente. Como la pieza permanece caliente, durante el forjado se mantienen su baja resistencia y gran ductilidad; la fuerza de forjado es baja y mejora el flujo de material al interior de la cavidad del dado. Se pueden fo1jar piezas complicadas, con buena precisión dimensional y casi hasta su forma neta, con un solo viaje ele la prensa hidráulica. Los dados para el forjado en caliente se suelen hacer con aleaciones de níquel o de molibdeno.
1
'14 ..5 En elfmjado rototorio* llamado simplemcnl~J./órjado radinl, una varilla sólida o un tubo se somete a fuerzas radiales ele impacto mediante un conjunto ele dados reciprocantes (figs. l4. l 6a y b). El movi-
miento de los dados se obtiene mediante un conjunto de rodil1os en una caja. en una acción parecida a la de un rodamiento laminJ.r. La pieza se mantiene estática y los dado.s giran, golpeando la pieza con frecuencias hasta velocidades de 20 golpes por segundo. En las máquinas de.forjado con dado cerrado de matriz, los movimientos de los dados se obtienc:n por el movimiento reciprocante ele cuñas (fig. 14.16c). Los dados se pueden abrir m:is que los de las forjadoras rotatorias y en consecuencia pueden manejar piezas de diámetro grande variable. En otra clase ele máquinas, los ciados no giran, sino que se mueven raclialmente hacia el interior o el exterior. Entre los productos que se fabrican con ellas están las hojas de los destornilladores y las puntas de cautín (fig. 14.J 6d). En la extrusión de tubo, el diámetro interno y/o el espesor ele la pared del tubo se pueden controlar con o sin el uso de mandriles internos (figs. 14.17 a y b ). Para tubulacluras ele pequeño diámetro se usa alambre ele alta resistencia como mandril. Los mandriles también se pueden fabricar con ranuras longitudinales, para poder forjar tubos de formas internas especiales (fig. 14.17c). Por ejemplo, el acanalado de los cañones de las '~N.
de los R.T.: el fo1jado rolatorlo es conocido también como suajc.
:352
C1p1úJJo 14 / Forj{!do de Jos 111c:1ale·
Sección J 4.6 /Diseño del dado de forjado
in)
Martillo
(Dacio
353
(b) Dado
(a)
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flGURA 14.17 (a) Forjado rotatorio de tubos sin mandril; obs<'rvese el ;iumento de espesor de pared entre los dados. (b) Forjado rotatorio con mandril; nótese que el espesor final de la pa1·ed del tubo depende del rliárnetro del mandril. (e) Ejemplos de secciones transversales ele tubos producidos con forjado rolci.lono sobre mandriles conformados. El raydcio (canales en espiral) en el cañón ele las armas pequeñas se puede hacer con este proceso.
Dado
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Posiciún ahiena
Po~ici6n de Cor1ndo
Posición (Í<:.~ ~xpu!si{Í!l
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(a) Esquema del proceso de forjado rotzdorio. (b) formación de perfilr:.(, ínirr: r10S en llll
annas se hace fo1jando un tubo sobre un mandril que tiene ranuras en espiral. Se ha construido 111aq1;inarin especie; i para fotjar cañones parn armas y ouas pie?:as con diómetroo; iniciales has11.1 de 350 mrn ( 14 pulgadas). El proceso de Joijado rotatorio se puede aplicar para ensamblar herrajes sobre cabies y alambre·.;: en tales casos se emboquilia directamenle el herraje tubular al cable. También se usa este proceso en operaciones corno el apuntado (hacer cónica la punta de una pieza cilíndrica) y dimensionado (terminar las dimensiones de una pieza).
El emboquillado (suajeado) se limita a piezas que poseen un diámetro aproximadamente de unos 1.50 mm (6 pulgadas): se han emboquiJlado piezas hasta de 0.5 mm (0.02 pulg). Las tolerancias van desde ±0.05 mm a
±0.5 mm (de 0.002 pulg hasta 0.02 pulg). Es adecuado para producciones medianas o altas. Es posible obtener producciones hasta de 50 partes por minuto, según la complejidad de la pieza. Es un proceso versátil y las longitudes sólo se limitan por Ja longitud de la barra que sostiene el mandtil. en caso de ser éste necesario. Como en otros procesos de trabajo en frío, las piezas producidas por el forjado rotatoiio tienen mejores propiedades mecánicas. Para mejorar el acabado superficial y la vida del dado se usan lubricantes. Para piezas con poca ductilidad a temperatura ambiente, se puede hacer el forjado rotatorio a temperaturas elevadas.
r~10#.W"'?:~''"""':,"!!:~....::<~"'""'-"Tii'l'~>":!'.=--=· ==·~·.,~.-
14.6 DISEl~O DEL
DE FORJADO
Para diseilar los dados para forja se requiere conocer !a resistencia y la ductilidad del material de la pieza, sensibilidad a la velocidad de deformación y a la temperatura, sus características de fricción y la forma y la complejidad de !a pieza. Un aspecto importante es la distorsión del dado bajo grandes cargas en el forjado. en especial si se requieren tolerancias dimensionales cerradas. La regla más importante en el diseño de dados es que la pieza fluye en la clirccci6n de la menor tencia. Por consiguiente, se debe; conformar la pieza (fórrna intermedia) de tal modo que llene bien las c~1vi dades del dado. En la fig. l4.7a se ve un ejemplo de las formas intermedias para una biela. Se puede apreciar la importancia del preformado si se recuerda cómo se preconforma una porción ele masa para obtener la l
!'reformado. En una pieza bien preformada o preconformada, el material no debe fluir con facilidad hacia la rebaba. el patrón de flujo del grano debe ser favorable y se debe minimizar el deslizamiento excesivo en las caras de contacto entre pieza y dado, para reducir el dr::sgaste. Para seleccionar las formas se requie re de amplia experiencia, e intervienen cálculos de la sección transversal de la superficie en cada lugar en donde se lleve a cabo la f01ja. Se han desatTollado técnicas de diseño asistidas por computadora para expeditar estos c;ílculos, así como para predecir la pauta de flujo del material en la cavidad de la matriz, y la formación de defectos. Como el material sufre distintos grados de deformación (y a velocidades distintas) en diversas regiones de la cavidad del dado, las propiedades mecánicas dependen del lugar específico en la forja. Particularidades en el diseño de dados. En la fig. 14.8 se ilustra la terminología para los dados de forjado, y más adelante se describe la importancia de diversas particularidades. Algunas de esas consideraciones son parecidas a las de la fundición (sección 12.2).
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35
Capítulo 14 /Forjado de los meta ir.~'.>
Sección 14.13 / Forjabiiidad
'1
Rebaba --- Canal·~
Unen de ·-·-·i>-1------------j,. _ ·>--~,.~
4
partición
1 1
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Cara reo
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flGURA 14, Hl Terminología estGíndar para diver.s<1s caracteri'sticas de un dado irnpresor.
¡~
Para !a mayor parte de las forjas o piezas fo1jadas. la li!lea lile partició" suele estar en la sección trans- ;¡ji( 8fr> versal máxima de Ja pieza. Para las formas simétricas sencillas, es norma!me111e una recta al centro de l<1 pieza fotjada, pero p1m1 las formas más complejas esa línea puede no estar en un solo plano. Por lo anterior se diseñan los dados en tal forma que S•'. traben durante el acoplamiento para evitar los empujes naturales, paro equilibrar las fuerzas y mantener e! alineamiento durante el fo1jado.
·~ ~1
1
Después de rest:·ingir en forma suficiente el flujo lateral parn asegurar un buen llenado del dado. se de.ia que el material de rebaba fluya en un canal de rebaba para que si hay rebaba adicional no aumente en for. ma innecesaria la fue!'za de forjado. Un lineamiento general parn lloigurns cie rcbalx1 enl.rc dados es el .3% del ,c;rosor müximo de !a forja. La longitud de la cara suele ser de 2 a 5 veces el espesor de Ja rebaba. A iravés los ai1m; se han desarrollado diversos disefíos de canal de rebaba.
~:· ~
¡
d~ ~;
Los áng11ios de safü!i¡ son necesarios en casi en todos los ciados de forjado. para facilitar el desµrendirniento entre la pieza y el dado. Al enfriarse, /¡1 pieza fotjada se contrae en dirección rndiaí y !ongi1udi1ia! a la ve7, por fo que los ángulos ele scilida interno,; se hacen mayores. que los C)(lemos. Los ángulos internos son de 7 a 1Oº, y los externos de 3 a 5°. Es importanl.e seleccionar ios radios de trnnsiciór1 adecuados en las esquinas y los hiscks, parci ascguel fü1jo uniforme del metal hacia la cavidad del dado y mejorar la vida ele éste. En genernl, son indeseables .les radios pequeños por su efecto advci:su sobre el flujo del metal, y su tendencia a desgastar con rnpi(kz komo result1cdcn cambirn· con facilidad
en
Cd.SO
d(:: desgaste o fa11<1 en una zona detcnninad~t
(Hl2)
ín.scrto (Hl2)
FIGURA 14.19 Pie,~a
fn~crto
(6F2 o 6G)
lnserlos de
dado usa.dos para forjar una 1
caja ele eje automotriz (véanse las tablas 5.5 a 5.7 para conocer los materiales de las matrices). Fuente: Metals handhook, desk edition. ASM in1·ernational, Metals Park, Ohio, 1985. Se 1
Bloque de ciado inferior
--~'.,~,ltf;-2~~1'·?'\~~-
~ ~{
Como en d caso de los modelos empleados en fundición en foija, se prevén tolerancias en el diseño de los dados. porque se puede necesitar el maquinado ele la pieza fotjada para obtener las dimensiones y el acabado superficial finales. Las toíerancias ele maquinado deben preverse en las bridas. orificios y superficies conjuntas.
-14 J
MATERIALES Y LUBRICACIÓN DE LOS DADOS Entre los aspectos importantes del forjado, así como para otros procesos de manufactura que se describen en Ja parte III, están los rnatetiales y la lubricación de los dados.
Materiales rdle los dados, La mayor parte ele las operaciones de forjado, en especial para piezas graneles, se hacen a altas temperaturas. En consecuencia. los requerimientos generales para los materiales del dado son a) resistenca y tenacidad a temperaturas elevadas, b) capacidad ele endurecimiento y de endurecerse uniformemente, c) resistencia al choque térmico y mecánico y d) resistencia al desgaste. en especial al des-gaste ahrasivo, por la presencia de cascarilla en la forja en caliente. La selección ele los materiales adecuados para dacios depende de factores tales como su tamaño, Ja composición y las propiedades de la pieza, la complejidad de la forma, Ja temperatura de forjado, el tipo de operación de forjado. el coslo de los materiales del dado y la cantidad requerida de fo1jas. También. un factor importante es la transferencia de calor de la pieza caliente a los dados. con la clistorsión consiguiente de éstos. Los materiales comunes en los dados son los aceros de herramienta y para dadGs, que contienen cromo. níquel, molibdeno y vanadio (véanse las tablas 5.5 y 5.6). Los dados se fabrican a partir ele bloques, que a su vez se forjan a partir de fundición, y después se maquinan y tctminan a la forma y acabado superficial deseados. Se suelen presentar fallas de dados debido a las ra:wnes que se describirán en la sección !4.1 O. En esa sección también se describen los métodos de fabricación de dados. li.1bricadó1". Los lubrican les influyen mucho sobre la fricción y et desgaste, y por cono;iguien!e sobre las fuerza,; requeridas (ecuación 14. l) y el flujo del metal en las cavidades. También pueden actua.r como barrera térmica eni.re Ja pieza caliente y los dados relativamente fríos,
14.8 FORJABILIDAD
Bloque de dado .c:upcrior (6F2 o 6G)
Inserto
g,
l
355
usa con autorización.
Lafi!rjabilidad se define como la capacidad de un material de sobrellevar una deformación sin romperse. Para cuantificarla se han desarrollado varias pruebas, aunque ninguna se acepta en forma universal. Una prueba que se aplica con frecuencia es comprimir un espécimen cilíndrico sólido y observar si hay agrietamiento en las superficies abarriladas (véase la fig. 2. l 9cl); mientras mayor sea la deformación antes del agrietamiento, será mayor la forjabilidad del metal. Se pueden hacer pruebas ele compresión a diversas temperaturas y velocidades de deformación. Si la sensibilidad del material a la muesca es grande, los defectos superficiales afectarán los resultados, al causar agrieta.miento prematuro. Un defecto superficial característico es la fisura*, que puede ser una hilera de inclusiones, una rayadura longitudinal o pliegues introducidos antes de trabajar el material. *N. de los R.T.: la fisura correspondiente recibe el nombre en inglés de "seam", y es un término aplicado en fo1:ja.
]l
35í&
Capitulo-¡ .:J./ forjJdo de Jos rnetak.'s
Sección 14.9 /Máquinas de fmjado
lfAB:lA 14.3 Clasificación de los metales _________ 2_~_f?rjabilíclacl _clecr~~i~--Metal o aleación
Aleuciones de aluminio Aleaciones dt! magnesio Akacinnes de cobre Acero.'> ni carbono y de lx~ja ate;ición Aceros inoxidables rmirlcnsitico.s Aceros inox:ldables austcnlticos Akucioncs de tifanio S11pera!eaciones ferrosas SupernleC!ciunf's a base Je cobre Aleaciones de tantalio
Ale<:1cioncs de molibck:no Supetaleaciones a base de níquel Aleaciones de tungsteno --~~~~~-
400-550 250-350 600--900 850---1150 l 100-1250 1100--1250 700--950 1050-1180 l l 8CH250 1050-1350 1150-1350 1050-1200 1200-1300
Dado
(a)
/?;=<) ~ ~
Intervalo aproximado de temperatura para forjado en caliente (ºC)
Coslilla Alma
~
357
Pliegues
t~~
1
Dado Comienza el acabado
Forjndo bloqueado
Sl: tuerce el alma
Pliegues en la forja lerminacla
(b)
~ ~n ~q r-::b
~~~~
--~~-
L--_ _ _ _ _J
En la prueba de ton:imie!fllo :en caliente, una probeta redoncb se tuerce en forma continua y en :,. misma dirección, hasta qLie falia. La prueba se hace en varios especímenes o probetas a distintas temperatura'. y ·;e observa ia cantidad de vueltas que soportan sin fallar. A contiimación se escoge la temperatura óptima de fo1jado. Esia pmeba tiene utilidad selección especial con los aceros. En la labia 14.3 se ven las en orden decreciente, de varios materiales y aleaciones. Esi
fo~ja
Los intervalos de temperaturas características ele la en caiiente, para distintos metales y alcacionc:-;, se incluyen en ia tabla i 4.3. Obs<,rvese qu.e una temperatura mayor de fo1ja.do no necesariamente ilJl!ic-:l una mayor dificultad para foi:iar el material. Para el fo1:jado a temperatura intermedic1 ("wann forging"i, las lcmpernturas van ele 200 a 300ºC (400 a 600ºF) para las aleaciones de aluminio, y de 550 a 75ü''C (JO()() u 1/l.(l()ºF) para los aceros.
Defectos en fos materiaies forjados. Además del agrietamiento superficia! durante el forjado. pueden de,;arro!Jarse otros defectos como resultado del í1ujo del material en la méllri·é. Si hay vo!urnen insuficienée del material y no se llena ta cavidad del dado, el alma puede torcerse duran1c el forjado y producir pliegues (fig. 14.20a). Por otra parle, si el alma es gruesa, el exceso de material fluye por bs piezas ya formadas de la forja y produce grietas internas (fig. J4.20b). Los diversos radios en la cavidad del dado ele forja pueden influenciar significa1ivamente la formación de dichos defectos. Los defectos internos pueden desarrollarse también a partir de la deformación no uniforme del material en Ja cavidad, por gradientes de temperatura a través de Ja pieza durante el forjado, y por los cambios microestructurales causados por transformaciones de fase. Aunque podrá no considerarse como imperfección, otro aspecto importante de la calidad en trna forja es el patrón de flujo del grano (véase la fig. 14.12). Hay casos en que las líneas de flujo llegan perpendicularmente a una superficie, descubriendo los límites de grano directamente al ambiente. Esta condición se Jlama granos finales. En servicio estos granos pueden ser atacados por el ambiente, producir una superficie rugosa y funcionar como concentradores de esfuerzos.
Comienza el forjado
Se producen
Las grietas se
grietas en las costillas
propagan por las costillas
FIGURA M.20 Ejemplos de derectos en piezas forjadas. (a) Fornlilción de pliegues por torcimiento del almii duranle el forjado; se debería aument,1r el espesor del alma para evitar este problema. (b) Defectos internos causados por un material cilíndrico muy grande; las cavidades se llenan en forma prematura, y el materia! de! centro fluye pasando por las regiones llenas a medida que se cierran los dados. -~--··
14.9 Se usa nna diversid~td de máquinas de fmjado, con distintas capacidades, velocidades y características de c:.mc· m y velocidad (tuhla 14.4). Esas máquinas se clasifican. en general, en prensas y en a-mm1rtiUos o martineltes.
14.9.1 Prensas Prensas hidráulicas. Estas prensas funcionan a velocidad constante y están limitadas por la carga, o nc:,lringidas por la carga. En otras palabras, Ja prensa se detiene si la carga requerida es mayor que su capacidad. Se transfiere una gran cantidad de energía a la pieza, mediante una carga constante durante una carrera, cuya velocidad se puede conlrnlar. Como el forjado en prensa hidníulica tarda más que en otros tipos de máquina para l'or· jar, la pieza se puede enfriar con rapidez, a menos que se calienten los dados (véasefo1jado isotérmico, sección 14.4). Eu comparación con las prensas mecánicas, las hidráulicas son más lentas e implican mayor costo inicial, pero requieren menos mantenimiento.
TABLA 14.4
Rangos de velociclacl de los equipos para forjar
Equipo Prensa hidráulica
Los defectos en forja pueden cansar fallas por fatiga y originar otros problemas como la corrosión y el desgaste durante la vida del componente. Resulta obvia la importancia de inspeccionar las piezas forjadas antes de su puesta en servicio, en especial en aplicaciones críticas. Las técnicas de inspección se describen en las secciones 36.2 y 36.3.
Se llenan las c:1vicladc; de !as matrices
Prensa mecánica Prensa de tomillo Martinete de gravedad Martillo accionado por energía Martinete de forja
m/s 0.06-0.30 0.06-LS 0.6-1.2 3.6-4.8 3.0-9.0 4.5-9.0
358
C1pítu!o ·¡ 4 /Forjado de Jos met
(a)
Sección 14.9 /Máquinas de forjado
359
La foerza disponible en una prensa mecánica depende de la posición en la carrera; es mny alta en el punto muerto inferior. Por eso, es esencial la preparación adecnada, para evitar que se rompan los dados o las piezas del equipo. Las prensas mecánicas tienen grandes capacidades de producción, son fáciles de automatizar y requieren menos habilidad del operador que otros tipos de máquinas forjadoras. Sus capacidades vau, en general, desde 2.7 MN (300 toneladas) hasta 107 MN (12,000 toneladas).
(b)
Prensas de tomillo, Estas prensas (fig. l4.2ld) obtienen su energía de un volante, por lo que son de energía limitada. La carga de forjado se transmite por un tornillo vertical y el ariete es para cuando se disipa la energía del volante. Si no se cierran los dados al final del ciclo, se repite la operación l1asta que se ter.mina
el f01jado. Las prensas de tornillo se usan con distintas operaciones de fo1jaclo con dado abierto y con dado cerrndo. Se adaptan en particular para pequeñas producciones y para piezas de precisión, como por ejemplo los álabes de turbina. Sus capacidades van de 1.4 MN hasta 280 MN (160 a 31,500 toneladas). (e)
(e)
14.9.2 Martinetes Los martinetes obtienen su energía de la energía potenciai del ariete, que se convierte en energía cinética (fig. 14.2lc); por consiguiente, son limitadas por la energía). A diferencia de las prensas hidráulicas. éstos trabajan con grandes velocidades, y el tiempo de conformación minimiza el enfriamiento de la forjadura calien .. te. Las bajas velocidades de enfriamiento permiten forjar formas complicadas, en especial las que tienen oquedades delgadas y profundas. Para completar ei fo1jado se suelen dar varios golpes sucesivos en el dado mismo. Los martinetes pueden lencr varios diseños; son los más versátiles y menos costosos entre los equipos de forjado.
Yunque
l:squern
U n:i prensa normalmente, en un n1arco de carga con dos a cuatro coJumnas: pi~:wncs, ciliPdros (fig. 14.21 a), arieles y bombas hidráulicas impulsadas por motores eléc1ricos. Se puede variar la velocidad del ariete durante la carrera. Las capacidades de prensado llegan hasta 125 MN ( 14,000 toneladas) para fo1jado con dado abierto, y hasta 450 MN (50.000 toneladas) en EE.UU., 640 MN (72,000 toneladas) en Francia y 730 MN (82,000 toneladas) en Rusia. para forjado con dado cerrado. La viga principal de soporte pa· ra el tren de aterrizaje de los aviones Boeing 747 se forja en una prensa hidráulica de 450 MN (50,000 ton), que se ve en la fig. 14. Je, donde la pieza está en primer término. Esta pieza es de aleación de titanio, y pesa un0s 1,350 kg (l.5 toneladas inglesas). Prensas mecánicas. Estas prensas son, fundamentalmente, de manivela o de excéntrica (fig. 14.2lb). Su velocidad varía desde un máximo al centro de la carrera hasta cero, en el término ele la carrera. por lo que están limitadas por la carrera. En una prensa mecánica se genera la energía mediante un gran volante, accio· nado por un motor eléctrico. Un embrague acopla al volante con un eje excéntrico. Una biela transforma el movimiento reciprocante en movimiento lineal alternativo. En la fig. 14.21 c se ve una prensa mecánica de ró· tula. Debido al diseño del eslabonamiento, en este tipo de prensa se pueden aplicar fuerzas muy grandes (véa· se también la fig. l L24a).
""f~r:'-"!F'Ar:::vº:tll%"'?.".'"!tr.:;:!!'~TL?:::Z:'="·~··~-·~·==---~---------
Marfüaetes de gravedad. En la operación de este martillo, proceso que se conoce como forja pm· gravedad, la energía se obtiene de la caída libre del ariete (el martinete de la fig. 14.21e se llama martinete con guía). La energía disponible en el martinete es el producto del peso del ariete por su altura ele caída. Los pesos de pilón van ele J 80 kg a 4500 kg (400 a l 0,000 lb), y !as capacidades de energía llegan hasta los l'.7.0 kJ (90,000 pies-lb). Martñfílletre acd0narlo por energfa. En e;;tas máquinas la can-era de.l ariete hacia abajo se acelera CC·\~ vapor, aire o rresión hidráulica, a unos 750 kPa ( 100 psi). El peso del ariete va de 225 !cg hasta a 22,500 (500 lb a 50,000 ib), y las capacidades de energía son hasta de 1150 ld (850,000 lb). ?o/1artimetes !le contragolpe. Este martinete tiene dos arietes que se acercan entre sí, en forma simult{mea, en dirección horizontal o vertical, para fmjar la pieza. Como en las operaciones de forjado con dado abierto, puede girar la. pieza entre los golpes, para conformarla bien durante el forjado. Los martinetes de con·· tragolpe trabajan a grandes velocidades y transmiten menos vibración a sus cimientos. Sus capacidades llegan hasta J200 kJ (900.000 pies lb). Máquinas de gran potencia. En una máquina de gran potencia, el ariete se acelera mediante un gas inerte a alta presión, y la pieza se forja en un golpe a muy alta velocidad. Aunque hay diversos tipos de estas máquinas hay varios problemas relacionados con su funcionamiento y mantenimiento, y con consideraciones de seguridad y de fractura de dados, que han limitado su uso en plantas actuales de forjado.
14.9.3 Selección de las máquinas de forjado Hay varias consideraciones importantes en la selección de las máquinas de forjado: necesidades de fuerza o de energía, tamaño, fonna y complejidad de la pieza a forjar, resistencia del material de la pieza y sensibilidad dei material a la velocidad de deformación. Otros factores son la capacidad de producción, la precisión dimensional, el mantenimiento, la destreza requerida en la operación, el nivel del ruido y el costo.
360
Capítulo 14 / Foriaclo d(' lm 111etales
Sección 14. "J 1 /Métodos de fJ.bric:ición ele cfados
En generaL se pi-efien:n las prensas para piezas de aluminio. magnesio, berilio, bronce y latón. St0 usar marlinetes con los aceros, titanio, cobre y aieaciones de metales refractarios. Tambien se puede jado en dos o m;is equipos, esto es, primero en un marlinete y después en una prens3 hidráulica o rnec;ínica.
Una operación normal de fmjado implica el siguiente orden de pasos (véase t;:imh;,;n la fig. 14.:2): Preparar un trozo de metal. palanquilla o preforma por cizallado (recorte), aserraJo o corte, en !'rio oen caliente. Si es necesario, limpiar las superficies con métodos corno el grnnallnclo.
2. Para foijado en caliente, calentar la pieza en un horno adecuado y, si necesario, descascarar!a des. pués de calentarla, con un cepillo ele alambre, chorro de agua o de vapor. o rw;cündo!a. Durnnic he, cta. pas iniciales del forjado también :>e puede efectuar la eliminación de la cascarilla, la cual comú:imente es rrági l cw1ndo ésta se cae: durante la deformación pUlstica de la pieza. Para el fo1jaclo en caliente, precalentar y lubricar los dados. para el Forjado en frío, lubricar b pie1a. Forjar en !os dados correctos y en el orden correcto. Si es necesario, quitar lodo exceso de rnatéTi:il, r:nmo la rehrib1:1, por troquelado, rnaquinado o Gs1ncribd0r. Limpiar ia pieza forjad::, comprobar sus dimensiones y, .si es necésari.o., nrnguinarl<1 a sus dimensiones y L01'erancias finaks. Eiectuar otras operaciones, como cnderewdo y lrntamienw 1.énnicn, para mejorar l:J:; propicchcics 1necíuicas. Eú~ciuar bs operaciones de ~iCabado que St; neccsite.n.
Jnspeccionar h.-1 pieza fotja p;:1ra ver si tiene defectos internos y GXk:rnos. Ca calidad, 1.oier:!llciiJ:.; dimensionn!es y acabado superficial de una pieza forjada dependen :.pre se efoctúcn y se controlen eslas operaciones. En gencrni, las lülct"~ncias eslün cnlrc ·:c0.5 y:~ i % mcnsiones ele la forja. r.Jn una buena práctirn, las tolerancias dci forjado c11 calicnle del :iccro !Ole'JOrec: que :tti mm ( l/4 pulg), y en d fo1jado de precisión pueden ser hasta de :!.•Ü.25 mm (0.0J puig). Hay oiros foctores que contrihuycn a In falla de precisión dia1<0nsio11,1i, como '"ºn los :íngui',h rlc :-:al!da, r:.idios. d desgaste del dudo., el cerrado del dado y ia falrrJ de coincidencia de los dados. El acabado supcri"ióal cJe la depende de la eficacia del lubricante. la preparación de la piez;;, acab<1do superí'iciní el desgaste delforja dado.
A1;-lomali;rndóITT ei1 d forj
$j';~Jt;:'$:tí'J~)l"K'i'!f'o/""""'
36'i
14.íTMÉTODOS DEFABRlCAÓOl'-J DE Para fabricar los dacios se usan varios métodos de mai1L1factura, sea aislados o en combinación. Entre ellos están la fundición, la forja. el maquinado, el esmerilado y los métodos electroquímico y eléctrico de estampado de dados. El proceso ele punzonado ele cavidades, sea en frío o en caliente, también se puede usar para fabricar dados peguef!os con cavidades superficiales. Normalmente, los ciados se tratan térmicamente para darles mayor dureza y resistencia al desgaste_ Si es necesario, su contorno y acabado supeli'icial se mejoran con rectificación y pulido, sea a mano o con robots industriales programables. La elección de un método ele fabricación de dados depende de Ja operación específica en la que se va a usar el dacio, así como ele su tamaño y su forma. Con frecuencia, los costos determinan el proceso que se selecciona, porque los costos de l1erramientas y dados pueden ser importantes en las operaciones de manufactura. Por ejemplo, un conjunto de dados para las partes planas de carrocerías automolfices puede costar basta 2 millones de dólares. Aunque los dados sean pequefios y relativamente sencillos, pueden costar cientos de dólares_ Por otra parle, debido a que normajrnente se fabrica una gran cantidad de piezas con el mismo dado. en general el costo por unicJacl (por pieza producida) suele ser sólo una pequefia parte del costo de fabricación de ia pieza. Los dados se pueden clasificar como machos y hembras; también se pueden clasificar por su tamai\o. En general, íos dacios peqL1eños son aquellos que tienen una superficie de 103 rnm 2 a 10 4 mn/ (de 2 a i 5 µulg 2), mientras que los grandes tienen superficies de 1 m 2 (9 pies2 ) o mayores. como los que se usan para prensar tas carrocerías de los autornúviles. Los dados de diverso:; tamaños y formas pueden ser fundidos en aceros, fundiciones y aleaciones no forrosas. Los procesos que se usan vao desde las lundiciones en m·ena (para dacios grandes que pesan muchas toneladas) al moldeo en cáscara (para dados pequeños). Diversos materiales para dados, corno aceros de he-· rramientas y dados, de alla velocidad y carburns, se describirán en la sección 5.7, capítulo 21, y en las tablas 5.5 a 5.7. En general se prefieren los aceros fundidos para ciados de grandes piezas, por su resistencia y tcna-cidad y por la facilidad con la que se puede controlar su composición. tamaño ele grano y propiedades. Según córno solidifiquen, los dados fundidos, a diferencia de Jos hechos de inetal forjado o larninado. pueden no poseer propiedades du:eccionales; pueden presentar las mismas propiedades en todas sus superficies ele :rnbajo; sin embargo, debido a la contracción, puede dificultarse el control de las tolerancias dimensiorrnles en ellas, en comparacíón con ias dados maquinados. Lo rnús común es que los dndos se n11aq111únen a partir de bloques fl[ffjados, con procesos conno fre~)n do, Lorneado, rectificado y maquinado eléctrico y electroquínüco. En forma característica, un dado para operaciones ele trabajo en caliente se maquina fresándola en máquinas controladas por computadora que usan distintos programas. Puede ser difícil el maquinado cuando los materiales son de alta resistencia y con resistencia al desgaste, que son dLtros o que sean tratados térmicamente. Las operaciones pueden consumir mucho tiempo. Por eso se usan mucho procesos no tradicionales de maquinado, en especial para dados pequeños o medianos. Estos procesos en general son más rápidos y más económicos, y Jos dados suelen no requerir acabado aclicional. Los dados ele diamante para estirar alambres finos se fabrican produciendo orificios con una aguja giratoria delgada cubierta con polvo de diamante y con aceite como lubricante. Para mejorar la dureza, resistencia al desgaste y resistencia en general. los aceros para dados se tratan térmicamente en la mayor parte ele los casos. Un mal tratamiento térmico es una de las causas más comunes de falla ele los ciados_ El tratamiento térmico los puede distorsionar por acción de cambios microestructurales y por ciclos térmicos no uniformes. La condición y la composición ele las superficies del dado tienen especial importancia. La selección adecuada de temperaturas y atmósferas del tratamiento térmico, los medios o la práctica del templado, o los procedimientos de revenido y de manejo son importantes. Los dados se pueden someter a distintos tratamientos superficiales para mejorar sus características de fricción y desgaste_ Después del tratamiento térmico, los dados se someten a operaciones de acabado, corno rectificado. pulido y procesos químicos y eléctricos, para obtener el acabado y la precisión dimensional deseados. El pro-
362
Capítulo H / hJrjado ele ros mct.J./es Seccíó11 14.1 3 /La economía del forjado
ceso de rectificado, si no se controla bien, puede causar daños en la superficie, debidos al calor excesivo, puede inducir esfuerzos residuales de tensión en Ja superficie del dado que reducen su vicia a la fatiga. Las ra. yaduras en la superficie de un dado pueden actuar como concentrador de esfuerzos. De igual modo, los pro. cesos que se usan normalmente para fabricar los dados, como por ejemplo el maquinado por descarga eléctrica (electrodeposición) pueden causar daños y grietas superficiales, a menos que se controlen con cuidado los parámetros del proceso.
1000
o·E=
~-
'~ 1
DADOS La falla de los dados en las operaciones de manufactura se deben, en general., a una o más de las causas siguientes: a) diseño inadecuado, b) defectos del material, e) tratamiento térmico y operaciones ele acabado inadecuados, d) sobrecalentamiento y agrietamiento térmico, e) desgaste excesivo, f) sobrepeso (carga), g) mal uso y h) manejo inadecuado. A continuación se describen algunos de los frlctnrcs principales que causan Ja.s fallas ele los dacios. Aunque esos factores se aplicm1 a dacios hechos con aceros para herramientas y dados, muchos también se apíican a otros inateriales.
El diseño adecuado de los ciados es tan imporlante como la selección adecuada de SLlS ffw.leriales. Para resistir las 1·uerzas en los procesos de manufactura, un dad.o debe tener secciones transversales y hoigur2s aclectrnclas. Las esquinas agudas, los radios y los biseles, así como los cambios abruptos en sección lranswrsal funcionan con10 concentradores de esfuerzos y pueden tener efectos negativ~)S sobre Ja vida dc1 dado. LG.s cfo. dos se pueden hacer en segmentos, y prcesforzarse durante el ensan1blado para mejorar su resistencü1. El rnanejo, instalación, ensamble y alineamiento adecuado de ]os dados son esenciales. La sohrec;.;rg::i de herramientas y dados puede causar üdla prematura. Por ejen1p]o, una causa común de falla de lo;, d~:do& para extrusión en frío es que el operador de un robot no quite una pieza forn1ada con el dado, arn-es de cargarla con otra pieza bruta. A pesar de su durL~Za y resistencia a lt.1 abrasión, n1ateriales para dado tales como los carburos y el diamante son suscepti.blcs al agrietamiento y rcbabeo debido a fuerzas de impacto, o por esfuerzos térlllicos causados por gradientes de temperatura en el interior. Son importantes la preparación y el ;:1cabadu de !a sopcdicic. Hnsi.a los fluidos de trabajo (capítulo 32) Dlleden nfectar negativamente los materiales para hcrrnmiend;:ido. Por cjemp!o, ios adiliv0s con azufre y cloro en los lubricantes y enfriadores pueden 1ix1vi:.lf el ;;1g!uLinmiLe de cobalto en e! carburo de tungsteno y disminuir su r\.~sistencia y tenacidad. 1\un cuando se fabriquen en forma correcta. Jos dados se someten a grandes esfuerzo;-.; y ai~a~; ít::rnpera~ tunls durante su crnpleo, factores que pueden causar desgaste y (en consecuencia) cambios di? forma. Ei desimportante,
porque crnmdo cmnbia so forma, las piezas producidas a su vez,
Jcndrán
dimensiones incorrectas. De las dos maneras se afecta en forma ndversa fo economía de J.a operación de mannfactura. Durante su empleo, los dados también pueden sufrir agrjeuuniento térmico, debido a cick~:) térmicos) en especial en la fundición en dados. Para reducir el agrietamiento térmico (que tiene un aspecto como de tecrcno agrícola) y la rotura eventual en operaciones de trabajo en caliente, se suelen prccalentar los dacios a tem· pemluras entre 1500 y 2500ºC (3000 a 5000ºF). Los dados agrietados o desgastados se pueden reparar con técnicas de soldadlira y de depósito de metal, que incluyen los láseres. Se pueden diseñar y fabricar dacios con insertos que se puedan reemplazar cuando se desgasten o se agrieten. Son importantes el diseño y la colocación correctos ele !os insertos, porgue si no se tienen en cuenta, los insertos mismos se pueden romper. La falla y fractnra de dados en las plantas manufactureras pueden ser peligrosos para los empleados. No es raro que un conjunto de dados que descansan en e! piso o en un cajón se desintegren repentinamente. debido al estado de grandes esti.1erzos internos (esfuerzos residuales) ele sus componentes. Las piezas rotas salen despedidas a gran veiocidacl y pueden causar lesiones graves o muertes. Las matrices y el herramental con muchos esfuerzos siempre debe rodearse de defensas metálicas. Esas defensas se deben diseñar bien y tener la suficiente resistencia para contener las piezas fracturadas, en caso que falle el dado.
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Cosi.ocle
...
herramientas
FIGURA ! 4.22
Costo Je
S
gaste de los dados es
.
lOOl ~~ ·~§ 10 ·1L._1:\----------'c--;-----=-------~----'
-i:'J ,;-
4.12
----
,q V
. 1
JreDarnción . , ¡ . Costo de materiales
1
l L_______·--· -
l
14.13 LA
363
.J 10
-
L --10
(J-- -
.
Cantidad de p1c:zn
s
-·--'
1000
Costos unitarios
(coslos por pieza) característicos en el forj,1clo; obsérvese ".~ómo los cosios ele preparación y de herramicnlas, por pieza,
disminuyen ,;I <:1urnentar la cantidad ele piezas forjildas, si todas ellas usan el mismo dado.
DEL
En e.l costo de las frnjas intervienen varios factores. Lo~ costos de hcrr;:imíentas y dados van desde mnderu" dos a ailüs., dependiendo de !a complejidad clf.: la pieza. Sin ernlnisgo, como en otras operaciones de rnanuCaciurn, este costo ~.;e reparte entre ias panes que se forjaron con dctermin~1do juego de dados. Así, aun cuandn costu del material po¡· pieza :~ca const::rnLe, los costos de preparación y de herr~unientas, por piez::\ prodw ida, disminuyen a rned!cfri que aumenta la cani·idacJ ck piezas frnjadas (fig. I4.22). La relación del costo dd material al costo Lotal de forjar b pic?:a au1nenta con el peso de! rnateriai jado; mienrrns mJs l:ostoso sea (~.J rnaterial, la relac(ón de su cosi.o entre el costo total serú mayor. Como se ben fabricar dados y se deben efecwar "ías operac]ones de forjado independientemente dei tamaño de la pieza, el costo de lo.s dados y de b operación de forjado en relación con el costo del material es grande, para piezas peq11eñas y, a la inversa. los costos de material son relativa1nentc b~ijos. A medida que aumenta el tamaño de la pieza también aumenta Ja fracción ele costo ele material respecto al costo total, pero con Lma rapidez menor. Esto se debe a que a) el aumento paulatino en el costo ele los ciados es relativamente pequeño, b) Ja maquinaria y las operaciones que intervienen son casi iguales e independicn·· tes ele! tamaño de la pieza, y c) la cantidad de manll de obra por pia.a no aumenta tanto. E! costo total de una operación de forjado no inl1uye de manera importante por el tipo ele materiales que se fmjan. En general, los costos ele mano de obra del fo1jaclo son moderados; se han reducido en forma apreciable mediante operaciones automatizadas y co11tt0Jadas por computadora. El diseño y la fabric:i.ción ele los dados se hacen hoy con técnicas de diseño y manufactura asistidas por computadora, que producen ahorros importantes ele tiempo y esfuerzo. El costo por Ja forja ele una pieza en comparación con el de hacerla con técnicas de fundición, rnet
364
C:1pí1ulo ·¡ 4 / Forjdclo de los rnct¿¡/e.s
Preguntas de repaso
365
i3..
dos, diseño ele preformas_ cálculo de fuerzas y energía necesarias y predicción de defectos, desgaste de dados y falla de los mismos. " Continúan aumentando las aplicacione~ de forjado a forma neta o a forma casi neta.
6p,
" Se continúan Jos desarrollos en automatización, sensores robustos, control por computadora. posibil1
~
o
dades de medición dimensional en caliente y en tiempo real, inspección interna de lingotes y en el empleo de autómatas industriales pma manejo y procesamiento ele materiales.
j
fiGURA 14.23 Costos unitacios relativos de una biela pequeña
§.
o
()
fabricada con diversos procesos de forjado y· fundición. Nótese gré1ndes cantidades, 0.1
10
Cantidad de piezas (x ! (}')
j{J(J
es más económico. Lct fundición en aren.1 es el me-is E:conórnico para
"' Continúan las mejoras en diseño ele hornos ele calentamiento, reducción de ciclos térmicos, forjado a tem peraturas intermedias (en tibio), forjado en caliente sin rebabas, enfriado controlado después del forja do para obtener mejores propiedades mecánicas, sistemas ele calentamiento para eliminar la escoria, mejores materiales de dado con vida sensibiernente mejor y la eficiencia general y ahorro de energ[a en operaciones de forjado en caliente. <1>
merro~ de unas 20 1 000 piezas. 0
Se diseñan dados para cambio rápido, con objeto ele promover la flexibilidad en his operaciones de fo¡ jaclo. Se investigan métodos económicos para convertií la escoria o casacarilla en productos útiles.
---------
TÉRMINOS L:1 forja denota una familia de procesos de trabajo c!e metal en lus cuales se efectúa una clefomwción de la pieza mediante fuerzas de compresión ql!e se aplican a través de un conjunto de dados. forjado es capaz de producir una gran variedad de piezas estructurales con rnraclerísticas fovorabks. como resistencia, lenacidml, preci.sión dimensional y conffabiiídad en el servicio.
ambi~ntc,
El proceso de forja se puede hacer· a temperatura intermedia o en caliente (por encima de la temperatura de Las carac/.erístic
dispone de una diversidad de máquinas de foija, cada um1 con sus propias carncrerísticw1 y posibiiidades. Se ha.11 autonwtizado mucho las operaciones de 1'01j;ido con autómatas (robots) indusliialcs y controle,s por computadora. En el fo1:iado rotatorio, se reduce el diámetro de una varilla sólida o de un tubo mediante el movimiento reciprocante racliai de un conjunto de dos o cuatro dados. Este proceso es adecuado pi!rn producir !Tamos cortos o largos de barra o tubo con distintos perfiles externos o internos. Debido a que la falla de los dados i.icne un gnrn impaclo económico, su diseílo, la selección de su material y los métodos con que se fabrica tienen gran importancia. Se dispone de distintos materiales y métodos ele fabricación para dados, incluyendo los avanzados, de remoción.de material, en especial del magtiinaclo con descarga eléctrica, asf como de distintas operaciones subsecuentes de tratamiento yacabado superficial.
Ab~miJamiento
Forja con dado convexo
Forjado rotatorio
Acuñación Cabeceado Compresión Copado Dc'sbastc Dimensionado Estampado; Cmj~tdo con dado de impt·esión
Forjabilicla
Granos finales Laminado foijado laminado inclinado Martinetes
Forja con dado cóncavo
Forjado Fo1jado a forma neta
Forjado con dado abierto .Fo1ja
Penetración
Prensas
Foijado en
Prueba de torcimiento co caliente Punzonndo de cavidades Rebaba
B!BLIOG Aitan, T.. S.J. Oh, y H.C. Gcgel, !We!al Fonning-Pundamenrals andApplications. ASM inlernational. !983. , Forginr<-· Equipment. Materia.Is and Prnctú:es. Baltel!c Memoria! lnstiln1c, 1973.
ASIVJ Hondbook, Vol. l.4: Formilrg and Foriing. ASM lntcrnational, 1988. Blaz.ynsk.i. T.Z .. Plasticify and Jl1lodern Mewl-formi1tg Technology. Elscvicr, 1989. Byrer, T.G. (ed.J, Forging H1111dbook. ASM lDlernationaL !985. Hosforcl, WF., y R.M. Caddell, Metal Forming: Mechanics and Metallurgy (2d ed.). Prenlice Hall, 1993.
L~rngc.
K. (ed.), Hwrdbookr~j"Me!al Fmming. McGraw-Hill. Open Die F'o1:qing Mmwa.1 (3cl cd.). Forging lndustl") Associntion. 1982. Prasad, Y.V.R.K., y S. Sasidhara (eds.), I-101 Working Gilidc: A Compendium (~l Proccssin.g A1aps. A.S~V{
TnternationaL 1997. Product Design Cuide ./(ir Porging.
Forgíng lnclustry
Associatíon, 1997. 'Thomas, A., DFRA Forging Handbook: Die Design. Drop
Forging Research Associalion, 1980.
TENDENCIAS PREGUNTAS DE REPASO " Se están implementando cada vez más el diseífo y la manufactura asistidos por computadora en todos los aspectos del diseño y la fabricación de las piezas forjadas. Entre las técnicas que se usan están: modelado de !a deformación de la pieza durante el forjado por análisi,1 de elementos.finitos; diseño de da-
14.1 ¿Cuál es la diferencia entre el forjado en frío, en tibio (o temperaturas intermedias) y en caliente?
14,2 Explique ía diferencia entre forjado con dado abierto y con dado de impresión. 14.3 ¿Qué significa romper un lingote de fundición?
366
Capítuío 14 / Fmjc1do de' los 1neL~des
Síntesis y diseño
367
F'.xpliquc la uifácncia cntn; forjado con dacio cóncuvo. convexo, y bloqueo. 14.35 Describa los asp~ctos ambientales de las operaciones que se describieron en este capítulo.
¿,()ué factores intervienen en el foijado de precisión? Jl<.í.6 Describa el forjado orbital y explique en qué se diferencia de las opcrncione:< convencirmalcs de fo1jr1do. /,Qué tipo de piezas puede producir el fOI:jaüo rotatorio?
EApliql1e Ja¡.; caractcrí.'ltica.s de 1111 dado Je fo.tjado norrna]
14.37 Si fuera a seleccionar maquinaria para producir una plezn en gran escala por f01jado, ¿qué muquinaria eliminaría de inmediato como opción? 14.38 Explique por qué se u:-;a vidrio como lubricante en el forjado en caliente.
¿,Por qué es; importante la forma intermedia en las operaciones ele fo1jado? ¿ Córno se de Cine 1a frnjahiijdad?
14.39 En c1 frnjado isotérmico, Jos dados suelen durar sólo para unas cuantas piezas. Explique el significado de ésto para los costos unilarios de !u fig. 14.22.
Eorpliquc ío que quiere decir '"li1111wclo por carga" y "limitado por carrera" en relación con las máquim<.s de
i,Ow.:
14.36 ¿Cuáles son las vcnt<\jas y desventajas de usar un lubricante en el fmjado?
la rctx1ha?
14.40 Describa las dificultades para definir lo forjabilidad. 14.41 Expliyue por qué no se puede pasar desde la pieza bru!;:i a la fo1jadura terminada en un solo golpe de la prensa.
:Yor qu0 d
pt11'7.onado de cavidades es una alicrnativa alrnctiva para prodticir dados scncilkis'l
Expliljue los principios cie Las díslinliJs máquinas Je foijado.
PROBLEMAS CUANTITATIVOS---------·--------··------------
Explique lo que se tiene en cucuw en el dise
De:~criba las posibilidades y las !imitaciones dc:i equipo normal Uc forjado. i.CuáJ
l
14.42 Calcule Ja fuerza Je forjado [JíJra una pie7,a cilíndrica maciza de acero !020. con 3.5 pulgadas de alLo y 5 pulgadas de diámclro. Su altura se va a reducir 30%. El coeficü.:nte de fricción es 0.2. 14.43 Use la ecuación ( 14.2) para calcular la fuerza ele forjado para la pieza del problema 14.42. suponJendo gue es una forjadura complicada y que eJ
.xpi1quc
funuón
la rch;iba i.;n el c~;larnpado
un;1 pieza c:;1ú
frn~i:tda o- fündid
importa11lc d vol1trnc11 de la pieé
, y Lniittcionc",'" del
de inser1os
nllcnn1c,'-;
{bdo'.)
m~iyrnes qnc
cx.lt:rion::,
para b fu11dic1()q n~\1
i~~xp!iqu~ por qu6 hay tantos fipos dislintn.<; de lrniqu.inas fo(j::.tdura.s. i!qo '"' ia !'anc !J q11e ,;e puc1kn fobric"r picz;¡s muy grandes por hindición do? E~q)iique los aspccJo,•: i(icnicos y ecorH)rnico:~ de esas operacionc~,_ Dc:,crihi.! sus obscrv"civ>
vcnl~jas ele/
cte grnno '"'
14.4(~
En d •.::jemplo de la sección 14.2, cakule la fuerz<1 de fot:jado, suponiendo que el material es aluminio 1100-0. y que el coeficiente de fricción es 0.2.
14.47 Use la ecuación ( 14. ! ) para trazar una gnüica de la fuerza Je foijado {/en función del radio r de la pieza. Supor:ga que el esfuerzo de flujo, ~,, de! mnL~riaL es constante, y recuerde que d volumen del material pc:rrnanecc const~~nte durante el forjado. A.sí, cuando h disminuye, r mimen ta.
1~).
vacionc ..;, ;¡u.:rca ck
~xpiiqt1(' poi in.'> JrWlt!c pcrrn;;nen1c'!
con cblo cerrndo'I
14.45 Se toman dos especímenes cilíndricos sólidos de iguai diámetro, pero a!lUras distintas, y se comprimen (sin fricción) basta el mismo porcenlaje de reducción de allurn. Demues!re que los diámetros finales se.nin iguales.
valido esto tnm!>i<'J·¡ pari.! d imj:i·
ia !lg. 14.12
forjado isotérmico?
Haga operaciones :cnciilas cíe desbaste en pie;as de arcilla, usando una pieza plana de mader:1, y haga observaciones sobre la extensión en l'unción de las secciones trnnsversalcs originales de las piezas: por ejemplo, hágalas cuaJrndas o rectangulares con distintas relaciones de espesor a ancho. M.31) ¡,fliscfíaría usted un dado para forja cuya rebaba no tuviera cana) (véase Ja fig. l 4. l SJ? Explique por qué. ¡43·¡ ¡,Cómo cambia la lernperntura ele una pieza caliente al forjarla, con dacios a temperatura ambicn!e, en a) una prcns:; hidráulica lenta, y b) en un martillo ele gravedad? Exp.lique los detalles.
14.48 ¿,Cún:io calcularía u:~ted la fuerz.a de punzonado que se rcqnierc acero suJve y que d área proycctadn de !a ímpre::;i6n t..:s 0.5 ción 2.6. acerca Je la dureza.)
Corrnar cavidades, suponiendo qm; c'I rnatcria~ Exp[ique con claridad. (Sugerencia: V Case la
14.49 Una prensa mecánica está impnl.s<-
SÍNTESIS Y DISEÑO
!4.32 ¿Por qué se deben estudiar los patrones de flujo de los granos en la pieza fo1jada? Explique los detalles.
14.52 lnvente un método experimental para medir sólo la füerza necesaria pm·a forjar la rebaba, en la foija con dado impresor.
14,33 Si usted cona, pule y ataca bolas metálicas fabricadas con el proceso de la l'ig. 14. 14, ¿cómo se.deben ver las líneas
14.53 Suponga que usted representa la industria del foijado, y que encara a un representante de la industria de la fundición.
de flujo del grano? Explique su respuesta.
14.34 Si inspecciona algunos productos forjados, como por ejemplo una llave de tubos, puede ver gue las letras y números en ellos están en altonelíeve. y no estampados. Explique por qué se hicieron así.
¿Qué diría a esa persona acerca de los méritos de Jos procesos de forjado? ¿Cómo se prepararía para contestar duelas acerca de ljmitaciones del forjado en comparación con el de fundición?
:?i6B
C1pi'!ulo / .:f
!
Forjado de lo'.:> inetcdes
La figura adjunta muestra una pieza /()!:jada prn· ostampado con dados redondos, hecha a panir de una pina brutaci líndrica, que se ve a la izquierda. Como se describió en este capítulo, esas piezas se fabrican con una sucesión de opc' raciones de fürjado. Sugiera una secuencia de pasos intermedios de forjado parn fabricar esta pieza, y trace ia fon
aproximada de !os dados necesarios.
Extrusió y estirado 14.55 Se pueden fohricar engranes por forja, en especial engranes cónicos. Haga una investigación bibliográf[ca y dcscciba el orcl,011 de los pasos de manufactura que se empican. Haga comentarios sobre Ja calidad ele los engranes, en ''º'"Pª· ración con los fabricados con los procesos de: l'undici<Ín que se desCJ'ibicrou en el c<1pítulo 11.
El íiirjado es uno de los métodos de producción de :ilabcs ele turbina para molnrcs de reacción. Estudie ol disu1o de esos <Íi:1bes, y las puhJicacioncs técnicas 1·elcvantes y prepare un procedimiento paso a paso, parn producirl:>s con operaciones de forjado. Comente Jos posibles problemas que podrían encomrarsc, y oí'rc1,ca soluciones. ¿Cómo .::un. l>i:1ria11 las propiedades, si es que lo hacen, •011 co111parnció11 con los álabes colados' Explique por qué. i\1 comparnr las pic1,as forjadas con las J'undhins, hemos dicho que la misma pieza se puede fobricar con
A panir de ios datos ele la tabla !4.3. obtenga el valor aproxinwdo del esfuerzo de cedencia de esos materiales a tcrn· pernluras de foijado en calicnk. Trace una ¡2rüfica de barras que muestm ci di:imctro móximo de un;i pieza i'orj:¡ri;¡ en calienfe y prod11cida con u11a
pn.:'n~::.:i de 60 wncladas de capacidad, en función del nwteriaJ.
operaciones de forjado en caiicnl!:, se desprenden llamas de los dados :11 abrirlos. Explique a qué''' debe '2.'<'. Co110iga vn:ius tornillo.'. clavos y pernos de 1fü1inl.os lamaúos. Mida <él volumen de :rns cabeza:, y c:1!cnk icfoci,in original r.k lougilud 110 soportada a diúrneiro. Describa csto.s nümcrns con respecto a io 9w2 s'' dcsc:-ibc u;
de rnetales 15. i
1S.2 15.3 15.4 J
5.5
·¡ 5.b 15.7
-¡ 5.8 '[5.9
l.S ..\O 15.11 1 S.!:! 15.1 l
·1
Introducción El proceso de extrusión Pr
s.1
En el proceso de extrusión, una palanquilla ("billet". en inglés)'1', por lo general redonda, es forza·· da a pasar por una matriz o dado (fig. 15.1) en forma parecida a como se exprime un tubo de pasta dental para ponerla en el cepillo. Se puede producir casi cualquier perfil transversal sólido o hueco con la extrusión, y con ella se obtienen piezas esencialmente semiacabaclas (fig. 15.2). Como la geometría del dado o matriz no cambia durante la operación, los productos extruidos tienen sección transversal constante. Según sea la cluctilidacl del material, se puede hacer la extrusión a temperatura ambiente, o a alta temperatura. Como se usa una cámara, cada lingote se extruye en forma individual, por lo que la extrusión es un proceso intermitente o sernicontinuo. Con frecuencia se combina la extrusión con operaciones ele forjado, en cuyo caso se suele llamar extrusión en frío. Tíene muchas aplicaciones importantes, que incluyen tornillos y componentes para automóviles, bicicletas, motocicletas, maquinaria pesada y equipo ele transporte. *N. de los R.T.: el término "billet" designa diferentes geometrías y tamaños. La palabra "billet" también puede ser traducida como cilindro pequeño, lingote o tejo.
369
370
Capitulo 1S /Extrusión y estirado de mela les
Sección 15.2 /El proceso de exlrusión
371
(e)
(b)
Punzón\
V~istago de la prensa
/_Cimar~
flCURA. ~ 5.
Tipos de extrusión: (a) Indirecta. (b) Hiclrostática. (e) Lateral. _ij
Esquema del proceso de extrusión directu.
Entre los productos característicos ele la extrusión están los rieles para puertas corredizas, tubos ele distintos perfiles lransvcrsales, perfiles estructl!r:des y arquitectónicos y marcos para puertas y ventanas. Los productos cxtruidos se pueden cortaT en tramos, con lo que se transforman en piezas discretas como soportes. engranajes y (fig. 15.2). Los materiales que se extrnyen con frecuencia son el aluminio, cobre, acer(J, magnesio y plomo (los tubos ele piorno se :·abricahan por exrrusicín en el sigln XVfH). También se pue'oXl.rnir o:n,s metales y aleaciones, con dislinlos grados de dificultad. En la sección 18.2 se describirá la
pe~-chas
extrusión de los pl<:lstico.\.
,2s[ir:ido es una operación que se invc>,nló entre l 000 y 1500 d.C., en la que se reduce o se ca111hü1 la sección tran.wcrsal de Y, alambre o tuhosjalrin.do!os a través de una mmriz o dado. Las vari.lla:,1 cstirad11s se usan c:n ejes. l1usil!ns y pislones pequciios, y como materia prima para rnjc1adPres tales como remaches. pernos y tornillos. Además de las varillas rl'clondas también se pueden estirar Jistin1os perfiles. El término eslirndo 1·mnbi6n se usa para indicar fo fabricación ele piozas ccíncav;1s mediante operaciones de curi!'onnado de iárninas (;.;ección !6.9).
diforencia c1Hre los t.Snninos vm-ma y alambre ,;salgo arbitraria; las varillas no son más que m8s con sc::ción i.ransvers<1i que ius ;1Jambres. i:1 industria se suele definir a un alambre co1110 tm:1 variha estirndn a 1r:iv13s de un dado cuando menos una vcJ:. estirado de ainmbrcs, o lrejilado, mane¡,, 'füirneJ.ros mcnot·cs que e! cs1in1do de varilla", y los tamafios bajan has!a (l.01 nrn, (0.0005 pulg) de c!i:imc:rn aíiimhrcs r!c rnagncto, o nl
(b;
//~~:::~/---
<''-1\ __,,......- _..-/--~
/(~.-----:>--:::::::-~ 21,J ~>;// "<>-~/
"'.&'~ ~~~~~/ ~0lWn\~'&s.~t>:&~4W~~~tt::m.~"=====--
Los alambres y sus productos tienen una gran variedad ele aplicaciones, como por ejemplo cableados eléct1icos y clectr
·1 s.2 EL En el proceso básico de extrusión, Uamado extr11tsión cliireda o en avam:e, una palanquill.a redonda se coloca en una cámara (recipiente) y es impulsado a través de la abertura de una matriz mediante un pistón hidráulico c. ariete de prensa (fig. l 5.1 ). La abertura del dado puede ser redonda o tener otras formas. Hay otras clas
ral (Cíg. l5.3c). Como se puede ver en la fig. 15.4, las variabks gcornétric;hs en ta extrusión son el ángulo del dado o triz, a. y la relación de las secciones tmrn;versales ele la palanquilla entre la del producto extruido, 1\j/1 1, que o;e lbma ~ehiciÓRl de ext1rnsión, R. Otras variables de la extrusión son la temperatura, la velocidad a la que se mueve el ariete compresor y el tipo de lubricante que se usa. Un parúmctro que describe la forma del producto extnüc!o es el diámetnJ del cfrci1fo cirrc1msnito (DCC), el del círculo más pequeño en el que cabe el perfil extruiclo (fig. 15.5). Así, para un perfil cuadrado el DCC es la longitud ele su diagonal. La complejidad ck una extrusión es función de la relación del perímetro del producto extrnido entre su área transversal, y se llama factor die forma. Es obvio que Lma extrnsión redonda sólida tiene el factor de forma mínima, mientras que las piezas que se ven en la fig. 15,2 tienen rna-yorcs factores de forma.
Lingote
FIGURA 1.5.2
Piezas extruidas y ejemplos ele productos fabricados cortando tramos de piezas extruidas. Fuente: Kaiser Aluminum
Cámara
FIGURA 15.4 Variables de proceso en la extrusión directa. El ángulo del dado, la reducción de :írea transversal, la velocidad de extrusión, la temperatura de ia palanquilla y la lubricación afectan la presión de extrusión.
372
Capllt;Jo 1.S / ExtrusVin y eslír
Sección 1.5.3 / Pr3ctica de la exlrusión
Pk~z;¡
Círculo circunscrito
ex lrll!cla
{b)
(a)
cLr
F~GURA li 5.5 iviélodo para deten11inar el diámetro de! círculo circunsci-ito (DCC) de un perfil extr·uiclo .
.5.2.
e·
rruerza
Zona muerta
\
(e)
373
Zona muC(rta
'1-.1 _\")
extrusión
·fi·
La fuerza que se requiere en la extrusión depende ck~ ia resistencia del material de la palanquilla, la rel;;ción de extrusión, la fracción enlre las superficies de la palanquilla y Ja c:ímarn, y de variables de pmceso como la temperatura de la palanquilla y la velocidad ele extrusión. Laji,wrza de e:ctrusión, P, se calcula con la fórmula
P =e A 0 k In \ A.1)
FIGURA·¡ S.7 Flujos de metal al eo
(]5.l)
donde k es ia co11stante de extrusión y A 0 y A1 son las úreas tran:;versnles de la palanquilla y cid producto. respectivamente. En la fig. J 5.6 se ven los vaJo~~cs de k para distintas temperaturas.
Cálculo de fa fuerza para una extrnsión en caliente Jinguic rdondn de' la1611 70-é'O se extruye a ia tcmpera
·¡ 5.2.2
del
en la extrusión
~rusion
Soiudóri: La fucrz~ de extrusión se calcula énn la ecuación\ 15. 1). en Ia que se in 'lhtenido k. Ja constante de 1cxrrusi6n. de b fíg. l.5.6. Para este material ve que k"' 35,000 psi (25() MPa) a hi tcrn¡ieraum, d1. ~ extrusión. f\:-;{_
F
L26 X 106 lb
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tofidnda:.:, métríca;. == )CS i\!f'\.
pn2n~as de ,_;xtrusión en Ll sccci6n 1:)
8C
go 1,.-'.;-----<:ºº soo r------,~?!'._ clf)()
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=
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Mohbdc 11(,
" ' ""-........._::~"-. j "
'
15.3 PRÁCTICA DE LA EXTRUSIÓN
--------
400
'\
~0-30
L,ttón
Alurrnnio
~O
O
Una técnica que es común en Ja investlgaci6n del patrón de líneas de flujo es cortar la palanqniHa donda a la mitad, a lo !.n.rgo, para marcar una car.a con una red de cuadros. Se ponen las dos mitades en lD mara. juntas. y se cxtn1yeo. A conlinuación se separan los productos y se estudian. La fig. 15.7 muestra patrones de lineas de flujo características obtenidas ccn esta técnica, en extrusión directa con ~natdccs dos a escuadra (úngulo del dado 90º). Las wndiciones bajo las cuales se presentan estas diversas figuras de flujo se describen en el pie de gura. Obsérvense las zomis muertas de! metal en las figs. 15.7b y e, donde el metal en las esquinas cscnc:ülmente es estacio11ario. El caso se parece al remanso del flujo de un fluido en canales con vueltas repentinas.
¡ 200
Le1d10''
e
~
mox~~~;:~ ~~--¡- 1~011
Es importante el patrón de líneas de flujo del rnctaí en la extrusión. como en otros proc<0sos de conformado, su ínfü1cncia sobre ia calidad y las propiedades mecánicas del producto final. El material fluye en senLido gitudinal, en forma muy parecida a la ciei flujo de un fluido incompresible por un canal: así, los productos ~-\· truidos tienen una csLrucwra de grano alargada (orientacl6n preferencial). En la sección 15.8 describiren\n'."l cómo se pueden producir distinl.os defoclos debido al flujo inadecuado del metai durante la extrusión.
,
Acero
~
...
- 200
Cobre
1000
1500 Temperatura (ºF)
2000
o
2500
FIGURA 15.6 Cons1ante de extrusión k para diversos metales a distintas temperaturas. Fuente: P. Loewenstein.
Por tener la ductilidad suficiente, el aluminio, cobre, magnesio y sus aleaciones, y Jos aceros y aceros inoxidables se extruyen con relativa facilidad, paira obtener muchas formas. Se pueden extruir otros metales, como titanio y los metales refractarios, pero sólo con dificultades y gran desgaste ele los dados. Las relaciones R de extrusión van de 10 a 100, aproximadamente. Pueden ser mayores (400) en aplicaciones especiales, o menores para los materiales menos dúctiles, aunque por lo general deben ser de 4, como mínimo, para hacer que el material fluya en forma plástica por toda la pieza. Los productos extruidos tienen casi siempre menos de 7.5 m (25 pies) de longitud, por la dificultad de manejar tramos más grandes, que pueden ser hasta de 30 m (100 pies).
:·~74
CJ.pítulo J 5 / Cxtrusión y eslir,1do de rnetak:!s
Sección 15.4 /Extrusión '2n caliente
Los di,ímetros de círculo circunscrito para el aluminio van de 6 mm a m (0.25 a 40 pulg); la may parte son menores que 0.25 m Debido a las grandes fuerzas necesarias, el OCC máximo para el ace.01 ro se limita normalmente a 0.15 m (6 pulg).
375
(b)
Las velocidades dei ariete de compresión llegan hasta a 0.5 mis (100 pies/min). En general, se prefieren velocidades menores para el aluminio, magnesio y cobre, y las velocidades mayores parn los aceros, el ti1anio y las aleaciones refract,trias. La mayor parte de los productos extruidos, en especial los de secciones transversales reducidas, requieren enderezado y torcido. Estas operaciones se logran estirando el producto extruido, por Jo general en una enderezadora hidráulica con mordazas. En la extrusión, las tolerancias dimensionales suelen estar dentro de :t0.25 mm hasta 2.5 mm (±0.0l pulg-0. l puJg) y aumentan al aumentar el área transversal.
La presencia de un ángulo en ei dado hace que una pequeña pieza del extremo de Ja palanquilla quede en !a cámara después de haber terminado la operación. Esta parte, llamada recorte o extremo final es elimina . da desprendiendo o cortando la extrusión a la salida del dado. También, se pueden poner otro lingote o un bloqtie ele grafito en la cámara, para extruir la pieza que queda de la extrusión anlerior. En la ex!irnsiór.i cnaxfal o de n:vesfünic1]fo se extrnyenjuntos coaxiab:_ siempre y cuando la resistencia y la ductilidad de los dos metales sean compatibles. Un ejemplo es el del cobre revestido con plata. exrrusiones escalonadas se producen extruyenclo parcialmente ei lingote en un dado y después en una o m
f~as
~nfrío,
~~--Tierra FIGURA -¡5_3 características ele la matriz de extrusión: (a) dado para metales no ferrosos; (b) dado para metales (e) dado para piezas en forma de T, hecho con acero para matrices trabajado en caliente, que usa vidrio corno lubricante. Fuente de (e): cortesía de LTV StE~el Company.
Aunque es un proceso intermitente o semicontinuo, puede ser económico con corridas graneles de producción, a! igual que sencillas. con pequeífas. En general, los costos de herramientas son lx0os. CH especial pm·a prod11cir seccicmes sóHdas Para evitar b formación de pelícuias de óxido sobre ei producto extrnído caliente, se hace que e', blo-que de apoyo yue se coloca frenle al ariete de crnnpresión (fig. 15.1) tenga un cfüünetro un poco inenor que Ü! ..::~irnara.
te por
los me1ales y aleaciones que no tienen ductiliJacl suficiente a temperatura ambiente, Ja extrusión se haa lerrl!Jcrnturns elevadas, para reducir las fuerzas requeridas (tabb 1S. J). Como en todas fas dermis operocioncs de trabaio en caliente, l<.! ex!rusión caliente tiene sus requisitos coc,pcciaíes, debidos a las alt
TAllUA l5,1
Intervalos de temperatura de extrusión para diversos metales
ºC -----~ -~--------
Plomo Aluminio y sus aleaciones Cobre y sus aleaciones Accrm: Akwiones refractaria~
-------
~i:'.<.~fi-i+#fi?,;°"á)'.fflJ1'{¡)e7.J:•'~111,~]ú""Pm'W"'?'f•:
200-250 375-475 650--975 875-1300 975--2200
En consecw::ncia, en !a cámara qu.eda uua cáscara cilíndrica delgada (costra), formada principalmenla capa oxidada. Así, ci producto cxtrnido queda libre de
15.4.1 Diseño y
de las matrices o
El diseño de !os dados (fig. ! 5.8) requiere mucha experienci.a. Las matrices r.Je e5.:cuadra (:an.atrkes o de corte) son para cxtniir materiales no ferrosos, en cspGcial aluminio. Producen zonas muertas de n1cial qL:e. a su vez, forman un ár:gulc rnucrto (véanse las figs. !5.7b y e) a !o largo del cual fluye d material hacia ia na de deformación. Las zonas muertas de metal producen extrusiones con acabados lustrosos. Ei tubo se extruye a partir de una paianquil!a sólida, o hueco, para alcanzar espesores ele pared tan peque-ños como 1 mm (0.040 pulgadas). Para las palanquil!as sófüfas, el ariete es ajustado con un mandril que pen()ra el tocho. 1:~mbién se pueden extruir ele este modo tochos o lingotes con un 01ificio previamente perforado. Por la fricción y Ja severidad de la deformación, son más difíciles de producir las exu·usioncs de paredes delgudas que las de paredes grnesas. En general, el espesor de la pared se limita a 1 mm (0.040 pulg) en el aluminio, a 3 mm (0.125 pulg) en los aceros al carbono, y a 5 mm (0.20 pulg) en los aceros inoxidables. Los perfiles huecos (fig. 15.9a) se pueden extruir con métodos de cámara de soldadura y usando dados conocidos como dados tipo araña, dados de tipo ojo de buey y dados tipo puente (fig. 15.%). Durante ia extrusión el metal se divide y fluye en torno a los soportes del mandril interno, formando bandas. Esas bandas se vuelven a soldar por las grandes presiones en la cámara de soldadura, antes de salir por el dado. Esta condición se parece mucho a cuando el aire fluye en torno a un automóvil en movimiento, y se vuelve a unir a sotavento (a presión). El proceso de cámara de soldadura sólo es adecuado para el aluminio y algunas de sus aleaciones, por su capacidad de formar una soldadura resistente bajo presión. No se pueden usar lubricantes, porque evitan el soldado del metal en el dado. En la fig. 15.l O se ilustran los lineamientos para el diseño adecuado de los dados de extrusión. Obsérvese la importancia de la simetría de la sección transversal; también, nótese la carencia de esquinas agudas y de cambios extremos en las dimensiones del dado dentro del perfil transversal.
376
C1pltu!o 15 / Extrusió11 y estirado de melales Sección 15.5 / ExlTusión en frlo
377
(a)
la entrada del dado, en la cámara. La palanquilla caliente lleva el calor a la placa de vidrio, que actúa como depósito de vidrio fundido y lubrica la interfase del dado, a medida que avanza la extrusión. Antes de poner la paiarn.¡uilla en !a cámara, se recubre su superficie cilíndrica con una capa de vidrio en polvo para propor· cionar el lubricante en la interfase entre él y la cámara. Para metales con tendencia a pegarse a la cámara y al dado, la palanquilla se puede encerrar en un re·· cipiente de pared delgada hecho de un metal más suave y de menor resistencia, como cobre o acero sunvc. A este proceso se le llama enchaquetado o enlataclo. Además de formar una inte1fase con baja fricción, esta chaqueta evita la contaminación del lingote por el ambiente (o si el material del lingote es tóxico o radiactivo . ia chaqueta evita que contamine al ambiente). También se puede usar esta técnica para extruir polvos metálicos reactivos (sección l 7.3).
(ul
Dado /
I C\marn
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[',0',_J\ . @~ ~· ~:,,, J;;:i e''~~, ,?'r ~1::,~ e~~;
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Dado tipo ojo ,ic buey
/0'\, l\rr¡na
' 'í'I . ~~~L\ r;:·
~- :J
Dado tipo arnrw
5.5 -EXTRUSIÓN EN FRÍO Dado tjpo pueillc
fiGUf{A "L5.9
(a) Seguro extruido de aluminio 6063-T6 para escaleras de extensión de aluminio. Esta parle liene fl mm (.5/16 pulg) de espesor y se co1i"ó con sierra de !a pieza extruida (véase la fig. 15.2). (b) a (dl Componemes de diversas matrices pdra '·xtruir perfiles huecos intrincados. Fuente paro b) ad): I<. Laue y H.
machinery, too/ing Americ:tn Society for /Vh:lills, Metal l'.1rk, Ohio, 19il1. 5,., usa
Sienger, con aulorización. AristH l'XlC:l'lí)r
a~uda
Arb!a de tilo
Pared dcsb:tlancc~td:.t
La extrusión enfrío fue desanollada en la década de los 1940, y es un término que con frecuencia indica una combinación de operaciones, como extrusión directa e indirecta y forjado (fig. 15.11). La extrusión en frío ha logrado gran aceptación en la industria, en especial para herramientas y piezas o partes de automóviles, motocicletas, bicicletas, electrodomésticos y eqtfipo de transporte y agrícola. En este proceso se usan tramos de material cortados de barra, alambre o placa acabados en frío o !ami· nados en caliente. Los tramos de material que tienen menos de 40 mm ( 1.5 pulg) de diámetro se cortan y sus extremos se escuadran por rectificado o batido. Los materiales de gran diámetro se maquinan partiendo de ba· rras, formando tramos específicos. Se han fabricado piezas que pesan hasta 45 kg ( 100 lb), con longitudes has· ta de 2 m (80 pulg), aunque la mayor parte de las piezas exlruidas en frío pesan mucho menos. También se extrnyen en frío tramos de metal en polvo (preformas). La extrusión en frío tiene las siguientes ventajas sobre la extrusión en caliente: e Mejores propiedades mecánicas, debido al endurecimiento por el trabajado, siempre que el calor ¡;ene raclo por la deformación plástica y la fricción no haga recristalizar al metal extruido.
dd perfil
" Buen control de tolerancias dimensionales . reduciendo la necesidad de operaciones posteriores de ma· quinado o acabado.
l-iuc:c.:os (ic:;bal1uKcad(lS
®
sin ;irlsu.is agudas Cspe~a)l' pare:~!
de
adcc11aclo
y b.danccaclo
Huecos [)alanceados
15.4.2
(b)
Correcto
f11GU!RA «15.'~ O Ejemplos de ío incorrecto'! ío correcto en los cortes transversales de pioza.s por extruir. Nótese la importancia dE: eJirninJr aristas agudas, y de m.¿rntener uniforn1es los espesor~s de la sección. Fuente: J. C. Hro.11/J (editor;; f landUook of product design far m,1nufacturin15. i"~c:w York: lvlc Graw-Hill Publishing Company, 19il6. Se usa con autorización.
y lubricación de los dados
Los materiales del dado para extrusión en caliente suelen ser aceros para trabajado en caliente (sección 5.7). Se pueder1 reetibrir los dados con materiales como zirconia. para prolongar su vida. También se usan dados de zirconia parcialmente estabilizada (sección 8.2.2) en la extrnsión de tubos y varillas en caliente; sin em-· bargo, no se prestan para hacer dados de extrusión de formas complicadas, por los grandes gradientes de esfuerzo que se desan-ollan en ellas. La lubricación es importante en la extrusión en caliente. el vidrio es un lubricante excelente para los aceros, aceros inoxidables, y metales y aleaciones para alta temperatura. En un proceso desarrollado en la década de 1940, llamado proceso Séjournet (en honor a J. Séjoumet) se coloca una placa circular de vidrio en
IVlejor acabado superficial7 en parte debido a carencia de una Ci;!pa de óxido, siernprc y cwmdo ta cación sea efectiva.
<> Eliminación de la necesidad de calentar !a palanquilla.
" Capacidades y costos de producción que son competitivos con los de otros métodos para producir la ma pieza. Algunas máquinas son capaces de producir más de 2000 piezas por hora. Sin embargo. la magnitud de los esfuerzos sobre las herramientas en la extrusión en frío es muy gran· de, en especial con las piezas de acero; es del orden de la dureza del material de la pieza. La dureza de los punzones suele estar entre 60 y 65 HRC, la de los dados entre 58 y 62 HRC. Los punzones son un componente crítico, porgue no sólo deben tener la resistencia suficiente, sino también suficientes tenacidad y resistencia al desgaste y a la fatiga. El diseño de las herramientas y la selección de los materiales adecuados de la herramienta y el dado es crucial para el éxito de Ja extrusión en frío (véase la tabla 5.7). También es importante el control del material de la pieza en cuanto a su calidad, precisión dimensional del tocho y la condición superficial.
Pieza~
Dado
FIGURA 15.11 Dos ejemplos de extrusión en frío. Las flechas delgada;¡ indican la dirección del flujo metálico duraríte la extrusión.
3711
C:ipítulo 15 / l:xtru.sión y e;,tiiado ele met:des
Sección ·1 s.6 /Extrusión por impacto
La lubricación es crítica, en especial para los aceros, por la posibilidad ele que se peguen ;.1 la hcrra. mienta si la lubricación folla. El método más efectivo ele ]Libricación es la aplicación cíe tilla capa fosfatada modificada en la pieza, seguida ele una capa de jabón o ele cera (sección 32.12).
ifjemp!o: Parte exfruida en frfo
Placa desmoldcadorn
\
Un producto extruido en frío, c~u-acterí"~tico, parecido al cornppnen.te de una bujía automol':riz, en hl flg. 15. 12. Primero se cona un trarno dei-ext.rerno de una vaülht redonda (fig. !5.12, después se cxtrvy;..~ en ffig. 15. l 2, centro) en una a 1a de h1 fig. 15. l L pero con ün agujero clego. El material en d fondo de ese orificio ,.,;;e troqnda y se saca. haciendo pcquefio produ:.:r.o se V(San.se los trarno y del orificio, respcctivan11.;nk. en el fondo de Ja pieza -.:.~orbda kmgitudinalmentc.
6
H
¡
-1
1
379
--
-- Punzón ,c.::;:;¡
¡;;.:;::,...
1 .C.'=i
:::J
.
FIGURA 15.14 Esquema del proceso ele ''xtrusirin por impacto. Las partes extruidas se desprenden usando u11a placa desmoldeadora, ya que tienden J. pegarse ai punzón.
-.,'Dado
Al estudiar el flujo de material duran1e !a deformación se contribuye a evitar Jos dcfec1os y se puede
mejorar e1 diseño de lo~ pun1..oncs y los dadus. La pü~za se sude cortar en su pl;ino meridiano. pulir y atacar pZlra mostrar flujo Lfo ·ios ¿::ranos. corno se ve en· la fig. ! 5.1 (v~a~c ta~1hic;n la flg. l 4. J 2 ). 1
15,6 EXTRUSIÓN POR IMPACTO La extrusión por impacto se parece a la extrusión indirecta; con frecuencia se incluye en la categmia de la ex· trusión en frío. El punzón desciende rápidamente sobre la pieza bmta (tejo) que se extruye hacia atrás (fig. J5.14). Debirfo a la constancia de volumen, el espesor de la sección tubular extruicla es función de la holgura enl re el punzón y la cavidad del dado o matriz. Algunos productos característicos que se fabrican con este proceso se ven en las figs. l5. l5 a y b. Otro ejemplo cíe la extrusión en frío es la producción de tubos colapsables, como los de la crema dental (fig. 15.l Sb). La mayor parl:e ele los metales 110 ferrosos pueden extruirse por impacto, en prensas verticales, con capacübdcs ele producción tan altas como dos piezas por segundo. El diámetro de las piezas fabricadas puede llegar a 150 mm (6 pulg). Los procesos de extrusión por im· pacto ptieden producir secciones tubulares de paredes delgadas, que tengan relaciones ele espesor-diámetro tan pequeñas como 0.005. En consecuencia. la sirnetrfa ele la pieza y la concentricidad entre punzón y pieza hrula son importantes.
15.12
\TI
l-uen!~-:
flGURA 15."IS (a) Dos ejemplos de productos fabricados con extrusión por Est;is piez<\s también pueden hacer fundidas, forj;xlas o rTiaquinadas; !a elección del depende las dimensiones y los materiales que intervienen, y de las propiedades dcsezidas. son irnportanles las considero.ciones económicas para la elección iindl del proceso. (b) y (e:): Extrusión por impacto de un tubo aplastélble mediante: el proceso Hooker. (a)
(e)
(b)
J
rLJ -<··· -·
Pieza elaborada
i;r----Punzón Dado
Corte transversal de la pi(,za rnelálica de. Ja ·1.s.12, rnostr
FIGURA 15.13
Machinery Cornpany.
Lj'"1
----Pieza elaborada
C1pilulo
1S/
Ex1rus1nn \1 csL11·(:do de mel:dcs Sección ·¡ 5_9 / Eqt~ipo para extl'Usión
3111
j En la extrusión hidros1á1ica, IH prcsi
D-
La extrusión hidrost<Ítica, desarrollada a principios de los mlos l 950, fue mejorada cxtrnyendo la parte a una segunda dmarn a presión, a una presión más b<\ja (extnJsió11 de füiido 'l fü1i
te duranle fa extrusión.
Con este rnétodo se pueden c:xtruir bien los materiales frágiles, porque la presión hidrostática hace aumentar la ductilidad del materia!. Sin embargo, lHs rawnes principales de su éxilo parecen ser la baja fri<:ción y e! uso de pcquerfos ;íng11!os con el dado, y altas relaciones de extrusión. La mayor parte de las operaciones comerciales de extrusi
flGURA 15.16 (,l) Agrietamiento con patrón Chevrón (hueco cent1·al) en barras redondas de acero ex11ui<,c;. A ml~nos que se in~peccionen los productos, esos defectos internos pueden pasar no detectados, y causar despui;" la folla de la parte en servicio. Est" defecto lambién se puede presentar en el estirado de varilla, aJa111bre y tubos. tb) Esc¡uem,1 de l;1s z:onas 1·ígidas y plásticcts en la exlTusión. Aumenta la tendencia hac.i,~c agrielam1en10 con patrón Chevrón si no se juntan las dos zonas p!;lstic:as. Nótese que la zona plástica s1.~ puede Jgrand.:1c disminuyendo el ángulo del dado o J.urnentando l.1 reducción en sección transversal (o diilb.J~. rneck:iasl. Fuente: l1. f\vitzur.
A pesar del •éxito obtenido., la c:xlrnsión hidrnst::ítica ha tenido :.lplicacioncs indus1riaks limitad::;, pi1r' naiura!c1.a algo compleja del herramental, Ja experiencia necesaria C
1:; con Lt condición del malt':riid y las variables del proceso . ios productos cxtruidos pueden dcsmro!lrn- '''" ios ck:i'c:cios que pueden ;ifoclar en forma apreciable su resistencia y su calidad. Algunos delectns .son a njü; ~¡f.i·os ,1.,óJo ;.;e pueden dcseuhr;r con Jas Lécnic1.o:, que describirernus en ln sección 36.'0. tres e.rtrusión pr!ncipalt's: agrit:t"arníen!o de ja super[Jc!c, tuho.s a,:~:·ieUJ.rniento interno.
i\gdebmfo'Rüí ci1.• la Si la temperatura. la fricción o !a velocidad de extrnsión es demasiado aila, Lis temperaturas superílciaics suben en !ormJ apreciable, y esta condición puede causar 2gricUm1ientns y desgarre de la superficie (grietas di~ aiJe
-----~----------
El iubo se puede reducir al mínimo modificando el patrón de línea de flujo para forn1ar un<.t uniforme; por ejcn1plo. controiando la frü.:clón y minimizando los gradientes de tcrnpcr~ltura. Otro n i.o
de un espécimen de prueba de tensión (véase la !'ig. 2.22). La lendencia al agrietanüento central:
a. aurnenta al incrementarse el ángulo del dado; b. aumenta al incrementarse la concentración ele impurezas, y
c. disminuye al aL1mentar la relación ele extrusión y la fricción, Se han observado también estas grietas en extrusión de tubos y en perforado ele tubos (secciii•1 l6. l l .3); aparecen en las superficies internas de los tubos, por las mismas razones.
...lf' ,~&·
3a2 Capítuio 15 /Extrusión y estirado de metales
Secci6n 15.11 ¡Práctica del estir
333
,:;;.i'i
(b)
(a) -~Dado
M~ndril.
estactonano
¡--t,,.-
,,.--/Dado
~~[l EJ=r-· (
(e)
Dado
Ejemplos de operaciones de estirado de tubos, con y sin mandri! interno, Nótese que se pueden producir distintos diámetros y espesores ele pared, a partir del mismo tubo de milteria prima (que se h:.i fabricado con otros procesos). FIGURA 15.'19
Vista general tfo una prensa hielráulica de extrusión de 9 MN ( ! 000 toneladas inglesas). Fuente: cortesía ele iones & Laughlin Steel Corporatinn .
·~n
la .';e han usando prensas mecánicas de cigücílal y de rótufa para extrusión en frlo y exm1sión de impacto, producción en masa de pequeños componen!<:'; En prens
o tn:fifa(io, la sección !rnn,wt:rsai de mm barra o alambre redondos se reducen o camhiCJn ja· J 5. i :J). Las variables principales en el estirado se parecen a la1: de 1" '.!Xln.1sión: reducción de ;\rea tmnsvers;iL ;ing11lo de! dado, fricción a lo largo lle la interfase d
i~ínriolos a travc!s de un dacio o matriz ifig.
Se puede dcmos1rnr c¡ue., para cierta reducción de diúmelro y cicna condición de fricción, hay un ángu!o óprim1l de dado con el cual es mínima la iuerza de estirado. Sin embargo. estos cálculos !lo quieren decir deba hacer el proceso con este ángulo "óptimo", porque, como se vení más adelante, hay 1llras consideracioncEJ que tienen que ver con ia calidad del producto. hre1·;r:a de estirado, La ecuaciún para calcular Jafúerw de es1iramiento ba¡o condiciones sin fricción !·:e parece a la de Ja extrusión; es fa siguiente:
F
-
l;\W,~1"':'1~!\'~~f&'.1~~-~S'.t.__..,,- - - - - -
(A")
Jn ~~· .
=e
F
(15.2)
FIGURA 15. 18 Variables del proceso de estirado ele alambre. El ángulo del dado, la reducción en área transversa/ por paso, la velocidad del estirado, la temperatura y la lubricación afectan la fuerza F de estirado.
donde 13.2.2). fricción.
es d esfuerzo real promedio del material en el hueco del dado ( véuse el ejemplo en la sección hay que efectuar más !rabajo para contrarrestar la fricción, la fuerza aumenta al incremen.!ar la
Al aumentar la reducción aumrnta la füerza de eslirado. Sin embargo, debe haber un límite de la mag·· nitud de esa fuerza. porque cuanüo el esfuerzo de tensión debido a la fuerza ele estirado llega al esfueo:o de fluencia del rnatcria1 que se estira, sünplerr1ente la pieza cedería y, a] final, se rcnnperfa. Se pueJe den1ostrar que, en el c::1so ideal, la reducción máxima en úre'1 trunsversal por paso es de 637'0. Así, por ejemplo, w1a varH1a de l O mn1 se puede reducir, cuando mucho., a un diúrnetro de 6. 1 mm en un paso~ sin que faHe. tst~rado de o~ra§ füir:mas. Se pueden producir diversos perfiles sólidos e~tirando a través de dados distintos perfiles. La sección irnnsversal inicial sude ser redonda o cuadrada. El diseño adecllado del dado la selección adecuada de Ja secuencia de reducción por paso requieren mucha experiencia, para asegurar Lln flujo correcto del material en cf dado. reducir los defectos internos o externos y mejorar la calidad ele la :;uperficie. El espesor de pared, el diámetro o la forma de los tubos que se producen por extrusión o con otros métodos se pueden reducir más mediante los procesos de estirado de tubos (fig. 15. l ')).Con estas técnicas se pueden estinu· tubos basta de 03 m ( l 2 pulg) de diámetro. Para estas operaciones hay disponibles mandriles de distintos perfiles. Para estirar bandas planas o cinlas se usan matrices en forma de cuña. Este proceso no tiene mucha importancia industrial, aunque es el proceso fundamental en el planchado ("ironing"), que se usa ampliamente para fabricar latas de aluminio para bebidas (sección 16.9.3).
PRÁCTICA DEL ESTIRADO Como en todos los procesos de trabajo de metales, las buenas operaciones de estirado (o trefilado) requieren una selección cuidadosa de los parámetros del proceso, y tener en cuenta muchos factores. Las velocidades de estirado dependen del material y de la reducción del área transversal; pueden ir desde l a 2.5 mis (200 a
., '
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_ :_._·~_ ""<..... -._ •Jr
C.iprtulo l 'i / E!
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.100 pics/min) ¡xm1 secciones pesadas. y hasta 50 m/s (10,000 pies/min) para alambre muy delgado, con1oe¡.I; que se usa en los electroimanes. Como el producto no tiene tiempo suficiente para cfüipar el calor que se nera, las temperaturas pueden subir bastante y las altas velocidades ele estirado pueden tener erectos pcijud¡. ciales sobre la calidad del producto.
385
gc-I
dimensionamiento). También, cuando se rectifica un claclo gastado, ia cara mantiene la dimensión de salida de la abertura del ciado. Se requiere un conjunto ele dados para estinfo del perfil, para distintas etapas ele deformación. Los de:·
Las reducciones en área transversal por paso van desde cerca de O hasta 45%; por lo gcneraL mientras'·I menor sea la sección transversal iniciai. la reducción por paso será menor. Los alambre finos se suelen es¡¡.1_1i!_ rar con .1 S a 25% de reducción por paso, y los de cal.ibres mayo1·es, con 20 a 45%. Si las reducciones son ma. y ores qiv~ 45%. prreden causar rotu;-¡, del lribricante y el deterioro consecuente del acabado superficial. El es. lirado de secciones sólidas o huecas grandes se puede hacer a temperaturas elevadas.
dos pueden ser de una pieza o, según la complejidad de la sección transversal del perfil, tener varios segmentos unidos en un anillo. Se están implementando técnicas de diseño asistido por computadora para diseñar dacios para que el flujo de material por un dacio sea uniforme. y para minimizar los clel'ectos. También. para estirar varillas o barras de clisüntas formas se usa un conjunto de rodillos "locos", cilin·· dricos sin carga o conformados, Este arreglo (cabeza de turco) es 1mís versátil que las matrices ordinarias estirado, porque Jos rodillos se pueden ajustar en distintas posiciones y ángulos.
'li'· ·1;
11
:'t'Íi"
Una reducció1J pequeña, llamada pase de dimensionamiento se puede hacer en barras para mcjornre!
ci<:abado superl1cia1 y la precisión dimensional. Sin embargo, como deforman sólo las capas superficiaJe,\ lus reducciones pequcilas producen deformaciones con poca uniformidad en el material y su microestrnctura. f'n consecuencia, las propiedades del material varían en toda Ja sección transversal. Debido al endurecimiento por el trabajo, podría necesitarse recocido intermedio (sección 4.1 J) entre los pases, para mantener la ductilidad suficiente durante el estirado en frío. Los alambres ele cobre y latón esiira. dos se especifican por su temple, como por ejemplo. 1/4 duro, 1/2 duro, etcéte1·¡1. Los alambre ele acero al allo carbono para resortes e instrumentos musicales se fabrican por tratamiento lérn1ico (pat¡m!:ulo) del alambre estirado: la microcstmctura que 'd se obtiene es perlita fina. Esos édam. bres l.icncn resistencias últimas a la tensión hasta de 5 GPa (700 ksi). )'la reducción de su área por tensión es uno 20%. .
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[stkado Aunque se puede producir alambre muy ddgado con el estirado, el coslo puede ~:· seor grande. Un método p
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Ei prnr'.cso mtíltiplc produce de sección tranwersal poligonal en vez de fedonrlas. Adem;i., de [1: ? los tramos continuos. se han dcsarro!Lido térnicas para prnducir alambres llnos que se separa en dislinlos uirnaifos y forml.ra ;1lla tempera- j¡' lurl!. Emre sus aplicaciones es:,in ios plásticos textiles resisl.cntcs al calor y eicct.n>con-
~· ~'
dw. .-1·.Prc.s, medio;-: fiHrJntes, ca1nuflaje contra radar e impiantes médicos. 'i
Sec.:ción 15.11 /Práctica del eslir<1dO
de
15.1'1.2 Materiales para dados Los materiales para las matrices o dados para estirado suelen ser aceros para herramienta y carburos: los dados de diamante se usan para Ja fabricación de alambre delgado (tabla 5.7). Para tener mejor resistencia al de:;-gaste, las matrices de acero se pueden cromar y las de carburo se pueden recubrir con nitmro ele titanio. Los mandr.i!es para estirar tubo son en general de aceros grado herramienta endurecidos o de carburos. Las matrices o dados de diamante se usan para estirar alambre fino, con diámetros ele 2 p,m a J .5 (0.0001pulga0.06 pulg). Pueden ser ele diamante monocristalino o en forma po!icristalina, donde las pérr· lículas de diamante estén en una matriz metálica (compaclos). Por su costo y falta de resistencia a la tensió:1 y tem1cidad. los dados de carburo y de diamante se usan en forma de inc;erloc; o pastiilas, :;ostenidas en pieza de acero fundido (fig. l 5.2 I ). r)ara el estirado en caliente se usan dados de acero fundido por su alta resistencia aJ dcsgasle, a temperaturas elevadas.
15.'l'I .3 Lubricación Es esencial la lubrjcación adecuada en el estirado p:u·a IT.iejorm: la vida del dado, reducir las fuerzas y 1a tc:ri peralura en el proceso mejorar et ;._icabado superficial. En e] csürnmieni.o de tubos, !a lubricación ciulmcnte cdtie
IJ, Estirado en seco. La superficie ele la varilla por es1irar se recubre con un lubricante. como por ejemplu jabón, baciénclola pasar por una caja "llena de éste (cuja de aditim).
propiedades caractcristica:: cíe un diseño caracteríslico ele un dado para eslirw· se ven en Ja 1ig. 15.20. Los ángulos en ella van de 6 a l 5º. Nótese, sin <émbargo, que hay dos ángulos, ei de cut rada y el de aproximación en un dado normal. El diseño básico ele este tipo de dado se desarrolló después de años de tanteos. El objeto ck la superficie de carga (cara interna. o cara) es ajw;tar d diámetro definitivo del proclucto (lo que se JJama
e, iRec11brimiento, La varilla o el alambre se cubre con un metal suave que funciona corno lubricante suJiclo. Por ejemplo, el cobre o el estaño se pueden depositar químicamente sobre la superficie del ineral. para servir este propósito. d. Vibración ultrasónica de ciados y mandriles. Esta técnica se ha usado con éxito parn reducir la fricción al estirar secciones sólidas o huecas. así corno en otros procesos de trabajo con metales. Cuando se ha-
acero
FIGURA 15.20 Terminología de una matriz típica para estirar varilla o alambre redondos.
~w~,~.ztm~r.':'..=------
Inseito (pastilla) de carburo de 1ungste110
FIGURA 15.21 Inserto de carburo de tungsteno para dado, en una caja de acero. Los dados o matrices de diamante, para estirar alambre delgado, se encierran en forma parecida.
...
!', ·.'"•j____ .,_,·._· ,;',
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386
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Capítulo ·15 ¡Extrusión y P.Stírado de metales
¡11,
Resumen
Dado
337
y su soporte
·<~!},
fl~UR~ 15.22
Esquema del endercz;rn1iento de una varill;i redoncfo estiracJa, con rodillos (véase también
L1 ng. 1.,.7).
ce bien, las vibraciones reducen las fuerzas, mejoran el acabado superficial y la vida del dado y permi. ten mayores reducciories por pase, sin fallas.
"l2
Y ESFUERZOS
DUALES
Los defectos normales en las varillas y alambres estirados son parecidos a Jos que se observm1 en la extrusión, en especial eí agrietamiento del centro (véase la fig. 15.16). Ülra clase ele defectos en el estirndo es ei de lrns!a· pes ("scams''), que son rayadunls o pliegues longitudinales de11nalcría1. Las costuras pueden abrirse durante las operaciones siguientes de conformación_ como por ejemplo e] recalcado, cabeceado, ian1inado de cuerdas,') doblado de la varilla o el alambre, y pueden causar graves prnbíemas de control ele calidad en la producción. Hav olros defoctos superficiales, como rayas y marcas de dado, que pueden resultar por la selección impropia de los p¡irárneiros del proceso de estirndo, n1ala lubricación o mal estado de las n1atrlces. Como los productos estirados en frío sufren deformación no unifurme
l·1·:1
•·flr·
1 ·t ·1·}
Dirección de la impulsión
f!GURA 15-23 Estirado en frío de un canal exlruido, en un banco de estirado, para reducir sus rlirnensiones transversales. Los t1amos individuales ele varilla recta o perfiles se extruyen con este método. FLwnte: cortesía de The Babcock and Wi!cmL Company, Tubular Products Division.
"i!J•
1 Vist;1 lateral
Vi~:la
de velncidad de tamhot
s:tpenor
con sujctadol" parn dadm.
flGU~A Do:, vistas de una 111élquin2 de estirndo en etapa.·;, que normalmente se us¿¡ para fabr¡car ahmbre d(--: cobre ¡vira conduc!ores eléctricos. Fuente: H. /\uc1·swa.ld.
RESUME~,¡
5.
DE Aunque tiene diversos diseños, cJ equipo de estirado es de
,. La extrusión <;sel proceso de forzar una palanquilla a través de un dado para reducir su sección transversal o para producir una gran variedad ele perfiles sólidos o huecos. En general, el proceso se efectúa a temperaturas elevadas, para reducir las fuerzas y mejorar la ductilidad del material. " Los factores importantes en la extrusión son el diseño de la matriz o dado, la relación ele extrusión, la temperatura de la palanquilla, Ja lubricación y la velocidad de extrusión. Aunque el término extrusión en frío se aplica a la extrusión a temperatura ambiente, también es el nombre de un proceso que es una combinación ele operaciot1es de extrusión y forjado. Con la extrusión en frío se pueden producir parles discretas de diversas formas, con bLienas propiedades mecánicas y tolerancias dimensionales, todo ello en forma económica. " El estirado de varillas, alambres y tubos es, funclamentalmentf', el proceso ele jalar el material a través de una matriz o dado (o un conjunto de dados en serie). Aunque las secciones transversales de lamayor parte de los productos estirados son redondas, también se pueden estirar otras formas. Para estirar productos tubulares y reducir su diámetro o su espesor de pared se requiere, normalmente, el uso de mandriles internos.
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388
1...apilu!o
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I>.:,' , 'l
Fxtrusión y est11Jdo de mc!.iles
por,i~aso
" El clisc:lo del dado, la reducción en el área transversal y la sek:cción de los materiales dci Ja. do y lubncames, son parnrnetros rmportames en la oblenc10n de prodttctos ele alta calidad y buen acabado superticiaL Se pu_cden pmducir defectos tanto :'omo internos (agnetarnicnto en espina de pescado) en la extruswn y en el cslrrado; su reduccwn al rmmmo depende pnnc1palmente del ángulo
~~ternos
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l'roblemas CtMlitaüvos
-,REGLJ
3ll9
DE REPASO
P
15.1 ¿En qué dit'icre la l'X!rusión ele] laminado y el forjado? 15.2 ¿Cuál es la diferencia entre extrusión y estirado? 15.3 Defina al cfüírnetro del círculo circunscrito (DCC) 15.4 ¿Qué es factor de forma? ¿Por qué es importante?
' .'I y la manufactura de matrices ayudados por compt1tadora. para rnejon1r el flujo del material en la C,\'.trusión y el estirado, co11 objeto de rec!ticir los dcfeclos,
<> Se cslón implementando el disclio
Se usan dados de cerámico en Ja extrusión de pequeños perfiíes a altas tcmpera!uras, " Se cstún ;nejornndo los materiales y los recubrimientos de los dados. par:i prolo!lgur ía vida de éstos,
155 Describa los tipos de flujos de metal que se producen en ia extru~ión. ¿Por qué son importantes?
'I
15.6 ¿Qué es una zona de n:ietal muerto, o zona muerta de metal?
Ir
15.8 ¿Por qué e! vidrio es buen lubricante en Ja ex1rusíón en caliente?
li
15.7 Defina a) revestimicnLP, b) bloque ele apoyo. e) dados de corte, d) cos!ra, e) enlatado. 15.9 Explique por qué la cxlrusjón en frío ha adquirido imporLancü~ como proceso de manufactura. 15JO ¿Qué clases ele derectos se pueden presentar en la extrm:.ión y el estirado? 15:11 Escriba los nombres de las variables importantes de los procesos de e.stiradn de varíll::ts y alambres. 15.12 ¿Cuál es la diferencia entre la extrusión directa y en reversa?
15.13 ¿Qt;é es una cara inlema? 15.14 ;,Qué es una poka grande? 15.15 ¿Cómo St~ cxtruycn los tubo.s? ¿C6rno SL~ estiran?
/\gnct:m1iento a
/\J;;rnb1·c F;ancu de csu rado
tk
ilJrCll
('ahn.:i>lantc
rrn1di i'ic1dr, ( .i"H:vr1ín cxln1.',;ti11
1?ndo
(je
15.1(¡, ¿,Cómo se cxtrnycn los engranajes? ¿,Qué procesos posteriores se nccesiti.ln?
Dado de curv.: Dado de puenlG Dado 1.::n ojo de hw~y Defecto de bambú Dcfccio de tubo Defectos de cx1rnsi6n
Extrusión hidrostál.ica Extrnsión por irnpac11) PasG de Uijm;nsinnarnicnto
PROBLEIV\A,S
Patcn1~1c!o
Diámetro del drcu1o circunscriin (DCC)
Enchaq11ctndo Fniat~1do
Pla::1cl1fülo Polea gnmde Proceso Relación de cx1rn~i6n Séj()!ll"Dl:f
Er;tirado
Yítri!la Zona mucr1;i dd rneui!
E;.;tirmiu mul1iplc Extn1:.;j,)11
] 5J.7 Explique por qué la txtru.:-;1ón es un prnceso intcrmiLcntc o sem icontinuo. ¿,Cree usted que ~;;e pueda transformar ;~;1 proceso continuo? Explique por yué.
]5.18 Exrlique las formas en que i:.l cambio dd ángu!o Jcl daJo arecta al proceso de cxtrusiún. 15.J9 El vidrio
u11
buen luhricank:
eri
la extrusión en calienlc.. <·.Usaría
LLsted
vidrio en el estampado? Explique por qué
]5.20 L<:1 re!aci()f}, velocidad y k:rnperaturn de t:xlnisión inrluycn sobre !a ruecr.a de extrusión. Explique por qué ln hac:it ]5.21 i.Cómo evitaría usted e! agrietamiento de centro t~n la extrusión'? Explique por qué sus n1étoclos serían eficaces. :\5.22 Suponga qne va a reducir el diúmctro de dos vardlas. una sólo con ten.<:;ü)n y la otn.1 por ex:lrusión indirecta sm ción. ¿Cuúl rnél
r~.\trusión en fr{o
15,23 ¿Cuúl ~sel objeto de una placa desmoldcadora en !a extrusión por irnpaclo? !5.24 Si no existiera el proceso ele extrusión por impacto. ¿,cómo fabricaría usted las piezas de la fig. l 5.1 Sa? 15.25 La labia 15. ! muestr;;. Jos intervalos de lemperatura para ex1ruir diversos metales. Describa las consecuencias dt cxLruir a lernperaturns a) menores y b) mayores que esro valores. 15.26 En Ja extrusión Jirecla, ¿varía !a fuerza cuando la palanquilht es cada vez más corta? En caso afirmativo, ¿_por que'.?
Alcxander, J.J\!l. y B. Lengyef, Hydrosratic I:.~l.trusion. l\1il1s and Boon, 1971, ASM Handbook, VoL l4: Forming and lmernational. 1988.
Po1:~ing, ASM
Blazynski, T.Z., PLasricity and Modern l!1etal-.forming Technology, Elsevier, 1989, Hosford, WF y RM, Caddel!, Mua! forming,' Mechanics and Merallurgy (2d ed.), Prentice Hall, 1993, 1noue, N. y M. Nishihara (eds.), Hydrostatic Extrusirm: Tlu:ory and AppUcations. Elsevier, 1985. Lange, K (ed,), Hancrbook ofMeral Fonning, McGraw-Hill, 1985, Laue, K. y H. Stenger, !::.Xtrusion-Processes, MachineJ'}~
Tooling. ASM lnternational, 198 J,
&!!:~1i*f.i-"'~~':""W~"''~-=--,-----
IVfichacli, W., E~arusion Dit:s. (ld cd.) Hanser, l 992. Slicppard, T., Ex!rusion (d Aluminum Alloys. Chaprnan & HalL 1997,
15.27 ¿Qué cambios espera usted que haya en la resistencia. dureza y ductilidad de un ml'la[ después de haberlo estirado a través de matrices a temperatura ambiente?
Estirado
15.30 ¿Pueden fabricarse engranajes rcetos con a) estirado, b) extrusión?¿ Y engranajes hehcoida!es? Explique cómo por qué,
15.28 Describa el .significado de !os patrones de flujo de grano. como la que se ve en la fig. !5.7.
15.29 ¿En qué aplicaciones podría usted usar las piezas dd tipo de !a !ig. l 5.15, extruidas por impacto?
Hosford, W.F y RM, Caddel!, Merul forming_, Mechanics and IV1"rallurgy (2d ed.). Prentice Hall. 1993, Lange, K (ed), Handbook qfMetal Forming, McGraw-Hil!, 1985, Nonferrous Wire Handbook, 2 vols. The Wire Association Jnternational, Jnc,, 1977 and 198L
Stee/ Wire Handbook, voL 1, 1968; voL 2, 1969; voL 3, 1972: voL 4, 1980, Wire Association lnternationaL
t'l
15.31 ¿Tiene alguna ventaja cxtruir con matrices cuadradas? Explique por qué. 15.32 ¿Por qué cree usted que los dos dados de las figs, 15.8a y b son adecuados para extruir metales no ferrosos y ferrosos, respectivamente?
15-33 En el capítulo 13 vimos que aplicando tensión inversa en el laminado se reduce la fuerza en el rodillo. ¿Qué ventajas, si es que las hay, tendría aplicar tensión inversa en estirado de varillas o alambres? Explíquelas,
15.34 Describa una técnica para iniciar una operación de estirado; esto es, ¿cómo prepararía usted el extremo del alambre para poder alimentarlo a través de un dado para comenzar la operación del estirado?
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39(1)
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.j~,,¡i,,l .íi
Ciuítulo 15 / Lxu·usión y cstirildo de metales 25.35 ¿Son útiles los cabrcstanles y polcas grandes para estirar varillas'!
·:'\.¡;Y/
15.36 ¿Cuál es el objeto de un roclillo "loco'"!
.'
'¿,·.
l 5.Si En ta extrusión hidrostática :;e usan sellos comple.10:; entre el vástago de compresión y lo cámara, pero oo entre la nir·.''•' !i za cxtruida y el dado ;,Por qué'' ' . :· );';; ·
!5.38 Describa sus observaciones acerca de ta fig. 15.9.
:::
.
1
;15.39 A veces. el trefilado de alambre de acero se hace dentro de un rovcstimi.ento o forro ele metal 'uavc. como cobre o plo ; mo. ; Por qué se debe usar este revestimiento o fon-o'!
:;
;&; '.U·"
Síntesis y diseno
-:;91
15.55 Describa las semejanzas y las diferencias entre extrusión y estirado, y cite algunos productos específicos que se puedan fabricar por uno de esos procesos, o por los procesos de forjado descritos en el capítulo l4. 15.56 Haga una lista extensa de productos que se fabriquen o que tengan uno o mas componentes fabricados con a) ah1111bre y b) varillas. de diversas secciones transversales. 15.57 Consulte las publicaciones técnicas y explique cómo se pueden aplicar vibraciones externas al estirado de alambres para reducir la fricción. También comente las direcciones posibles de vibraci6n, por ejemplo, longitudinal o de torsión.
15.58 Describa los produclos que se pueden fabricar con el proceso de cxlrusión latera] de la fig. l 5.3c. 15.59 Consulte las puhlicaciones técnicas y escriba un ensayo breve sobre la tecnología de la lubricación con vidrio, en la extrusi.ón en caliente.
;1:
15.60 Un juguete frecuente en Jos niños es una prensa de extrusión en miniatura que se usa con pasta o plastillna suave. pn··
11·
15.(Jl Aunque los productos extruidos suelen ser rectos, es posible diseñar matrices para qut.'. el producto desarrolle una curvatura constante al salir de ellas. a) Describa sus ideas acerca de cómo se puede lograr eso. b) ¿Qué aplicaciones tendrían las extrusiones curvadas?
Calcule la focm1 de extrusión para una palanquill:; redonda de 200 rnm de diáme!rn. de berilio, extruyéndolo a i OOOºC a un Jiámelrc, de 50 umi.
f"''r ~·
Demucslre que, para un maleriai perfeclamentc plástico con un csi'ucr:w de ccdcncia ci
¡:}~
J.5.62 Suponga que la zon,1 de deformación plüstica en la extrusión se puede aproximar con un triángulo rectángulo isósceles. con Ja iongitud Je contacto entre el dado y la píc:z.a siendo la hipotenusa. Si se desarrollan griel:as en espina de pescado cuando las zonas de deformación no se traslapan, deduzca una ecuación para determinar cuándo se presen~ tará el agridamienlo mendonado, en función dd ángulo del dado y de la reducción.
Calcule la fuerza 11eccsarü1 para extruir cobre a 700 ºC. si el diámetro del lingote es J 25 mm, y la relación dtt extni-
~~~
Suponiendo un proceso ideal de estirado, ¡,cuál es el diámetro mínimo final al que "'' puede estir;.ll' una vari.lla de 50 mm de diámetro"
¡~_
Si se incluye la fricción en ei problema 15.41. ¿cambia el diámetro 11naf'I Explique por qué.
y bajo condiciones . .
frie-
1
' '"!
V !n 1 "--· . \Ar l letl!Uc.1,tre que parn !as condiciones mencionadas en ci ¡miblema !5.'14. f) .,:::
esfuerzo de eslirndc rr, en el <1bmbr" es 1
o-d .::·.~
Y ln
\I,
\ A.1 / G1A'it¡uc !;is CCIWciones de los pmblenws í 5 44 y ¡ s..+s en !'unción observaciones.
porcentaje de rcduccirin de án;;t, Describa sus
Véase la !lg. 15. ! O y determine los diámetros de !os círculos circunscritns en parn obtc.11cr mediciones exactas.
dos ejemplos. Poúr:.\ ampliar hs lígs.
Snponga que c:o 1111 profesor t¡lle explica este capítulo. Prepare tres probicmus 1:ct
''valtuir lov wrn,,.¡..
Calcule la temperatura final ele la palanquilla del problcm" 15.40. Suponga que lodo el !rakijo de dcíórrnacirin se di· sipa en forma de caJur en la pieza, y que no se conduce calor hacia las herramitmtas. Una operación proyectach de extrusión se hace cnn acero a 800 ºC, con llJO mm de di1Í!nctrn inicial .v 20 mm de diá· melro füia!. Para esta operación 8C dispone de. dos prens::1:~, una de 20 MN de capacidad y Ja otra Je J () MN. Es obvio que la prensa mayor requiere más cuid1Jclo y herramientas rrnís "'"tº""· ¿Basta la prcns:J pequeña para esta operación" Si no, ¿qué recomendaciones haría para poder usarla?
Y DISEÑO l55l. Suponga que usted es el director técnico de una asociación de fabricantes de extrusores y mi\quinas extrusoras. Prepare un folleto lécnico para clientes potenciales, donde aparezcan todas las ventajas de la extrusión. 15.52 Suponga que falta el resumen de este capítulo. Escriba un resumen
l553 Consulte las publicaciones técnicas y haga una lista detallada de los pasos de manufactura para fabricar agujas hipodérmicas metálicas largas.
15.54 La fig. 15.2 muestra tres ejemplos de productos que se obtienen cortando las secciones exu·uidas en tramos pequeños. Cite otros productos que se puedan hacer en forma parecida.
~~~"''~~-""'""'"~""""'"-"'""·'~""'"="-===··"
~
ra hacer varias formas. Compre ese juguete y demuestre los defectos superficiales que se pueden desarrollar.
Sección 'J 6. ·¡ /Introducción
393
Pn111.011<;:>. dad
pro¡:rrcsivos,
el~
1 __ , _ _ ,_____L , _ , ____
,_,_,h
Punzonado Corte Je piezas brutas ~~
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Pr~paración
fina
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Realzado
Rc.bati:ado Lllllp!C'/.
Pintllra
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Fo1m::ido con rodd\os f:mhu11do p1olundo rornudo C-0\l hule
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Rccbaz<1cl(1
Formallo supt:rpl;ístico Formado con explosivo f",'ormado por impuiso
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!n!roducción Cizc.illamiento C;ir,·Jc!:erfsticas dc-;J rnci,1i lanlin..1do iV!{lodu..; de pn.iebt"l
p;:¡r;1
c:i fonr1ddo
hoj;1<.;
hrnin:1s rnt~!:í)ir:Js
Doblado de lárninJs y placas ()¡~w~·;)c~onr:s cornunes ck doi)Íddo UoLiado y conforrnado ch: 1ubos Formado por extensión C11·1L;utido p1ofl111do Forrna:do con hul1.:: i\:;::ch.:1zac!o
rorn·¡ad{J
IABl.A ·il Proceso f(lnY1ddí1
fZesistencia de piezas de rnetJf larn!nadü al ~1bollarniento E:q1.1ipo paré1 el conform
.,
O,¡
Los productos hechos con procesos de forirn.ado de ~á:m.inas ~nctá.Hcas nos rode~rn; entre cJlos esufo los escritorios, ios archiveros, las carrocerias de autos, los /Usehrjes de los aviones y las lalas de las bebidas, El conformado de lámina data de 5000 'LC, cuando se fabricaban utensilios domésticos por repujado y estampado de oro, plata y cobre. En comparación con Jos productos fabricados por fundición y forja, las piezas de metal !ami· nado tienen la ventaja de poco peso y forma versátiL Por su bajo costo y buenas caracteríslicas genentlcs de resistencia y facilidad de conformado, el acero al bajo carbono es el metal en forma de lámina que más se usa, Para aplicaciones en aviones y en naves espaciales, los materiales laminados normales son el aluminio y el titanio. Este capítulo describirá primero los métodos por los cuales ''e coitan piezas brutas de hojas gran· des laminadas, para procesarlas y obtener las formas deseadas con una gran variedad de métodos
392
-~
EsquPIYi<-1 de io~·; procesos de fonnodo d<:~ l;-.1rninas meUilicJs.
tradicionales, así como con H~cnicas como fórmado superp!Jstico y enlace por diFusión. El capítu!n inclu:- 1 1'~ tambicn descripciones de las propiedades características de los metales L:.nnin<-1dos, las lécnicas para detenninar su form~1bilidad y !a construcción de diagr<-i1nas de lin1itc formado. También se dcscrjbcn todos los pn>~·¡_-: sos prinópalcs de formado de láminas, y todo el equipo para fabricar productos de l::írnina metállca qui: aparco~n en. h.i f"ig. l ó. i y la tabla l 6. l.
'il.rpcip!,J~lic\)
Ex¡_~l1jsi6n 1 iinpulso n1¿:¡g1H~!ico, n:'puj,.rdo y nii-r.is Fdhric~1ción d{-: esln.icttJrc.1:; d{: pandl
HGURA.
Formado por laminación
f
Ca1acterístiuis de lo:, procesos de for·mado de láminas metálicas Características F'it?.as largas con perl"i!es tnrnsvers
simples; grandes prodnccione.--:; a!!cis coslos de
Emtulido
Pil.,1,as supcrficialc:-; o profundas con formas mientas y equipo.
fat.:.111pado
Incluye una diversidad de operaciones, corno punwnado, rccork dl: pla.as t;ll blanco, realzado, doblacio brid;:do y Oicuilado; formas ~imples u complicadas, con grandes rroducciones; lo:-. costos de herramientas y cquipn pu·~·· den ser altos, pero los costo.-, ele mano de obrn son bajos
Ponnado con hule
Embutido y rcal!.ado de formas simples o cornp!icaclas; ];J superficie de la l<íminu se protege con membranas de hule: flexibilidad de operación; bajos costos de herramientas.
Rechazado
Pieza¡., grandes o pequeñas, con simetría axial (axisimctria); buen acabado superficial; bajos costos de berramienta, pero los costos de mano de obra pueden ser a1tos, a menos que se automaticen las operaciones.
Form2.do superplástico
Formas complicadas, gran detalle y tolerancins estrechas; los tiempos de formación son largos y por dlo !a rapidez de producción es b
Repujado
Contornos superficiales en láminas grandes; flexibilidad de operación: los costos de equipo pueden ser altos; el proceso también se usa para enderezar piezas.
Formado por
Lüminas muy grandes con formas relativamente complicadas, aunque por lo general axisimétricas; b(ijos costos de herramienta, pero altos costos de mano de obra; adecuado para pequeñas producciones; grandes tiempos de ciclo.
explosión Formado por impulso magnético
Operaciones de formado superficial. abombado y realzado con láminas de resistencia relativamente baja; muy adecuado para formas tubulares; grandes tasas de producción: requiere herramientas especiales.
,..
-~~94.
~t
Capitulo·¡¡,/ Procesos de formado de hojas o lóminas r n e L i í l 1 c a s .flii·'....
16.2
Secci6n ·¡ 6.2 / Cizal!amiento ·
í
·I~
An!es de fabricar una pieza de lámina motü!ica, se saca una pieza bruta de dimensiones adecuadas a panir de '.· .una lámina grande (por lo general en rollo) mediante el cizafüimiento, eoirte o ü:oque!mfo; esto es, !a hoja '.'. ' ·
395
o-.j·
(a)
·1'K < '.' fHGrnV•. Hi.2 (a) Esquema deiciz;illarniento con un p1'.1nLón y un dado, indic,ando alg¡¡nas de IJs vanables del proceso. (Ü) C;iractertsí1cas de un orrhc10 punzon;¡do y (e¡ et reco1·te. Obsérvese <.¡ue son dislintas las escalas de k1s dos figuras.
•~¡,.'~, f l:l.
(a)
1t
Punzón
I*'
Lámina
flGURA 16.3 (a) Efecto de la holgum e entre el punzón y el dacio sobre !a zona de deformación en el ciza!!arnienlo. Al aumenlzir la e! mJLerial tiende ser jalado hacia el dado, más que a ser cizallado. En la práctica, kis holguras normziles son ele 2 a 1en~) del espesor de !a. lán1in0. (b) Líneas de micmdureza para una plc1ca de 6.4 mrn 10.25 pulg) de acero lctrnin¿¡do en caliente A.IS! 1020, en ia región de ciza!lamiento. Fuerne: H. P. WeC!vei- y I<. J. Weinman.
! ~;
t;
M.atriz o dado
rr-
(b) l)to(u11didad de pc11C1.r:1~:16n
ProüJJ1dicbd de brufiído
Dimensión de bruiii
~·
i ?'
Angulo , de fractura·,,
¡ Altura de rebaha
de! rompimiento
(e)
Parte bajo punzón
Rebaba 1
I
--==¡-----==: ~ t ~1~JWWWWWlllWUIWWWWW~/~IJ-;;/Altura de la rebaba
A
IJ
.
O¡ncav1daci
----~L
1
1
Barra corta ideal
C , ~ . /C _____ ~ Superüc1e áspera
1:
---
Superficie lba. (bruñida)
.se corta sornetiéndo[a a esfuerzos cortantes., en forma característica que se desarrollan entre un dado matriz (fig. 16.'.?a). Las propiedades características de los bordes cortados de la lámma y del trozo de mate .. ria! se ven en las figs. 16.2b y c., respectivamente. Obsérvese que los bordes no son lisos, ni son pcrpendicuiares al plano de la lámina. Normalmente, e! corte comienza con la formación de grietas en los bordes superior e inferior de la pie·· za (A y By C y Den !Ll fig. l6.2a). Estas grietas eventualmente se encuentran enire sí, al final, y se product' la separación. Las sup(·:t:.ficies de ji·actura burdas se deben a esas grietas: las supe;/ióes bruñidas (endurecí·· das), lisas y brillantes, en d orificio y en el trozo de malcriar se dehet1 al contacto y frotmniento del borde cizallado conLra !as p<:iredes del punzón y eJ dado. Los pará1nelros principales de pr-occsarniento en el corle son Ja fonna y los rnatcria]es de! punzó1¡ y el dado. la velocidad del punz.onado, Ja iubric::ición b ho~.g11Jff::1., e, enLre d punzón y d dado. La holgura es uno de los factores principales en la deterrninación de !a fon11a y !a calidad de la orilla o borde cortado. AI aurncntar Ja holgura, d bord~ cortado se vuelve mús burdo y se agranda la zona de J.eforrnación (fig. I 6.3a). L~1 Límina tiende a ser jalada a !a zona de holgura y las orillas de la zona de corte se hacen rnás burdas. A menos que tales orillas se pueden aceptar tal como se producen, se podrán requerir operaciones secundarias (que encarecen el costo de producción), para alisadas. La relación de las zonas bruñidas a burdas en la orilla cizallada aumenla al incrementarse la ductilidad del metal laminado, y disminuye cuando aumenta el espesor de !a lámina y la holgura. El ancho de la zona de deformación. en la fig. 16.3, depende de la velocidad del punzón. Con el aumento de la velocidad, el calor generado por Ja deformación plástica se confina en áreas cada vez más pequeñas: en consecuencia, la zona ci·· zallada es más angosta y la superficie es más lisa, y muestra menos formación de rebabas. Una rebaba o filo es una orilla o jiba, como Jos que se muestran en las figs. l6.2b y c. La altura de Ja rebaba se incrementa al aumentar la holgura y la ductilidad de la lámina metálica. Los bordes desafilados ele la herramienta contribuyen en gran medida a la formación ele rebabas. La altura, fonna y tamaño de la rebaba pueden afectar en forma apreciable las operaciones subsecuentes de f01maclo. En la sección 25.11 se describen varios procesos de rebabeo. Se ha visto que la calidad de !as orillas o bordes mejora al aumentar la velocidad ele! punzón; esas velocidades pueden llegar de los 10 a 12 mis (33 a 39 pies/s). Como se ve en la fig. 16.3b, los bordes cizallados pueden sobrellevar diversas operaciones ele trabajo en frío, a causa ele las graneles deformaciones por cortante a que se someten. El endurecimiento por trabajado que resulta puede afectar en fonna adversa la formabiliclacl ele la lámina durante las operaciones subsecuentes.
J'96
C:pílulo 16 / l)roccsos clv forrn,.lcio el(' hoj,:is n /,}111i11,10, met¿lliu.<; St:cción ·16.2 / Cizallamicnto
l (a)
(b)
397
Punz6n
La fuerza que se requiere para punzonar es, básicamconte, ol producto por la rcsisiencia al corte de la lámina rnel{i]ica por el ürca que esU siendo cortada. Sin embargo, la fricción entre el punzón y la pieza puede aurnen-
tar e:1 gran medida esta Fuer>.:a. La.fúerzo máxima del punzón, F, se puede estünar con Ia ecuación F = 0.7TL(UTS),
en la que Tes ci espesor de la lámiua, Les la longitud total que se corta (el perímetro del orificio) y l.nrs (1.1!ti111utc ir'nsil slrengh) es el esfuerzo último de resistencia a la tensión del material. A medida que aumenta la holgura disminuye la iüerza del pun>:ón y también se reduce el desgaste de los dados y punzones. Además de la fuerza del punzón, también se reqLiiere una fuerza para separar al punlón de la durnnte su golpe de retorno. Esta fuerza es difícil de. calcular, porgue en ella inlcrviencn mucho-<: fauores. En !a sección i 6.2.3 se describen los efectos de la forma del punzón y clei dacio :;nhrc las ruerzas en el punzón.
de fa fuerza de! punzón
Fucnlc: f"fei ntool U. S. Operations
reqLh!riJa para troquelar un orificio de 1 pulgada t25 mm)
H:rn ¡
pr~síón
FIGURA ·16.5 (a) Comparación de los bordes co1·tados que producen Lis tc"·cnicas convencionzdes (izquíerd2) '!de preparación fina de piez,1s en bruto (derecha). (b) Esquema dc un dispositivo para p1·eparación fina.
~1
d..:: un1.i binin:.i
~.ilc~:i.ción de Uranio Ti·-6AL~4V rcc)cida, a remperatura ambú.~n:c.
i/t~
rnáqLiinas tienen utilidad especial en la fabricación de los prototipos de piezas de lámina metáiica que reqL
Solución: Li fuc:7.:i caicul:1 con la ecuación () 6. i ). E! UTS pan1 esta akación se ·.:'11cucnu·a l í;UC fVJP;t u 1.-J.OJ)OO psi. Así,
Troquelado (cm·te por medio de mi dado o matriz), El troquelado es un proceso ele cizallamicnto que consiste en his siguiente:; operaciones (fig. l 6.4b):
F
U.
( i7)( 1)( 140,000)
-18,500 lb
19.25 ton jngicsa~-
0.17 M.N.
=.::
a~
perforado; punzcnado de varios orificios en una lümina;
h, partido: corle de .la hírnina en dos o más piezas;
c. muescado: remoción de piezas (o de diversas formas) de las orillas, y d. hmcet<:ado: dejar una oreja sin quitar material alguno.
de v~1rüis operaciones que se basan en e! proceso de cizallado. Definiremos prirnen) dos itfrmino:-.:. el ¡m¡11zümnMenció1a de Ila forma hn'ta (bi1111ki11;, ;, ia pieza interior es la imponante y cí resto e:s rnerm:1 o desecho. Muchas de las opernc:iones que se dc.';u· :Jt'n a 1 continu:.H:ión. al igual que las qi1c se descfihcn en ci resto de este capítulo se pueden efectuar hoy en mi1quicu11 control numerico computarizado (vi'asc el capítulo 39) con portaherramien!as de cambio r:ípido. Esas
HGUV~A.
HJA (a) Punzonado {horadado) y corte de piez<"Js en bruto. (b) Ejemplo:; de diversas operaciones de corte en );)mina metjlico. (b) Partido
~--
t r--T'
/ f
oooooc,') Perforado
J
!/
Corte de Ran urnclo 11 1nuesca0 Punzonado
~
1 1
\_r~ Lanzado
~
Las partes producidas con estos procesos tlcnen varios usos, en especial para ensamblarse con otn)-..; componentes. Las láminas perforadas, con orificios de 1 a 75 mm f0.040 a 3 pulgadas) se usan como l"il!ro,... cribas. en ventilación, como defensas ele maquinaria, en abatimiento de ruido y para redLtcir peso. Se purw., ..
nan en prensas de manivela (véase fig. J4.2lb} con rapideces
h~!sta
de 300,000 orificios por minuto, con lb.-
dos y equipo especiales. Trnqudado fom. Se pueden producir orillas muy lisas y a escuadra con el troquelado fino (fig. 16.Sa;. En la fig. 16.Sb se muestra un diseño básico de un dado. Un aguijón o anillo de choque, en forma de V, ase· gura fuertemente la lámina en su lugar, y evita Ja distorsión del material como la de las figs. 16.2b y 16.3. El proceso de troquelado fino. desarrollado en la década de l 960, implica holguras del orden de 1% del espesor de la lámina, que pueden ir de 0.5 mm a 13 mm (0.02 a 0.5 pulg). Las tolerancias dimensionales son del orden de ±0.05 mm (0.002 pulg) en la mayor parte de los casos, y menores que 0.025 mm (0.00 i pulg) para el caso ele Ja perpendicularidad ele la orilla. La operación ele troquelado fino se suele hacer en prensas hidráulicas de triple acción, donde se controlan por separado los movimientos del punzón, el cojín ele presión y el dado. El proceso suele implicar una pieza con 01ificios que se punzonan al mismo tiempo, con su troquelado. La dureza adecuada para las láminas es en forma característica de 50 a 90 HRB.
Ranurado, Se pueden hacer operaciones de corte mediante un par de hojas circulares, parecidas a las ele un abrelatas (fig. 16.6); esta operación se conoce como ranurado. Las hojas siguen una línea recta o una trayectoria circular o curvada. En el caso Gorma!, el borde de una ranura tiene Lma rebaba que se puede do-blar plásticamente sobre la superficie de la lámina, por medio ele un proceso de laminado ele la hoja entre dos rodillos. Hay dos clases ele equipo para ranurar. En los impulsados, las hojas se mueven por un sistema mo-
-C1p!!ulo 1b /Proceso~ ch: formndo de..;
ho1a~. o 1..iininas
nwt,ílicis Sección 16.2 / Cizallamicnlo
Cortador i111pubmlo
399
Ejemplo: lámina soldada con láser para formado el proceso de formado que se describe en esle capítulo. la lámina bruta suele ser de una pieza y un estroquclacla de una lámina grande. Una tendencia importante implica la soldadura o 1ope co11 lási!I' "'"' .:A,hiinos de.lámina metálica. de distintas formas y espesores; el conjunto soldado se C(mfonnu despues a sú forrna·finaL Como ejemplo describiremos la producción de una pieza lateral de carrocería
flGURA '16.5
R
cuchil!Js rotatorias. F.ste proceso
se paree.e a! de los
abn~lat<:is.
iriz. En los deja lar, la lámina se jala pasando por dos hojas sin carga. Las operaciones de ranurado . hacen bien, pueden causar diversas dis!orsiones en las orillas o bordes cizaJJaclos.
i]e acern. Los metales suaves (asi como también el papeL el cuero y cJ hule) se pueden 1rnquelar con dndos o mai;-ices de regla de acero. Consimen en una ci111a delgada de acern endurecido, doblada en b i'orma que se va a producir (como en los corlaclorec: de ga!letas) y se sujeta en su orilla sobre una base plarncldcrn. La matriz o dado se comprime <;ontra la !dmina, que descansa en Lti!a sLtperficic plana y corta !{trnina a to largo de la fórma de regia de m.:ern.
niblado . Eo el pe1Jómdo o nibíado una máquina llamada nih/adom muev<: hacia arriba y ii;:ci¡¡ ab_io un punzón recto, pequeúo, sucúndolo metiéndolo en un ciado. En espacio inlermed.
16.7). que primero se troquelan cinco piezas distintas; cuatro de ellas liénen i mm de espesor y una se sueldan a tope con láser y a continuación se estampan a la forma l1naL De esw modo las piezas se pueden adaptar p. dctenninada aplicación. no sólo i.:.~n forma y espesor, sino rnntbiCn usan<'.o láminas de cli>tintas calidades, con o sin pinmra. Las técnicas cic soldadüra con l{v;er (sección 27.8) están hoy en día muy dcsarrollauas: en consecuencia, las uniones soldadas son muy fuertes. La tendencia creciente hacia la sol ciadura y el formado cic pie· metñlica. hace posible una apreciable flexibilidad en el diseño del prodnclo. rigide~ estructim1J, respuesta al impacto y fom1abílídad; !ambién hace posible usar varíos materiales en un componente. e! ahorro de peso y la reducción de cosí o de ·materiales, de recortes. equipo. ensambiado y mano de obrn.
Flay una canüdad creciente para esta clase de producción1 en las empresas automotrices de Es'tados dos y de Japón. Los diversos componentes de Ja fig. 16.8 usan las vcnmjas que: acabamos de describir. Por ejem pío. nórcse en Ja parle (b) qm.: la resistencia y rigidez. necc;sarias parad soport12 dd iunortíguador f'Jbücncl'i soldando una pieza redonda sobre ia superficie de la lámina grande. E1 espesor de Ja lúmlna ría en esos c0111ponentes, dcp¡;ndicndo de ubicación y Je ::,u aporte a caractcrf:.;ticas corno rigidez y sist~ncia, con lo que es po:;ihk obtener ahmTos importarn:es e11 el peso.
Cor\ e de pic-z:1 •.',n bnHc
Solrfodur~t
E~tarnpdo
i.:on L:íscr
d:.idns c.speci~Jes.
cor~e.
de La camidad de desechos i,la pérdida por i"Ccorres) producida en las operaciones ciz.al!amiento puede s1ci· apreciable; puede !legar has1a 30% para estampados grandes. Un factor i.mportanen e! cos!o de ma11ufoctur:1 son los recortes, que se pueden reducir en forma ::11.star1ciai con un arreglo adceuado de los contornos ,;n la ltimina que se va a cortar (>mil:fao:fo). Se han deo;;,rrollado lccnicas de diseño asistidas por compulaclorn para reducir a! mínimo ios desechos ele las operaciones de corte. brntas sokladas a la merfüfa. Consisten en dos o 1mís piezas de lámina plana, soldadas entre sí a tope (corno en el ejemplo siguiente). Adquieren cada vez mayor importancia, en especial en la mduslria de automotores. Como cada subpieza puede tener distill!o espesor. materiales. recubrimiento o cualquier otra propiedad. las piezas brutas soldadas a la medida poseen las propiedades necesarias en los lugares ade· cuados de la pieza. El resultado es mayor productividad, reducción del peso ele los recortes, eliminación de Ja 11ecesiclad de puntos de soldadura posteriores en la fabricación de la carrocería y mejor control de las dimen" S.l(mes. La técnica de soldadura más empleada es la de rayo láser (sección 27.8). Debido al pequeño espesor que se maneja, es importante el alineamiento adecuado de las láminas antes de la soldadura.
Leyenda g 60/60 (45/4.'i) L1min;1 metálico de acero aleado galvanizado en c:di<:nti.:-.. Can lid.ad Je J.inc: 60/60 (4)/45) g/m,! m20!20 Lárni11a Je acero con dohlc Capa
·''.'.'FIGURA 16'7 'Producción de unaG1rroc:ería lateral de automóvil, con soldadura láser a fope y estampadiJ. Fuente: Según M. Geiger y T. Nakagawa.
40!{];
Cdp11ulo 1h I Prncr.:sos
rk~ form-ido dr. lioj,1s o
1.irninas m<.::l
Sección 1b.2 / Ciz;:tllarniento 1;1:
{i'J,1
(i·· ill!J:
?.,Omm
(el)
(e)
(b)
(a)
(e)
.S1.(f~
mm·~·
Ángulo i/11)]
de :m¡oniftU;Jd11r
de cortL:
:11m
~l
0.7 rnm del coinpanim1c111>; de! motor
<~::i t...<::c:::>
Cirnrio intcri(Jr CDJ\ ',opi)fh'. :1rnoni~_!u:idnr inlc~:r;rdo
1vfa1riz
flGURA 16.10
(n
0.7 Lurcro1!
Pl::ca d:: piso
ínreprarlo
¡:¡,,rnpios rh• c0niponentes ele·
,:; !opc con 1,íser y est1111p;idos
\' T. r'-h!;;:,1gdVv'f1.
o t\Sta
s~cciüu se de;.;.criben fas propiedades y tipos de: matrices de corte.
formas de ptmzón y dado. En la fig. l6.2a, nótese que las superficies del punzón y del dado son plu· nas. En consecuencia, la fuerza del punzón se acumula con rapidez durante el rnrte, porque lodo ci espesor se corta al mismo liempo. El lugar ele ias regiones que son cizalladas en cualquier momento se puede controlar realizando un chaflán o bisel a las superficies del punzón y del claclo (fig. l 6. l O). La geomeffía se parece a la ele un perforador de papel de oficina; se puede ver. examinando ele cerca la punta del punzón. El chaflán
('-,'-.,/
'-....::J~·-
--
Corl1: convexo
Ejemplos del uso de óngulos de corte en punzorK~s y dados.
Dados (matrices) compuestas. Se pueden hacer varias operacioncr; en la misrna lámina. en un solo pe y en una eslación. con v.nc1. matriz o dodo compuesto (figs. J 6. 1 i a y b ). Esas operaciones combinadas se Jen limitar a formas relativamente sencirlas, porque son algo lentas y porque las mal.rices {con comp~ejidad aumento) se vudvcn n.ipidarncnle mucho más costosas que las que se usan en operaciones individuales de
de corte
Debido a c¡ue b formJbilidad de una pieza cizallada puede esu.ir influjda por la calidad de sus orilias cor:ad:.1:,, import:rníc con1colar la holgura. L1 holgura (ahusamienlo) adecuada es función dd ti· no material. s11 temple y :•u espesor. así co1110 del tamaño de l:J l:ímina bruta y ;u proximidad n las millas de. es;i lürnin:i oi·;ginal. Co1110 linermiicnto general. las holguras para matcriiilc:; suaves son mcnon:.s que para duros. Tiunliién, mientras mrís gruesa es la 1<\m.inri . la holgura debe c
Cor!c con doble bise!
se adapta en cspec:al a.i corie de lánünas gruesas, porque reduce la fuerza al principio de la carrera; tan1hién reduce el nivel de ni ido de la operación. Nótese. en las figs. 16.1 Oc y el que. por la simetría de la punta clei punzón, no hay fuerzas lateraics que actúen sobre. él. En contraste. el pmw5n ele ía fig. 16. IOb liene una sola inclinación. por lo que si se desarrclla una fuerza lateral sohre él. En consecuencia, ias preparaóones de punzón y prensa, ~~n este ültin-10 caso., deben tener la rigidez 1atera! suficiente para que ni produzcan un orificio con mala ubicación) ni perrnitan el punzón golpee e! borde dei dado inferior. en !os puntos B o D de la fig. i6.2a, causando daños.
0.7 mni
0.7mm: Guanfof;1n~o:; con
FIGURA 16.íJ
nirn
Corte con bisel
r-=3
?=~';-..
/~~J-
FIGURA 16:i1 Esque1rias: (el} antes y (bJ de:::.pués de lroquel;:¡r u11u ¿11'andda con1lm en una n1JlTÍ7. compucsld. Ohs(>¡·vt···los movirnientos separados de 1~1 mil.triz (pc:ir
(hl
V:h1a.r;n Punzón 1kcort:ir
''1§jl2·---~~
blanco~------..........__._
L
. . ¡---}- Orilla Lamma J ci?..alJada 1
~,~
Matriz o dado ~
""
(b)
i .
~ Matriz o dado~
~+ ¿
FIGURA 16.9 Esquemas del rasurado de una orilla cortada. (a) Rasurado de una orilla cortada. (b) Corte y rasurado, combinados en
un go/p\~.
.
Puu<.
___ !w1adad11t·
::~:: /,
I
Tooc"' ~ f - (Arandela terminada
@)
/ Banda
),OO~ 1
Rl'cortc
(a)
i'·
(~C p1csió11
-C1pt1u!o l 6 /Procesos de formado de hojJs o Lí1ni11a.s mer·J!icE1s
403
Sección 16.3 /Característica:: del metal laminado
Dados progresivos. Las pieza, que requieren de operaciones múltiples, tales corno el punzonado, el r::starnpado y el formado de muesca, pueden ser heciias a velocidade.o; ele producción altas en vos. La lámina metálica·cs al.irneniada por medio de un carrete con cinta, y una operación diforcme se desern. pefia en la misma estación con cada golpe de una serie de punzones (fig. 16. l lc). Un ejemplo de una pieza hecha en dacios progresivos c:s mostrada en la fig. 16. l J el.
Matrices o dados de lransforenda. En un arreglo de matrh de trmnfúencia, la lámina
Materiales para herramientas y dados. Los materiales para herramientas y dados paru corte suelen ser aceros grado hcrramiema y para altas tasas de producción, carburos (véase la tabla 5.7). Es lubricació11 para reducir el d'csgaste de henamient:;s y dados, así como para mejorar la calidad efe los bordes.
corte Hay varios otros métodos para cortar láminas
ltn
(sección 26.9)
frota conJra fo júmina n p!ac¡l,
tm proceso de
-----·----- ·-------
;1
Como en e! formado ele láminas se suele estirar el material, es preferible tener una elongación unifor· me alta, para tener una mayor capacidad ele formado. La deformación real a la cual comienza la fonnación del cuello es numéricamente igual a! exponente de endurecimiento por (n), mostrado en la ecuación (2.8); así, un valor alto ele n indica que hay una gran elongación llniforme (véase la tabla 2.3).
'
"
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"
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-
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~
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&
~
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Muestra comportarnienLo distinto en distintas direcciom:s en el plano; presente en las hojas lamina-
Anisotropía (planar)
das en frío por la orientación preferencia! o hilo metálico; causa borde ondulado en ei ~mbutido: ~e. puede reducir o c:liminar recociendo. pero b:.\ja !;1 resistencia.
Anisotropfa (normal)
Determina la forma ele adelgazamiento de lo:; md;11cs h::.minados durant·c e! estirado; es in1port"an!c en operaciones de embutido profundo.
Tamaúo de grano
Determine la aspereza sup~rflcia! en b. lárnina. rnetálico. estirada: cuanto mayor es el grano,]¡:¡ apariencia es más áspcr::i. (cáscara de naranja); tamhien afecta la resistencia de! material.
fafuerzos residuales
Causados por deformación no uniforme durante el forr11aclo; c~usa di<,Lorsión rlc parte 1.::u
Debida a la re..:uperación
ehl~tica
de la hoja deformada
plásücurm~nle
sa distorsión ck l;; pieza y pérdida de exactitud dimc:m;ional; se ...,obrcdoblado y recargado del punzón.
pw~dc
quit~ir !a carga: cau .. controlar con técnicas conw
después de
Plcgai1o
ÜL'.bido << esfuer/'.m; de compresión t'Il d pbno de Ja Jánlina: puede s~r indeseable O útil, paru rigid1.:?, a las picza:,; se puede co11t1·olar ...:on di'.>cúo adi.:cuado
CaFd<:td de orillr1~: corladas
Depende del proceso usacio; la!-. orillas pueden ~er ::í~¡x:ras. no estar a escuadra y contener grietas. c:-.foerzos residuales y UJUl cupD endurec:iU:i por tralx~io: todo ello es petjudic!al para la capacidad di:.: foi mado de la l:.lmina: puede mejorar la calidad controlando holguras, dic,cf"io de hem.unienu.1 y p1.u1zón, afinado de !a lámina en blanco, rnsurado y lubricación.
Condici6n :-;up·.~rrícial de !a lfur!l11a
Depende de la
!Jl~ldica
dcl laminadu: es importank Gn d formado di.;. Ja Limrna, porque.
imp
pued(~
1nala c:didad de la ,c.:uocrficic: vé::i.sc también la sc!;c1on lJ ..3.
La Cormación ckk:uello (c.<.;l.rnngulamiento) puede ser !oca!i::oda o d~fusa. dependiendo de Ja scnsib!Jj .. dad a ia velocidad dcfornuwión (nz) del n1aLerial; e:sLa rdación se expn.;sa con la ecuación (2.9). Los res má::. alto:~ m. indic
---·---- ---
Aunque casi nunca las operaciones ele formado de láminas implican la extensión uniaxial sencilla, como el de Ulla prueba ele tensión, pueden ser ele utilidad todas las observaciones que involucran una prueba de tensión Pª"ª comprender el comportamiento ele los metales laminados. Recuérdese que, según la sección 2.2, una probeta o espécimen sometido a tensión sufre primero una elongación uniforme; sólo cuando la carga sobrepasa la resistencia última a la tensión, la probeta muestrea la formación de un cuello.
~
suave~ también se llaman bandas de Lüder y deformaciones de ex~ tensor; causa depresiones en forma de la lámina; se puede eliminar por laminado de temple, pero se debe formar la lámina antes que pase cierto tiempo de;.,pué~; de !aminar.
Se observa con táminns de acero
grnndcs
º''·'rpués de '1<1ber cortado una lámi1w hni!a dt' una lámina mayor. se Je dan diwr:sa:; formas. füisicam1.;n1e, to· dos los procesos de formado de láminas emplean diverso:> ciados y herrnmicmas, parn cslirar y doblar la lio.Í'J. Sin embargo. <111lcs de describir erns procesos, debemos repasar ciertas características ele las !{;minas metálicas, por su:; importantes cfoctos sobre la operacicín en general (tabla 16.2).
___________
en punto dr.: f!uenci
iai¡x;r 1an1.e.,
d~formación
nenLes altos (11) de endurecimiento por defor111adón. y (m) de scnsibiE
Restitución
i:íserr (sección ~.6.7): ha J.ie.Qado a ser un proceso importante. Es usado con equipo conírolado por computadora, para corlar''" forma »:omristcnte una diversidnd de forn.as, con varios c:spcsorcs. Eslc proccs" se puede combinar con punzonaclo y cizallado: los dos procesos cubren intervaíos distrnlos y compk:men!ario:;. Las pie1.as con deierminadas carnc!crísticas se pucdc'n producir mejor mcc!i;;n1c uno de los proc¡;sos; con dikrcnrcs car:icrufstic:1':. adaptcm rnejnr ai orm proceso. Se han ikcibdn y C<:n.slruido rnúquinas de capaces :fo las posibilidades (véase tambicn el cjcn1pío :11 fornl la sección 26.7).
chos ma!cri::dcs, rnet;iJicos v no rnei6licos.
~
proceso de remo-
h. Corte cim mima (sop!ck) (sección 27.9): es otro método en especial ¡xira placas gruesas de <'ccm: se usa rnucho en conslrucción de barcos y en cornponentes eslructuralc:~ pesados.
disco u hoja, el cu;d
Importancia
@o~-------1)-;~~a la ~;;;idoid del metal lnmirrn
Y~ en especial~ placas:
La iámina o placa se pueden ser cortadas con una siern.i de dnta: este método es ción de viruta (como los que se describirün en Ja sección 2~).6).
Características importantes de los metales en la c:onforrnación de láminas __
Porcentaje de elongación
sa por distintas operaciones en distintas estaciones, dispuestas en una línea recta o en una lrayectoria circu. !11r. Después de cada paso, la pieza pasa a la siguiente estación para efoctumle las operaciones siguientes.
A
TABLA 16.2 c:aracterística
16.3.2
del
de fluencia
Los aceros de bajo carbono muestran un comportamiento llamado elongación del punto de fluencia, donde se tienen puntos de fluencia superior e inferior (fig. l6.l2a). Este comportamiento consiste en que, después efe que el material cede. la lámina se estira más en ciertas regiones, sin aumento alguno en el punto de fluencia cedencia inferior, mientras gue otras regiones en la lámina todavía no han cedido. También muestran cc;te comportamiento las aleaciones de aluminio y magnesio. Este comportamiento produce las bandas elle Lüder (marcas de deformación por extensión, o gusa· nos) en !a hoja (fig. l 6. l 2b ); son depresiones alargadas en la superficie de la hoja, como las que se pueden encontrar en los fondos de latas para productos comunes del hogar (fig. l6.12c). Pueden ser objetables en el producto final, porque la rugosidad en la superficie desmerece la apariencia y causa problemas en las operaciones subsecuentes de recubrimiento y pintura. El método normal para eliminar estas marcas es reducir o eliminar la elongación del punto de fluencia, reduciendo el espesor de la lámina de 0.5 a l.5% al ser laminada en frío (laminación de temple o supedi-
Capitulo·¡ ú / Proce';os de forniaclo de hojns
(¡)~\minas
met<ílica!--,
Sección 1h.4 /Métodos de prueba fX1rJ e! forrn;:1do de hojas o lámin<.1s metálicas
4íl5
(n) (b)
HGrn{A 16.12
(a) Elongación de punto de lluencia en un espócime;1 una probeta met
Lueder en una fémina de acero ol bajo c:i1·bono. Fuente: cortesfa de Ca1<.,rpilla1 lnr·. (e) Deformaciones po; c;;1·iramien10 en el i"ondo de una /at{1 de acero para productos del hogar.
(b)
FIGURA 16:13 (a) Pruebd de formado de depresión o copa (prueb~ hichsen) para determin:.u la formabilidad de ios rnetaies laminad0s. (b) Resultados de pruebas de abomb.imiento en J,\minas cJe acem de diversos 1rnchos. El espécimen de la cxtr"erna izquierda. está sujeto básicamente a una tensión simple~. El espt~cirrwn de lu extrema derecha está sornctido al estirzimiento. Fuente: lnland Steel Company.
dafil). Sin embargo. debido a! envejecimiento por deformación (sección 2.10.1 ). la elongación del punto de fluencia aparece nucvarncnle después de algunos días de exposición a tcmpaa1ur1t :1.mbiente. o de varia.'; horas a temperaturas superiores. Para evitar es!e fenómeno. que es indeseable. se Jebe formar el material dentro de cieno Hmil"c de tiempo (que depende del (ipn de acero).
'.In Ütclor importanic que influye sobre e! formado de Líminas metülicc¡s '" ia cmisotmpio de¡,¡ lámina. Recuécdese que Íft anisotropfa es adquir.ida durnn1c el prncesarnienl<; lerniorncdnicG de f:¡ /,\mi.Y que cxisicn dos tipos de a;1i:m1ropí:J (sr:ccitiri l .5): la unisotmpía (orientación prcfcrenci<:/ de Jos granos) y !ajihrilucii.ín. mecánirn (alineamiento de impurezas. inclu>:ioncs y hucc,ls dcnlro del csp1~sor de la I
r'íc dos r~1zoncs. Como ~;e en la ~;cc.::;(()n ae>llió<:lo superficial ele Ja pie;,,, !"i:.:nnacfa (-l·;íscm·;;, IViic11!.rc1s m:\s hasio sc:t d el aspecto ele la superfici.c sed m:b bvrclo, Se preücrc un lamúío ck grano ASTM 7 o mcís pcquct'io (iabb l. l) para las operaciones de conformacion de metal laminado. en gencrcti. irnpn-rlante
1;, :i
La fodfü:lad de forma1fo. o de las láminas met:ílicas es de gran interés técnico y econórn.ico. LJ forrnabilidad suele definirse como la capacidad del metal laminado para sufrir elca111bio deseado de su fonrni sin tener faJlas como la constricción (fonnación del cuello ele botella) oi desgarramiento. Como veremos durante el res10 de esle capitulo, las hojas metálicas pueden (según la geometría de la pieza) sufrir dos modos básicos de deformación: a) estirado y b) embutido (se describen en la sección 16.9). Hay diferencias importantes entre estos dos modos, y bajo estas condiciones distintas intervienen distintos parámetros para determinar la facilidad del formado. Esta sección describe los métodos que se usan en general. en las industrias manufactureras. para pronosticar la facilidad de dicho formado.
16.4. l Pruebas de copa (acopamiento o ahuecamiento) Como la formación con láminas es básicamente un proceso de extensión del material. las primeras pruebas que se desarrollaron para evaluar la facilidad del fonnado fu;:ron las de copa (fig. l 6. l3a). El espécimen de
~@Jl~~~~M~-.---··-~·~
metal laminado se apri~;iona entre dos dados circulares planos y se comprime hidrúulicarnentc en t.51 un
16.4.2 DiaP-.rarnas de ímite de Un desarrollo iinportanLe en [as prnebas de la t~1cilidad de rormado de h.1s las Uminas metúlicas es el diagr:.~t:n~", de Hnrfñic de ronnarlo. La lúmina se marca coo una red de círculos, en fonna caracterfslica de 2.5 a 5 mrn a 0.2 pu1g) de diúrncLro, mediante técnicas clcnroqufn1icas o de fotograbado. A continuación se estira 1<.1 bruta sobre un pun;,órL y se observ<1 y se n1idc 1a deformac¡ón de los círculos, en regiones donde se haya tado la falla (constricci<)n y dcsgnrramicnlo). Para lencr una 1nayor precisión Je 1a medición, los círculos cen lo mús pequeños posible. Po.nt provocar el estiramiento desigual, como en las operaciones reales de fon11ado de Jáininas, les especímenes se cortan con anchos variables (fig. l6.13b). Obsúvese que un espécimen cuadrado (el de !a ex· trema derecha de la fig.) produce extensión blaxial igual, como la que se logra inflando un globo esférico. mientras que un espécimen angosto (el de la extrema izquierda en la figura) tiende a un estado ele exteusÍÓíl 1.miaxial. o tensión simple. Después de hacer una serie de pruebas en determinada hoja metálica, con distintos anchos. se 1rnza nn diagrama de límite de formado, mostrando los límites entre las regiones defailu v segura (fig. 16.14). Para hacer el diagrmna de límite de formado, se miden las deformaciones ingenieriles mayor y menor. determinadas con la deformación de los círculos originales, como sigue: obsérvese en la fig. l 6. l4a que el círculo original se ha clelormado, pasando a ser una elipse. El eje mayor de la elipse representa la dirección p1incipal y la dirección de la conlracci.611. La deformación principal es la defimnación ingenieril en esa dirección, y siempre es positiva, porque la lámina metálica se estira. El eje menor ele la elipse representa la magnitnd de la extensión o encogimiento en dirección transversal ele la lámina metálica. Obsérvese que la deformación menor puede ser negativa o positiva. Si, por ejemplo, se pone un círculo en el centro ele un espécimen de prueba de tensión, y a continuación se estira, el espécimen se hace mú:; angosto a medida que se estira (efecto de Poisson). y la deformación menor es negativa. (Este comportamiento se puede demostrar con facilidad estirando una banda de hule.) Por otro lado, si se pone un círculo en un globo esférico de hule y se infla, las deformaciones menor y mayor son positivas. y sus magnitudes son iguales.
..........1.J.(111¡) C1p(!ulo 1()/Procesos de fomndo de hojas o léltninas nwtcíJicas
Sección 16.5 / Doblado ele láminas y placas
(a)
407
(b)
Dcfonnaciün nrnyor
Después de cslirar
Deform¡1ción mayor, posi1iv
fgual (balanceada) hiaxial
º"5
;;·
s Dcformnción i11C1lüf,
'ª Q 2
60
~§
40 (pnra R --
20
-40
~.un
-20
()
20
:H)
60
garramiento. La fig. 16.14b muestra que los distintos m
·,o
J\iAS Y PLACAS
De:orrnac..1c)n mewir ((;,,i formados. (i¡¡ Diagrilm;is de límite d1
(;,) ilei(J1Tiiacic1k·s en il1odeios de red circular de• l'rnmado pa1 a diverso•; l1l"1Jices /;iminildos. que- ia deformación mayor siempre es posiliv;J (alargamicillol ir.1 d<.·fonnac ion n;en,i1· ser positiva nregaliva. En la par::e iuferior izquie1·rfa de! rfograma, !? la /;\mina, que se describe en la sección ·¡ 6.9.2. Fuente: S. S. 1-lecker y A. K. Cosh ani1,01rouia norm;i/ de
bs ú;
dr11.os nbtcnidos eón disrimos lugares de Lis muec;u·as de ia fig. l'.lb se gr:xl'icm1 como se -.:n !a i6. irnwuoncs mayor y menor de rnás y meno.•: 40'fr,, rcspectivamcnle, no iiabrfa desgarramiento en esa n> dcl espécimen. Por otro lado, si ías dcfonnacioucs mayor y menor en un espécimen de aleación de aluminio fllcran de más í\0% y menos 40%, respectivamente, habría un desgarramiento en esa región Como ejemplo de una pieza de hoja metálica formada, con una red ele círculos. se presenta :;; fig. i 6. l 5. i\i1í1cse el desgarramiento. y también la rlcformación de la red cíe cfrculos en la cercrmfo de la región del des-
El doblado es una de las operaciones 1nás comunes de fonnado. Tan sólo hay que ver las piezas de un aul0·· móvil o de un e.lectrodoinéstico, o un broche de papel o un archivero~ para apreciar cuántas piezas se conforman por doblado. El doblado no sólo se usa rara formar bridas, uniones y corrugados. sino tambión para anpnrtir rigidez b pie1.a. aumentando su momento de inercia. En ia fig. 16. 16 se ilustra la terminología del doblado. Nótese que, en el doblado, las fibras externas materia] están en tensión, mü~ntras que las interiores están en compresión. A causa de la relación de Poisson, el ancho de la pieza (longitud de doblado, L) en !a región externa es menor, y en.la interna es mayor, que ancho original (véase Ja fig. 16.17c). Este fenón1eno se puede observar con facilidad al doblar una gorna de
botTar rec1anguü1r. Corno se ve en la fig. J.6. J 6., la h.oRgtar'a o toXer.mmda e:n d d!ob]adlo es la longitud del eje neutro +_:_ne~ doblez, y se usa para determinar Ja longitud de \a pieza bruta con ql1e se fabrica una pieza doblada. Sin bargo, la posición del eje neutro depende cld radio y del ángulo del doblez, tal como se explica en los textoc. de mecánica de mal'eriales. Una fürmuía aproximada de la holgura de doblado, L¡,. es la siguiente:
L1; = a(R
+ kT),
donde a es el ángulo de doblez (en radianes) Tes el espesor ele la lámina, Res el radio del doblez y k es una cons .. tante. Nótese que, para el caso ideal, el eje neutro está en el centro del espesor de la !ámina; k = 0.5, y entonce:-:
L1; = a [ R + (
~)
l
En la práctica los valores de k suelen ser ele 0.33 (para R < 27) a 0.5 (para R > 27). flGURA 16. 15 Deformación de la red y el desgarramiento
ele la lámina metálica durante la formación. Los ejes mayor y menor de los círculos son para determinar las coordenadas del diagrama del límite de formación en la fig. 16. 14b. Fuente: S. P. l
O(IS . 2)
Longitud
del doblez, L
1-~1 T
T
Terminología del doblado. Nótese que el radio del doblez se miele en la superficie interna de la pieza doblada. .:
FIGURA 16,16
(:Il.15.3)
41}8
Cc1pílulo -¡()/Procesos de fmrn¡ido ck-: hoj,-is o !Jmin,1s rnct;ílic0s
(n)
Sección 16.5 /Doblado de láminas y placas
(b) Dirección de hunimido
20
(e)
:1::51:-.
15
::'.iR
10
01...;
"O"" .S"IV :IJ
]I ol___,L__ ~...:::~=~==o'--"--0
JO
20
30
Reducción de
.¡() ~lreu
50
60
70
en tensión (0(1)
409
FIGURA 16.13 Relación entre el cociente N/Ty la reducción de área por lensión, para rneta!es laminados. Obsérvese que el n1etal !aminado con 50°/o ele reducción de área a la lensión .se puede doblar sobre sí mismo, en un proceso como el de doblar una hoja de papel, sin que se agriete. Fuente: S(-'gtín J. Datsko y C. T. Yang.
flGlH~A.
16.17 (él) y (b): Eíeclo de inclusiones alargadas Oongirudinales) sobre el agrieL:11lncn10, en función de J,:1 dirección de doblado con respecto a la cJii-ección del laminado de la hoja. c) Griel;ic; <én la superficie exlema ele una bando de alurninio, clobiada a 9CJ". Nótese el angostamiento la superficie superior, debido al efocto de i'oisson.
¡
rnfnfrno de La deformación ingenjeril de una lúmina durante el doblado es e:::.'"'.' ------
-·"·--·---~---·
+
1.
mechda que dismlnuye R/T, l::1 relación del radio de doble~'.. al espesor llega a ser más pequeña la deforrn;1ci0n por tensión ~n la fibra externa aurncnt:.1 y aJ final eJ material se rompe {Cig. 16.17).
La relación a la que aparece; una grieta en 1a superficie exteraa de la grieta se Hama :rari!io ¡¡niínñrin:o de dl;vblic;;; o dc doMarcfo del materia!. Seo sude expresar (en forma recíproca) e01 función del espesor, cornil '.'.T, , etcétera. Así, un radio mínimo de dobicz de 3T indica que el rodio mínimo con 1:! que se puede doh!ar lámina sin que óC agriete es tres veces SLt espesor. En la tnbla l 6.3 se ven rndios mínimos de doblez P'1fil di·
vcr~:os
materiales.
!·hy una relación inversa eníre la fadfüla!! de doblado y la reducción de ;írea del material por 1·er1siún ffig. l 6.J 8). El radio 1nínirno de doblez es, aproximadarnentc .
R fABILA Hi.3
50 r --
=
16.5.2 Restitución j
Radio mínimo de doblado pa;a algunos materiales a temperatura ambiente Estado
Material Aleaciones de aluminio Cobre al berilio Latón, bajo plomo
Magnesio Aceros Inoxidable aw~tenítico Bajo carbono, baja aleación y alta re..-.istenda-baja aleación (HSLA) Titanio Ateaciooes de titanio
Suave
o o o ST 0.ST 0.ST
0.7T 2.6T
Duro 6T 4T 2T !3T
6T 4T
3T
=
donde res la reducción del área de lámina metálica por tensión. Nótese que pm·a r 50. el radio mínimo de do· blez es cero: eo;to es, la lámina se puede doblar sobre sí misma casi como una hoja de papel. Para aumcntm ia facilidad de doblado de los metales se puede aumentar su reducción ele área por tensión, sea por calentamicnro o doblándolos en un ambiente de alta presión. La facilidad de doblado depende de la condición del borde de la lámina. Como los bordes rugosos mn puntos Je concentración de esfuerzos, disminuye la fo.cilidad de doblado a medida que aumenta la rugosich;d del borde. Otro factor importante en el agrietamiento de los bordes es la cantidad y la forma de inclusio,1es en la lámina me1·á.lica, así comn la cantidad de trabajo en frío que sufren los bordes durante el corte. A cansa de su forma puntiaguda. las inclusiones de forma al8sgada son más perjudiciales que las ele forma globulur. La rcn10ción de las regiones con lrabajo en frío. por ejen1plo, 1uaquinando la pieza. o recociéndola para ¡nejornr su ductilidad, mejora mucho la resistencia a la fractura de los bordes. La anisotropía de una lámina es un factor importante es la facilidad de formado. Como se ve en la 1.13, la laininación en frío produce anisotropfa por or;entación preferencial y por.fibrilación lnecánico debido al alinemnienlo de todas las impurezas, inclusiones y huecos que pueda baber. Antes de doblar esa i<írní;;a se debe tener cuidado para cortada en la dirección adecuada, de una lán1ina, aunque esta elección no siernpcc es posible. Se puede detenninar si la lámina es anisotrópica observando la dirección del agrietamienlo en una prueba de copa (fig. 16. !.J). Si la grieta se ve corno en 1a figura l 13, la hírn1na es anisotn5pica: si es clrcuJar.1a rnina es isotrópica.
06.5) Como todos los materiales tienen un módulo de elasticidad finito, al pasar a !a etapa de deformación plástica y, al eliminar la carga aplicada, el material exhibirá algo de la recuperación elástica (véase la fig. 2.3). Eu 1~l doblado, a esta recuperación se le llama restitución o recnpernciím (en inglés, springba.ck); se puede observar con facilidad doblando y enseguida soltando una pieza de lámina o de alambre. Como se hizo notar en fé; fig. 16. 18, el ángulo final de doblado, después de la restitución, es menor, y el radio final de doblado es m;
R;
(R;Y)
-=4Rf ET
3
(R;Y)
-3-ET
+l.
(16.6)
En esta fórmula, obsérvese que la restitución aumenta a) al incrementar la relación RJT y el esfuerzo de fluencia Y del material, y b) al disminuir el módulo de elasticidad E.
(;-;pltulu 1b / Pmcesos
ck~
forn1adu de hoj,1s o iJminJs
me1~ilic;~5
Secció11 16.6 /Operaciones comune:, de doblado
411
(a) Dudo en V
T
~ 6.19 Restitución t'n el rlobl;1do. Li piez,:1 iiende ,J recuperarse el::ísticamente clesµués de dobiarlo, y su radio de doblez se hace mayor. EL1jo ciertas condicjone;, es posible que t-".Í :.ingulo final de doblado sea menor que el ánguio originJi (rf::slil:ución negativa).
En ci doblado coii dac!o en (lig. 16.20) es posible que el matcriaJ muestre restitución negativo, al igual que positiva. Esta condicjón se debe a ta naturaleza ele la deformación que sucede en el momento en el qued punzón icrmjna la operación de doblado, al final de su carrera. La restitución negativa no se presenta ei doblado al aire (doblado libre) por la falta de restricciones como las que impon1; una matriz en V
(b) Dado
clc~llzante
FIGURA Hi.2'1 Ü¡Jc'raciunes comunes en doblado con rnatriz 1
mostrando la dimensión de la abertura de dacio, W, que se usa po.ra ra!cular las fuerzas de doblado.
de tlil res"lihidólíl. Ell las npcrnciones de formado se suele compensar la restitución doblando en ex1:eso la pieza (.figs. l 6.20a y b); sedn necesarias V
Rodillo
; i :
.~'J:•
Punz6n
d.Jf~ la,"
d.ohbdü suporüendo que el :;su;
máxima de do/J/({do.
i:..s de
Dado
de: unt1
Ca.'.-.~\ e.;.; una función de Ia resistencií.1 del inaler'.aL Ia 1.onJ!,ilnd L deJ do~ tamafio de b ahertur;:; cid drtdo ¡).Sin inclu.it fricc1n11. fa
(<1) Doblado al aire
flGURA 16.22
k ·"'¡ ck.,dc nproxirnadruncn:-1: . parn un dcciizan1~, pas,rndo por O. apm;-,irnrid;;ine'J-· lJ. hasla l ,J u1ia nialri¡; en Yes d esfi1cc;;¡1 de ífoencia cJe] mi!tcrini (véase Ja sccun dado en V, se suek
~
-·-·· --'.._ --
w
(!6.8)
(e) Dohl<1d.o en una máquinn de 4. ..:orrcderas
hast::. un máxirno y hasta puede dismirrnir al ir cor:npktando el doblez; después aumenta bruscam.ente cmrndo el punzón llega al fondo de su carrera durante el doblado con dado. En el doblado al aire (fig. 16.'.22a) o doblado libre, la fuerza no Vllclve a aumentar después de iniciar su decrecirnienio.
aproxjni~ff la ecu
(h) Doblado por rolado
Fjemplos de dlversas operacio11es de doblado.
donde el T.J'I'S es el c;sfuerzo último iensión dd mai..eúal. Esta ecuación se aplica bien .a casos en los que el radio del punzón y d t:spesor del malerial son pequeños. en comparación de la ab~rtura Hl det dado. La fuerza de doblado también es función del avance del punzón en el ciclo de doblado. Sube de
w ci6n
irnptL!sadol'
16.6
ES
NES DE
En est<:1 sección se describen varias operaciones de doblado que se usan con frecuencia en la industria. flGURA ·¡ 6.20
Métodos para reducir o eliminar la restitución en ias
T. f'hkJ.gawa y H. Tyarnoto. (b)
1
n
~· ~Q#/1
@r :2~l
operacionc~s ele doblado. Fuente: V. Cupki;,
16.6.1 Conformado con prensas excéntricas El meial iarninado o en placas se puede doblar con facilidad y usando soportes sencillos, mediante una prcn· sa. Las láminas de 7 m (20 pies) o más largas, y otras piez.as relalivamente angostas. se suelen doblar en una prensa excéntrica (fig. 16.23). Esta máq1.iina usa matrices o dados largos en una prensa mecánica o hidráuli· ca, y es adecuada para pequeñas producciones. Las herramientas son sencillas y se puede adaptar a una gran variedad de formas; además, el proceso se puede automatizar con facilidad. Los materiales empleados en la producción de dados para estas prensas pueden ser desde maderas duras (para materiales de baja resistencia y pequeñas producciones) hasta carburos. P::ll'a la mayor pm1e ele las apli· caciones se usan con más frecuencia dados de acero al carbono o de hierro gris (véase también la sección 5.7).
(d)
Pcontr<.1rin
i~~
412
C1pítuJo 16 /Procesos de formarlo de l1ojas o láminas
rnet~'ilicas Sección 16.6 /Operaciones comunes de doblado
(¿1) formado de canal
(d) Engargolado en 2 etapas
ri l_-,_,~_ R u ~_IL_J
'u
(b)
(a)
D
Brida esquinada
(b) Nervadura
Brida de extensión
Vástago de ~ , f1 empuje_,, compensadoortamatrjz ~
L-u---l
(e) Dobbdillo (aplanaclo)
'~''"-¡¡
tJ]
PJ= ~
Caja lateral
/
Nivel del suelo
Las iríminas mcí.{ilicas también se puede doblar con otro, procesos. corno se describe a continuaci6n.
IDobbclo c1.m mrlilfos. En este proce:so !fig. l 6.22b) 1'1s placas: se doblan con un conjunto de rcidiHos. /\,justando la distancia entre !os írc~ rodiBos se pueden ob5e11er diversas curvaturas.
Dobfado e¡¡¡ máq11Jil1la de
correderas. También se pueden dobJar piezas relativamente corlas en máquinas como la de la fig. l 6.22c. Estas máquinas se consiguen en diversos diseí'ios. y Jos movimienlos laterales de los dacios se controlan y sincronizan con el movimiento vertical, para conformar la pieza a las formas deseadas. Acanalado. En el acanaladó, la periferia de lámina metálica se dobla ilacia la cavidad el,, un dado (figs_ 16.24 a y b). El canal imparte rigidez al aumentar el momento de inercia de la sección. También mejora la apariencia de la pieza y elimina los hordes agudos descubiertos.
FIGURA 16.24 (a) Formación de un reborde con una sola matriz. (b) Formación de un reborde con dos matrices en una prensa excéntrica. (aj
¡. 'Y
J
Matriz Reborde formado
IÍ'!~l1'.lt!'IMi: ..,"~.,L_mM-tim~~~~~""~~~~~~-
~i[fr~~,~~~,;;oradador 1
[--~---- ~)
de
G¡r)J
(e)
j
cJGUH!A fo.23 (il) a (e): Esquemas de diversas operaciones de doblado en una prensa excéntrica. ifl i'squema de una prensa excéntrica. Fuente: Verson A!lsleeJ Company.
J
Brida de contracción
-
l_r-
.2
Brida inversa
embrague y freno
&
!
~
/' Punzón horadador
/
1JY¡---L~-Des1:1,°ldeador con
~~~~-~=Jl_!J_==1;=•¡fcc10n
Brida recla
_J
(e) Formado ,
413
(f)
~- ~ 1
t
--·-(--·-·Placa 1
~
1
í
1
de
resorte
~-[---¡¡-___ ;l ____ Bloque de dado obotón ele dado _J L Lí:lmina
Buje de presión con tensión de resorte
EF r ·~T
Material
(d)
dcsmoldeadora
ctrJ: : ,""
Después
'
FIGURA 16.25 Dive1·sas operaciones de bridaclo. (a) Bridas en lámina plana. (b) Hoyuelado. (el Horadado !Jmina metálica para formar una brida. En esta oper.ición no es necesario de troquelar previamenle un orificio antes de descender el punzón. Sin embargo, nótese que quedan orillas -isperas e11 !a circunferencia de h bri( ;_:. (el) El bridacio ele un tubo; nótese el éiclelgazamiento de los bordes ele la brida.
Reborda;ufo. Ef rebordeado o bridado es un proceso de doblar las orillas de las láminas metáEcas. "';'--malmente a 90º. En él rebonleado rnJJtrnído (fig. 16.25a). la ceja se somete a esfuerzos circ1.mferencinie:, de compresión q1_1e. si son excesivos. pueden hacer que se plieguen los lados de Ja brida. La tendencia a la mación de pliegues aumenta al disminuir el radio ele curvatura ele la brida. En el rebordeado estirado, Jos bordes de la pestaña se someten a fuerzas de tensión que. si son excesivas, pueden causar el agrietamiconto a lo largo de la periferia. formado de orificios. En esta operación (fig. l6.25b), se troquela primero un orificio y después se,;:;pande formándole un reborde. Los rebordes se pueden producir perforamlo con un punzón conformado (16.25c). También, los extremos de los tubos se pueden embridar con un proceso parecido (fig. 16.25d). Cuando el ángulo de doblez es menor que 90º, como en los herrajes con extremos cónicos, al proceso se le llama abocardado. El estado de los bordes (véase la fig. 16.3) es importante en estas operaciones. Al estirar el material se originan grandes esfuerzos ele tensión en ellas, lo que podría conducir a la ruptura y desgarramiento de la brida. A medida que aumenta la relación del diámetro del reborde al diámetro del orificio, las deformaciones aumentan en forma proporcional. Mientras más burda sea la orilla, la tendencia a agrietarse será mayor_ Se pueden rasurar o troquelar los bordes con una herramienta con filo (véase la fig. 16.9) para mejorar su acabado superficial, reduciendo así la posibilidad de agrietamiento_ Formado de dobleces en los bordes. En este proceso,(llamado también aplanamiento) el borde de la lámina se dobla sobre sí mismo (fig. 16.23c). El doblez aumenta la rigidez de la pieza, mejora su aspecto y elimiq,~ los filos. El empate implica unir dos bordes lámina metálica mediante dobladillado (fig_ 16.23d).
C.:ipílu!o 16 /Procesos de
form~1do de IWJ<1S o l;:in1inas met<.illcJ~ Sección 16.7 /Doblado y conformado de tubos
Bloque
\1~ 11
/íl
¡
$
!
flGURA níi.26 Esquema del proceso de fonn;.1cio con rodillos.
BloquJ de form;1 (lijo)
rormu
1
··,
1
~-{---:----> / 1
--e¡f/
____,..
i Barrn d~ prc:-,ión
hirma1fo iamiITTadórh. Este proceso se usa parn tramos con1inuos de lámina metálica y para gran. producciones; lambién se llama laminado de con tomo o laminado en Flo. En él, la cinta de metal se dobla.. en etapas. ¡m;iíndoio por una serie de rodillos ffig. 16.2!í). Después, las pieL
apI~cactones especiales.
1
discfio y el orcicu de los rocl1llos, que en genernl tienen impulsión mecánica, rcqui'"ren rnuclrn c\pe· ricncia. Se deben tener en cuenta las tc,lcrnnci<". fo restitución y el desg:1rrarnicnto y el pandeo de la cinta. En ios mdii loe; son de acero al e<1rbono o ele hierro gris. y pueden estar cromados pnn1_ dar mejor acaha'ío: up
Despu<~s
/-\brn1.,adent
(d) M::mdriles para doblar tubo
'
Cffiill
:=:=J
Bolas
FIGURA 16.27 lv\étodos para doblar tubos. Con frecuencia son necesarios mandriles internos o re!!enar los tubos con materiales a e.orno arena, para evitar el aplastamiento de los tubos durante e! doblv.do. Tarnbi(~n se pueden bci.rras sólidas y perfiles estructurales con estJ.s técnicas.
El formado de tubos y foomas tubulares, como por ejemplo los tubos de escape, tubos de llenado de combustible y múltiples de escape también se puede hacer con presión interna de fluido: reemplazando el lapón de poliuretano; se sellan Jos extremos de Jos tubos con medios mecánicos. La pieza se expande en una matriz (o dado) hembra bi.partida, con presiones del orden de 600 MPa (90.000 psi):, a continuación se abre d duelo para sacar la pieza formada (fig. l 6.28b).
1F!GURA 16.28 (a.) Abombamiento de una pJ.rlc rubu!ar con un ík.::xib!e. Con este méi·odo se pueden fabricar j.?.lrrJs. (b) Producción de conexiones pa.ra plomería piezas i·uhulares bajo presiói1 intenFL A continuación el fondo de !a pieza se perfora par~1 producir una. ''T". Fuente: J. A. Schey, fntroductíon to manut:-K"turing processes (2a Ed.). Ncvv York: McCraw-Hill Puhlíshing Company, 1987. Despu~s
Anlc:.;
U doblildo y la confonr1:1ció11 de tubos y de111{Js pcrllies huecos requiere hcn-éirnicnlas espcci:ilcs parn evitar lkxiones o aplastamientos y dobleces. método más viejo y 111:1" sencillo par;i doblar un l11hü es empacar primero su interior con ¡x1rtículas suc!tas, casi siempre arena, para después dobiarlo en un soporte fü.iecuado. El relleno evita que se aplaste el tubo. de haber doblado el lubo se ie sacn la arena. También :
(h)
(a)
Anilln
Abombamienk1. Este proceso consiste en colocar una parte tubular, cónica o curvil.fnea en un dado hem· bra bipartido, para después expandirlo, casi siempre con un tapón de poliuretano (fig. J6.28a). A conti;füación .<;e retira el punzón, el tapón regresa a su forma original y la pieza formada se saca abriendo las matrices o da-
Punzón
Varilla de expulsión
y
rlos. Entre los productos c¡ue :>e fabrican así están las cafeteras o las jarras, los barriles los rebordes Je los tambores. Para piezas con formas complicadas, se puede conformar el tapón, en lugar Je ser cilíndrico, para aplicar mayor presión en regiones críticas. La ventaja principal de usar tapones de poliurctano es que son muy resistentes a Ja abrasión, ill desgaste y a los lubricantes; además no dañan el acabado superficial de la pieza que se está moldeando.
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Tapón
ser ffl.ucho n1a,y0rcs en
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í:oi doble empate se hace mediante un proceso similar. con rodillos de fonna especial, para oblencr uniones hern1éticas al agua y al aire, com.o las que se necesitan en las latas de alimentos y bebidas.
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(ror~'..'.'~.:l ele -'-j'" 1 i
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(e) Dobladn con cornprc:;ión
(b) Doblado con embutido
(a) Doblado con estinunicnto
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Fluido
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Dado
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Dado en dos piezas (embisagradas)
Pieza
1
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-- Inserto de dado
¡
Fluido
Caµílu!o ·i 6 / f.)mcesos de formado de hojas o láminas rnefcl!icas Sección 16.9 / o.mbutido profundo
Dados segme¡-¡tados. Estos dados consisten en segmentos individuales que se colocan dentro de la pie. za y a continuación se expanden, en general en dirección radial, y por último se retraen. Los dados segmen lados son poco costosos y se pueden usar parn grandes corridas de producción.
4·17
extensión se usan diversos equipos accesorios, y conformación adicional con dados macho y hembra mientras la pieza está en tensión. Aunque se usa este proceso principalmente para producción en bajos volúmenes.
es versátil y econón1ico.
Ejemplo: fabricación de juntas de dilatación tipo fuelle Los fuelles se fabrican con un prC"'' 1 ~<''"' FL' . ··--"'' '" abombamíento, como se ve en ia fig. l 6.29. Después de eJ ruoo en varios lugares equidistantes se comprime ax.ialmente para colapsar las regiones infladas, para mar eífueik. Ei material del tubo debe ser capaz de sufrir las grandes deformadones que se producen d proces.o de coJapsado. i'<-l) Tt1bo abombado
(bj
Tubn cornprim1du
16.9EMBUTIDO PROFUNDO Muchas piezas fabricadas con lámina tienen forma cilíndrica o de caja. Por ejemplo, las ollas y cacerolas. recipientes para alimentos y bebidas (fig. 16.31), tarjas de cocina y tanques de combuslible de automóvi!e,. Esas partes se suelen fabricar con un proceso en el que un punzón impulsa una lámina metálica bruta y l.a introduce en una cavidad del dado (fig. l 6.32a). Aunque este proceso se conoce comúnmente como embwiúo
flGURA 16.31 Procesos de formado ele metal que intervienen en la fabricación de una lata de aluminio para bebidas.
flGURA 16.29 P!.isns en la fabricac:i()n de·· un íw~líe.
l!ustración del proceso
Proceso -···-··
Resultado
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pieza en
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la lám.im melálica se sujeta en :,us bordes y a continuación se estira sobre un da. que se mueve hacia arriba, hacia abajo o hacia Jos lados. dependiendo ck ia máqnina (fig. 16.JU;. La i"ormación por ec;íifado se usa principaimeme para formar los recubrimientos de ias alas de los aviones, las portezuelas de los autos y ios marcos de ventana. Las cubierlas de aluminio para los Boc:ing 767 757 se: 1;ibric,1n con formalio ro1.· e;·:lensión, con fuerzas de iensión de 9 MN (2 millones de lbí. 16mmas n:clangniares tienen 12 m ;< 2.5 m x ó.4 mm (40 pies)( 8.J pies)( 0.25 puíg), la mayor parte de lils open.1ciones In lümina brma es rectangular, se sujeta a lo largo de su;:
F,rnhulido
__J
~
profundo
--,·
cor-
y se cstirn pcrmilicndo así que el material se contraigci en su ancho. Es import;m;c ,;un!ro!;tr la c:1n1idacl de esliramienlo para evitw· rasgaduras. La formación pnr exlcnsi<ín no puede prodHcir T)lll'lés
Rcembutido
í'On contornos ;:igudos ni reentrantes (depresiones en la superficie del dado). Los ciados pan1 el cstiradu se fabrican por !o gcncrnl con ale«cionc.; de zinc, acero, pbsUrns o madera. En la mavnr pane rie l;is aplicaciones .se requiere poca o ninguna lubricación. En conjunto. en el formado por
F!CURA 1630 Esquema de un proce;;o de formado por extensión. Con este n1'>toc.Jo se pueden í;ibricar las cuhie1·tas de los aviones. Fuen/e: Cyril Bath Co.
o
Pi anchado
Formación de domo
He1Tarnicnlas p;\rarotad6n
Estrangulamiento
[C[~~U] LJ 1
Monl"'~f~ Pieza t:n formación
Costura Tapa
~l:'%'±!t#1f@l"l'MY.r6.~~~-----·
~1{"''~1= Antes ,
Después
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CClpf!ulo ·¡ 6 /Procesos de formado de lloj,Js o !:.\minas nv:1ií.licas (<1)
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Punzón
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Sujetaclorde. _____ ![-___.JI~la lámina bruta
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Láminabr'.11"--'~Dado (anulo---de embmido)
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S(2cción ·16.9 / Eml.Jutic.lo profundo
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fl(;lJ~A ·¡·6.32
{a) Esquema de! proceso de embutido profundo en u;-ia lámina metá!ic.
-f¡j
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d método b<.isico se coloca una pieza hnJta de hirnina, redonda, sobre nn dado abierto circulac y ~:e afinnza Jngar con un sujet;rnrlor rle ei'l o un anillo de sujeción (íig. J6.32b). El punzón corre ha~ abajo y empu_ja a la látnina dentro de la l'..:lvidad, par:J formar una taza o depre~~ión. variabk~:~ irrq.xvümcn ernbutido profundo son las propiedades de la Jámina rneLóllica, la relación del diámetro de !~1 ri~;~a bruta (D 0 ) entre el diámetro del punzón la holgura (e) entre el punzón y el dado, el rad]o del punzón, R,r radio de transición (Ri1) del raclio, la fuerza en eJ sujetador de materjaJ en bruto y la fricción y Iubric;:tción. Durante !a operación de ernhutftdo, el movimiento de la pieza bruta hacia Ia cavidad induce esfocrzos ;.:ircdnfr:n::nciale~ de compn:~i6n en Ia ceja, que tienden a hacer que éslJ se pUegm..:. Este fenóJTicno se puede v¡~·:ualizar tratando ele forzar una pieza circular de: papel para meterla en una c~1vi(h(! redonda, cqnw por ejemplo_ un vaso_ Se puede reducir o eliminar ei plegamiento si se mantiene a1 sujetador de material en bruto bajo la acción de cierta fuerza_ Para mejorar la eficiencia, se puede controlar Ja magnitud de esta fuerza en función del recorrido del punzón_ La pared de la depresión que ya se ha formado se somete principalmente a un esfuerzo longiludinai de tensión_ El alargamiento hace adelgazar la pared de la depresión; si es demasiado, causa rasgaduras. Debido a las muchas vaiiables que intervienen, es difícil calcular la fuerza del punzón F; aumenta al incrementarse la resistencia el diámetro y el espesor de la lámina metálica bruta_
16,9.2 Capacidad de embutido profundo En urni operación de embutido profundo, la falla sude deberse al adelgazamiento de la pared de la depresión por los grandes esfuerzos longitudinales de tensión, Si se sigue el movimiento del material hacia la cavidad del dado, se puede ver que la lámina metálica debe ser capaz de sufrir una reducción de ancho, a causa de la reducción en diámetro; también, la lámina debe resistir el adelgazamiento bajo los esfoerzos de tensión en
/
f!GURA. 16-33:
Deformaciones
en un espécimen de prueba de Lensión, sacado de una pieza lámina metálica. Estas deformaciones se usan para determina la anisotropía normal y plana del melal laminado_
de
la pared de la taza, La capacidad de embutido pn;fundo se valora, en general, con Ja relación límite de embutido (estampado) (RLE): RLE = l?iámetxr~¡¡í2
D" DP.
( ~ifi.Sl)
El que una lá111ina se pueda ernbuür en forma profunda para crear una taza redonda es función de la anisotropfo normal, R, del rne1al larni1rndo, que también se llama airuisotnlpÍa phísfa-a_ La anisotropía nomial se define en función de las deformaciones reales que sufre el espécirn.en a la tensión (fig. 16.33):
R=
p;;r4úndo, dcb·tdo a su czipacidad di;; producir piezns proft]ndas, tmnbién se usa para fabricar p]czas supt'i";·'ió;.~~ ks o de profundidad mocicrnda_
El proceso
-"",,
'l,I/ /
~ :J ~_;:;/ ~~ ~;:~/ ') // ,___, _,/
'-.~
41'l
Deformación en anche«
8\l)
Deformación en espesor
e.1
----·-------··------
(Hi.IO)
Para calcular el valor de R se prepara primero un espécimen para prueba de tensión, y a conrinuaci6n se somete a una elongación del .15 al 20%; se calculan las deformaciones reales en la forma que se describió en la sección 2-2, Corno casi siempre las hojas laminadas en frío tienen anisotropía en su dirección planar, el valor de R ele un espécimen corlado ele una lámina rolada dependerá ele su orientación con respecto a la di·rccción de laminado de 13. hoja (o lámina). En este caso, se cakula un valor promedio (R.,, ......,) con la ectiac1ón Rprom
= ·--
·-
- ---
en 1a que los ángu tos son respecto a la dirección de [anünación de la hoja. En la tabla 16.4 se ven algunos lores característicos de Rpirnn· La relación experimenta! entre Rt>10111 y !a relación limite de ernbutido se ve en ia fig. "J 6.34. Ninguna oLra propiedad mecánica del mela! laminado muestra una dependencia tan consistente respecto a la RLE como R,,ro,,,, Así, med·iante el resultado de una prueba ele tensión y el cálculo de la anisolropía normal de Ja lámina metálica, se puedt: determinar la relación límite de embutido de un maLeriaL
TABLA 16.4
lntervaios normales de valores de anisotropía normal, R, para varios metales laminados
Aleaciones de zinc Acero laminado en caliente Acero laminado en frío-acero efervescente Aluminio laminado en frío-acero calmado Aleaciones de aluminio Cobre y latón Aleaciones de titanio (a) Aceros inoxidables Aceros de baja aleación y alta resistencia (HSLA, High-strength, low-alloy)
0.4--0.6 0.8-LO L0-1-4 1-4--1.8 0.6-0.8 0,6-0.9 3.0-5.0 0.9-L2 0.9-1-2
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Capílulo ·16 / erocesos de forrnacio de hoj;is o IArninas rnetál1c-as
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Anísotrnpía normal prom~dio (Rprom)
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flGURA 16,34 F:'.c!ación enrrc la anisolropíd norma! prornedio y la íe]actón lírniie d0 embutido ¡x1ra diversos n1(-=:lcdes lr)lllinados. Fuente: /\/l. A.lkirison.
füwde 1mdadado y pl
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Uú.12)
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Cu~ndo 6.R =O 11(1 se (()rrnan \)rcjc1s. La ;1ltura de las orej
y bajn de Sin !..1R. Se cst;ín :lcsílde rnctal l
"?rn11~.1rgo y en gc;rieral., los n1erales lamiuiados con 'Tniinndo
¡_ns :.iicanics
iV
li
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Sección 16.9 /Embutido profundo
cia y Ja resistencia última a la tensión de! metal laminado. Si !a fuerza en el portapiezas es muy alta, aumenta la fuerza del punzón y se provocan desgarramientos en la pm·cd de la taw; por otra parte, si la fuerw en portapiezas es muy baja, se producen anugas. Las holguras suelen ser ele 7 a 14% mayores que el espesor de la lámina. Si son muy estTechas, puede ser que la lámina tan sólo se perfore o corte con el punzón. Los radios de transición del punzón y la mairi;-. también son importantes. Si son demasiado estrechos, pueden causar fracturas en las esquinas; si son den1asiac!o grandes, la taza se pliega (fenómeno que se Jlamafí-uncido). Cordones de estampado (fig. 16.36a), con frecuencia son necesarios para controlar e! Dujo de la pieza bruta que entra a fa cavidad del dado. Restringen el flujo de la lámina, porque la doblan y desdoblart Jurante el estampado; con ello aumentan la fuerza necesaria para jalar la lámina hacia la cavidad del daJu. También ayudan a reducir las fuerzas que se requieren en el sujelador ele mate1ial en brur.o, porque la lórnina con canal tiene una rigidez mayor, y por consiguiente menor tendencia a plegarse. Los diámetros de los co;· .. clones ele embutido pueden ser ele 13 a 20 mm (0.50 a 0.75 pulg). El mayor es para estampados grandes, como por ejemplo ele carrocerías de automóvil. En la práctica, el emhLtticlo profundo de partes enfórma de caja y asimétricos puede presentar baswntes dificultades (figs. l 6.36b y e). Por ejemplo, nótese en el esquema (c) que diversas regiones ele la piez~¡ s+. freo distintos tipos de deformación durante el embutido. Para evitar que se rasgue la lümina metálica durante el forrnado es ilnport
l'bmdiado. En !a fig. 16.32, obsérvese que si Ja holgura es grnnde, la depresión embutida tcndr:í redes más gruesas en su borde que en su base. La razón es que el borde consiste en material procedente Jci diámetro exterior de la lámim1 bruta. que se redujo más que el que formó el resto ele la pared. En consecu.c:·•·· cía, la depresión tendrú espesor no llniforme. Ei planchado e' un proceso en el que el espesor de ia pare, 1d:
nho t<_m1bién tienen valores ailos
de! Se ilan ew1hlecido ciertos lineamientos para conseguir un bl!en embutido profundo. En general, se escoge la prcs16n del ;.;ujcta
1flGU~V\ ·íl 6.36 (
(b)
(a!
Orilla de la bmin::i. 1despu'5s de emhutir
(e)
1--- - -
Orilla
Dado
FIGURA 16.35 Borde ondulado en una taza embutida de acero, causada por la anisotropía planar del metal laminado.
~',"¡í!f3~'.'.o'.C'L'&)2:'.E'!l!cZ-CTl'JJ'.
42~i
Deformación menor cero 1
·--------··
422
Sección·¡ 6.·1 O/ rormrtdo con hule
Capítulo "J 6 / P1ocescx; de fnnnJ.clo de hojas o lómi11ds n1et
una depresión ~;e hace uniforme, empujándola a trnvés de anillos planchadores (véase la fig. l 6.31 ). plo, las latas de aluminio para bebidas sufren dos o tres operaciones de planchado en una carrera, en la que la lvla embutida se empuja a través de un conjunto de anillos planchadores.
r.e.'°'mh1,1ttido. Los recipienles o contenedores muy difíciles de embutir en una operación suelen pasar por un reembutido (véase la fig. 16.3.l). Por la constancia de volumen, la depresión de embutidos se alilrga a rncdida lJlle se vuelve a embutir a diámetros más pequeños. En el reembutido if.werso, la depresión (taw) se coloca boca abajo en el dado y se sujeta asf al doblez en dirección opuesta a su configuración oiiginal.
lEmhu~ido sin sujet;ufo¡·· de maierial e11 bm!o. También se puede hacer un buen embutido profundo sin un portapiezas. siempre que la lámina metálica sea lo suficientemente gruesa como para evitar pliegues. Un intervalo normal es D0
-
Dt
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ST,
lliliJJ)
donde Tes el espesor de fa Jámina. Lo.s dados tíencn contornos especiales para esta operación.
Re.ab:ado, Es una operación qLte consiste en embulidos superticiales o moderados hechos con dado.1 ;micho y hembra correspondientes (fig. 16.37). El realzado (repujado Q gofiado) se usa principalmcnlc parn rigid.izar tablen~s pianos y para decoración.
423
croniza con la caJTera de la prensa, y las piezas se transfieren con dispositivos magnéticos o al vacío. Hay r;isternas de inspección que vigiian toda ia operación de embutido (véase la sección 36. l J).
16.10.
FORMADO COl\J HULE En los procesos descritos en las secciones anteriores se hizo notar que. en genera!, los dados se fabrican con materiales rígidos. Sin embargo, en e! .fomwdo con hule, uno ele los dados ele un conjunto puede ser de mateiial flexible, corno por ejemplo membrana de poliuretano. Se usan mucho los poliuretanos por su resiskncia a la abrasión. a corte por rebabas o por filos de la lámina, y por su larga vida de fatiga. En el doblado y realzado ele! metal laminado se reemplazad dado o matriz hembra con un cojín de luJle (fig. 16.38). Nótese que la superficie exterior de ta lámina se protege contra daños o rayaduras porque no está en contacto con superficie metálica dura durante la formación. Las presiones en el formado con hule suelen ser del orden ele JO MPa (1500 psi). En el. proceso hidroformado o fomwdo fluido (fig. l 6.39), se controla la presión sobre la membram1 ele hule durante el ciclo ele formación, y las presiones máximas son hasta ele 100 MPa (15,000 psi). Este pn.)cedimíento permite un control estrecho ele la pieza dllrantc el formado, para evitar pliegues o desgarraDúcntos. Se obtienen embutidos más profundos que en el embutido profundo convencional. porque la presión torno a la membrana de hule fuerza a la depresión contra eI punzón. En consecuencia. aumenta la fricción tre e] punzón y [a depre~:;ión marcada; este aun1ento reduce los esCuerzos iongiLu
!.iibrk«dól'l. En el embutido profundo, la lubricación hace clismirrnir las fuerzas, aumentar la cap:¡cj .. dad de cmf}ulido y reducir los defr,ctos en ias piezas, asi COlfül el desgaste de las herramientas. En generar, se detx~ mantener al mfnirno la iubdcación del punzón. porque }a fricción entre éste y la depresión forrrwda mejora b capacidad de embutido, al reducir Jos esfuerzos de tensión en la taza o depresión. Para las api.icacioncs gene mies, los lubricantes de uso común son los aceites minerales, soluciones de jabón y emulsiones paril trabajo rudo. Para aplicaciones m:fa difíciles se usan recubrirrúentos, cera y lubricantes sólidos.
'"rn''""""''"" y eqrJi~PJO p:t.u·a en1b[Nf:fr. Lo~-; maleriaks rnás conmnes para herramientas y dados ,;n d embutido profundo son los aceros para herramienta.s y fundiciones de hierro, aunque lambién de ¡1ncden ''"''" nlros muterialcs, como los carburos y io.s plúsl.icos. El equipo para el embutido proí"undn suele .ser mia prt:nSi.1 hidráulica de doble acción, o una prensa mecánica. Se prefiere más est~ última, por su alta velnc:idad del
f~GURA 16.33 Ejernplo~ del dob!ado y realzado de meta.! laminado co11 un punzón metá!ico v un cojin fk;xible que funciona corno ei dado hembra. Fuente: f)olyurethane Products Corporv.tion .. (e)
la)
punzón. La prensa hidráulica de doble acción controla en forma independiente el p1m?,Óo y el sujetador ele pieZ
L~'~=./, Dado , / macho
Dado hembra
(b)
(a)
FIGURA 16.37 Operación de realzado con dos dados. Con este proceso se pueden producir letras, números y figuras en partes de metal lamínado, así como ceniceros delgados.
-::".?-~----··Válvula de control
,_
C{t~laU(tC~e!--. formado
.
de presión .
)_l.~=~~~-.?: ~t:_eJ~!. . , / ,.r ~--,·---"'"-""---=-~,.,,,,,""__
Diafragma de hule
~~Anillode embutido 1
- Punzón
(e)
(d)
··"~
424.
C;1p(tulo 1 6 /Procesos ele formado de hojas o Jáminc:is melá!icas
Sección 16.11 /Rechazado
El control de las condiciones de fricción en el formado con hule y en otras operaciones de formado de l5mina puede ser factor crítico para poder fabricar las piezas. También es importante el uso adecuado de lubricantes y métodos de aplicación.
425
(a)
,-.:.::.lfl,i\i.;;¡;;;;·-··1·
Cuando se seleccionan en forma correcta, los procesos de formado con hule tienen bs ventajas de a) bajo costo el.e herramientas, b) flexibilidad y facilidad de operación, e) bajo desgaste de dados, d) prevención de daños a la superficie de ta lámina y e) posibilidad de producir fonnas complicadas. También se pueden formar piezas con hojas metálicas de diversos materiales o recubrimientos.
-
~~bruta ~:i>-' __.,, .
,
1 1
-·~!·.~. -J--- ~------·{1 _
Mandril
.... .. · .· · --. ·.··.·••.·.•
~·\f]-~~1i
·16. ·¡ 1 RECHAZADO
;
El rechazado es un proceso antiguo que implica la formación de piezas axisimét1icas sobre un mandril, usan-
do diversas herramientas y rodillos. Este proceso se parece algo al de conformar la arcilla en un torno de alfarero. Como se describe en esta sección, hay tres técnicas básicas de rechazado: convencional (o manual), por corle, y de tubo. El equipo que se usa en esos procesos se parece a un torno, pero tiene características espe .. cialcs.
·' __ _J_L
Cono
/
Rodillo -
·¡ 6.11. ·¡ Rechazado convencional (b)
En un rN:hazado convencional, una lámina bruta circular plam1 o preformada se sujeta con!rn un mandril y se hace girar, mientras que una herramienta rígida deforma y conforma al materia! sobre el mandril (fig. l6.40i1). La herramienta se puede activar manualmente o con un mecanismo hidráulico controlado por computadora. El proceso comprende una secuencia de pasadas y requiere de mucha destreza. El rechazado convencional se adapta en especial para formas cónicas y curvilíneas, que de otro moJo sería diffcil o costoso producir (fig. l6.40b). Los diámetros de las piezas pueden llegar hasta 6 m (20 pies). Aunque la mayor paite de los rechazados se hacen a temperatura ambiente, las piezas gruesas o los metaler; con gran resistencia o baja duei.ilidad requieren de rechazado a temperaturas eievadas.
6.
Avance
-l-JG-
J-~~j;"-
f!GIJRA 16.41 (a) Esquerna del proceso de rechazado de corte para fabricar piezas cónicas. El mandril puede tener la forma adecuada para poder conformar piezas curvilíneas. (b) Esquema del proceso de rechazado de
tubos.
por corte 'filmbién se llama rechazado nwlorizado, torneado con jl1~jo, hidrorrechazado y fmjado de rotación; produce
una forrrw axisilnéírica, cónica o curvilínea y mantiene al rn.ismo tiempo el dülmetro máximo de la pieza, reduciendo su espesor (fig. se puede usar un solo rodillo, son prefelibles dos, para equilibrarías fuerzas sobre el mandril. Las piezas características que se producen son las cajas de motores a reacción y los conos de nariz de misiles. f!GlJIV\ 16.40 (a) Esquema del proceso convencional de rechazado. b) Piezas que se forman por rechaz;ido. 10das son axisimétricas. (a) Lámina bruta
(b)
l
Se pueden formar piezas hasta de 3 m ( 10 pies) de diámetro con el rechazado de corte. Esta operación desperdicia poco mJterial y se puede terminar en Lm tiempo relativamente corto. hasta de unos pocos segundos. Se pueden tornear diversas piezas con herramientas bastarrte simples, hechas en general de acero grado herramienta. Por las grandes deformaciones que se manejan, este proceso genera bastante calor, por lo que en el transcurso se requieren fluidos a base de agua. La capacidad de formación por rechazado de un metal se define como la máxima reducción de espesor a la que puede someterse una pieza en el rechazado, sin que se rompa. Esta capacidad se relaciona con la reducción de área ele! material a la tensión, al igual que la capacidad de flexión (véase la fig. 16. l 8). Si un metal tiene una reducción de un 50% ele área a la tensión (o mayor), su espesor se puede reducir hasta en un 80% sólo con un paso de rechazado. Los materiales con baja ductilidad se procesan a temperaturas elevadas.
16.11 .3 Rechazado de tubos
Herramienta
En el rechazado de tubos. el espesor de las piezas cilíndricas se reduce, porque se procesan con rodillos sobre un mandril cilíndrico (fig. 16.41b). Nótese que se puede llevar a cabo la operación desde el exterior o el interior. La pieza se puede procesar en avance o en reversa (esta nomenclatura de parece a la de un proceso de embutido o de extrnsión en reversa (capítulo 15)). En cualesquiera de los casos, la reducción del espesor de la pared hace que el tubo se alargue. La reducción máxima por paso, en el rechazado de tubos, se relaciona con la reducción del área del material a la terrsión, como en el rechazado de corte. Se puede aplicar la rotación de tubos para fabricar recipientes a presión, componentes automotrices corno por ejemplo ruedas de autos y de camiones, así como para piezas de cohetes, misiles y motores a reacción.
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C:i.pi'lulo 16 / Pmcesos de formado de hojd'i o
J;.íminc1~ metálicas
.rlft de un eje de compresor para motor de re.aocm•n E: eje dd comprusor en el motor a reacción Olympus, de Rolls-Royce, para Gl avión supersónico Concor(fig. l6A2). Primero se fabrica ck. se bb
recha1.~do
de formado (pasada 1) es w1 rechr0.adode tubo aplicado al extremo pegneiío de Ja pieza bruta mediante un par de rodiIIos. En la pasaHit 2, sección anulitr en una forma cónica, por n;chazado sobre fa parte cónica últimas pasadas consisten en reducir en forma gradual el e:;resor del extremo mayor de Ja píeza; por rechazado de tubo. Nótese e! perfil producido en el di;ímctro externo del cje. Después, la pi9za _formada es máquinada para oblcncr ciemis toicrancias dimensionales y propiedades geométricas n~cefs,¡¡¡-i~,
delmándril.Las_¡re.~
1~étodos
J}~rafüprfüfu-
Se han tomado en cuenta varios áitematí\:os esta pieza_ y pie7as parecidas, axíoimétricas (con simC'trfa axial), para este motor arem:ciín, !1'1:.fiuhl se determin6 que el métÓdo más económico es el ele la fig. l 6.42. No era económico forjar la pieza a una fonna más cerc:u1a a la final. para reducir cantidad de pasadas de rechazado: el costo de esas piezas aumenta mticho a medida que aumenta :m relaci6n de longitud a diámetro, en especial para componentes de paredes delgada.,.
fo~iar
También se fabrican por rotación varias ü!Tas piezas de este motor a reacción, con una máquinn de dos rodillos, de :00 hp (75 kW). Las operaciones se efectúan a íemperatura con un lubricanie a b;,. se de agua, que fr:nciona principalmente tomo enfriador. para retirar ei apreCíabl0 caior que se genera c!urame pr()ceso de rech~1z:.ido.
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Sección l 6. 12 / eormodo 'Llperplástíco
427
,.. 16.12 FORMADO SUPERPLAST!CO
En la sección 2.2.7 se describi6 el comportamiento superplástico Je ciertos metales y aleaciones, corn Zn-Al y titanio, que tienen granos muy finos (menores que 10 a l5 ,u.m, por ejemplo ASTM No. 10 en la Labia l. l), donde se obtienen alargamientos a la tensión muy grandes, hasta de 2000%, dentro de ciertos limites de temperatura y bajas velocidades de deformación. Esas aleaciones se pueden procesar hasta formas complejas mediante el jórmado superphístico, proceso en que se emplean técnicas comunes en el trabajo de metales o en el procesamiento de polímeros (véase el capitulo 18). La gran duclilidad y la resistencia relativamente baja de las aleaciones superplústicas permiten coniar con las siguientes ventajas:
a. Se requiere menos resistencia en las herramientas, por la baja resistencia del material en las tempernLums del formado; por consiguiente los costos de las herramientas son menores.
IJ. Se pueden conformar piezas complicadas en una sola pieza, con detalles finos y tolerancias cerradas. cli1ninando operaciones secundarias.
c. Se pueden obtener ahorros en peso y material, por la facilldad de formadón de los materia1es.
lt.L En las piezas fonnadas queda poco o ningún esfuerzo residual.
El formado superplástico tiene
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siguientes limitaciones:
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a. El material no debe ser superplástico a las temperaturas de servicio.
b. Por la extremada sensibilidad del material superplástico a la ve!ociclad ele deformación volumétricos. se debe formar con velocidades suficientemente bajas (lo normal es de J 0~ 4 a 1o-"ls). Los tiempos de for·· mado van de algunos segundos hast;i varias horas. En consecuencia los tiempos de ciclo son mucho mayores que en los procesos convencionales de formado; en consecuencia tan1bién, el fonnado sulx~r·· plás1ico es un proceso intermitente.
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Las aleaciones sL1perphísticns (en especi81 Zn-22Al y T!-6Al-4V) se pueden formar por procesos coíectivos de deformación como moldeo por compresión. estampado, acufiado, punzonaclo de cavidades y exlrn· sión. También. se puede hacer formado ele Járninas de esos materiales con operaciones como tcrmoforméido. formado al vacío y moldeo por soplado (capítulo 18). Un desm-rollo importante es la posibilidad ele fabricar estmcturas de metal laminado combinando la ¡¡Wl o enlace por difüsión co11 el formado superplástico (SPF/DB, superplastic forming/díffusion bonding). Las estructuras caracte1ísticas en las que se unen láminas planas por difusión (como se descrihirá en la sección 28.7) y se les da forma, se ven en la fig. 16.43. Después de la liga por dil'usión de regiones específicas de las láminas, las regiones no ligadas (tope de despegue) se expanden dentro ele un mol.ele, con argón gaseoso a presión. Esta' estructuras son delgada<; y tienen grandes relaciones de rigidez a peso. En consecuencia son bastante importantes en aplicaciones aeronáuticas y aeroespaciales. Este proceso mejora la productividad al eliminar sujetadores mecánicos, y produce piezas con buena precisión dimensional y bajos esfuerzos residuales. Hoy, la tecnología está lo suficientemente desarrollada para las aplicaciones aeroespaciales de estructuras ele titanio. Las fabricadas con aleación de aluminio 7475-T6 también se desarrollan con esta técnica; otros metales para formación supeiplústica son Inconel 100 e Incoloy 718, así como algunas a base de hierro, aleaciones con alto contenido de carbono. Los matetiales que se suelen usar en el formado superplástico son aceros de baja aleación, aceros grado herramienta fundidos, cerámico, grafito y yeso. La selección depende de las temperaturas de formado y de la resistencia de la aleación superplástíca.
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Capítu!D "! 6 / Pmcesos de formJdo de hojas o !,'irninas metá!icis
Sección 16 ..l 3 /Explosión, impubo magnético, repuj.:ido y otros procesos de formado
(a)
429
(b) (b)
(a)
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FIGUR/I. 16.43 Estructuras fabricadas con liga por difusión y formarlo superplástico de metal larnin:ido. Estas Pslructuras tien"n una relación alta de rigidez a peso. Fuente: Rockwell lnternaiionai Corp
Ejempio: Aplicaciones de! formado superplásf.ico/liga o enlace por difosión (SPF/DBJ L1 mayor parte de i<1s aplicacione.s del SPF!DB son¡fara proc!utirpieias de titanio rnmi aviones miJitarcs. como el Tornnado y el í\ilirage 2000: por ejemplo, cabinas de fuselaje, bordes de ataque, conductos de inlercombiador de calor y conducíos de salida de enfriador. Eu'usefado de Ja boquilla del caza F- ! 5 también 'e fabrka con csk proceso. Se fabrican piezas para el caza europeo eon aleaeíOn de üfanio Ti-6AJ-4 V} aleaciones de aluminio 7475. En aplicacione;; civiles, el Airbus A340 tiene los tabkros de lo'.; saniíaric.··.
de
~1gu~¡ potabh; í~1bricados cun Ti-{ú\J...,~v.
~ucle
El proceso de formado superplúslico se hacer a unos 900';C (i65() ºF) ton las aleaciones de titanio, y a uno.s 500 ''C (930ºF¡ con las de
EXPLOSIÓN, IMPULSO MAGNÉTICO, REPUJADO Y OTROS PROCESOS DE FORMADO Aunque no se usan con tanta frecuencia como los procesos que acabamos de repasar, en esta sección se desc1ibirán algunos otros procesos de conformación de láminas.
16.13. 1 Formado por explosión Se usan los explosivos para muchos fines destructivos, en demoliciones y en la guerra. Sin embargo, si se cootrolao su cantidad y forma, se pueden us:u· como fuente de energía para dar fonna a los metales. Esta ener-
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Alejamiento
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FIGURA 16.44 (a) bquerna del proceso ele formado por explosión. (b) Ilustración del método confinado para abombar tubos con explosivo.
gía se usó por primera vez para formar metales a principios del siglo XX. En forma característica, en el Jórmado por explosión, la lámina bruta se aprisiona sobre un Jado y baja todo el conjunto a un tanque lleno de agua (fig. l 6A4a). Se saca el aire en la cavidad del dado, se coloca a cierta altura una carga explosiva, y se hace detonar.
La conver~ión rápida de ia carga explosiva en gas genera una onda de choque. La presión de esa onda es suficiente para dar forma a los metales laminados. La presión máximap, debida a la explosión y generada en eJ agua, se calcula con la ecuación
p =
[((-~r
(16.14)
donde p está en psi, K es una cm1s1anle gue depende del explosivo (por ejemplo, 21,600 para el TNT, trinitrotolueno), W es el peso del explosivo. en libras, Res ia distancia del explosivo a la superficie ele Ja picz'1 (.1rparación) en pies, y a es una constante, que por io general se Loma como 1. 15. Con este proceso se pueden fabricar distintas formas, siempre que el material <;ea dúctil a las grandes tasas de deformación, características de la naturaleza explosiva del proceso. El formado por explosión es ve:·sálil, casi no hay límite al tamaño de la pieza, y se aclapt
16.13.2 Formado con impulso magnético En el formado con impulso magnético, o formado electromagnético, la energía almacenada en un banco de capacitares se descarga rápidamente a través de una bobina magnética. En un ejemplo característico, una bo-
Al
43()
C1pflt1k> 1{)/Pro{ esos
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forrn.oLdo de
huj~1s
o láminas mc.::tcllicas
. Sección 16.14 /Fabricación de estructura? de pa11~1!
431
(a)
Otros procesos de conformación de láminas También se usan algunos otros procesos de formado de láminas, aunque con poca frecuencia. a. Formado con láser del metal laminado: implica Ja aplicación de rnym láser en zonas específicas de Lma parte para inducir grandes gradientes térmicos en el espesor de la lámina. Los gradientes que se desarrollan son suficientemente grandes para causar defom1aciones plásticas localizadas, en la lfünina, y dar como resultado, por ejemplo, una lámina doblada.
\. XCorrientecn l;:i ~
Corríente p
b. En el formado ayudado con láser se pueden hacer ciertas operaciones con láseres corno fuente localizada de calor, para reducir el esfuerzo de fluencia del metal laminado en lugares específicos, y para mejorar Ja facilidad de formado y aumentar la flexibilidad del proceso. Como ejemplos tenemos el enderezado, doblado, realzado y formado ele complejos componentes tubulares o planos. Se deben investigar los efectos adversos posibles del calentamiento localizado, sobre la integridad del producto.
-Tuho
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c. En el formado electrohidráulico (fórmado con chi.17Ja submarina, o con descarga eléctrica), la fuente de energía es una chispa entre electrodos conectados con un alambre delgado. La rápida descarga ele energía de un banco de capacitores en los electrodos genera una onda de cboque, similar a las creadas por explosivos, y moldea la pieza. Este proceso se ha usado para fabricar piezas relativamente pequeñas a niveles de energía menores que los gue se usan en el formado con explm,ivo, nonnalrnente de unos pocos kJ.
fiGURA H).45 (a) Esquema del proceso de formado por impulso magnético, para molclea.1· un tubo sobre un tapón. (b) Tubo de dluminio aplastado sobre un tapón hexagonal, fobricado
con este proceso.
d, Mezclas de gas en un recipiente cerrado: se han usado como fuente de energfo. Cuando se encienden generan presiones para formar las láminas. El principio se parece a la generación ele presión en un motor de combLtstión interna.
bina anular se coloca sobre una pieza tubular. A continuación se aplasta el tubo sobre otra pieza sóii.da, por la:; fuer<,us rnagnéticas, hacicmlo gue el conjunto sea una sola parle (fig. 16.45), El campo magnético gue produce Ja bobina cruza al tubo metülico (un conductor) generando así corrientes parásitas en él. Esas corricmes, a su vez, producen su propio campo magnélico (fig. l 6.45a). Las fuerzas producidas por los dos campos magnéticos :;e oponen entre sí y en consecuencia crean una fuerza de repulsión entre la bobina y d tubo. Las luerzas generadw; colapsan al tubo sobre !a pieza interior.
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Mienirns mayor sea la conducl.ividad eléclrica ele la pieza. las fuerzas magnéticas son más gr:mdcs. iiay necesidad de que el materia! de la piez
6.13.3 Repujado El repujado se usa para producir curvaturas en láminas delgadas de meta!, por bombardeo con pen:!igones .(véac;e la sección 33.2) una supe1-ficie de la lámina. En e] repujado, la supelficie de la lámina se somete a esfuerzos de compresión que tienden a expandir la capa superficial. Como el material detrás de la superficie bombardeo permanece rígido, la expansión superficial hace que la lámina adquiera una curvatura. También, el proceso induce esfuerzos superficiales de compresión, que mejoran la vida ele fatiga de Ja lámina. El bombardeo se hace con bolas de hierro colado o de acero, lanzadas de una rueda giratoria o con choffO de aire, de una boguil!a. El bombardeo con perdigones se usa en la industria aeronáutica para generar curvatums lisas y uniformes en )as alas. Se ha usado granalla de unos 2.5 mm (O. J pulg) de diámetro, a velocidades de 60 mis (200 pies/s) para fabricar láminas para alas de 25 m (80 pies) de longitud. Pm·a las secciones grnesas se pueden usar bolas hasta de 6 mm (114 pulg). También, el proceso de repujado se u·sa para enderezar partes torcidas o dobladas; por ejemplo, con este método se pueden enderezar anillos fuera de redondez.
e. Los gases licuados, como por ejemplo el nitrógeno líquido, también se pueden usar para producir presiones lo bastante altas como para moldear metales laminados. Cuaodo se deja llegar a la tempernlura ambiente en un recipiente cerrado, el nitrógeno líquido se vuelve gaseoso y se expande, desarrollando la presión necesaria para moldear la pmte.
16.14 FABR
DE ESTRUCTURAS DE PANAL
La estn1ctl.1r2 ele panal consiste básicamente en un núcleo de panal (o de otras formas corrugadas) ligado a dos láminas exteriores delgadas (fig. 16.46). El ejemplo más ·frecuente de esas estructuras es el cartón corrugado, que tiene una relación grande de rigidez a peso, y se usa mucho en el empaque de artículos de consu-
n10 e industriales. Hay dos métodos principales de fabricar materiales en panal. En el proceso de despliegue (fig. 16.46'tj, que es el más común, se corlan láminas de un rollo y se aplica un adhesivo a intervalos (líneas nodales). Se apilan las láminas y se curan en un horno, para que se formen fuertes ligas en las uniones con adhesivo. A continuación se corta el bloque en rebanadas de la dimensión deseada, y se estira, para producir una estructura en panal. Este proceso se parece al que se usa para despiegar estructuras de papel doblado y formar objetos decorativos. En el proceso de corrugación, o de corrugado (fig. 16.46b), que se parece al que se usa para fabricar cartón corrugado, la hoja pasa por un par de rodillos de diseño especial y se transforma en lámina corrugada, que se corta a las longitudes deseadas. De nuevo, se aplica adbesivo a las líneas nodales y el bloque se cura. Nótese que no interviene proceso alguno ele expansión. Después, el material del panal se encierra en una estructura emparedada (fig. 16.46c): las láminas de las caras se pegan con adhesivos a las superficies superior e inferior. Las estructuras en panal se hacen con más frecuencia de aluminio serie 3000, aunque también se hacen con titanio, aceros inoxidables y aleaciones de níquel. Entre Jos desarrollos recientes están el LISO de plásticos reforzados, como el de ararnicla y el epóxico. La adhesión entre el núcleo y las caras se consigue con adhesivos o con soldadura fuerte. Debido a su poco peso y gran resistencia a las fuerzas de flexión, se usan las estructuras en panal en componentes aeronáuticos y aeroespaciales, en edificios y en equipo de transporte.
CJpítulo 1(; I hoceso.s dí:-: formJdo
.q;.32
d(~ hojas o ldmin;¡s mel_0licas Sección 16 ..16 / F.quipü para el conformado de hojas o láminas metálic¡:is
(ii)
Adhesivo Guillotinado
(b) Bloque corrugado
Límina Bloque
Pana! despJcgado
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433
(b)
! l/r'~~i ¡
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LJ.mina Rollo
Rodillo~;
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Cürrngada
corrugadorc:,;
Pcmal cNrugado
Disciío básico de marco en C
Diseño ancho
Cama
Pilar
Dobh.~
cnlurnl1'1
aju!->lahlc
(e) de c;1rn
Lienzo impregnado con adhcsivQ
Núcko
(opcional)
de panal desp!egnJu
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'l~íimiiw cfr.:: cur:•
HGUIZA Hi.46 ivldodn:, de fabricación de cstn1c1uras en panal: (a) Proceso de despliPgu". (b) Proceso de corrugación. (e) 1\rrnado de una esirw turc! de pvnai para formar un brninado.
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AL Las abolladuras se producen ccn frecuencia en los autos, muebles de oficina y utcn:;iiios de cocina. Se prnciucen por fuerz3s dinámicas, procedentes de obieLos en movimiento que golpean al nwia! Lm:1inado. Por c:jemplo, en las carrocerías de automóviles las veiocidades en el impacto llegan hasr.a a 45 ( 150 pie/s). Asf, el parámetro importante de la resistencia es el es/Íierzn de cedencia dinámico (csfuerzc de cer.icnciii a grandes velocidades de y no e! esfuerzo de cedencia estático (sección 2.2). Las fuer;;,as dirnímicas tienden a producir abolladuras locali?:c1das; las fuerzas estáticas tiene/en a reparlir el área abollada. Trate el lector de abollar una lámina metálica plana, primero recargando sobre ella un martillo de bola, y después golpdndola con el mactillo. Observe cuán localizada es la abollaclur:1 en el úlli· mo -c~~:;o. Se ha visto qDe la resistencia al abollamiento de piezas de lámina metilica a) se: incrementa al aumentar el esfuerzo de cedencia y el espesor de la lámina, y b) disminuye al aumentar el módulo de elasticidad y la rigidez general de la parte. En consecuencia. las partes que se sujelan rígidamente en sus contornos tienen menor resistencia al abollamienlo.
16.16 EQUIPO PARAJ:L CONFOR~ADO DE HOJAS O LAMINAS METALICAS Para la mayor parte de las operaciones de prensado, el equipo básico consiste en prensas mecánicas, hidráulicas, neumáticas, o neumáticas-hidráulicas. La sección 14.9 describió las propiedades y características básicas de esas prensas. En la fig. 16.47 se ven diseños característicos de marcos ele prensas (véase también la fig. 14.21). El diseño, construcción y rigidez adecuados de esos equipos es esencial para tener un funcionamiento eficiente, gran producción, buen control de dimensiones y alta calidad del producto.
i.~lioi!WíJifr.~
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-~-----------
f~GURA 16.47 (a) y (b) Esquemas de marcos de prensa para forrnu.do de lámina. Cada tipo tiene sus piopit1s caracteri"stiGlS de rigidez, capacicJad accesibilidad. Fuente: Engineer's f-fandbook, VEB Fachbuchver!ag, 1965. (e) Prensa de estampado Fuente: V1::rson ;\llsteel Compa11y.
La estructura tradicional de marco en C (fig. l6.47a) se ha usado mucho por la facilidad de acceso a !
A
C1pílu!n '16 / P1ocesos de frnrndrlo de hnj;·1s o láminas 1T1etálicas
nen írcs correderas; ;;e suekn usar para emlfütido en reversa y para otras operaciones complicadas de moldeo.
e. La fuerza máxima requerida (capacidad o tonelaje de la prensa). El lipo ele controles.
.---RESUMEN <>
g. Las c:1racterísticas de seguridad. véase la sección 37.3.
La forma de cambiar los dados. Como es importante el tiempo de cambio de dados en hes prensas (puede ser hasta de algunas lloras). afecta la produclividad. Se han clésarrollado sistemas de cambio rápido dio dados. Con preparacio!les de maü-ices ele acuerdo con un sistema ilamaclo cambio de dado en 1m mim:to (SMED. sin¡;!e-minwe exchange e![ die), l1oy se pueden cambiar dados en menos de i O minu10s usando sislernas hidráulicos o neumáticos automatizados. Estas técnicas son de especial importancia en sistemas ele manufaclnra automatizados, con cómputo integrado.
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tantes en Ja selección, en especial para modificaciones de productos y fabricar nuevos productos que respondan a cambio1-; en la demanda del mercado. _,
PROCESOS LAMINADO
DE
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rno.!dc dcsnito. Los procesos de formado ele láminas compiten entre sí, al igual que con otros procesos, 1n;í.s que olrns operaciones. Las operaciones de conformación de láminas son versátiles, por Jo que .';(;
3
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1~:-::3 ~iámetro --~~ _l
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Rechazado
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Cantidad de piezas rx !03)
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Los procesos de conformado de hoja o lámina metálica están entre las más versátiles de todas las ciones. Se suelen aplicar en piezas que tienen grandes relaciones de área a espesor. A diferencia los procesos de deformación en volumen, como el f01jado y la extrusión. en general el conformado de láminas evita reducir el espesor del material para evitar la estrangulación y el rasgado. Los parámetros importantes de los materiales son la calidad de la orilla cortada de la lámina, antcriur al formado, la capacidad ele la lámina para estirarse uniformemente, y la resistencia del materia! al ade!gszamiento, así corno su anisotropía normal y planar. su tamaño de grado y su alargamiento en el punto de cedcncia (para aceros al bajo carbón;.
TEf\JDE '' Continúan los estudios ele técnicas para detenn;nar la capacidad ele formado de láminas metálicas lx0o clislinlas condiciones. Por ejemplo. se investigan las fuerzas aplicadas por computadora a los sujetadores de la materia prima, para optimizar la capacidad de embutido.
- ~ r-r- -----------=---------ri ~ (,{: [Li~¡m IL19 ~5: 4
--
Para operaciones generales de esta1npado, son úliJes los diagramas de límite de fonnado, porq11e establecen ]as relaciones cuantitativas entre las principales, rnayores y menores, que i·irnitan el fonnado seguro. P
us:tn en la rotnción.
-~8..
- - ----------------. -
"' Se han desarrollado varios maodos de prueba para pronosticar la capacidad de conformado de láminas metáiicas. En las operaciones de doblado, la reducción de área a la tensión, para la lámina. da una i11clicaci6n de su capacidad de doblado (radio máximo del doblez); esto también se aplica a la capacidaJ ck formado por rechazado de los metales (reducción máxima de espesor por pasada).
Por e}cmpln, la parte de la fig. 16.48 se puede fabricar por embL1tido profundo o por rotación convcncioiwl. pero los costos de matrices para los dos procesos difieren mucho_ Las 1m1trices para cmb11tido ¡m>fun,_¡º licncn mudu<> partes, y cuestan mucho más que [os mandriles y herr:miicntas rela1.ivamentc .scncillrn: que
rrninufactur.:t
------- -- -
" Enue los desarrollos importantes está el formado superplástico de láminas ligadas por difusión. Este prnceso puede producir estructuras complicadas con metal laminado. en especial p
pueden emplear varios procesos distintos para producir la misma parte. Por ejernp!o, una parte en forma de co¡m se ¡mcdc rnolclcar por embui.ido profundo, rotación, formado con hule o por explosión: adcmüs se puede form;n por extrusión por impacto. por co.lado o fabricándola a partir de varias piezas_
En consecuencia. el costo de matrices por parte producicb :;cr;í allo si .w iwcesitan rocas partes. Pllr oir-.J bclo. Ja pa1-rc de Ja figura se puede lónnar por emhutido profundo en un tiempo mucho menor que por rnl...1 áín, aunque esté automatizada esta 1.iliima. Además. la rotación requiere mano de obra más esp1ocialiDKla. Tomando en cuenta estos frictores. el punto de equilibrio es de unas 700 partes. y ei embutido profundo ics mis económico parn camidadcs mayores_ En el capítulo 40 se describen más detalles de ia economía de
-
43S
" Las fuerzas y la energía necesarias en los procesos de conformado de lámina metálica se transmiten ~' la pieza a través de herramientas y dados macizos, a través de piezas flexibles de hule o poliuretano. o por medios eléctricos, químicos, magnéticos y gaseosos. " Debido a la delgadez relativa de lo;; materiales que se usan, su restitución, abombado y formación de pliegues son problemas de cuidado en el formado de láminas. La restitución es función del esfuerzo de cedencia. el módulo de elasticidad y la relación del rndio de transición al espesor. Estos problemas se pueden reducir o eliminar con diseños adecuados de herrnmientas y malriccs, minimizando la longitud no soportada ele la Járnina durante el proceso, y controlando el espesor de la lámina que se alímcnla. asf como sus propiedade:> mecánicas.
Ya que una prensa representa Lma gran inversión de capital, se debe investigar su empico parn producir una diversidad de partes y en varias aplicaciones. La versatilidad y la diversidad de usos son l"ae!ores impor-
.!
Tendencias
<> Se está.n desarrollando y controlando distintas texturas de liiminas metálicas para mejorar su facilidad
de formado. " Se están diseñando y aplicando texturas superficiales en herramientas, para controlar la fricción y mejorar la facilidad de formado de la lámina. FIGURA 16,48 Comparación ele costos de un recipiente manufacturado de lámina por rechazado convencional o por embutido profundo_ Obsérvese que para cantidades pequeñas el rechazado es más económico.
" Se están implementando el diseño y manufactura de dados por computadora, y el análisis de elementos finitos, para mejorar la productividad y reducir los costos. e Se están implementando para cambiar rápidamente Jos dados por medio de sistemas automatizados. " El hidroforrnado está encontrando cada vez más aplicaciones en las industrias automotora y aeroespacial. e La liga por difusión, combinada con la tecnología de formado superplástico, continúa aumentando su empleo en aplicaciones que requieren ahorrar peso y costos, en especial en la industria aeroespacial. • Las láminas en bruto soldadas a la medida están encontrando cada vez más aplicaciones, en especial en la industria automotiiz.
Capftulo 16 /Procesos de fonn;ic.Jo de hoja:; o
Jc:i111ina~, mcl,dica<; Problem.ts cualitalivos
437
16.10 Haga una lista de las propiedades de !os materiales que influyen sobre la restitución. Explique cómo influyen. Abombado
16.11 Haga una lisla de ias operaciones comunes de doblado, con una aplicación de cada una.
Acanalado
Estn.1ciurus en panal
Anidamiento A11is0Iropía norn.1al Ani:sotn>p(a p!anar
Formabilid.ad (capacidad de formado) Formado con explosivo
Formado con irnpu !:so magnético Fonn.:1do con láser
Anisotropfa plástic;:i Bandas de Liicler Borde ondulado Bridado o rebordeado Capaciüad de doblado
Formado de dobleces en borde
Formado de od fic]os Formado electrohidráu!ico Formado en bulc Formado por extensión Formado por laminación Formado ~upcrpl.1stíco Holgura
C1zaJlamñr.:•nto Cordones de e.stampado
Prensa excén1ric;:.i
16.12 ¿Por qué :-.e pandean Jos Lubos cuando se doblan?
Proceso de hidroformado
16.13 Explique por qué Ja anisotropía normal es importante para determinar la capacich"!.d
Pmizonado Radio mínimo de doblez
16.14 Describa la formación de ondulaciones y por qué sucede.
Rasurado Realzado Rebaba
16.15 ;.Cuáles son las ventajas del formado con hule?
Rechazado
16.]8 ¿Por qué el planchado es un proceso importante? ]6.19 ¿Cuáles son las diferencias y las semejanzas entre el rechazado convencional y el rechazado por corte?
Holgura en el doblado
Relación !ími!e de embur.ido Repujado
Diagrama de lfmitc de formado Doblado
Material .soldado a Ja medida IVIatrices progresivas
Resislencia al abollarniento Restitución
Niblado Planchado P!1egue
Sujeta
Embuti(f(}
16.16 Explique las cosacterísticas de métodos no convencionales
16J7 ¿Qué difercnci.:.1 hay enlre embulido profundo y recmbuüdo?
Reembutido Reglas de acero
Dados compuestos Dacios de transferencia Desbarbado
Ernl)utjdo proCund()
fundo.
Ranurado
16.20 ¡_En qué se parece el hidroforrnado al formado con hule? 16.21 ¿En qué se diferencia fundamenlalmente el formado con rodillos del lamürndo? 16.22 i.Cuál es el objeto de un cordón de embutido?
PROBLEi\111\S CUALITATIVOS
Troquelado fino
/\S111 l-Jandboo/c Vol.
/.,;:I:
Fonnin!!, mu/ F'orging. A.Sl\-1
fntcrnatinnaJ, 1988. Bc:ii:.;on, S., Prr:ss Brake Téchnology. Engineers. 1997. B!tzcr, fionl~)'tornh
Tcch1w/og_v:
114anu/(tclffr!m.'.
1997.
Dc·s1gn, &Hall,
Píu.s1ic·i1y mu/ .Modern l'vie1oi-jórn1ing Th·,·hn.ofogy. El.sevicr, l 989 l unr/wnr:n!u/•,, t,{ Too! Dcsign (4th cd Socicty or f?inzynski., 1
Engineers, 1998.
Clllawfors, J., Pipe mu! 1!1be Bewling Nlr.uuwl. FIV[A
fotcrnatioJJaL 1994.
] 6.23 De:-:;criba tas diferl..:ncias qne haya observado enlre productos hechos de lámina rnetáiica, y los fabricados por l\mdi .. ción o por forjado. 16.24 Describa e[ proceso de corte que sucede cuando un par de tljcras cortan papel de aluminio.
Ho:~fonL Vl,.f1~,
ami R.M. Cadddl, lV!etal Fonning: Jv!t,chm1ics and Meta/lurgy (2d cd.). Prenlice Hall, 1993. Morgan. E., Tinp!ate and iVFodern Camnaking Technolop,y. Pergamon, 1985. Pearce, H.., Sheet !v!etol Furm.inf?. Chapman & n.:liL i997. Srnitb, D., Dú: Design flándbook. {3d ed. l. Soci~:y of Engincers, 1990. Fundurnen.tals r~l Prcsswork.ing. So·,:wiy ;;1 ¡mrfacliffii1g Engi11cern, J994. Snchy, f., Handbook ofDie Design. JVkGraw-Hill, ! ':l97. !bol and E'ngincers ffwzdbook (4th cd.), Vo!. 2: Fonning. Socieiy ofM.anufacJn1·fnt.,. Enginecn;, 1984.
16.25 Identifique el material y !as variables Je proceso que influyen sobre la fuerza del punzón en e1 corte, y explique cómo arecta cada una esa rucrza. 16.26 E;..plique por qué la rcstiLución en el doblado depende de! esfuerzo de flu~ncia, el m.ódtdo de elasticidad., el c~.;pcsor de ta !áminn y el radio de dobicz. 16.27 ¿Cuál i?S ia importanda dd tarnaño de los círculos e11 las redes de 1a fig. l G. ! 5? ¿Cuál es la importancia del grosor las líneas?
]6.28 Explique pur qué las pnwha.<.. con copas o depresiones pueden no pronosticar !a forrnabilidad de hojas los ¡:irocesos reales de formado. 16.29 En el libro :-;e afinnó que mientrn.s m;ü.; gruesa c.s la lá1niDa metálica.
la~
metüfü:a:~
en
curvas de la fig. 16. 14b están má.s arriba.
qué cree u.sted que sucede así? 16.30 Identifique los factores que influyen sobre ia fuerza F de embutido profundo eo la fig. 16.3:2b, y explique por qué influyen. 1631 Examine el borde ondulado de la fig. ! 6.35 e identifique la dirección en que se cortó la pieza en bruto de una hoja bminada en frío. 1().32 ¿Por qué los cordones de la fig. 16.36 se colocan en esos lugares en especial?
16.1 ¿En qué difiere el formado de lámina metálica dr:l lamirwdo, forjado y extrusión'! 16.2 ¿Qué causa las rebabas? ¿Cómo se pueden reducir o dimimff?
~6.3
Explique 1a díforencia entre punzonado y preparación de piezas en bruto.
16.4 Haga una lista de las operaciones que se hacen cortando con punzón. ¿Qué aplicaciones tienen esos procesos en la manufactura? 16.5 Describa la diferencia entre dados compuestos. progresivos y de transferencia. 16.6 Describa los distintos métodos con los que se pueden coitar las láminas brutas de una lámina grande. 16.7 Haga una lista de las características importantes de los metales laminados, en operaciones de moldeado (formado) de láminas. Explique por qué son importantes.
16.8 ¿Cuál es la importancia de la anisotropfa? 16.9 Describa las propiedades de los diagramas de límite de fonnado (FLD).
16.33 Describa los factores que influyen sobre el tamaño y la longitucl de los cordones en las operaciones de embutido. ·16.34 Reproduzca el proceso de repujadü martillando láminas de aluminio de espesores diversos, con un martillo de bola. De.sctiba sus observaciones acerca de las curvaturas que se producen. 16.35 Describa las propiedades de las diversas prensas de la fig. 16.47. ¿Cuáles son las aplicaciones carncterísticas de cada una?
16.36 La regla general, para relaciones dimensionales en un buen embutido sin sujetador de pieza en bruto, se expresa con la ecuación (16.13). Explique lo gue sucedería si se rebasara este límite. 16.37 Describa a) las semejanzas y b) las diferencias entre los procesos de deformación volumétrica que se describieron en los capítulos l3 a 15, y los procesos de formado de láminas gue se describieron en este capítulo. 16.38 Examine una perforadora común de oficina y comente la forma de la punta de los punzones; compárela con la de la fig. 16.10. Haga comentarios sobre sus observaciones. 16.39 En la sección 16.2 se describieron las operaciones secundarias que se pueden necesitar para alisar los bordes recortados. Haga una lista de procesos que crea usted son adecuados para esla operación secundaria adicional, y explique
sus características.
i
'tri!
,,,.,.¡;.,,~.""'·"''"•"•··"·~, •. ,
4'.]g
Capíltdll "! 6 / Proc:vsos de formack> de hojo1s o lürnino:is me1álicac;
Síntesis y dlsei'ío il 6.4() En la sección 16.2.1 dijimos qiw os dif'ícil estimar la fuerza ele dcsrnoldco porque intervienen lantos factores. Haga
una list.a de esos foctores, con explicaciones hrcvcs de cómo llfoct.arían la fuerza de dcsmoldi..;o.
¡,Es por posible l6AR que qué. que el cliagrnnw de límite de f·(>rn1ado, en ia f'ig. 16 14b, tenga nna deformación mayor negativa'' Expli16.42 Examine la fig. i 6. l 4b y explique con claridad si en una operación de formado de hímina le gustaría desamillar un eslado Lle esfuerzo CJL!e guedc a la izquienJa u a la derecha del diagrama de límite Je formado.
líi.43 ¿Es posible. que haya planchado en una operación ordinaria de embutido profundo? ¿Cuül es el factor más impona111e?
4~~9
16.63 ¿Por qué la fllerz;:i de doblado Pes proporcional al cuadrado del espesor de ]a lámina. corno se vio en la sección 16.5.4" 16.64 En la fig. 16. l .:k1, mida las áreas respectivas de ]os contornos .sólidos, compárelas con !as áreas de lo::; círculos originales y calcule los espesores finak:s de las láminas, suponien
Observe Ja rugosidad de la periferia del orificio con brida de la lig. J6.25c, y comente sobre sus posibles electos cuando se u~c esa pieza en un producto.
]6.66 Trace la gráfica de la ecuación (í 6.6) en términos ele E, el módulo de elasticidad, y de Y, eJ esfuerzo de fluencia, y describa sus observaciones.
J6.45 plique ¿ Quci recomen
16.67 ¿Cuál es el radio mínimo de doblez para un metal laminado de 2 mm de espesor, con una reducción de área de 30% en tensión? ¿Afecta el :ingulo de doblado a su resultado? Explique por qué.
Como se puede ver. Jos ejes del Jiagrama de límite de formado son de deformaciones ingenieriles. expresadas en porcentaje. Describa ws ideas acerca de si el uso deformaciones reales. como en la ecuación (2.7). tendría alguna \'entaja importante.
16.68 Cuando se somete emhuticlo prnfundo una !árnina redonda, se ve que no presenta borde ondulado alguno. Sus v;:ilores de R en direccíones de: Oº y 90º respecto a la laminación son l.4 y 1.8, respectivamente ¿Cuál es el valor de R en dirccclón a 45º?
1ii.47 Se ha afirmado que la facilidad de emhrnido para un material es mayor en el proceso de liiclro/'ormaclo ljlJc en "1 c:nbmido profundo. Explique por qué.
16.{~9
Examine las publicaciones técnicas y explique el mecanismo mediante el cual se efectúa ia restitución negativa en ~1 doblado. Explique por qué no sucede la restitución negativa en el doblado en aire.
Describa varios ejemplos cspeci'ficos, lontados de es!e capúulo, en los que es deseable la fricción, y varios donde no es deseable.
16.70 Con los datos de ta labia 16.3, y usando la ecuación (16.5). calcule la reducción de área en tensión, para los materiales y condiciones de la Labia.
l 6.49 Como puede usted obscm1r, las opcrncionc'5 que se describieron en esr.e capítulo producen bastante desperdicio. Dcscr!hn su tmrn. tño, íorma y contaminación por ios fluidos para !rnbajo de mefaics.
16.71 Torne una !ata de aiuminio para gaseosa y córtela a la milad
En b fabricoación de carrocerías ele automóvil, a partir de i<Írnina de acero al carbono, Sé obscrvm1 deformaciones del cxknsor (o bandas de Liider) y alccr.an c'n forma adversa al acabado superiícial. ,:,Cómo se pueden eliminar? Udl Se lleva u11 rollo de lámina metálica a un horno, y se recoce para mejorar su ducLiiidad. Sin embargo. se ve que la 16min;i tiene menor lírni!e de embulido que antes del recocido. Exp!iquc por qué ha sucedido cslc electo.
16.72 ¿Cuál ef) ln fuerza qoc: .se requiere para pierfnrar un odficio cuadrado de J 00 mm por lado, en una lámim1 de <:1!ur.ninio 5052-0 de l rnm de espL:sor, con punzones planos? ¿Cu{tl podría ser su respuesta si se usaran punzones biselados·:
,: Qué J¡¡ fricción en un diagrnm;i de llrnitc de formado'' ¡,Por qué se ,,uelcn '-"'" lubricalllcs en ci formodo ck~ efecto híminatiene mclálica'!
i.li.53 Si se camiJ.ia la sujeción, una operación de fórrnado de mclal laminado puede pcnnitir que el m:llerial s11ín1 una deforn1c1ción negatíva menor. Explique por qué puede ser una venl.aj,l este efecto. ']lW t'.l lérmino SMED (cambio de dado en u11 mi111.r:o. si11g/e .. minllfr: cxclumgc ofdics) sea inmncctn? Jcx . pliqui.::: 11stcd pnr C]u(<.
16.73 Examt:ie algunos productos en su hogar, hechos de metal larninado, y describa e! proceso, o la combinación de pro· cesos. con lo."> que cree usted
f<:ibric.aron.
16.74· Considere que :se van a cortar varias formas (ovaladas, triangulares, en forma de. L elccitern) de una lárniaa grande. con láser, y haga w1 esqucrna de distribución que rninimlce la generación de recortes (véase la sección ·16.2.2).
16.75 Describa varias aplic;:iciones del lroquelado y lct costura en fahricación de producLos. 16.76 Muchos compt)Dcntes Je mislles se Cabrican por rechazado ¿Qué otros métodos podrfo usar usted, si no exislicnrn J.o:> procesos de rechazado? Calcule 9(Y:.
p:ir:.a un metal donde los valores de!/ son 0.0. 1.6 y l .7.5, para !as direccione,, rcspccfr,;,,.. ,¡,, i.;s la relacíón limite de cmbtHido para este rnalcrial?
y
165;, Cakulc el valor de l!.R para el casn de Ja pregunta i 6..55. ¿Se fonnarrín ondulaciones cu:uido 1:Stc material se someta a embutido profundo'! Explique por qué.
16.5'7 Calcule !a relación límite de embutido (LDR) para los materiales de Ja labia 16.4. Ui.SH Dcrnucstre la ecuación (J 6.4). 16.59 Se ha afirmado, acerco de la ecuación (16.4), que en el doblez. los valores de la deformación real e en Jas fibras externas (en tensión) son mayores que los de las fibras internas (en compresión), y gue la razón es que el eje neutro se desplaza durante el doblado. Explique este fenómeno, con un esquema adecuado. 16.60 Con la ecuación (l 6.14) y el valor de K para el TNT, trace la gráfica de la presión en función del peso (HI) y R, respectivamente. Describa sus observaciones. 16.61 En la sección 16.5 se afirma que los valores de k en la holgura del doblado dependen de las magnitudes relativas de R y T. Explique porgué existe esta relación.
16.62 En el formado por explosión, calcule la presión máxima en el agua cuando se w,a 0.3 lb de TNT a una separación de 3 pies. Diga si la magnitud de esta presión es lo bastante alta como para amoldar metales laminados.
~:Ei:61m_±Hº''JJ1 -~
,,._,.,,.,.,,,,;,,.,,e,,,.""~~-~."··
16.77 Describa varias aplicaciones estruc!urales en las que .se usen en conjunto la liga o enlace por difusión y el fonnado superplástico.
16.78 Revise las piezas de lámina de un automóvil y Uescriba cuáles procesos (o combinaciones de procesos) cree usted se usaron para fabricarlas. Comente las razones por las que hubo que usar más de un proceso.
16.79 tiaga una lista de varias piezas que se puedan fabricar con dados compuestos. y varias que se puedan obtener con dad.os cll! transferencia. 16.80 Se ha sugerido. con base en experimentos, que el concreto sirnpie o reforzado puede ser un material adecuado para dados en las operaciones de formado de metales. Describa sus ideas acerca de esta sugerencia, teniendo en cuenta la geometría de los dados y cualquier otro facmr que pueda ser importante.
16.81 Las latas metálicas pueden ser de dos piezas (cuando el fondo y los lados son integrales) o de tres piezas (cuando el fondo, los lados y la tapa son piezas distintas). Para una lata de tres piezas, la costura a) ¿debe estar en la dirección de laminado? b) debe ser normal a la dirección de laminado? oc) ¿debe ser oblicua a la dirección de laminado? Demueslre su respuesta. con ecuaciones de mecánica del estado sólido.
16.82 Examine unos platillos (para batería musical y describa los procesos de manufactura para fabricarlos. 16.83 Investigue métodos para determinar las formas óptimas de láminas en bruto para operaciones de embutido profundo. Trace un esquema de las formas óptimas para tazas rectangulares y optimice su distribución en una lámina metálica grande,
Sección 17. ! /Introducción
17
TAl!lA 17.1
-----
Procesamie to de metales en polvo, cerámicos, vidrio superconductores 17_-1
Introducción
17.2
Producción de metales en polvo Compactación de polvos metálicos Sinterizado
17.3 17.4
1
·¡ 7_5
Operaciones secundarias y de acah
17.6 "17.7
Consideraciones de diseño en Posibilidades del proceso
·¡ 7_3 17.9
Economía de la metalurgia do polvos Moldeado de cerámicos
17.1 O f 7.11
Técnicas para reforzar y trat;1r ei vidrio
17 ·12 i 7.1.3
Procesamiento de superconcluctore:,
441
Aplicaciones características de los metales en polvo
Aplicación
Metales
Abrasivos Aeroespacial Automotriz Eléctrica/clectr6nica Tratamiento t0rmico
,..,, Fe, Sn, .wu AL Be, Nb Cu, Fe, W
Pegado Lubricación
Cu, Fe, Sn Cu, Fe, Zn Co, Fe, Ni
Magnética Manufacturem Médica/dental Mctalúrgic<:J. Nuclear de oficina
Ag,Au, Mo
Mo.Pt,W
Cu.Mn.W Ag.Au,W
Al.Ce. Si Bc.Ni,W
Al, Fe, Ti
Usos Limpieza. muelas abrasivas Motores de reacción, pantallas térmicas Insertos de válvula, bujes, engranajes Contactos. radiadores de diodos Elementos de horno, termopares Soldaduras, electrodos Grasas. sellos gastables Rclevadores, imanes Troqueles, herramientas, cojinetes [ruplanles, arnalgamas Recuperación y aleacíón de metales Pantallas. filtros. reflectores Copiadoras electrostáticas. levas
Fuente: R. ::vJ. Gc.rman.
l10y forman el 70% del mercado de la metalurgia de polvos), como anillos de pistón, guías de válvulas, bielas y pistones hidráulicos. Un automóvil común contiene hoy, en promedio, l J kg (25 .lb) ele partes metálicas de precisión fabricada:; por metalurgia de polvos, y se estima que la canticlacl aumentará en breve hasta 22 kg (50 lb). Los metales que más se usan en metalurgia de polvos son hierro, cobre, aluminio, estaño, níquel, titanio y los metales refractarios. Para piezas ele latón, bronce, aceros y aceros inoxidables se usan polvos prea/¡¿ados, donde cada partícula del polvo es en sí una aleación. La metalurgia de polvos se ha vuelto competitiva con procesos como fundición, forjado y maquinado, en especial para piezas relativamente complejas hechas de aleaciones de alta resistencia y duras. Casi todas las piezas pesan menos de 2.5 kg (5 lb), aunque pueden llegar hasta los 50 kg (l 00 lb). Actualmente, el avance de la tecnología permite fabricar partes estructurales de aviones, como por ejemplo trenes de aterrizaje, soportes de moiores, rodetes de motores y compartimientos de motores. por medio de la metalurgia de polvos.
de polvos
Moldeado y formado de vidrio
de disef1o para cer<1micos y vidrios
(a)
(e)
17.I
En los procesos de manufactura que describimos en los capítulos anteriores, las materias primas ruc-ron metales y aleaciones, en estado fundido o en estado sólido. Este capítulo describe los procesos para fabricar partes a partir de metales en polvo, cer;ímico, vidrio y superconductores. Primero veremos cómo se fabrican las partes metálicas compactando polvos metálicos íinos en matrices adecuadas, y sinterizándo!os, esto es, calentándolos sin fundirlos. Este proceso, llamado metalurgia de polvos, lo usaron por primera vez los egipcios, en 3000 años a. C., para fabricar heJTamientas de hierro. Una de las primeras aplicaciones modernas fue a principios del siglo XX, para fabricar los füamentos de tungsteno para lámparas incandescentes (véase la sección 2.2, en la In·troducción general)_ La disponibilidad de una gran variedad de formulaciones en polvo, la posibilidad de producir partes con sus dimensiones finales (a forma neta) y la economía de la operación en general hacen atractivo este proceso para muchas aplicaciones (tabla 17.1)_
(b)
Los productos que se suelen fabricar con técnicas de metalurgia de polvos (figs. 17. la, by c) van desde esferas diminutas para bolígrafos, engranajes, levas y bujes, productos porosos, como por ejemplo filtros y cojinetes impregnados de aceite, hasta una diversidad de partes de automotores (que
440
·~--~--=
,;;¡¡¡~;~i'.úi;";_,,'
FIGURA 17.1 (a) Ejemplos de piezas fabricadas con procesos de metalurgia de polvos. (b) Palanca superior de apagado para un rociador comercial de riego, fabricada con metalurgia de polvos. Esta parte es ele latón sin plomo, y reemplaza una pieza fundida por inyección en matriz. Fuente: Reproducida con autorización de Success storíes on P/M parts, 1998. Metal Powder Industries Federation, Princeton, New Jersey, 1998. (c) Tapas de cojinete principal, para motores de automóvil ele 3.8 y 3.1 litros, de GM, fabricadas con metalurgia de polvos. Fuente: cortesía de Zenith Sintered Products, lnc., Milwaukee, Wisconsin.
C·1pftulo 17 / PrncP.s
y sup(.::rconductores
Sección l 7 .2 /Producción de metales en polvo
En el capítulo 8 se describieron las propiedades y aplicaciones importantes de los cerámicos y los vidrios. En este capítulo describiremos las técnicas empleadas en su procesamiento para obtener productos útiles. En general, los cerámicos se procesan mediante las siguientes etapas: quebrado o molido de la materia prima para reducirla a panículas muy pegueiias; mezcla con distintos aditivos para impartirles ciertas características, y a continuación moldeo, secado y cocción del malerial. Pueden pasar por procesos adicionales para mejorar el conl.ro! de sus dimensiones y su acabado superficial.
Unidimensional Acicular (d~~.;c~)mposición qmm1ca)
METALES El\I POLVO
~ ~/
?
Barra iD"cgular (descomposición química,
/
~·
molienda
Bidimensional Hojuela (molienda mcdnic.a)
Dendrítica (electrolítica)
----------
L1 metalurgia de polvos consiste, básicamente, en las siguientes operaciones, mencionadas en su orden (llg. l 7.2): l. J!'rndrn::dón de polvo;
Tridimensional Esférica (atomización, carbonilo (Fe). precipitación de un líquido)
2. "''"'"'"'"°"' 3. 'lA.~m1~a<.:ta<::m1íl; 4. Sfo!cri:rndón:
Redondeada (atomización, descomposición química)
e;;
5. Opey·adones de acabado.
7.2 .1 MMnr1nc r-1'"
Irregular {atomización.
o en aplicaciones cspeciaie:~, :~e pueden !kv.ar ::1 ~·:1bn f01j<..11Jo) rnaquinado, infiJtracjón y re,'linü..~l'iz.aci<)n.
procesos adicio11ales, co1110 acufiado,
de polvos
partícalas dependen del proceso que se use en especial (fi¡;s. 17.3 y 17.4). Estas carncteJística,, :-101;
Carbonilos Trituración A.!eación mecánica
metálicos
Lamin
Atmósfera
1
1
--L.____,
1'
~s
:111,
L Atomización. La atomización produce una corriente de metal líquido inyectando un metal fundido un orificio pequefio (fig. l 7 .5a). La corrieme se desintegra con chorros ele gas inerte, aire o agua. El mm año de las partículas que se forman depende de la temperatura del metal, el caudal, el tamaño ia boquilla y las características de los chorros. En una variante de este método se hace girar un electrodo consumible, rápidamente, en una cámara llena de helio (llg. 17 .Sb ). La fuerza centiifoga desintegra punta fondida del electrodo y forma partículas metálicas.
Prensado Prensado isost<ític( 1
Reducción Deposición elt::cLroJítica
{5
:{3-f , L o
:pactacJóll
".'.'._frío
lubrican ces
FIGURA 17.4 (a) Fotografía en microscopio electrónico de barrido de partículas de polvo de hierro obtenidas por atomización. (b) Superaleación a base de níquel (Udimet 700); partículas de polvo preparadas por el proceso de electrodo rotatorio, véase la fig. 17.Sb. Fuente: cortesía de P. G.Nash, lllinois lnstitute of Technology, Chicago.
dl vacío
e
:
1
11 Smtc, ¡zado
l
.::.:.__j
Operaciones secundarías
1
Aditivos
¡
y de acabado
__J
/ Compactac10n
en caliente Acuñado
Prensado isostático
QO o
portantes, porque afectan mucho el flujo y ia permeabilidad durante la compactación, y las operaciones siguien· tes de sinterizaclón.
Esquema de los procesos y operaciones para fabricar productos mediante metalurg;,, d,., polvrb.
A.tomí1.ación
f\ngular (desintegración mec
HGURA 17.3 formas de las pa1·tículas de polvos metálicos, y procesos para producirlas. Los polvos de hierro se producen mediant<-' muchos de estos procesos.
La fonna, tamai'ío, distribución, porosidad, pureza qufmica y bs caracteríslicas a g,·,mcl y superi'ic1Jlt:,,
1
Porosa (reducción
de óxidos)
Hay varios métodos para producir metales en polvo, y en la mayor, parte de los casos los polvos mctülicos se pueden producir con más de un método, La elección depende de los requisitos del producto final. Los 1.amaifos de partícula van de O. J ¡1m a 1000 p.m (4 ppulg a 0.04 pulg). Las materias primas metálicas sr!ciert mctaie:~ y aleacione;..; a granel, mena.:;., sales u oí.ros compuestos.
HGURA ·¡ 7.2
fft9v
mecánica)
Los productos de vidrio se fabrican fundiéndolos y moldeándolos con moldes, máquinas y diversos dispositivos, o soplándolos. Entre las formas que se producen están el vidrio plano, hs v
·¡ 7.2
443
Forjado Maquinado Tratamiento térmico Impregnación Infiltración
Deposición
(al
(b)
444
C1pílulc~
17 /
Procc~s;1111icnto de rnet;:ile:; en polvo, C~'t;irnrcos,
vidrio y superconductmcs Sección ·17.2 /Producción de metales en polvo
(")
445
(b)
8. N:mopolvos. Entre los nuevos desarrollos está la producción de nanopoivos de cobre, aluminio, hierro, titanio y otros metales (véase también nanomateriales en !a sección 6. 15, y cerámicos y compuestos nanojlise en la sección 8.2.5). Corno estos polvos son pirofóricos (se encienden espontáneamente) o se contaminan con facilidad al exponerlos al aire, se embarcan en forma de !ocios espesos bajo hexano gaseoso (que en sí es muy volátil y combustible).
Mt.:tal Gas inerte
de ;1lnmi%aci6n
Vacío
Parrbibs rnetúlicw,
Salida a J'l;c(lleci:cr)n
fiGURA 17..5 Métodos de producción de rnetales en polvo por atomización: (a) J.torniz()ción de funrlido, (b) dlomización con un eleclroclo giratorio consumible.
2. Recl:ucdón. La reducción de óxidos metálicos (eliminación ele oxígeno) requiere gases como no o monóxido ele carbono, como agen1es recluctonos. Con este método los óxidos meWlicos muy finos se reducen y pasan al estado metálico. Los poi vos producidos por este método son esponjosos y porosos, y tienen formas esféricas o angulares, de tamaño uniforme.
Deposidón deciffoiílica. En este método se usnn soluciones acuosas o •wles fundidas. Los metctle.<, pro ducido~; son de Jo n1ás puro que se puede conseguir. Cm·bminos. Los carbrmilos metálicos, corno el carboniio de hierro u·•e(CU) ) y el ele níquel 5
se forman haciend() reaccionar hierro o níquel con rnonóxiclo de carbono. Los produccos de re¡¡cción se a continuación para obtener hie1To y níquel, en forma de partículas pequeñas, densas)· uniformemente esféricas, de gran pureza. 5. JP'nlveriz:id6n. La pulverización mecánica implica Ja fragmentacicín ([ig. l 7.6), molido en mnlino de bolas, o esmerilad
mecánica. En este proceso, desarrollado en la década cíe 1960, se me:
'/. O!nJs m{,fodos. Otros métodos que se usan con menos freCLtencia son a) precipitación de una solución química, b) producción de esquirlao, metülicas finas por maq11illa
(b)
(e)
FIGURA 17.6 Métodos de desintegración mecánica para obtener partículas finas: (a) trituración en rodillos, (b) molino de bolas y (e) molino de martillos.
~~--""~~··~·-· -~~·~~··
Cuando e! material se somete a gran deformación plástica por compresión y corte, a valores de esfuerzo de 5500 MPA (800 ksi) durante el procesamiento de los polvos. el tamaño de partícula se reduce y el material se vuelve no poroso, y sus propiedades son más favorables.
9. Polvos mkrnencapsulados. Estos polvos metálicos están totalmente recubiertos con un aglomerante. Para aplicaciones eléctricas como fabricación de componentes magnéticas ele bobinas de ignición y otras donde 'e usan impulsos de ca y cd, el aglomerante funciona como aislador, evitando que la electricidad pase entre las partículas, reduciendo así las pérdidas por C011'ientes parásitas. Los polvos se compactan con prensado en libio; se usan con e! aglomerante en su lugar (véase también Moldeo de metales por inyección, en la sección 17.3.3).
17.2.2
y forma de las partículas El rcmuufo de parrícula se suele medir crihando, esto es, pasando el polvo metálico a través de cribas ele distintos tamaños de malla. El análisis de rnall.as se hace con una pila vertical ele cribas, reduciéndose el lamafío de malla a rnedicla que el polvo va hacia abajo por la pila. Mientras mayor es el tamaño de malla. la abertura en la criba es menor. Por ejemplo, un tamaño de malla de 30 tiene abertura de 600 µ.m; el tamaño l 00 tiene l 50 ~tm y el 400 tiene 38 fWL Este método se parece a b numeración ele Jos granos abrasivos: mientras rna. yor es el número. ei tamaño de la partícula abmsiva es menor, véase la sección 25.2. Además del análisis de mallas también hay otros métodos para analizar el tamaño de partícula: a. sedñn:'lteirntadón, que i1npiica incdir Ia rapidez con que se asientan las partículas en un fluido,
rn11k11oscopia, que puede implicar el uso de 1nicroscopfa electrónica de barrido; e dispernión de !m: de un láser que ilumina una muestra de partículas suspendidas en un medio líqL1ido. Las partículas hacen dispersar la luz: a continuación un detector digitaliza las señales y calcula la clistrihucjón de tarnaños de partícula: <].
métodos ópticos, como ei bloqueo de un rayo por las partículas, que se detecta con una fotocelda;
e. sus¡iensfon de partículas en un líquido, y a continuación detectar la distribución ck tamaños de partícula mediante sensores eléctricos. La distribución de tamai'íos de partículas es una variable importante, porque afecta !as caracteiisticas del polvo. Esta distribución se expresa en una gráfica de distribución de frecuencias (véanse Jos detalles en la sección 36.5). Al máximo se le llama tarnal!o de la moda. La forma de la partícula tiene gran influencia sobre las características del procesamiento. Se suele describir en función de la relación ele aspecto o ele! factor de forma. La relación de aspecto es el. cociente ele la dimensión máxima a la mínima de la partícula. Esta relación va desde !a unidad (para una partícula esférica) hasta 10, más o menos, para partículas en forma ele hoj.uela o aciculares (en forma ele aguja). El factor de forma, o índice de forma, es una medida de la relación del área de la superficie de la par tícula entre su volumen. normalizada respecto a una partícula esférica de volumen igual. Así, por ejemplo, el factor de forma de una hojuela es mayor que el de una esfera.
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1
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446 Cdp!!ulo 17 (")
! Procesamiento de
rn0tdles en rolvo, ccrdrnicos, vidrio y supernmduclores
1 :I
(b)
(e)
tt
1
(d)
Algunas formas comuné•s de equípo 5 para mezclar polvos: ia) cílínd1 ica, (b) cubo giratorio, (cJ doble cono y (d) cilíndros gemelos. Fuente:
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f.\.•
reimpreso con autorización de R.M.Germa1\ Powder metal!urgy science. Prince!on, l\IJ; lvletaJ Povvdr-;r lndustríes Federation, 1984.
I: lJ 1 .
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17.2.3 Mezclado de polvos metálicos
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1
El mezclado de polvos es el segundo paso en la metalurgia ele polvos. Se lleva a cabo con los siguienles objetivos:
f
(
Como los polvos fabricados por diversos procesos tienen distintos lamafios y formas, se deben mc,:clar para obtener uniformidad. La mezcla ideal es aquella en la que todas las partículas de cada material se dislribuyen uniformemente.
Pllnzón
u
Form;_i ~1 ~tada
(verde)
Expulsor
(b)
Punzón superior
. Malnz
~\
·····t::"j
~
~ ~
447
(a)
1
FIGURA 17.7
;i.
Sección 17.3 /Compactación de polvos metálicos
Engranaje recto (verde) con metalurgia de polvos
Varilla del núdco
Punzón inferior----·
~
b. Se pueden mezclar polvos de distintos metales y otros materiales, para impartir propiedades y caraclcríslicas físicas y mecánicas especiales al producto.
r
~
1t
eo Se pueden mezcbr lubricantes con los polvos, para mejorar sus características ele flujo. Se obtiene vna menor fricción entre las pariícula.s metálicas, mejor flujo de los metales en polvo hacia los moldes, y ma-
l
yor vicia de ias matrices. Los lubricantes que se usan con frecuencia son ácido esteárico o estearnto de
zinc) en la proporción de 0.25 a 5%, en peso.
firGURA 17.íl (a) Compactación de un polvo m
k
1 El mezclado ele los poivos :;e debe hacer b;ijo condiciones controlada>, para evitar contarninw:íones o deierioro. EJ del;érioro se debe a mezclado excesivo, que puede modificar fa forma de las partíc11ias y ep
·-------¡
-------------
COMPACTACIÓN DE POLVOS METÁLICOS
La compactación es el paso en el que los polvos mezclados se prensan en matrices, o moldes para obtener las formas (figs. 17.8a y b). Las prensas que se usan son de acción hidráulica o neumátíca. Los objetivos ele la compactación son obtener la forma, densidad y colllacto entre partículas necesarios para que la parte tenga la resistencia suficiente y se pueda seguir procesando.
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• 1
El polvo prensado se llama cump;imido crmfo o er1 verde. El polvo debe fluir con facitldad para llenar bien la cavidad del molde. Eí prensado se suel.e hacer a temperatura ambiente, aunque también se puede hacer a alta~; temperaturas. La densidad del comprimido crudó depende de la presión aplicada (fig. 17.9a). Al aumentar la prcsió
.....448 .1pilulo i 7 i P1oce::aniie11to ele mctab 1:11 polvo, ccr;imims, vidrio y :;upc1conductorcs
Secci(H1 17.3 /Compactación de polvos metálicos
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DeusJ(iad del hierro
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Polvo
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Aluminio Latón Bronce
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1
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Dcnsirlad sinterizada (glcm ) 3
(a) Densidad de comprimidos
cch1c. L',Cs, por sus siglas en inglés y significa norma intcrn.1cional de cobre 1·ccociclo, par0 conductividad elécll 1ca.
FIGURA 17. 10 Variilción de densidad al compactar polvos metálicos en clivers,is 1nat1icc's: (a) y (e) pre11s,J ck acción sencilla; th) \'id) pre11sa de doble acción. Nótese ia mayor uni!onnidad en idJ, la densidad, por prensa¡ con dos punzones con movimientos separados, en comparación de (c:J. (E•) Curvas de Pff'>ión
igual al compaclar polvo ele col.ne"'" •ma prensil de acción sr-mcilh. Fuente: P. Duwez y í. Zweil. (bt
(e)
(d)
¡----ro ¡-----
L
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(MPa) 70-275 400--700 200-275 350-800 70-140 70--140 ------------
Bíerro
Tántn.lo Tpngsteno
Otros materiales
Carburo:-. cementados
J 10-140 1'10-165 140--400
Fcrriws
1]()-165
Óxido de aluminill
Carb6n
FIGURA 17.11 Una prensa mecánica de 7.3 MI-< (825 ton) para compactar polvo metálico. Fuenrc: cortesía de Cincinnal i
lncmporated.
de polvo de cobre y de hie1·ro, en runción de la presión de compactación.
Ld densidad influye mucho sobre las propiedades mecánicas y físicas de las piezas fab1·icadas por me1alurgía de polvos. l'ucnte: F. V Lc11cl, Powder rneta!h11gy: principies Princelon, NJ; Metal l'owder l11dusu ies Fecle1·a1io11, 7'180. (b,i Efecto de la clensicfad sobre la resislencb a la tensión, alargamiento y conductividad dé('(1·ic;1 del polvo de
(11)
Presión
Metal
~() ~'",~ ¡ -5
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'...L....___L.__,____ ,,
8.0
Presiones de diversos polvos metálicos
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449
compactación para
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F!GU~/\ 17.9
TABLA 17.2
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lh/puLi' 0.10 0.:1 1
La presión necesaria para prensar metales en polvo va de 70 MPa ( 1O ksi) para el aluminio, hasta 800 MPa (120 ksi) para partes de hierro de alta densidad (tabla 17.2). La presión de compactación necesaria depende de las características y la forma de las partículas, del método de mezclado y del lubricante. Las capacidades de las prensas son de 1.9 a 2.7 MN (200 a 300 toneladas), aunque se usan prensas de capacidades mucho mayores en aplicaciones especiales. En la mayor parte de las aplicaciones se requieren menos de 100 toneladas. Para fuerzas pequeñas se usan prensas mecánicas, de manivela o excénirica; para capacidades mayores se usan prensas de rótula o de palanca (véase la fig. 14.21). Las prensas hidráulicas (fig. l 7.11) con capacidades hasta de 45 MN (5000 loneladas) se pueden usar para pa1·tes grandes. La selección de la prensa depende del tamm'ío y la configuración de la pieza. de la densidad requerida y de la tasa de producción. Sin embargo, si aumenta la rapidez ele prensado, arnnenlará la tendencia de la prensa a aprisionar aire en 1a cavidad de la mntriz, evitando una compactación correcta.
(e)
@IJ
17,3 .2 Prensado isostático
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17.3.1
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D/2
También se puede hacer o mejorar la compactación con procesos adicionales. como por ejemplo, prensado isostático, laminado y forjado. Como la densidad de los polvos compactados puede variar bastm1te, los comprimidos crudos se pueden someter a la presión isostática para lograr una mejor compactación. En el prensado isostático en frio (PU'), el polvo metálico se pone en un molde flexible de hule de neopreno, uremno, policloruro de vinilo u otro elastómero (fig. 17.12). A continuación se presiona hidrostáticamente el conjunto en una cámara, por lo general con agua. La presión más frecuente es 400 MPa (60 ksi), aunque se pueden usar presiones hasta de 1000 MPa ( l 50 ksi). Las aplicaciones del PIF y otros métodos de compactación, en función del tamaño y la complejidad de las pattes, se ven en la fig. 17.13. Una aplicación característica es la fabricación de camisas de cilindro automotrices. En el prensado isostático en caliente (PIC) el recipiente se hace de metal laminado de alto punto de fusión, y el medio de presión es un gas inerte o un fluido vítreo (fig. 17.14). Las condiciones normales de un PIC son 100 MPa (15 ksi) a l lOOºC (2000ºF), aunque la tendencia es hacia mayores presiones y temperaturas. La ventaja principal del PIC es su capacidad de producir comprimidos que casi tienen el 100% de la densidad, buena liga metalúrgica entre las partículas y buenas propiedades mecánicas.
45(b
CJpítulo i 7 / P1·ocesamiento de meta.les en polvo, cerámicos, vidrio y
superconductore~; Sección ·17 .3 /Compactación de polvos metálicos
451
El proceso de prensado isostático en caliente se usa principalmente para fabricar componentes de superaleaciones para las industrias aeronáutica y aeroespacial, así como en aplicaciones militares, médicas y químicas. Con este proceso también se cierra la porosidad interna y se mejoran las propiedades en coladas de superaleaciones y de aleaciones de titanio para la industria aeroespacial. También se usa en forma rutinaria como paso de densificación final para buriles de carburo de tungsteno y con aceros para herramientas hechos con metalurgia de polvos. Las ventajas principales del prensado isostático son: FIGURA li.12 Esquema del prensado isostcítico en !río, aplicado en el formado de un tubo. El polvo se encierra en un recipiente flexible en torno a una varilla maciza. La presión se aplica isostáticamente al conjunto, dentro de una cámara de alta presión. Fuente: reimpreso con autorización de R.M.Cerman, Powder meta/lurgy science. Princeton, NJ; Metal Powder Industries Fecleration, 1984.
a. Por la uniformidad de la presión en todas direcciones y la ausencia de fricción con la pared del molde, produce compactados con densidad total, de estructura granular y densidad prácticamente uniformes (y en consecuencia, tienen propiedades isotrópicas), independientemente de la forma. Se han producido piezas con grandes relaciones de longitud a diámetro con densidad, resistencia y tenacidad muy uniformes, así como con buen detalle superficial. b. Es capaz de manejar piezas mucho mayores que los demás métodos ele compactación .
.. 30
Las limitaciones son:
0.6
a. Hay tolerancias dimensionales mayores que las obtenidas con otros procesos ele compactación. h. El costo y el tiempo son mayores que los que requieren los demás procesos.
1 20
.5 o
c. Sólo se aplican a producciones relativamente pequeñas. por ejemplo, ele menos de 10,000 piezas al añc1.
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1
¡:..-;,
17.3.3 Otros procesos de compactación y moldeo
-· 10
Moldeo por inyccció11 de metales --·--'-·-~·--'-·---
flGUR.A 17.13 ()
Complejidad cclativa Je la forn:1a
flGURA
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Esquema de!
pre11s~1do
Posibilidades, con respecto a iama11o y
complejidad de forma de partfcu/a 1 disponibies de vru·i,::1:-i
oper;¡ciones de metviurgia de polvos (P/1'v1). forja ele polvo.s se representa c.on P/F. Fuente: Metal Powder industries federation.
isostálicJ en ca!ien!e. La variación de presión y temperatura en
función del tiempo se ven en el diagrama. Fuente: reimpreso con autorizélción de rnef<.1/lurgy science. P1·inceton 1 1\Jj; J\k·ru/ Povvder induslries Federation, ·¡ 9B4:
(aJ
(b)
(e)
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\7 )[
(fil Llenado do la lata
11
11
Calentamiento a! vacío
a. Se pueden m0ldear formas complejas, con espesores de pared hasta de 5 mm (0.2 pulg). y después se desprenden con facilidad de las matrices.
Bobinas de calent<.nnieoto
-y-
~/ Prensado isostático en caliente
r~.M. Cerman, Powd,.,r
Moldeo de metales por inyección (MlM). En este proceso. llamado también moldeo por inyecci(;i, se mezclan polvos metálicos muy finos(< 10 ¡;.m) con un polímero, o bien, con un aglomerante a base de ce·· ra. A continúación Ja mezcla entra a un proceso parecido al de fundición por inyección (véase la sección l l. i 2; también véase el moldeo por inyección en la sección ! 8.3). Los compactados verdes se colocan en un borno de b<~a temperatura para quemar el plástico. o bien, el aglomerante se elimina por extracción con soíven
T
Presión
b. Las propiedades mecánicas son casi iguales a las de los productos forjados. c. Las tolerancias dimensionales son buenas. d. Se pueden alcanzar grandes tasas de producción usando matrices de huecos múltiples. Tiempo
(dj
"'----Pieza
Quitar la lata
Las piezas producidas con el proceso MIM compiten bien con las piezas fundidas por revestimiento (sección J 1.7), con forjas pequeñas (capítulo 14) y con piezas maquinadas complejas (capítulos 22 y 23). Sin embargo, el proceso MIM no es rival de la fundición por inyección de zinc y aluminio (sección 11.12) ni con el maquinado de roscas (sección 22.5). La principal limítante de este proceso, debido al alto costo de los polvos metálicos finos que se requieren, es que sus piezas deben ser relativamente pequeñas y normalmente limitadas a unos 250 g (0.55 lb).
452 C:ip11ulo 1 /
í Pi-ocesdmienlo ck~
mc!tde:J en polvo,
u.~r,ímico~;,
vid1 io y
SUfJ('Wond1.1cl(X0~ Sección 17.4 /Sinterizado
453
Poivo
17.3.4 Materiales de punzones y matrices La selección de rnater[ales de punzón y de matriz para la melalurg[a de polvos depende de Ja abrasividad dd polvo metálico y de la cantidad ele partes que se van a producir. Los metales más comunes en los dados son los aceros de heinmienta templables en aire o en aceite, como el D2 o el .03, con durezas de 60 a 64 HRC (tabla 5.7). Por su mayor dureza y resistencia al desgaste, se usan matrices de carburo de tungsteno para aplicaciones más severas. Los punzones se suelen fabricar con materiales pareódos. Es esencial el control estrecho ele las dimensiones del punzón y la matriz para tener una buena compactación junto con una buena vida de la rnalriz. Si hay demasiada holgura entre el punzón y la matriz, el polvo metálico entrará al hueco e interferirá con la operación y causará que las partes sean excéntricas. En general. las holguras en diámetro son menores que 25 ¡.Lrn (0.001 pulg). Se deben !apear o pulir las superficies de Ja matriz y el punzón, y en la dirccciót1 de movimiento de las herramientas, para mejorar su vida y la eficien
flGURA 17.15 Ejemplo de laminado de polvos. Fuenle: Meia/s hanclbook (9a Ed.), Vol. 7. American Society for Metills
cü1 en general.
17.4 SINTERIZADO
!_aminado. En el laminado de polvos. llamado también compactación con rodillos, se alimenta el polvo al hueco entre los dos rodillos de una laminadora (!ig. J 7. l 5; también fig. 13. í I) y es compactado formando una banda continua con velocidad hasta de 0.5 mis ( IOO f)Íes/rnin). El proceso ele laminado se puede hacer a temperatura ambiente o elevada. Con este proceso se fabrjca la liímiua para componentes eléctrico;. dc:ctrónicos, así como la que se usa para el acuñado dt rnonedas.
El sinterizado, o Ja sinteriz.ación. es el proceso de calentar los comprimidos crudos en un horno con atmósfera controlada, hasla una temperatura menor al punto de fusión, pero lo suficientemente alta como para permitir lD adhesión (fusión) de las partículas individuales. Antes de la sinterización el comprimido es frágil y su resisten-· cía, llmnada resistencia en verde, es baja. La naluraleza y la resistencia de Ja unión entre las partículas y, en consecuencia, del compactado sinterizado, dependen de los mecanismos de difusión, flujo plástico. evaporación de malcrialcs volátiles del comprimido, recristalización, crecimiento de granos y contracción de poros. Las variables principales en el s[nterizado son la temperatura, el tiempo y la atmósfera del horno. Las temperaturas de sinterizado (tabla 17.3) suelen ser de 70 a 90% del punto ele fusión del metal o aleación. Los tiempos de sinteriwdo (tabla l 7.3) van de un mínimo de unos 10 minutos, para aleaciones de hierro y cobre, haslo. ele 8 horas, para tungsteno y tántalo. Los hornos de sinterizado continuo, usados hoy para el grueso de Ja producción, tienen tres cán1aras:
!:1drnsión. Los polvos se pueden compactar por extrusión (capíiulo 15); se confinan en un recipiente rneUilico y se cxtrnyen. Después ele sinterizadas, las partes preformadas con metalurgia de polvos se pueden recalentar para estamparlas
!e para mejorar sus propiedades.
Compactación SHn pwesión. En este método. Ja matriz se iiena por gravedad con polvo melálicu, que se sirHeriza clir-cctamcn!e dentro de ella. Por fo baja densidad que se obti<:nc, la compactación sin presión se
us;1 prJn,cipalmenr.e par~1 fabricm· park:s porosas, corno filtros.
L lJoa nírnarn dt quemado para volatilizar los lubricanLcs del comprimido crudo, para mejorar ia res~.s- tencia de adhesión y evitar la rotura.
Mokles de cerámica. Los moldes de cerámica pnra metálicos se fabrican con 1" mi:;ma técnicu de la fondición por revestimiento. Después de fabricado el molde se llena con polvo de m;;t:.11 y se coloca en un recipiente de acero. El espacio entre el molde y el recipiente se rellena con material en partícu· las. A continuación se hace el vacío en el recipiente, se sella y se somete a prensado isostático en caiienl.c. Con esle proceso se han fabri.cado, por ejemplo, rotores ele compresor para motores de mi si les, con aleaciones de titanio.
2, Una cámara de alta temperatura para el si ni erizado.
3. Una cámara de enfriamiento.
TABLA 17.3
De,poskió11 por rociado. La deposición por rociado es un proceso de generación de forma, cuyo ejemplo se ve en !a fig. 13. l.9. Los componentes básicos de este proceso, para polvos metálicos, son a) un atomi·· zador. b) una cámara de aspersión con atmósfera inerte, y e) un molde para producir preformas. El molde puede tener distintas fonnas, como por ejemplo lingote, tubo, disco y cilindro.
Temperatura y tiempo de sinterizado para diversos metales (º C)
Tiempo (min)
760-900 1000-1150 1000-1150 1100-1290 1200-1300
10-45 8-45 30-45 30-60 120-150
1200-1500 1430-1500 2050 2350 2400
10-600 20-30 120 480 480
Temperatura Ma!er[al Cobre, latón y bronce Hierro y hierro-grafito Níquel Aceros inoxidables Aleaciones Alnico (para imanes perrnanentes) Ferritas Carburo ele tungsteno Molibdeno
Aunque hay algunas variantes, el más conocido es el proceso Osprey. Después de atomizado el metal, se deposita sobre un molde enfriado de preforma, que normalmente es de cobre o de cerámica, donde se solidifica. Las partículas metálicas se pegan entre sí y desarrollan una densidad que suele ser mayor que el 99% de la del metal macizo. Las prefonnas de deposición por rociado se pueden pasar a otros procesos de moldeo y consolidación, como fo1jado, laminado y extrusión. El tamaño de grano es fino, y las propiedades mecánicas se comparan con las de los productos forjados hechos de la misma aleación.
Tungsteno Tantalio
•
-" 454
Capítulo 'i 7 /Procesamiento de:_' metales en polvo, cer
455
Sección 17.4 /Sinterizado
Para obtener !as propiedades óptimas es importante el buen control de la atmósfera del horno. Es esencial una atmósfera libre de oxígeno, para controlar la cementación y descarburización de los comprimidos de hierro y a base de hierro, y para prevenir la oxidación de los polvos. En general, se usa vacío para sinte1izar aleaciones de metales refractarios y aceros inoxidables. Los gases yue más se usan para sinterizar otros metales son hidrógeno, amoníaco disociado o quemado. hidrocarburos gaseosos parcialmente quemados y nitrógeno. Los mecanismos de sinterización son complejos; dependen de la composición de las partículas metálicas y de los parámetros del procesamiento (fig. 17. l 6). Al aumentar la temperatura, dos partículas adyacentes comienzan a formar una liga por el mecanismo de difusión (adhesión en estado sólido). En consecuencia, au. mentan !a resistencia, ductilidad y las conductividades térmica y eléctrica de! comprimido. Sin embargo, a! mismo tiempo el compactado se contrae, y en consecuencia se deben prever holguras de compactado, como en la fundición de metales.
Otro método, todavía en fase experimental, es el sinterizado con chispa. En él, se ponen polvos metálicos sueltos en un molde de grafito, se calíentan con corriente eléctrica, se someten a una descarga de gran energía y se compactan, todo ello en un paso. La descarga rápida expulsa los contaminantes (o toda capa de óxido, como por ejemplo en el aluminio), de las superficies de las partículas, promoviéndose así una buena liga dLtrante la compactación, a temperaturas elevadas. Propiedades mecánicas. Según la temperatura, el tiempo y la historia de procesamiento, se pueden obtener distintas estructuras y porosidades en un comprimido sinterizado, que permiten modificar sus propiedades. No se puede eliminar por completo la porosidad, porque quedan huecos después de la compactación, y porque durante el sinterizado se desprenden gases. Los poros pueden formar una red de interconexiones, o pueden ser huecos cerrados. En general, sí la densidad del materia! es menor que el 80% de su densidad teórica, los poros están interconectados. La porosidad es una característica importante en la fabricación de filtros y cojinetes por metalurgia de polvos. En la tabla 17.4 se muestran las propiedades mecánicas características de diversas aleaciones sinterizadas con metalurgia de polvos. Obsérvese el efecto que tiene el tratamiento térmico sobre las propiedades de los metales. Para evaluar las diferencias entre las propiedades de lo obtenido con metalurgia de polvos, forj
Un segundo mecanismo de sinterización es el de transporte en fase vapor. Como el material se calien-
ta a lemperaturas cercanas a su punto de fusión, hay átomos metálicos que pasan de las partículas a la fase de vapor. En las geometrías convergentes (es decir, la interfase entre dos partículas), la lemperatura de fusión l0cal es mayor y la fase vapor se vuelve a solidificar. De este modo, la interfase crece y se fortalece, mientras que cada partícula se contrae en su totalidad. Si dos panículas adyacentes son de metales distintos, se puede efectuar la aleación en la interfase entre e!!as dos. Una puede tener un punto de fusión menor que la otra; en ese caso, se podrá fundir una y, por la tensión SL!perficia!, rodeará la que no se ba fundido (sinterización de fase fü¡ui1fa). Un ejemplo es el de] cobalto en las herramientas y matrices de carburo de tungsteno (sección 2J .5). Con este método se pueden obtener partes más resistentes y más densas. En la simerización de fase líquida, !a concentración de los componentes más pesados puede ser mayor en el fondo que en la parte superior, por el efecto de la gravedad. Para obtener una distribución más uniforrne, se hacen en Ja actualidad experimentos en trnnsbordadores espaciales, bajo condiciones de micrngravedad, como las pruebas de fundición de metales que se están haciendo (véase la sección J0.2.3).
TABLA 17.4
Propiedades mecánicas de algunos materiales fabricados con metalurgia de Resistencia ten sil
Designac_1·ó_n_ __ flGLJ¡fA "17. Hi Esquema de dos rnecanrsmos para sinterizar· polvos metálicos: (ai l:r-nnsporlc de material en ad u sólido: íb) transporte de materi;il en estado líquido. R = radio de la partícula, r =radio del cuello y p :":.;radio del perfil del cuci/o.
'~si
Ferrosos FC-0208
Tipo MP!F
Condición
Dureza
Alargamiento en25 mm (%)
AS
225
205 330
HT
295 415 550
AS
550
HT AS
690 425
l-IT
1060
880
AS HT
510
295
1240
1060
45 HRB 95l-IRB 70I-IRB 35HRC 80HRB 40HRC 72HRB 39 HRC SOHRB 44HRC
110 252
48 241
60HRH 75 HRI-l
2
T
165
u w
193 221
76 89 103
55HRH 68HRH 75 HRH
J3 19 23
917
827
-
J3
49HRC
<1
(al (b)
FN-0405 T AlumJnio 601 AB, barra prensada
AS
AS
HT Formación de cuello por transporte de material en fase vapor
(MPa)
Resistencia de cedencia (MPa)
HT
N R
Formación del cuello y difu.sión
n1áxüna
395 655 240
<0.5 <0.5
l <0.5 l.5 <0.5 4.5 1
6 1.5
Módulo de elasticidad (GPa) 70 70
l lO !JO 130 130 145 145 160 160
Lalón
CZP-0220
,'Titanio Disminuyó la distancia entre centros de partícula; las partículas
se ligaron
Partículas ligadas, .sin contracción (distancias
constantes enrrc ceIJtros)
· Ti-6Al-4V
H!P
Superalcacíones
Stel!ite 19
1035
MPIF: Metal Powder Industries Federalion. AS: recién sinterizado, HT: con tratamiento térmico, HIP: prensado isostáticamente en caliente.
456 Capítulo ·¡ 7 / Procc"s,1mien10 de rneLaJcs en polvo, cer;ímico::., vidrio y supcrconductmes
Se::cción 17.S /Operaciones secundarias y de acabado
lABLA 17.5
Comparación de propiedades mecánicas parad Ti-6/\l-4V
·~-------
·-----··--
Densidad
Resistencia ele cedencia
Resistencia última
Alargamient(,
Reducción de 2írca
100 100
840
930
7
15
875
965
98
14
786
40
875
>99
805 880
875 975
Co!aclo Colado y IOr:jado
Mezclado dl'.'niental (P+S) Mezclado demcntul (HIP)
Prcaleado IHfP)
1011
14
9
i4 -----~----~-~---~---------------·~-----pren;.,'ado y .<;interizado, HIP = pn:m:ado isosuítico en caliente.
C"'') P+S
'""-°
17
26
Fuente: R.M. German.
Contracción en el En la liga en c-stado sólido durante d sinterizado de un comprin1ido verde de metal en polvo. b co111ra,:· ción lineal"" Je 4%. Si la dcn:;idad sinterizada que se desea es 95% Je la: teórica del mcuü. ¿cuál deben:; ,..;(!r Ja dt:nsidad del con1prinüdo cruJo? siendo L la
Solución: La ccmtraccilin lincal se define como ir;~cción vo!urné1rica tlun.intc el sint,:riz~do
3. La porosidad inherente a los productos de metalurgia de polvos se puede aprovechar impregnándolos con un fluido. Una aplicación característica es impregnar la parte sinterizada con aceite, por lo general sumergiéndola en aceite caliente. Los cojinetes y los bujes con lubiicación interna, con hasta 30% de aceite en volumen, se fabrican con este método. Estos componentes tienen un suministro continuo de lubricante, por acción capilar, durante sus vidas de servicio. Hoy se hacen uniones universales mediante técnicas de metalurgia de polvos con impregnación de grasas, que ya no requieren graseras.
4. La infiltraci6n es un proceso en el que una masa de metal de menor punto de fusión se apoya contra la parte sinteiizada, y a continuación se calienta el conjunto hasta una temperatura suficiente para fundir dicha masa. El metal fundido se infiltra por los poros, por acción capilar, y se produce una parte relativamente libre de poros, con buena densidad y resistencia. La aplicación más común es la infiltración de comprimidos a. base hietTO con cobre. Las ventajas de la infiltración son que se mejorar la dureza y la resistencia a la tensión, y que los poros se llenan (esto último evita la penetración pm la humedad, que podría causar corrosión). También se puede hacer infiltración con piorno: por la b2ja resistencia del plomo al corte, la parte infiltrada desarrolla características de menor fricción que la que no se infiltró. Algunos materiales para cojinetes se fabrican con este método. 5. Las partes hechas con metalurgia de poi vos se pueden someter a otras operaciones de acabado, como las siguientes:
original. Entonces.
0
., trntamiento térmico, para mejorar la dureza y !a resistencia;
\'
--
¡ -
.
)'
Ln ;
El volumen del comprimido crudo dche ser bio1 mudu) dJJra.ntc Ja sinierización. En de la densidad p:
(17.l ¡
la parte sinterizada, pero la nwf.la 1w carnamerior se puede teformuh1r en fwK-ft';n (
'p,,,,, 1 1
,. maquinado, para producir diversas características geométricas por fresado. taladrado y machuelado (producción de agujeros roscados); " rectificado, para aumentar la exactitud dimensional y el acabado superficial: " deposición, para rnejonu- la apariencia e impartir resistencia al desgaste y a la corrosión.
!!,J, \1
L,)
1i7.2) H01m11w
-~
SECUl'··J
457
es dcc:L
Y DE
Para me_jorar las propiedades de los produclos de metalurgia de polvos o para impartirles carncter(sticas especiales, se pueden efectuar varias operaciones más, después del sinterizado. L Acuiiado y dimensionamiento, son operaciones de compactación a gran presión. en prensas. Los objetivos de estas operaciones son impartir exactitud en las dimensiones de la parte sinterizada y mejorar su resistencia y acabado superficial, mediante mayor densificación. 2. Un avance importante es usar comprimidos de polvos de aleaciones pr4ormadas y sinterizadas, que después se forjan en frío o en caliente hasta sus formas definitivas, a veces mediante forjado de impacto (véase la sección 14.9.2). Estos productos tienen un buen acabado superficial, buenas tolerancias dimensionales y un tamaño de grano fino y uniforme. Las mejores propiedades alcanzadas hacen que esta técnica sea e,speciahnente adecuada para aplicaciones tales como la fabricación de componentes automotrices y de motores a reacción de alto desempeño.
para un trador de
con metalurgia de po!vos
engrn~1<1je~;;, bttjes y alguna::; partes cstructurale~ para lractores de jardín se pueden fobricar hoy mediante té('.nicas de rnet~:lurgia de polvos. en lugar de 1os métodos tradicionales Je fundid;,'ln o forjado. Se han fabricado engranajes en fonna competitiva usando polvos de alta caiidad con gran com-· presibilidad (que por consiguiente requieren bajas presiones de compactadón), Estas partes tienen nna densidad de mediana a alta. y son adecuadas para aplicaciones rudas. con grandes cargas y para supcrfici~:-; coD gran desgaste. En una aplicación. se fabricó un reductor para un tractor de jardín a partir de polvo de hierro, ínfilu-:índolo con cobre. Aunque su resistencia era aceptable, la rapidez de desgaste bajo grandes cargas fue demasiado grande. Este desgaste originó la pérdida del perfil de los dientes por cargas laterales en los cojinetes. as{ como un gran nivel de ruido. Para mejorar la resistencia al desgaste y Ja resistencia se selci:cíorió un nuevo polvo, wn 2JJ% de níquel, 0.5% de grafito, 0.5% de molibdeno y el resto de polvo atomlz.ado de hierro. Debido al tamaño de Ja parte, las cargas cri el prensado fueron muy altas, Se rediseñó esta parte ysc fobi-icó el hemtHlental con tres punzones, para compactar la pieza a tres densidades distintas. Toda la pieza re, quirió una carga de 4 MN (450 toneladas) de compitc'.~ción. . .· . . .. . ·.·· ··., ' P9r este método .!i(; .obtuvo :iíu; alta densi,dad ei:i las secciones de la parte que requerían alta resistencia mecánica y al desgaste.. ,La alta_ densidad también pertnidó ¡::ementar, para mejorar la dureza, La pieza presinteri:zada se vnlvió a prensar hastaUegár a la densi
('omponc.11tcs cí"rmll
458 Capítulo 17 /Procesamiento de metales en polvo, c.er;.ímicos, vidrio y superconductores
Sección '17.7 / Posíbi!idades clel prOceso
459
Ejemplo: Producción de carburo de tungsteno para herramientas y matrices Bíen
Mal
El carburo de tungsteno es un material importante en las heITamientas y las matrices, principalmente por su dureza, resistencia mecánica y al desgaste, dentro de. amplios límil<;s dC temperatura (véase la sección 2 l .5). Para fabricar estos carburos se emplean réeníca1; .de polvos. Primero, se mezclan polvos de carbono y de tn1igsteno, en un molino de bolas Óen un La mezcla (básicamente 94% al vacío.de tungsteno y 6% de carbono, en peso) se calienta ti únos. I50()9C·(2S()()ºF) en u:n horno de :inducción
(a)
@
me!.~lurgí~de
m¡;zclado~tºtatorio.
/
cilrb~i:odé_mngsfeno en forma de polvo fino. A ~arb\!rode tungsteno, junto con un ffoip~a producir un lodo uniforme y ho-
E1 resultado es que el tungsteno se carburiza y foríria continuación se agrega un aglomerante (con frccueneiaéol:ralto) al do org<ínico, como hexano; la mezcla se muele eµ tm molino
aguda
(bi
Durante e] sint,;rizado, el carburo de tungsteno sufre una contracción lineal de 16%, ilproximadamcn .. te: esta reducción coITesponde a una contracción en volumen de un 40%. Así, son importantes el control dcí tamafío y la forma para producir liemunientas con dimensiones exactas. También se puede producir una tümbinación de otros carburos, como el carburo de titanio y el de tántal6, con mczdas hechas con el mc'todo que acabamos de describir.
respectivamente)_
q \0
La tendencia actual es usar partícul~is cada vez más finas esas estructuras compuestas (Jos céramicos
t~n Ias secdones 8.:.?.5y17.2.1.
Transición en bisel
~
~=~~··-
Después; la mezcla se seca y se consolida, por•lo .general•J?ot CliJ!lJPactación en frío a presiones aproximadas a 200 MPa \30,000 psi). Se sinteriza entonces la.pieza enatm6sfera de hidrügcno o en un horno al vacio. entre 1350 y 1600ºC (2500 a 290()''F); dependiendo.de sueomposicítín. A esa teinperatura el cobalto está en fase líquida y actúa como aglomerante de las partículas. de carburo, También, los polvos se pueden prensar en caliente a la temperatura de sinterizado, usando matrices de grafito.
•;e describen
@ Transición en bisel
Transición aguda
(e)
:Je ac maquinar
Se debe taladrar el orificio
, meruaos ae nrodl!cción de poívos qüe
e
~\ ·¡ 1
to~;
b. Se debe prever el desmo!deado del comprimido verde de la matriz, sin dañarlo; por ejemplo, los aguje· ros o saques deben ser paralelos al eje de la carrera del punzón. También se deben poner biseles para evitar descascaramientos en las orillas y a1istas del comprimido. c. Al igual que en la mayor parte de otros procesos. se deben fabricar con metalurgia de polvos las partes con las tolerancias dimensionales müs amplias adecuadas con sus aplicaciones, para aumentar la vida de la he1Tamienta y la matriz, y para reducir los costos de producción. d. Las tolerancias dimensionales de las partes fabricadas con metalurgia de polvos suelen ser del orden de ±0.05-0.J mm (±0.002-0.004 pulg); las tolerancias mejoran mucho con operacioues adicionales, como dimensionado, maquinado y rectificado.
Se debe maquinar la rosca
flGiLJRJ.\ 17.17 Ejemplos de piezas fabricadas con metalurgia de polvos, con diseiios malos y buenos. Nói-ese que se deben evita1· los radios pequeños de transíción y vértices entrantes, y que se deben producír roscas y agujeros lransversalcs por separado, con oper.iciones adicionales de maquinado.
Por las propiedades únicas de Jos polvos mctülicos, ¡;us caraclerís!icas de flujo en ia matriz y la fragilidad de comprimidos crudos, se han establecido los siguientes principios de diseño (fig. 17. l 7): "· La forma del comprimido debe ser tan simple y unifonne como sea posible. Se deben evitar cambios bruscos de contornos, secciones delgadas, variaciones en espesor y grandes relaciones de longitud a diámetro.
Se
17.7
BIUDADES DEL PROCESO Las posibilidades del proceso de metalurgia de polvos se pueden resumir como sigue: a. Es Ltna técnica para fabricar piezas con metales refractarios de alto punto de fusión, que puede ser difícil o antieconümico producir con otros métodos. b. Permite grandes tasas de producción en piezas relativamente complicadas, al usar equipo automatizado que réquiera poca mano de obra. c. Permite un buen control dimensional y, en muchos casos, la consecuente eliminación de operaciones de maquinado y acabado; en esta forma reduce los desechos y recortes, y ahorra energía. d, La dispouibiliclad ele una amplia gama de formulaciones hace posible la obtención de propiedades mecánicas y físicas especiales, como por ejemplo rigidez, capacidad de amortiguamiento, dureza y densi-
460
Capitulo ·¡ 7 /
1All:l~A
Pron:s,1mk~nto de metales en polvo, cer;imic o:;, vidrio y supf·rconduc!orc~, 461
Sección ·1 7 .9 / Molc.k-::ado dé cerJmícos
Partes de polvos metálicos de titanio, ·-·-·------d~__p_(1/vos, y ahorros pot.enciales e". costos ·i 7º6
y fabricadas con TABLA 17,7
Lingote
Parle
Parte
----------
Ahorro potencial en costo8
Punl
l-[crr~Uc de M)portc de gancho arresJador dd F-18 i\/l.arco de cabina <.le F- J 4
2.5 25.0 14'.I
Características del
de cerámicos
Proc~so
Peso (kg)
so 0.5 !:?.9
82
20 25 50
Limitaciones
Moldeo de bnrhoti na
Parles grande:->, formas complejas. füüü costo de equipo.
fü~ja rapidez de producción. Ex:1ctitud dimcn:::ional iímituda.
Extrusión
Fonnas huecas y pcquefi.os cliümetros. Gran rapidez de producción.
Partes con perfil transversal constante. Espesor limitado.
Prensado en seco
Tolerancias estrechas. Gwn rapidez Je producción al automatizarlo.
Variación de densidades con grandes relacione:; de longi wd n di
Prensadl) en húmedo
Formas complicadas. Gran rapidt:z de. producción.
Tmnaño de parle limitado. Exaclirud dimcnsion<.ll limitada. Los costos de betTarníentr.t'> pueden .ser grn11dr!s.
Prensado en calit.:nle
Parle~,
Rcquien; atmósfera~; prolc:cloras. La vida de las matrices puede ser corta.
dad, tenac.iclad y propiedades elécu·icas y magnéticas específicas. Algunas de las nuevas superaJeaciones se pueden moldear en partes !an sólo con el proceso de metalurgia de polvos.
e. Permite la posibilidad ele impregnar e infiltrar, en aplicaciones especiales. Sin ernbargo, hay ciertas limitaciones de la n1etalurgia de polvos:
------
resistentes y de alt;1 densidad..
s~r
Prensado isostatir.;o
Distribución uniforme de la densidad.
E! equipo puede
a . el alto cosl.o del polvo metálico, en comparación con las materias primas para fundir o fo.ijar;
Torneado
b, el ali o costo de lac; herramientas y los equipos parn pequcfias con-idas de producción; ('. .. limi1acioucs del twnailo de la pieza y la complejidad de la forma;
Gr;::in rapidez de proJut.:ción J.! automatizario. costo de herrmnicnlas.
Limitado a partes con o.;irnetría axial. Exactitud dirrn~n~ionul limitada.
lVloldGo por inyct;ción
Fnrmus
Lns
las propiedades mecánicas resultantes, como resistencia y ductilid:1d, que suden se1· menores que las que se obtienen en d fo1jado. Sin embargo, las propiedades ele tas piezas hechas con metalurgia de polvns hasta densidad tolaL con prensado isostático en caliente o por forjado adicional, pueden ser tan hut'nas como las de las partes fabricadas con otros procc;ws.
hcrrnmicnta~.
co:,toso.
,.:.:.cr costo.c;a:>
A continuación, las parlfculas se mezclan con aditivos. cuyas funclones son una o más de las siguiem.cs:
a. aglorrien:m.ie de las partículas ccrán1i.cos; llº lubric.;:mtc, para ayudar al desmoldco y reducir ia fricción interna entre las partículas duran le el molcJc,J. c. lmmedante, para mejorar el mezclado. d, p!astilkarrite, para hacer que Ja mezcla sea más plástica y moldeable.
c. diversos agc1nutes para controlar la forrruición de espurna y el
Como la mcialur_gié1 de polvo:; puede producir parles de forma ncl.a o casi neta, eiiminando así muchas opc;r:1ciosc;ccrnda1fos de mimufaclura y armado, es cada vez más cornpctiliva con la fundición. lür¡:ido y m:1qvi11ado. Prir otra ¡XH"lc, lo:; alios co.sl.os iniciales de los punzones, mal rices y equipo para procesamiento con rnc1ah1rgict poi vos requieren guc 'él volumen de producción sea suficientemente c1lto como para garantizar estas ncs. Aunque hay excepciones, el. proceso suele ser económico para cantidades mayores de 10,000 piezas. La posibilidad de la metalurgia de polvos de fabricar casi a forma neta reduce o elirnini1 !os desechos cn la ti1bia l 7.6 se ven comparaciones ele peso de componentes para aviones producidos por prn<:csn:; de frJrjado y de rnetalurgia de polvos. Nótese que las partes fabricadas con melalnrgia de poi vo.'- pasan por procesos adicionales de maquinado: de este modo, las partes finales pesan menos que las fabricada:; por
[
para hacer más uniforme 1a snspen.sión de cerámica ~nagua. La defloculación camhi;J cargas eléctricas en la~; partículas de cuc]J1a, de tal modo que sr: repelen entre: sí, en ve/.. de aLracrsc. S(; agrega agua para hacer inús m.anejable y rn.cnos viscos::.l la mezcla. Lo.~ dcfioculantes normales son Na2 CO:i y Na2SiO:i, en cantidades menores al 1%.
c~jcrnplo,
Hay tres procesos básicos para producir cerámicos: vaciado., formado plástico y prensado. Se describi-
rán en las subsecciones siguientes.
ct:alquiera de los dos procesos solamente.
FIGURA 17,18
Pasos del proceso de fabricación de piezas de cerámil:a.
Quebrado Molienda
-··---·~----·------~
! 7.9
sinterizado~
0Jefioc1J.d.alírte~
DE CERÁMICOS
l 1 1
L___~¡ ~- -~
Se dispone de varias técnicas para procesar cerámicos y obtener productos útiles (tabla 17.7). En general, el procedimiento implica los siguientes pasos: a) quebrar o moler la materia prima para convertirla en partículas finas; b) mezclarlas con aditivos para impartirles ciertas características adecnaclas, y e) moldear, secar y quemar cJ material (fig. 17.18).
1-=-:=l
Matcriaspri::__r-~~~-f~"_J' 1 1
El primer paso en el procesamiento de las cerámicos es el quebrado, que también se llama trituración o molienda de las materias primas (véase la sección 17.2.l). La trituración se suele hacer en un molino ele bolas, sea en seco o en mojado (véase la fig. 17.6). Es más efectiva la molienda en mojado porque mantiene unidas a las partículas, y evita su diseminación en el aire. Después, las partículiLs se pueden dimensionar (cribar), filtrar y lavar.
A
agentes hurnectante.s. plasüfk:antes, dcfloculantes
Ak
1 1 1
1 1 1
Moldeo de barbotina Extrusión Prensado
Maquinado en crudo
Moideo por inyección
Cocción Sinterizado
~~ 1 1 1
Maquinudo Rectifico.do Lapeado
462
C1p1tulo 17 / Pmcesamiento de metales en polvo, cerámicos, vidrio y superconduc:tores
(a)
(b)
(e)
(d)
Sección 17 .9 / ,Vloldeado de cerámicos
(b)
(a)
le)
Matriz
Cámara de desaircaci6n
[)[_]
463
n
G
flCURA 17.'19
Secuencia de las operaciones de moldeo de barbotina para una parte de cerámica. Después de ve1ter la barbotina 1 la parte se seca y se cuece Pn un horno para darle resistencia y dureza. Fuenle: F. H.Norton, Elemf'nts of ceramics. Addison-Wesley Publishing Company, lnc. 1
Extrusor
17 9.1
~
~
deformado
Utensilio mol deudo
·h
.
('_~)
~
o~ \,___/
'------·---_J Regreso de molde
El proceso más común de vaciado es el de barbotina, también llamado vaciado de drenado (fig. l7.l9).
FIGURA 17,20
Operaciones de (a) extrusión y (b) torneado. Fuente: F. F. Stoops.
Una barbofü1a es una suspensión de partículas coloidales (pequeñas, que no se asienlan) de cerárnic<1 en un líquido inmiscihle (mutuamente insoluble) que en genera! es agua. En este proceso, la barbotina se vierte en un molde poroso de yeso. Debe tener la fluidez suficiente y la viscosidad baja parn fluir con facilidad hacia el molde: en forma muy parecida a la fluidez de los metales fundidos, que se describió en Ja sección 10.3. El arrastre de aire puede ser un problema importante durante el moldeo de barboiína. Después que el molde ha absorbido algo del agua de las capas exleriores de Ja snspen.c;ión, se invierte .v se vierte la suspensión restante para sacar)¡¡ y lübricar prodnc1os huecos, como en la fundición de met~l!es parcialmenle derretidos, que se describió en la sección l l.10. L1 parte superior se recorta, el moldes,, abre y se saca la pieza. Las piezas grandes y complicadas. como por ejemplo los muebles para baño, objetos arJís
l 7_9.2 Moldeado plástico El moldeado plástico, también llamado formado suave, húmedo o hidroplástico se puede hacer con varios métodos como extrusión, moldeo por inyección o moldeo y torneado de alfarero (fig. 17.20). El moldeo plástico tiende a orientar la estructura estratificada de la arcilla en la dirección del tlujo de material, por lo que tien-
de a cau:;ar comportamiento anisotrópico del material, tanto en el procesamiento subsecuente como en las propiedades finales del producto cerámico. En la extrusión, la mezcla de arcilla, con 20 a 30% de agua, se hace pasar por la abertura de un dado, mediante un tornillo. El perfil transversal del producto extruido es constante (capítulo !5) y hay limitaciones en cuanto a espesor de pared, para piezas extruidas huecas. Los costos de heuamientas son bajos y las tasas de producción altas. Los productos extruidos pueden pasar por operaciones adicionales de moldeo.
1 7. 9 .3 Prensado Prensado en seco. Es la operación se parece a la co1npactación de rnetales en polvo, y se aplica para obtener formas relativamente sencillas. Los productos característicos son Ja loza, los refractarios y los productos abrasivos. E1 proceso tiene las misn1as tasas altas de producdón y el estrecho control de tolerancias clirrn.~ns]onnles de la metalurgia de polvos. El contenido de humedad de .la mezcla suele ser menor que 4%, aunque pnedc se;·
tan alto con10 12ºh. Se suelen agregar aglmncrantcs orgánicos e jnorgánicos, como ácido esteárico, cera, ahwlclón y alcohol polivinílico, que también funcionan como lubricantes. La presión de prensado es ele 35 a 200 MPa (5 a 30 ksi). Las prensas modernas para prensar en seco están muy automatizadas. Los moldes o matrices, que con frecuencia son de carburos o de acero endurecido, lk> ben tener gran resistencia al desgaste para sopo1iar las partículas cerámicos abrasivas, y por ello pueden ser costosos. Corno en Ja compactación en la metalLirgia de polvos, la densidad puede variar en forma apreciable en las cerámicos prensadas en seco, por la fricción entre las partículas y con las paredes de los moldes. Las variaciones de densidad causan torcimientos durante el horneado. El torcimiento es especialmente grave en partes que tienen grandes relaciones de longitud a diámetro: la relación máxima recomendada es 2: 1. Se pueden usar varios métodos para reducir al mínimo las variaciones de densidad; es importante el diseii.o de las herramientas. Se usan el prensado vibratorio y el moldeado por impacto, en especial con los elementos combustibles de reactores nucleares. Con el prensado isostático también se reducen las variaciones de densidad. Prensado en húmedo. En el prensado en húmedo, la parte se moldea bajo alta presión, en una prensa mecánica o hidráulica. Este proceso se usa en general para fabricar fo1mas intrincadas. El contenido de humedad va de JO a 15%. Las tasas de producción son altas, sin embargo, el tamaño de la parte es limitado, es difícil lograr el control de las dimensiones por la contracción durante el secado y los costos de las herramientas pueden ser altos.
4(~4
Capílulo 17 / Prou-':::.drnienlo dL' rnda/es en polvo,
cr:-rámíco~,, vidrío y sup<.:'rconciuctores Sección ·¡ 7 .9 /Moldeado de cerá1T1icos
Prensado isostá!ko. Se usa mucho en la metalurgia de polvos; también, el prensado isostático se aplica a las cerámicos parn obtener una distribución unífmme de la dem;idad en toda la pieza. Por los aisladores de !as bujías automotrices se fabrican con este método; las compllertas ele nitrnro de sí licio pa. ra aplicaciones de ali.as temperaturas (véase !a fig. 8.1) se fabrican con prensado isostálico en calieme. 'forneado (formado con plantillas). Para fabricar placas de cerámica se usa una combinación ele procesos. Las porciones de arcilla se extruyen primero, y a continuación se moldean en forma de Losa delgada sobre un molde de yeso; por último se tornean sobre un molde rotatorio (fig. 17.20). El torneado es un movimicn10 en el que se moldea la losa de arcilla mediante plantillas formadoras. Después, la parle se seca y se que1m1. Este proceso se !imila a panes con simetría axial, con cxaciltud dimensional limitada, pero se puede aufomatizar la operación.
Molden por Antes describimos ya las ventajas del moldeo por inyección de los metales en polvo (sección 17.3.3: véase también la sección J 8.3, sobre el moldeo ele plásticos por inyección). Este proceso se usa hoy mucho para el moldeo de precisión de los cerámicos en aplicacio11cs ele tecnología ele punta, como por ejemplo en los componentes de motores de reacción. La materia prima se mezcla con un aglomcranle, como por ejemplo un polímero termoplástico (polipropileno, polietileno de baja densidad o vinil acetato de ctilenu) o con una cera. Por lo general se elimina el aglomerante por pirólisis; a continuación se sinteriza la ¡xu·te en el horneado. Este proceso puede producir secciones delgadas, normalme111e menores que 1Oa 15 mm (0.4 a 0.6 puigí de espesor, en la mayor parle de íos cerámicos de uso ingenieril, por ejemplo, alúmina, zirconia, nitrum Je silicio, carburo de silicio y sialón. Las secciones más gmesa.1 requieren un conlroi cuidadoso de los nrnlcria. les usados y de Jos par;ímctros de procesamiento, para evitar huecos y gri.etas internas, en especial los debidos a la contracción.
l'1'e1~sado c;liier~te. En esta operación, liamada también sinterizado a presión, se aplicau en fonrn simultánea pn:sión y l<'mperaturn. Esle proceso produce partes más densas y resistentes, al reducir su pom·· sidad. Se ;;ue!cn empicar almósferns protectoras, y el grafüo e1; el material acostumbrado en punzones y ffW-
(a)
Agua de impregnación
465
(e)
(b)
Agua de poros
•
Parlículas de arcilla
Seco
f!GURA '17.21 Contracción de arcilla húmeda causada por la remoción del agua durante el secado. La contracción puede llegar hasta el 20% en volumen. Fuente: F. H. Norlon, Eleme11ts of ceramics. Addison-Wesiey Publishing Comµany !ne. 1974.
El cocido, horneado o sinterizado implica calentar la parte a una temperatura elevada en un ambiente controlado, proceso parecido al sinter.izado de la metalurgia de polvos. Se presenta cierta contracción durante el cocido. Esta operación produce la dureza y Ja resistencia ele la pieza ele cerámico. Esta mejora ele propiedades se debe a a) el desarrollo de una liga resistente entre las partículas de óxido complejo en la cerámica, y b) una reducción de porosidad. En una nueva tecnología, todavía no comcrcializacla, se usa el slntei-iz:aáo por micrnom:las ele los cerámicos en hornos que trabajan a más de 2 GHz.. Su economía dependerá ele la disponibilidad ele aislamientos poco costosos para los hornos. Los cerámicos de nanofase (descrita en la sección 8.2.5) se puede sinterizar a menores temperaluras que las que se usan eo !os cerámicos convencionales. Son más fáciles de fabricar, porque se pueden compactar con altas densidades a temperatura ambiente, prensar en caliente a la densidad teóri.ca, y moldear en partes de forma casi neta, sin aglomerantes ni ayudas de sinterizado.
17.9,5 Operaciones de acabado
lriccs.
También 'e pncdc usar el prensado isosui!ico en calieme (sección i 7.3.2), en especial para mr;jénar Ja exaciitlld de formas y hi calidad de ccn\micos de tecnología avanzada, como carburo ck silicio y ni!rurcJ de ··Í·· Se ha dcrnn.strac.lo que el prensado isosláticn en caliente con encapsulado en vidrio es efica~ para c·stc pmp6silo.
¡ 7,9.4
Como el cocldo 0rigina cmnbios de djmensiones. se pueden efectuar operaciones adicionales para dar su ror-ma final a las piezas del cer;ímico, mejorar su acabado superficial y tolerancias y eliminar cualquier cle!'ecto superficial. Los prncesos lk acabado que se usan pueden ser uno o más de los siguienLes, y se describen c·.n diversas secciones ele la parle IV:
l. rectificado con una mecía de diamante;
y cocción
2, lapidado y asentado (!apeado y lwneadoí;
3. maquinado ultrasónico; El siguienle paso en el procesamiento del cerámico es secar y cocer la parte parn comunicarle su resistencia y dnre¿a adecuadils. El secado es una etapa crítica, por la tendencia de la pieza a torcerse o agrietarse, debido a variaciones en el contenido de humedad y del espesor. Es importante controlar la humedad y temperatura atmosférica, para reducir el torcimiento y el agrietamiento. La pérdida ele humedad causa contracción de la parte, hasta ele 15 a 20%, respecto al tamaño húmedo original (fig. 17.21). En un ambiente húmedo, la rapidez de evaporación es baja y, en consecuencia, el gradiente de humedad a través ele !a pieza es menor que en un ambiente seco. A su vez, este bajo gradiente de humedad evita que haya un gradiente grande y sin uniformidad en el encogimiento desde la superficie al interior, durante el secado. Una parte del cerámico que se ha moldeado con alguno de los métodos descritos aITiba está en el estado verde o crudo (como en la metalurgia de polvos). Esta parte se puede maquinar (capítulos 22 y 23) con relativa facilidad para llevarla a su fonna casi neta. Aunque se debe manejar con cuidado, el maquinado no es muy difícil, por la blandura relativa del material.
4. taladrado, usando una broca con recubrimiento de diamante;
5. maquinado por descarga eléctrica;
6. maquinado con rayo láser; 7. corte con chorro abrasivo;
8. tamborado, para eliminar aristas agudas y marcas ele rectificado. Es importante la elección del proceso, por la naturaleza frágil de la mayor parte de los cerámicos y por los costos adicionales que implica. También se debe tener en cuenta el efecto de la operación ele acabado sobre las propiedades ele! producto; por ejemplo, a causa ele la sensibilidad a muescas, mientras más fino sea el acabado será mayor la resistencia de la parte. Para mejorar la apariencia y la resistencia, y para impermeabilizarlos, con frecuencia los productos cerámicos se recubren con una pasta adecuada que forma una capa vítrea después del horneado (véase la sección 33.12).
r ~----------------------------------4ll 4166 Capítulo 77 /Procesamiento de metales en polvo, cerámicos, vidrio y superconductores Sección 17 ."!O/ Moldeado y form;:ido del vidrio
Ejemplo: Cambios dimensionales durante el moldeado de los componentes cerárf!icos Se va a fabricar una pieza cilíndrica maciza con longitud finai L de 20 mm. Se ha establecido que.
te materia!, las COn!racciones linea/es durante eJ secado y.ej se en !a en seco, Ld. Calcular ai la longinid iílicfaJ si la porosidad de Ja pieza horneada, P , es3%.
dimen~ión
coej'J(~ Son 7 y 6%, respectívafüente.
r,; dela•píeza, y b) la porosidad en
(al
Rodillo formador
Lámina de vidrio"'..
Pantalla enfriada
46]
(b)
:¿¿
1
") Lámina de vidrio 1'5(,}"(0J(!)('j""'· __,.. Rodillos
Solución:
a. Con base en Jos daios (y observando que borneildo l.
se puede escribir
o sen
FIGURA 17.22 (a) Proceso continuo para sacar vidrio plano de un baño fundido. Fuente: W. D. l
p0r consiguiente. Todos los procesos de moldeado y conformado de vid1io comienzan con el vidrio fundido, entre 1000 y l 200ºC {J 830 a 2200ºF) para el vidrio normal o de sosa-cal-sílice, que tiene la apaiiencia de un jarabe vis-
Ld ""_30
094"" 21.28
+ 0.07)Ld =
\LV!}\ L
b. Como fa porosidad final es 3%. d volumen rea!
coso al rojo vivo, suministrado de un horno de fusión o un tanque,
!.28) "' 22 ..77 mm.
V, del materiál sólido en Ja píeia.cs
v.,= (l donde do es de es el Volun1.;n quemado de Ja pieza. En vista de que fa c
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Ja p-it~Za secu es de
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0.8 l, es decir 8 J %.
Fh'~1.
7. El vid: io se procesa fundiéndolo y moJcleündolo, sea en moldes, en diversos aparatos o por· soplado. Entre las frmnas que se producen están las placas planas, varillas, tubo, libra ele vidrio y produclos discretos, como boteliac; y fru·os automotrices. La resistencia de! vidrio de puede mejorar con tratamientos térmicos y químicos (sección 17.1 de l), u¡¡ gueplástico inducentenaz. esfuerzos superficiales residuales de compresión, o bien, lamimíndolo con una hoja delgada En genernJ, Jos productos de vidrio se pueden clasificar como sigue:
t
vidrio plano en placa o en lámina, con espesores desde 0.8 mm hasta 10 mm (0.03 a 0.4 pulg), como los vidrios de ventana. puertas de vidrio y vidrios de mesa;
2. vari!Ja y tubo, para manejar sustancias químicas, o letreros de neón y artefactos decorativos; 3. productos discretos, como botellas, vasos, faros automotrices y cinescopios;
17.10.1 Láminas y placas planas El vidrio plano se puede fabricm- estirándolo o laminándo!o ct1 el estado fundido, o con métodos de flotaciün. Los tres métodos son procesos continuos. El proceso de estirado para fabricar vidrio plano se basa en una máquina en la que el vidrio fundido pa· sa por un par ele rodillos (fig. 17.22a) de apariencia parecida a los antiguos rodillos para exprimir ropa. El vidrio que se solidifica es prensado entre eJJos, saliendo en fmma de lámina, que pasa a mi conjunto de rodillos más pequeños. En el proceso de laminado (fig. 17.22b), el vid1io fundido es comprimido entre rodillos y forma lámina. Las superficies del vidrio se pueden grabar con un relieve en !as superficies de los rodillos. De este modo. la superficie del vidrio es una réplica de la superficie del rodillo. La Jámina de vidrio obtenida por estirado o laminado tiene una superficie áspera. Para fabricar el vidrio plano, ambas superficies se deben ¡:miir después, para que queden paralelas entre sí, y después lustnu-. En el método de flotado (fig. 17.23), el vidrio fundido del horno se alimenta a Llfl baño en el que ei vi. drio, bajo atmósfera controlada, flota sobre un baño de estaño fundido. A continuación pasa sobre rodilh:; ~' otrn cámara (túnel de recocido) donde se solidifica. El vidriojlotado tiet1e una superficie lisa (pulida ajr1ego) y no necesita rectificarse ni pulirse.
17.10.2 Tuboyvarillas El tubo de vidrio se fabrica con el proceso mostrado en la fig. 17.24. El vidrio fundido se envuelve en torno a un mandril giratorio hueco, cilíndrico o cónico, y se estira y saca con un conjunto de rodillos. A través del. mandril se sopla aire, para evitar que se aplaste el tubo de vidrio. Estas máquinas pueden ser horizontales, verticales o con inclinación hacia abajo. Las varillas ele vidrio se hacen en forma parecida, pero no se sopla aíre a través del mandril; el producto estirado se transforma en varilla maciza. Atmósfera controlada 1
4. fibras de vidrio para reforzar materiales compuestos (sección 9.2.J) y fibra> ópticas. FIGURA 17.23 Método de flotado para fabricar vidrio plano. Fuente: Corning glass works.
C1oi'tulo i 7 / Proccsarnic•n(o ck metales en polvo, cor;imicos, vidrio y su¡e>erconductorr,,,
468
Sección 17 .1 (1 /Moldeado y formado del vidrio
469
Caba.a
de vidrio hlndido
de sophtdo
Aire
Paso l
f-IGURA 17.24 Proceso de fabricación de tubos cfo vidr.io. Se sopla aire a través del mandril puro evitar que se col2pse el tubo. Fuente: Corning Glass Works.
17.10.3
de
Anillo en el cuello
'S'oplar y bajar en el molde de pieza bruta
Vela dentro clel mo!dc de pieza bruta
Vela cae en el molde de pieza en bruto
de vidrio
Paso 3
Paso
Paso 5
Paso4
P
Las fibras continuas de vidrio se hilan o tnfilan a través de orificios múlüples (con '.200 a 400 agujeros en phcas rnlienles de p.latino, a velocidades hasta de 500 mis ( 1700 pi.es/s). Con este método se pueden producir;¡ .. bras de diámetros tan pequeños como 2 ¡un (80 ,
17."i 0.4
brula
Molde invertido con pteza brn!a
discretos
Pieza bruta colg.:mdo del
anillo de! cuello: ;.:e rei.;alienta durante la transfl'.:rencia
Soplar y subir en d molde de pieza brut::i
Parn l'abricar objetos discretos de vidrio se usan varios procesos, como los que se describen a continuación. El proceso de soplado eo; para obtener cll'lkulos huecos y de paredes delgadas, como botelias y frascos; se parece a! moldeo de lermoplásticos por sopbdo (sección l 8.4). Los pasos que intervienen en la producci
Pim,ao
Pnso 7
Aire
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Soplu.r en e! müldc·
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Botella terminada,
Pieza bruta en el molde de soplado
.En el prensado, una masa de vidrio fundido se coloca en un molde y se prensa li
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tomada con pinzas
FIGURA 17.25 l'asos ele la fabricación de una botella orclin,ll'i;:i de vidrio. Fucn/e: F. H.Norton, Elernenrs oí ceramics. A.ddison-Wesley Publishing Company, lnc. 1974.
El proceso de colado centrífugo, que también se conoce como de rotación (fig. 17.28) se parece al que se usa en los metales (véase la sección l 1.13). La fuerza centrífuga empuja al vidrio fundido conrra la pared del molde, donde se solidifica. Entre los productos característicos de este método están los cinescopios de TV y los conos ele naJ"iz de misil.
FIGURA 17.26
Elapa l
e
Las partes de vidrio en forma de platillo llano, o ligeramente grabadas, se pueden fabricar con el pro· ceso ele moicieo por hundimiento. Una lámina de vidrio se coloca sobre el molde y se calienta. El vidrio se hunde por su prop.io peso y toma Ja forma del moide. Este proceso se parece al de tennoformado de los termoplásticos (sección l 8.6), pero trabaja sin presión ni vacío. Entre las aplicaciones típicas están fabricación de platos, anteojos para el sol, espejos para telescopios y tableros luminosos.
Molde vacío
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Fabricación de un a1·tículo de vidrio prensándolo en un molde. Fuente: Coming Glass Wol'i
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r==?1 Molde cargado
Prensado del vidrio
Pieza terminada
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Capitulo 17 / Pmcesanrrento de metales en polvo, cerJmicos. vidrio v superconductmes Paso l
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Prensado del vidrio
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fOGURA. 17.:?.7 Prensado de vidrio en un molde bipartido. Fuente: E. B. Shand, Class cngineering /1andboo/c McCraw-Hill, ! 951J.
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Sección 17.1 ¿·¡Consideraciones de diseño para ceramrcos y vrdrros
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rrollan esfuerzos residuales superficiales de compresión, mientras que el interior desarrolla esfuerzos de tensión (véase también la sección 2. 1!). Los esfuerzos superficiales de compresión mejoran la resistencia del vidrio, del mismo modo que lo hacen en otros materiales. Mientras mayor sea el coeficiente de dilatación térmica del vidrio, y menor su concluctividacl 1érmica, el valor ele los esfuerzos residuales que se desarrollan será mayor y, en consecuencia, el vidrio se hará más resistente. El templado térmico toma un tiempo relativamente corto (minutos) y se puede aplicar a la mayor parte de los vidr.ios. Por la gran cantidad de energía almacenada en los esfuerzos residuales, el vidrio templado se desintegra en una gran cantidad ele pedazos pequeños, cuando se rompe.
b. Templado químico, En esle proceso, el vidrio se calienta en un baño de KN0 3 , K 2S04 o NaN0 3 fundidos, clepenclicnclo del tipo ele vidrio. Se efectúa un intercambio iónico, en el que los átomos mayores reemplazan a los menores en la superficie del vidrio. En consecuencia, en la superficie se desarrollan esfuerzos residuales ele compresión. Este estado se parece al que se crea al forzar una cuña entre dos hldrillos de una pared. El tiempo requerido para el templado químico es más o menos una hora mayor que para el tcm-· placlo térmico. Se puede efeclLtar a diversas temperaturas. A temperaturas bajas la distorsión de la parte es mínima y en consecuencia se pueden procesar formas complejas; a temperaturas elevadas puede haber cierta distorsión de la parte, pero en este caso el producto se puede usar después a mayores temperaturas sin que pierda su rcsi stencia.
c. Vidrio laminado. Este producto es ei resultado ele otro método ele refuerzo, llamado refi,1erw por Íllminado; consiste en poner dos piezas de vidiio plano con una hoja delgada ele uo plástico tenaz cnr.rc ellas. Cuando se rompe el vidrio laminado, sus pedazos se mantienen unidos por la lámina de plástico. Este fenómeno se puede observar cuando se rompe un parabrisas ele coche.
¡:JGU~~A ·¡ 7"2H Coiado centrífugo del vidrio. Los tubos de cinescopio se hacen con este proceso. Fuente: Corning G!ass Works .
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A
----- ---- ---------- -
Operaciones de acabado. Como en los productos metálicos, se pueden desarrollar esfuerzos residuales en ](Is productos ele vidrio si no se enfrían con una velocidad suficienlemenle alta. Para asegurar que;;] producto no teng't es!os esfuerzos, se recuece con un proceso parecido al recocido de relevado ele esfuerzos ,én
vidrio "'puede reforzar con Jos rroccws que df'scribircmos en esta sección. l\tmbién, los productos de drio puc;den someter a tralarniento t6rmico (templado) y a otras operaciones de acallado.
Jos metales (véase la sección 4.l !.2). Ei vidrio es calentado a determinada temperatura, y después se en;·rfa gradualmente. Según d larnañ.o, d espesor y el tipo del vidrio, los tiempos de recocido pueden ser desde :11gunos minutos hasta JO mese:,, corno es el caso ele un espejo ele 600 mm (24 pulg) para telescopio. Además del recocido, se pueden someter los productos ele vidrio a operaciones posteriores, como corte. taladrado. rectificado y pu!ido (parte lY). Se pueden alisar las aristas y esquinas agudas con esmerilad;.>, efecto que se ve en las cubiertas ele vidrio para escritorios y muebles, o acercando un soplele contra lrn; !Jor· des (¡mfüfo ;¡ fuego): con este méiodo se redondean debiclo al reblandecimiento localizado y por la tensión superficial.
que ~an1hi ..in se Barna tcmplado/úico o templado por conge!omieni'o. En e:;te proceso se enfrían con rapidez las superficies dei vidrio caliente (fig. l 7.29). Esto causa que las superfidcs se contraigan y, al principio, (jlle se de;;arro!len esfuerzos de tensión en ellas. Al comenz;;r a enfriarse el vidrio ele! interior, se contra,,. La,; .superficies ya soiidificadas se tratan ele contraer. por lo que clcsa·: 7 ..2'! Fsfuerzos residua!es en la p!aca de vidrio templado, y etapas en la indwr ión de esfu,,110.; superficiales residuales de compresión, para mejorar la resistencia.
¡---, 1
17, 12 CONSIDERACIONES DE DISEÑO PARA CERÁMICOS Y VIDRIOS
1
L___J
Paso 1; Vidrio
Paso 3: Se en fría el centro
caliente. sin esfuerzos
Los productos de cerámica y ele vidrio requieren una selección cuidadosa de su composición, métodos de prü·· cesamiento, operaciones de acabado y métodos de ensamblado. Son importantes sus limitaciones, como por ejemplo una carencia general de resistencia a la tensión, sensibilidad a los defectos internos y externos, y baja tenacidad al impacto. Estas limitaciones deben balancearse contra características favorables como dureza, resistencia al rayado, resistencia a la compresión a temperatura ambiente y elevada, y otras propiedades físicas. Es importante controlar los parámetros ele procesamiento y !a calidad y concentración ele impurezas en las materias primas. Como en tocias las decisiones en el diseño, hay prioridades y limitaciones y se deben tener en cuenta varios factores, incluyendo la cantidad de partes necesarias y los costos de he1Tamientas, equipo y mano ele obra.
y se contrne; la superficie se comprime y e.1 centro est;:í a tensión
Esfuerzos residualc;.; Compresron j 1 enswn
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472
Capí!uio
"J
7 / Procesc1rnicnto
rk metales en polvo, cerürnico~, vidrio
y
superc::onduc~'."lr<.'~
Son factores importantes en la selección de métodos de moldeo de estos materiales los cambios clinw.nsionales y las posibilidades de torcimientos y ag1ietamientos durante el procesamiento. Cuando una pia:a de cerámica o de vidrio es componente de un conjunto mayor, otra consideración in1portante es la compatibili~ dad con las demás partes. De importancia especial es la dilatación térmica (como en los sellos) y el tipo de carga. Las consecuencias potenciales de la falla ele Lrna parle siempre constituyen un factor importante en d disefio de los produc!os cerámicos.
·------------17. 13 PROCESA~/\!ENTO DE SUPERCON Aunque los superconductores (sección 3.7) tienen un gran potencial de ahorro de energía en la generación,
!1. moldearlo, y e, tratarlo 1.érmicamenle. El proceso más común en el moldeado es el po!vo de óxi1fo e11 l.ubo. En él, el polvo se empaca drntro de tubos de plata (por tener la plata la m;hima conductividad eléctrica) y se sellan los extremos. A contintwción los luho.s se czinforman mecánicamente, con procesos de defonnación corno frn:iadn rotatorio, cstiraóo, cxLtusión, prensado isoslático y lam¡nad<\ para Iiegar a las forma.s finales que pueden ser aJarnbrc. cintr.i. hioa o a grnud. Otros procesos importantes de moldeo de superconductores son a) cubrir alambre de pla1a con n;mcrial supe<"conduc1or, b) depositar capas de supcrconduclor por ablación con 1.áscr, e) el proceso de !a rnchil la doctor (véase la sección i 7.9. l ), el) rcveslimienlo por explosión, y e) aspersión química. E! objeto del tnd.amicnlo térrnfco de ia parte moldeada es mejorar el alineamiento de sus granos.
de polvos "' La metalurgia de polvos es un proceso de moldeo a forma crn;i neta o final, que consiste en producir polvos metálicos, mezclarlos, compactarlos en moldes y sinterizarlos para impartirles resistencia, dureza y tenacidad. También se puede hacer Ja compactación mediante prensado i:>ostático en frío o en caliente, para obtener mejores propiedades. Aunque el tamaño y el peso de los productos obtenidos son limitados, este proceso es capaz de producir en forma económica partes relativamente complicadas, en su forma neta, con tolerancias dimensionales estrechas, a partir de una gran variedad de polvos de metales y aleaciones. "' Se pueden efectuar operaciones secunclaiias y de acabado sobre las partes obtenidas por metalurgia de polvos, para mejorar su ex.actitud dimensional, acabado superficial, propiedades mecánicas y físicas, y
Tendencias
47:}
su aspecto. Entre estas operaciones posteriores están el forjado, tratamiento térmico, maqLünado, rectificado, galvanoplastia, infiltración (por ejemplo, con aceite) e impregnación (por ejemplo, con metales
de bajo pun10 de fusión). " Las consideraciones importantes en relación con la calidad del producto obtenido son el control ele la forma y Ja calidad del polvo, de las variables del proceso y ele las atmósferas de sinterizado. Se pueden controlar la densidad y las propiedades mecánicas y físicas mediante un buen diseño de herramientas y mediante la presión de compactación.
a Un proceso importante en la metalurgia de polvos es el moldeo por inyección del metal, que consiste en mezclar los poi vos metálicos finos con polímeros, para poder hacerlos fluir con más facilidad a los moldes en forma compleja, durante la compactación. A conlinuación, los polimeros se evaporan duran .. le el sinterizado. " Entre las consideraciones para e] diseño ele la metalurgia de polvos están la forma ele la pieza, la capacidad de expulsar el comprimido crudo de la matriz, y las tolerancias dimensionales aceptables ¡iam el producto en particular. El proceso ele metalurgia de polvos es adecuado para corridas ele producción de mediano a alto volumen, y para partes relativamente pequeñas, y tiene algunas ventajas competitivas sobre otros métodos de producción, como fundición, forjado y maquinado.
Ceíá.rnicos, vidrios y " Los productos cerámicos se moldean con diversas técnicas de vaciado, formación plástica o prensado: a continuación se secan y se qL1eman para impartirles resistencia y dureza. Se pueden llev
TENDENCIAS Metalurgia de polvos • La tendencia en las aplicaciones ele metalurgia de polvos es tratar ele producir partes más graneles y usar más el prensado isostático en caliente. • Se están desarrollando nuevas aleaciones pai·a las piezas fabricadas con metalurgia de polvos; estas aleaciones no se pueden amoldar con otros procedimientos.
~~--. . . . . . . .- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .lllllillll!IL.-ll 474 Capírulo i 7 / Procesamien10 de metales en polvo, cerámicos, vidrio y superconductores Bibiiogi-afía
" Se están fabricando polvos mediante técnicas de aleación mecánica y solidificación rápida, para impar1.irles propiedades favorables. Se están desan-ollando polvos prealeados maquinables. o Aunque los productos de la metalurgia de polvos pretenden, en forma lradícion:iJ, aplicarse en la industria automotora, se está tratando de producir parles para la industria aeroespacial y otras más.
Sintcrización por microondas Soplado Superconductores de baja temperatura
pulido al fuego Revenido químico Revenido térmico
475
Torne¡_1do
Vidrio laminado Vlddo revenido
"' El moldeo por inyección de metal y el forjado en caliente de productos de metalurgia de polvos se están volviendo procesos viables de producción.
Se están fabricando piezas pequeñas de acero de gran resistencia_ por metalurgia de polvos, en martillos de forja por impacto, a mayores capacidades que en las prensas hidráulicas. "' Se construyen prensas de mayores capacidades para prensado isostático en caliente, y se está desarro. llando el templado para este proceso, con objeto de reducir los tiempos de ciclo.
"' De acuerdo con !a tendencia general hacia Ja manufactura de forma casi neta, la metalurgia de polvos se aplica cada vez más para obtener una gran variedad de productos.
"' cesamiento Se desarrollan conprogramas metalurgiadedecómputo poi vos. para simular, y así ayudar a optimizilr, diversos as pecios del pro-
·----
BIBLIOGRAFÍA Metalurgia ele ASM Handhook, Vol. 7: Powder Metal Technologies and App!ications. ASM lnternalional, 1998.
lfand/Jook of C'eramü:s and Composiles (3 vo!.s.). Marre! Dekker, l 99 l.
Fayed, M .. and L. Otten (ecls.). Handbook of Powder Science and Techrwlogy \2d ed.). Chapman &. Hall, 1997.
Hiremath, B., T. Gupla and K.M. Nair (eds.). Ceramic Manufacturing Prac1ices and Technologies. American Ccr<.m1ic Society, 1997.
Germnn., R.M., Powder f;~fection Molding. 1Vfet<1l Powder Industries Federal.ion. 1990.
vidrios y superconductores Se controlan con más precisión Jos procesos de moldeo para cerámicos, parn minimizar 1010 dclcc(os y mejorar la exactitud y para impattir mayor resistencia y confiabilidad al producto. Se es1611 mejorando las operaciones de maquinado, rectificado y acabado para cerámicos, para obtener mejor precisión y propiedades superficiales mejoradas. "' Las superficies de las piezas de cerámico se están sometiendo a tratamientos con láser, para obtenc1 mejores propiedades y características de fricción y desgaste. ,, Se esUn desarrollando los cerámicos de dos fases o bifásicos, que tienen comportamiento superplásti-co que les permite ser moldeados en productos como los que se fabrican con metales superplásticm. Una tecnología quc se está desarrollando es el sinterizado de los cerámicos con microondas.
Se desarrollan varios procesos para moldear los superconduc1ores y obtener fomrns 1fole,,; entre cJ!,:;,-. cstún el recrih,-;,.,,;,,.., __ deposición, reveslimiemo y aspersión química.
____, Pov1Jder ?We!allurgy Science. Metal Powder Industries Federatio11, 1984. Sinterlng
?l1co1~v
--·--' and A. Bo.sc, fnjcction Molding 1?f'/11etals und Ceram~cs. Metal Powdcr lndnstries Fcderation. 1997. Hausner. H.H., ami M.K. Mali, Handhook of Powder 1\1etallurg_v. Chcmical Publishing Company, 1982. Kahn. H.A .. anJ B.L Fcrgu~on, Po11'lier l«Jrf?in.g. Metal Powdcr Industrie.~ Federation, 1990. (~l /Vle1al
Hlavac, J., Th.e Techn.ology ofG/ass and Ceramics. Elsevier. J983.
Kinge:ry. W..D., H.K. Bm:ven, and D.R. Uh!rnann, lntroducti
ond Practice. Wiley. 1996.
Li.wley, A.) Atomiz.otion: The Production
Hiremath, 13., A Bruce and A. Ghosh (celo.), Manufacture <,:/ Ceramic Components. American Ccramic Societ:y. ·r 995.
Pmvders.
Metal Powck~r Industries Federallon. 1992.
Lene!, FV., Powder Metcdlurgy: Principies and Applicutums. A rnerican P;)wdcr Mclaliurgy Jnstitule, ~ 9go. Powder kfe1ullurgy Desig;1 Giiidr:book.. Arnerican Püw·dcr Mela!lnrgy J nstitutc, rcv¡.sed periodicalJy.
to Ceramics (2d ecL). Wilcy, 1976. l\.1cHa!e, A.E. (cd.), Phase Diagrams and Ceranúc Pmces:.,es. Chaprnan &. Hall, 1997.
McLc1len, G.W.. and E.B. Shand, G!rtss En.gineering Handhook. McGraw-Hill, 1984. l'vlisilcr, R.E., and E.R. Twinamc. Tape Casting: Theory on;,,. Pracfice. American Ceramic Society, 1999.
l\llusík.ani., S .. \Vlua Every Engineer Should Know Aho1J.' Ceramit·s. Marccl Dekker, ! 99 l. íVJu1~uddy,
B.C., Cerwn.ic Jnjection lvíolding. Cbaprnan Hall, PYJS.
Nurton, F.H., Elem.en!s (~j'Cemmi<:s {1:d ed.). /\ddison-\rVc~~ky 1974.
Rahaman, !VLN .. Cerwnics Processing ond Sin.rcrfng. Marcel AleacJ6n mccónica
A.1omizació:1 Curboni/m,
Com11actaci6n <:nmpactación sin presión Comprimido crudo o en verde Deposición clectro1úica
Difusión Factor de forma Impregnación Infiltración
Prensado isostáLico en calieme Prensado isosláUco en frío Proceso de polvo de óxido en tubo Pulverización Reducción Resistencia en verde
Sinterizado Sinterizado con chispa Trituración
Dekkcr, 1998.
Barbo1i1w Cocido Colado centrífugo Defloculantc
Estirado Formado plástico Fundido de barbotina Moldeo de barbotina Moldeo por hundimiento Moldeo por inyección Método de flotado
Mcta1urgiéi de polvos Mezclado
Cerámícos 1 vidrios y superconductores
Prensado
Moldeo de metal por inyección
Agente humectame Aglomerante
P!astifieanle
Cerárnicos 1 vidrios y
Recd, J .S., Principfes Wiiey. 1995.
Bourdillon, A.., High Temperarure Superconduc1ors: Pmcess~ in.g and Sci.cncc. Acadcrnic Press, 1994.
Reimani~, L, C. Hcnagcr ancl A. Tomsia (eds.), Ceram.ii"·
Conr:ise En.cydopedio. qf Advanced Ceram.h:s. The M1T Press, 1991.
Rlcberson, D. W., A!fodern. Ceranúc Engineering. (2d cd.\ Marce! Dekker, 1992.
Engincered Materials Handbook., Vol. 4: Ceramics and Gfasses. ASM lnternational, 1991.
Sabia. R., V. Grecnhurt and C. Pantano (eds.), Finish.in.g ní" Advan.ced Cerumics and Glasses. American Ccramic Socicty, 1999.
German, R.M., and A. Bose, lnjection Mo/ding of Metals and Ceramics. Metal Powdcr Industries Fcderation. 1997.
<~/" C<~ramics Proce,
(2d
Joining. American Cr:.ramic Socie1y, 1997.
Schwartz, M. M. (ed.), Handbook of Structural Ceramics. McGraw-Hill, 1992.
Prensado en caliente
Ghosh, A., B. Hiremath ancl J. Halloran (eds.), Design for Man.ufacturability of Ceramic Componenfs. American Ceramic Society, 1995.
\Vachtman, J.B (ed), Ceramic lnnovation.s in th.c 20th Cen.tury. American Ceramic Society, 1999.
Proceso de polvo de óxido en tubo Proceso de la cuchilla doctor
Green, D.J., An lntroduction to the Mechanical Properties of Ceramü:s. Cambridge Univ. Press, 1998.
Weimcr, A. (ed.), Carbide, Nitride and Boride Materia/.v Synthesis and Processing. Chapman &. Hall, 1997.
476 Cipítulo '! 7 / l)roces21míenlo de meta fes en polvo, U:>1·;Jrnicos, virfrio y
surx·rconducton~s Síntesis y diseilo
477
polvos 17.32 ¿Por qué dependen la presión de compactación y la temperalura de sinterizado del Lipo de polvo rnetülico? 17.33 Comente las formas y los intervalos de las curvas de posibilidad ele! proceso en la fig 17.13.
REPASO 17.l Describa en forma breve los P'""" de producción para fabricar partes mediante metalurgia de polvos.
17.34 Bs posible inf'i1trar parles fabricadas por metalurgia de polvos con diversas resinas, y tarnbién con mctaies. ¿Qué apli~ caciones posibles pueden aprovechar !a infillntci6n con resina? Explique por qué.
17.2 Describa ios diversos métodos para obtener polvos. y explique las ciases de polvos qlle se producen. 17.3 Explique por qué se mezclan los polvos.
17.35 Suponga que va a elaborar un examen con los ternas expuesto.sen este capítulo. Prep;·ut: varios problemas cualitativos y escdba ::.us respuestas .
.17.4 ¡,Qué quiere decir crudo o en ''erde'' ¿Es importante
ta resistencia en verde? Explique por qllé.
17.5 pactarJos? Describa los métodos que se usan para compactilf los metales en polvo. ¿Por qué hay variación de dcnsiclacl al crnn-
PROBLEMAS CUAl\ITITAT!VOS
!7.6 ¡,Cuál es la magnitud de los esfuerzos y las fuerzas que intervienen en la compactación? !7.7 ¿Hay riesgos illhcrentes al procesamiento por metalurgia de polvos? Haga una lista de ellos y explique sus causas. l.7.8 Exponga las razones por las gue el moldeo por inyección de polvos metálicos se hace cada vez más importante. 17.9 ¿Con qué requisitos deben cumplir los punzones y las matrices en la metalurgia de polvos'' ]7.10 Describa qué sucede durante el sinterizado.
17.37 Véase la fig. 17.9; ¿cuál debe ser el volumen del polvo fino y suelto de hierro para fabricar un comprimido cilíndrico macizo de 20 mm de diámetro y !O mm de alto?
]7.] 1 ¿Por qué se deben hacer operaciones secundarias y de ilcabado rnbre las partes obtenidas con metalurgia de polvos' 17.12 Explique la diferencia entre impregnación e infiltración. Describa algunos ejemplos de ceda procc'
17.B ¿Qué es
1.7.15 ;,Ctímo se producen lrn;
producen ios
17.38 Dctennine los factores de forma para a) un cilindro con relaciones de dimensiones 1: J. t, y b) una lámina con rclacinncs 1: 1O:1 O. 17.39 Estime Ja cantidad de partfculas t::n. una muestra de 300 g Je polvo de hierro, sl el lama.lío de parlícnla es 75 µ,m.
l7..J.4 ¿Por qué se necesitan atmósforas de protección en el sinterizado') ¿Cuáles podrf;1n ser las consecuencias de no"''ª'. esas atmósferas, en cuanto a la.s propiedades de !as partes nbtenlclas con metalurgia de poJvo.s?
ll7.l(;
17.3() Estime el tonelaje. m~íx1mo para compactar una masa de latón ele 2.0 pulg de diámetro. ¡,Variaría esa fuerza con la a]tura de la masa? Explique su respuesta.
de orillas agudas?
la.s parles obtenidas en grandes cantidades con metalurgia de polvos se suelen usar en elemcnt<" Je máquinas que requieren buenas c<:.1rncterís1icas de írkción y de desgaslc. /,Que e:; tamizado?
17.40 Suponga que se cubre la superficie de tma partícula de cobre C"OD una capa de 6xido de O. J mm de espesor. ¿Cuál es el volumen (y porcent~~·je de volumen) que ocupa esta capa, si la partícL11a ele cobre tiene 50 ¡Lim de diámetro? 17.41 Investigue las publicaciones lécnicas y obtenga dalos sobre Ja c:ontro.cción de sií1tcrizado de las partes fabrlcadas con metalurgia de polvos. Cornente sus observaciones. 17.42 Haga una gráfica de la superficie tolai de una muestn1 de 100 g de aluminio, en función clel logarilmo natural del tall'Wfio de partíi::ula.
17,lS i,Qué equipos se usan en compactación de polvos?
2
] 7~ ñ9 Describn !ns funciones de lo,-; hornos de simcrización.
17.43 Un polvo grueso de cobre se compacta en una prensa mecánica hasta una presión de 20 ton/pulg . Durante el .<:dnlerizado, la pieza en verde se contrae 8% más. ¿.Cuál es su densidad final? 17.44 Se debe fabriL'ar un cngrarn.~ie a partir de polvo de hierro. Se desea que tenga una densiJad final igual al 90% de la de la fundición, y se sabe que la c,m1.racc.ión será m1 5%1 durante el sinteriL.a
/.l'ur qui' las propierbdcs mecánicas y físicas depclldc11 de ia de11sidad de las piezas fabricadas con metalu1gia de ¡;ilivos' 1
¡,Cuúics los cfoctos de ias distintas formas y tamaíios de bs pa11írnbs metálicas en el prnc:csamicnto con metalurgia de son polvo~?
'7.22 Describa !ac; vcnla.l't0 y lirn1lacioncs relativas del prc1N1cio isostático en caliente y en Crío. 17.23 ¿Cuüies formudo?SOii las ventajas y limitaciones dcJ moldeo de metales a presión en comparación con otros métodos de
17.45 Describa varios produc1os fabricados con metalurgia de polvos, en los que sea convenicnlc tener variaciones de denC\\11-
17.24 (lon distintos los requerimientos para punwncs y matrices en moldeo de metales a presión de los ele l"o1ja y extrusión? Explique por qué.
! 7.25 Explique por qué la metalurgia de polvos se ha vue!to compelitiva con Jo procesos de colado, forja y maquinado. l7.26 Explique las causas de las formas de las curvas de Ja lig.17.9 y de sus posiciones relativas. 17.27 que ¿Losporqué. comprimidos crudos se deben calentar con lentitud o con rapidez hasta su temperatura de sinlerización? Expli-
17.28 Por obtenerse con procesos especiales, los polvos metálicos son más costosos que los mismos metales a granel.¿ Cómo se justifica ese costo adicional en la producción de piezas por metalurgia de polvos? 17.29 de Explique polvos.los efectos de usar polvos finos y los de usar polvos gruesos sobre la fabricación de piezas por metalurgia
17.30 ¿Qué tipo de prensa se requiere para compactar las piezas con el coníunto de punzones de Ja fig. 17.1 Od? 17.31 En la fig. l 7.1 Oe se ve que la presión no es uniforme en todo el diámetro del comprimido, a cierta distancia del punzón. ¿Cuál es la causa de esta variación?
_ _ _ _. . . , . . . . , _......_
....._._w'..<."Ll''·'"'""-"-•'""''º"'~
sidad. 'R7.46 Compare las consideraciones pura dí:-:eiíar procJuclos de metaiurgia de polvos con las que se aplican en a) rundición y b) fotjado. Describa sus observaciones. 17~47 Describa 1as consicleraciones de diseño en la producción de piezas obtenidas con metalurgia de polvos. ¿Difieren mucho de las válidas en la fundición y el forjado de los metales?
17.48 ¿Hay aplicaciones en !as que usted no usaría un producto oblenido con metalurgia de polvos? Explique por qué. 17.49 Describa en detalle otros métodos para fabricar las partes de la Fig. 17. la. 17.50 ¿Qué tamaño tiene el grano de los polvos metálicos que se producen en cámaras de atomización? Haga una investigadón bibliográfica para llegar a la respuesta.
17.51 Haga una gráfica del tamaño de la abertura en función del tamaño de Ja malla, para las cribas que se usan en la clasificación de los polvos metálicos. 17.52 En Internet, localice proveedores de polvos metálicos y compare el costo del polvo con el de lingotes, para cinco materiales distintos. 17.53 Se conoce que para diseñar engranajes obtenidos por metalurgia de polvos, el diámetro externo del mamelón debe estar lo más leíos posible de la raíz del engranaje. Explique por qué es así.
A
C.3píluln l? / Proces
4J.7[f.
Síntesis y diseño
479
y 17.87 ¿Hay rehabas que se formen en el moldeo de barbotina? ¿Qué propone usted para eliminarla? 17.88 ¿,Cu~í.les son las semejanzas entre el moideo ele barbotina y el colado con molde Je c<:í.scara?
DE REPASO TI7~54 i.Cu
PROBLEMAS CUANTITATIVOS
17.55
~?.54~ Describa ,.:'J proceso de moldeo
17.89 En el ejemplo del final Lle la sección 17 .9, calcuie a) la porosidnd de lu parle se1.:a, si la de la parte quemada debe ser 9lY.:), y b) L,,, la longitud !nicic1J de la parli.;, si ¡as contracciones lineales durante el secado y el quernado son 8 y 7%1, respectivamente. 17.90 ¿Cuáles serían los resullados dd probierna !7.89 si los dalos se d·ividicrnn entre 2?
17.57 ¿Cómo e.se! prnc:.o:so de la cuchilla Joctor? fl.58 Explique las
venlaj~ts relativas de! prensado en seco. en húmedo e isostátko.
r?.59 ¿Qué es el torneado de cerámico~? ¿Qué fnnnas produce? j
7.60 Describa los faclorcs importantes en el secado de productos cerámicos.
17~6]
-------
¿Qué tipos de operaciones
SÍNTESIS Y DISEÑO
17.62 Haga una lista de las categorías en 18s que se s11eten clasificar los productos de vidrio. Jl7.63 Describa brevemente los métodos de fabricación del vidrio plano.
17.91 Descrihn las semejanzas :y las Jiferenci.as cnlrc tos proceso;-; que se describieron en este capítulo y a) los ta parlen de la fundición de mctules, b) los de b_ parte ill.
17.64 ¿Cómo se producen los tubos y las varillas de vidrio? ·rt7.(~5 Explique: c.! proceso de soplado del vidrio.
,i,CYmrn se fabrica la !lbra Je vidrio?
r?.6~t l)cscrib;1 cJ ¡xoccso de temple.
·n'J.94 ¿,Qué Jan distintas son las consideraciones de diseño para productos cerámicos y para otros
n:rn ¿Cuá:e:; son las semejanzas y diferencias cnlrc d procc:;amiento de los ccr:irnicos y el de polvos rnct;iiicos') l7.71 ;,Cómo sr~ pr·oc.Juccn las panfcuh1s de cerúmico? ¿", (?ué
17.7,~~
es
llll
ráinica. ¿Cwlles son los
producto crudo o en verde?
lC!S requisjws de Ja,._, bofa.<.; metálicas
17.97 Un rné!odo para prod1.;cir ~1bmbres y band;.1:~ supcrcondnctoras es por compaclac1ón de polvos de esos rnateria!e.s. h~cUS ideas acerca de los pasos y lús probk1;i¡¡s t¡Ul~ irnpiica ese mt:iodo de productión.
bola~;? e.t.~rámico:'?
¡.()ué ;orop'c'
Explique p<•r qué las partes de ccr:irnica se p!!den clisl.msionar o lorcer durante ei secado . .i.(h1ó p1u.rci11cio1wc: rfa ustc.,1 pnra eviinr 1.::sta si!uaci6n'.)
lOlli.1-
;:)u" prnpiecbdc,,; debe tener Ja lámina de piústic" que se use en el vidrio laminado') ¿Por qn<''' l. 7.!fü Se a forna que 111ienlras mayor c1; el coeilcicnlc de dilatación térmica de un vidrio, y menor e:; su conducrividad Lt'r mica, el valor de los esfuerzos residuales que se desarrollan en él ser{¡ mayor. Explique por qué. P.81 AcJernüs de los métodos de In ílg. 17.6. ¡,puede usted imaginar olros métodos para triturar las malcrías primas de lo:; cerámicos? Dcscrfü;.1 sus ideas con esquemas adecuados.
ll7.82 ¿Cuál cree usted que .'->ca ef objeto de !a operación que se ve en la fig. 17. l9d'! l 7.83 ¿Se parece alguno de los procesos para fabricar productos discretos de vidrio, a Jos qtJe se describieron en los capítulos anteriores? De.scríbalos, si Jos hay. ll7.84 El moldeo por inyección es un proceso que se aplica a metales en polvo. cerámicos y plásticos. ¿Por qué? l.7.85 ¡.Hay algunas semejanzas entre los mecanismos de reforzamiento del vidrio. y los que se aplican en olros marcriaico; met;:í_Jieo.~ y no metálicos? Describala.s. 17.86 Describa y expliqlle las diferencias en la forma en Ja que cada una de las siguientes superficies planas se rompería ai pe.garle con una gran piedra: a) vidrio ordinurio de ventana. b) vidrio templado, e) vidrio laminado.
______
_,
inve~;tigue
f"'/ .96 Busque en Internet y escriba una 1isla de partes cerúmkos que se usen en auLomotores.
un molino ele
b n1?6n lk h1 cnnirncción dumntc el secado de !os producüJs
-tfr~r.inlo::-;
rnatcri~iies?
!as distinta~.' técnicas para colorc<:tr decolon:lf una pie1,a ck· cc:métnd()S di:; aplicar un acabado mctúiit.::o sobre 1a pic/,a?
rl.95 Vaya a tina tlenda de ccnímica o alfarería e
¿Cuálc.'- son las caractcrí.sticas importmHcs de los moidcs de barbotina? /,Qm5 materiales se usan como superconduclon.:s'.'
dchcn
en
i7.92 Piense en algunos productos ccnirnicos con 1ns que esté familiarizadn y dcscriha una sucesi6n de procesos parn fabricarlos. ]7.~~3 Hagí:t una invcsliga-c¡(Ín de la~ publicaciones técnica~~, y describa las diferencias, si las hay. entre 1a calidad de la !ibra de \·idrio para ref"nrzar phí~.licos y Ju necesaria en 1~~,s comunicaciones con ribra óptica. Haga l.'.nrncntarios sobre ;.,us ob:·,ervacirmcs.
li7"66 ,:,Cuál es b diferencia enlre e! templado quírnico y el ffr;ico del viJrio? !7.67 ¿Cu~Ucs :->on h1s vcrita_¡as del vidrio laminado?
~7.73
dc.~scriios
4B2
C1pllulo 1B /Moldeo y con1orm;K16n ch:-: plcíslicos y rna!c·:riales cnrnpues1os Sección '18.2 /Extrusión
483
Pro~luclo0 i.::x1ruidoo
P:1itíc11l¿1:-;,
granos, polvo
H
TP. TF
rf'fJ,'lT
1
Uquí
E~tcrenlíh)gr,d (;¡
"/
un proceso parecido al de extrusión ele metales. A continuación, el plástico extruido se enfría, sea exporüénclolo al aire, o pasándolo por un canal lleno de agua. Es importante controlar la rapidez y la uniformidad del enfriamiento, para reducir al mínimo la contracción y la distorsión del producto. Se pueden ·extruir formas complicadas con sección transversal constante, con herramientas relativamente ele bajo costo. También, el producto extrniclo se puede estirar (dimensionar) con un jalador, después ele enfriado. A continuación el producto ext:ruido se enrolla o se corla en tramos con longitud adecuada. Como hay un abastecimiento continuo de materia prima en la tolva, se pueden extruir productos largos, como por ejemplo varillas sólidas, tubos, marcos ele ventana. perfiles arquitectónicos y láminas. Un desarrollo más reciente es la extrusión de tubo rígido ele plástico mediante un proceso en el cual el dado gira; en consecuencia, el polímero se somete a cizallamiento y so orienta hiaxialmente durante !a extrusión. Este tubo tiene mayor resistencia al aplastamiento y mayor relación de resistencia a peso que los tubos con extrusión convencional. También los conductores eléctricos, cables y bandas cubiertos de plástico se extruyen y recubren con este proceso. El alambre se alimenta a la abertura del dacio a velocidad controlada, con el plástico extruido, para producir un recubrimiento uniforme. Las ¡:mrtíc11las ("pellets"), que se usan para otrns métodos ele procesamiento ele plásticos que se describen en este capítulo, se fabrican por extrusión. En este caso, el producto extruido es una varilla ele diámetro pequeño, que se corta en tramos cortos (parLículas) a medida que se exlruye. Con algunas modificaciones, también se pueden usar los extrusores como fundidores sencillos para otros procesos ele conformación, como por ejemplo. moldeo por inyección y moldeo por soplado (secciones !8.3 y 18.4). Se deben control.ar los paráinetros de proceso coino son Ja rapidez dd torniHo extrusor, ten1peraLuras ele la pared del barril. diseño del dado y rapideces ele enfriamiento y estirado, para obtener productos con precisión dimensional uniforme. Para eliminar la resina no fundida o congelada por filtración, se suele colocar una lela metálicajuslo antes del dado y se cambia en forma periódica. En general, se especifican los extrusore:; por el diámetro D de su barril o cañón y la refaci.ón de longitud a diámetro (l/D) del mismo. Las unidades comerciales comunes son de 25 a 200 mm (1 a 8 pulg) ele diámetro, y las i:elacioncs ele UD son de 5 a 30. Los costos del equipo de extrusión pueden ser del orden ele 300,000 d6!ares que incluyen el equipo de enfriamiento posrerior y de enrol!aclo del producto extruiclo. En general, se requieren grandes corrüfas de producdón para justificar estos gastos.
b;qur-i'lld rk res fli {)( cc.:os de Formado y 1'no!cle:1do p;1~ a plásticos, en);;:~ icrrnopiJstico; TF ::.: termofiio; E::::: E:la:·itómern.)
--·om¡i(iSitns.
!FIGURA E~;r.¡uen1cl de 1111 extrusor GJ1aci0'rístico. Fuenk.': Fnc,l/clopedfa o/¡Jofvrrn:>r c:r"ience and enginr.:crin¡; F:d.). Derecho de dulor © l (JB.l. Rcimprcsn con autori7.riu61 ¡ John \/\liiey g. Son.s, ínc.
Extrusión de ~~~1mHn.as y Las láminas y ia pelicula de polímero se pueden producir usando un ciado plano de extrusión, corno el de la fig. i 8.3. El polímero se exlrnye forzándolo a pasar través de 1m dado de disefio especial, después ele Jo cual la lámina exlruida es tomada primero por rodillos enfriados por agua, y después por un par ele rodillos ele tensión, cubiertos ele hule. Las películas delgadas de polímero, y las bolsas comunes ele plástico, se fabrican con un tubo producido en un extrusor (fig. 18.4). En este proceso (película soplada), un tubo ele pared delgada se extruye vertiFIGURA Hl.3 Geometría del molde (dado de capa colgante) para e>.truir láminas. Fuente: Encyclopedia of polymcr scíence and engineering (2" Ed.). Derecho de autor© 19B5. Reimpreso con autorización de )ohn Wiley & Sons, lnc. Entrada del fundido Cabezal de distribución del fundido
)
:1..,~arganta
',Canal de enfiiamíento de. Ja
~~(~-~-~alimenta is?E_ '
Tomillo
Cabezal de ~distribución
del fundido .
/
----¡~Zona d~ fusió-;; ~-z~-;;;;J;;¡;~mb;;;- de fL;~didO---i Motor
SeJJo lateral
Labio ajustable
484
C;pílulo l n / Mnldc>(J y
conforrn~Kión de pLhlicos y materia)()$ compw·~S!os Sección 1H.3 /Moldeo por inyección
435
T8.3MOLDEO-POR INYECCIÓN Enn1l1;xbr
RodiHos de guía
El nwideo por inyección es esencialmente igual al proceso de fundición a presión con cámara caliente (fig. l 8.5; también sección l l. l2). Así como en Ja extrusión, el barril o cilindro se calienta p
Tubo sorr~1do
Mandril
Extrusor Dado ...
FIGURA 18.4 Esquema ele la producción de película delgada y bolsas de plástico a partir de un tubo producido en un extrusor y soplado después con aire. Fuente: D.C. Miles y J. H. Briston, Polymer
technology, 1979. Reproducido con auto1·ización de Chernical Publishing Co., lnc.
calmentc hacia arriba, y después se infla como un globo soplando aire por el centro de la hilera de exlrnsión hasta Uegar al espesor deseado en la película. El globo se enfría casi siempre con aire de un ani.lío de enfria·· 11.1iento que lo rodea. que también puede ser una barrera para evitar una mayor expansión del globo, conlro!ando sus dimensiones.
La película soplada se vende para envoltura (después de cortar el globo frío) y en forma de bolsas lrangulando y corwndo el globo). También de ohticne hímina rasurando barras sólicbs redondas de phislicé,, especial de politetnrfluoroetileno (PTFiE, 1<'.f/ón): a este proceso se !e ilama "rasurado.. (del inglés skiving, shrtvúzg + knives), rasurado con cuchillas especiales. Véase también Ja sección 23.8.4.
flGUí1A Hl.5 Moldeo por inyección con (a) embolo, (b) tornillo rotatorio reciprocante, (e) pieza típica fab1·icada en unzi cavidad de rn.:lc¡uina de moldeo por inyección, mostrando varias partes fabricadas en un golpe; taJY1bi~n 1 nótense los detalles como alimentador, canales y puertas de alimentación.
,..,.,m,,.,,,, l'e!ku!a
(a)
Supongamos que una bolsa normai de plástico. de i
(e) Molde
Solución:
=
Fuerza de prensado
a. El perímetro de la boha. cuando está doblada, es (2)(400) 800 mm. Como la sección transver;;al original de la película es redunda, el diámetro soplado debe ser 7TD 800, por lo que D 255 mm. Recuérdese que, en este proceso, se expande un tubo de 1.5·ª· 2.5 veces el díámelro-del dado de extrusión. Si se toma el valor máximo de 2.5. podremos calcularque el diá\netro deld.ado es 25572.5 = J00 n1m.
=
=
Zonn.de enfrin.:niento inyección
Alimentador Pieza moldeada
(b)
b. Nótese, en la fig. 18.4, que después.de extruido, el globoes.tensionado hacia arriba con los. rodillos de presión. Así. ade.más del estirado .diametral yla consiguie;nte, Ja película es estirada y orientada en dirección longÍtudinal. La de las 1.Í:mléculas del polímero mejora notablemente lá resistencia y Ja tenacidad deJápelículá sopl~{fa;
()ri~ntación or.ientació~:biaxia!.resultapte;
Tornillo giratorio y alternativo
,. ~i~~;~,~
...--
1
4 ·:.'.~6
Capílulo l H /Moldeo y coníorniación de pl(1s1ico:, y 1r1dl<::rittlé S compuestos 1
_Seccí6n 1 S.3 /Moldeo por inyección
487
,1, El molde de cam11 (con·edor o mstrfü11idrnr) frfo y dos placas (es el diseño más scrrcillo). Posibilidades del proceso. El moldeo por inyección es un proccw de producción de gran rapidez y permite obtener un buen control dimensional. Los tiempos característicos de ciclo van de 5 a 60 segundos, pero para materiales termofijos pueden ser de varios minutos. Los moldes se suelen fabricar con aceros grado herramienta, y aleaciones de cobre al berilio o aluminio, y pueden tener varias cavidades, de modo que se puede hacer una pieza en un ciclo (véase también la fig. l l.25). Los costos de los moldes pueden llegar· hasta los 100,000 dólares y su vicia puede ser del orden de dos millones de cicios, si son de acero, aunque sólo de 10,000
h.. abre El molde de c:mai frío y t:·es placas. rn d que el sistema de canales es scp
El 1110ldc de camal caiielllc (también se llama molde sin cana!), en el gue el plástico ftmcliclo se con-
.serva en un canaJ con 1a placa c:¿iJiente.
En Jos moldes de canal. frío, el plást[cn sol ic!ificaclo en los canales que van del extremo ele! barril a Ja cavidad dd molde, se debe eliminar, casi siempre recortándolo. Estos recortes se pueden trozar y reciclar. En ios moldes de canaí caliente, que son más costosos., no hay pucitas, canales ni mazarotas fijos a la pieza moideada. Los tiempos de ciclo son m:is cortos porque sólo se liene que enfriar y expulsar ía pieza moldead;o por inyección.
ciclos para moldes de aluminio. El diseño del molde y el control del fiujo de material hacia sus cavidades son factores importantes en la calidad del producto. Se ha avanzado mucho en el análisis y el diseño ele moldes y del flujo de material en el moldeo por inyección (véase también la sección l 8.15). Se han desarrollado técnicas de moldeo parn estudiar los sistemas óptimos ele dosificación, llenado ele moldes, enfriamiento de moldes y distorsión de la pkza; en ellos se tienen en cuenta factores como presión y temperatura ele it1yección y el estado de la resina. Hoy se dispone de programas de cómputo para agilizar el proceso ele diseño del moldeo ele piezas con buenas di-
También se pueden colocar componentes metálicos, como lomillos, pernos y bandas, en la cavidad de! molclc, y formar parte integral del producto moldeado por inyección (moldeo con inserto, f-ig. 18.6). Los ejemplos más comunes de estas combinaciones son componentes elécti-icos.
mensiones y características.
Ei moldeo por inyección de muiticomponerites (también se .llama moldeo por coinyección o de emp11Máquinas. Las máquinas de moldeo por inyección (fig. l 8.7) suelen ser borizontales. Se usan rnáqui·· nas verticales para fabricar piezas pequeñas. con tolerancias estrechas, y para moldeo con inserto. La fuerza ele prensado en los dados se suministra, en general, por medios hidráulicos, aunque hoy se dispone de métodos eléctricos. Los modelos con impulsión eléctrica pesan menos y son menos tuidosos que las máquinas ÍlÍ-
1
clráulicas. Las máquinas ele moldeo por inyección se especifican según la capacidad del molde y la fuerza de prensado. En !a mayor parle de ellas, esrn fuerza va ele 0.9 a 2.2 MN (100 a 250 ton). La máquina más gnmde que hay en operación tiene una capacidad de 45 MN (5000 ton) y puede producir piezas que pesen 25 kg (55 lb).
Este lérmino se e plica a Ja producción de piezas ariicuiadas y uniones de rótub en UJk 'lpernción. s[n neccsícfad de cn.1ambbr posteriormente las piezas. Hasla ahora se han usado dos plástic:os distintos,rnovimicnto. para asegurar que no se forme una unión e11tre las mitades moldeadas de !a unión, porqae se impcd1·· rfa
~n
En un proceso. llamado moldeo hielo_ (ire-co!d molding) se usa la misma cfos
FIGURA 18.7 Una máquina ele moldeo por inyección de 2.2 MN (250 ton). El tonebje es la fuerza aplicada para mantener cerradas las matrices o dados durante la inyección del plástico fundido en sus cavidades. Fuente: cortesía de Cincinnati Milacron, Plastics Machinery Division.
FIGURA 18.6 Productos característicos fabricados por moldeo por inyección, con algunos ejemplos de moldeo con insertos. Fuente: Plainfield molding, /ne.
":,;«J;
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4fU:b
Capítulu ·¡a/ Moldeo y confrmnac:ión ele pi<í.sl1cos y
material~:s compuestos Sección 18.5 /Moldeo rotativo
La mayor parte pesan de 100 a 600 g (3 a 20 onzas). El costo de una máquina de 100 ton va de unos 60,000 a unos 90,000 dólares; el de una máquina de 300 ton va de unos 85,000 a unos 140,000 dólares. El alto costo de los dados, que normalmente es de 20.000 a 200,000 dólares determina que sea necesario un grnn volumen de producción para justificar esta inver.sión. Las máquinas modernas tienen microprocesadores y microcompLttadoras en Llll tablero de control, y vigilan todos !os aspectos de la operación.
S.:: va a us~ir una máqu.ina Uc por de di<ímctro y 05 pulg de espesor. den moidear por inyecci6n en un solo Sl!Hado anterior?
El proceso de moldeo de espuma estructural es para fabricar productos de plástico con cubierta externa sóli-
Solución: A causa del detalle fino que es úecesari¡; de engrane), supondremos que las presiones necesarias en la cavidad del molde serán delorclen de HJ(JMPü(J5 ksi). EUirea transversal (pro2 yectada) deJ engrane e;; 1T(4.5/!4 l 5.9 pulg . Si stiponemos que el plaiJo ele separación de ias dos mitades del molde es¡á a Ja mitad del engrane, la fuerza nccesarfaes (l 5.9)(15,000) 238,500 lb..
=
=
=
La capacidad de la máguina es 250 ton por Jo que (250)(2000) 500,000 l.b de fuerza de prensado disponibie. En consecuencia. el molde puede incorporar dos cavidades; y oc pueden producir dos engranes por cáio. Ya qlle no inrluyc sobre eí área transversa) del engrane, el espesor del mism() no influye en forma dircc!a ~:obre las pn::sioncs que se m~int:jan y por consiguiente ne cambiad ref-íultado.
pm inyección de reacción Ei proceso de moldeo por inyección de reacción (RJM, de rcaction-injeclion molding), desarrollado en J 969 consiste en forzar una mezcla de resina con dos o más fluidos reactivos. a una cavidad ele moldeo y a aila veíocictad (fig. 18.8). En el molde se efccllfan reacciones químicas rápidas y el polímero se solidifica y forma una parte tcrmofija. En Ja" principales aplicaciones de este proceso se producen defensas y salpicaderns de automóviL", aislamienlo 1é1·mico para refrigeradores y congeladores, esquíes acuáticos y rigidizadores para p;i.rtcs c,,;trnc-.
plastics encv,clooe<11a.
turales. Para mejorar la resistencia y la rigidez de los productos se pueden agregar diversas fibras de refuer-zo, como de vidrio o grafito. Según sea la cantidad de partes por fabricar y la calidad requerida, los moldes pueden ser de acero. aluminio o materiales semejantes.
18.3.2 Moldeo de espuma estructural
Moldeo de partes por inyecdón
¡ f3 ..3.
489
deJ proceso de moldeo por inyección con reJcción. Fuente: /vfodem
da y una estructura interna celular. Los productos característicos de esta clase son componentes de muebles, cajas de TV, cajas ele máquinas de contabilidad y cajas de acumuladores. Aunque hay varios procesos ele moldeo de espuma, básicamente son iguales al moldeo por inyección y a la extrusión. Se pueden usar polímeros termoplásticos y terrnofijos en este caso, pero los lermofijos están en estado líqllido, como el estado de los polfmeros en el moldeo por inyección con reacción. En el moldeo de espuma por inyección, los termoplásticos se mezclan con un agente ele soplado (que suele ser un gas inerte, como nitrógeno, que expande al material). El núcleo de la parte es celular y la cubier-· ta es rígida. El espesor de la cubie1ta puede ser hasta de 2 mm (0.08 pulg), y las densidades de las piezas son tan bajas como el 40% de la densidad del plástico macizo. AsL ias piezas tienen una buena y alta relación de rigidez a peso, aunque pueden pesar hasta 55 kg ( l20 lb).
18.4 MOLDEO
SOPLADO
El moldeo por soplado es un proceso modificado de moldeo por extrusión y por inyección. En el mold~o por extrusión y soplado se exlruye primero Ltn tubo (que se suele girar hasta ponerlo vertical), que a continuac;ón se sujeta en un molde con cavidad mucho mayor que el diámetro del tubo, y por último se sopla y crece hacia afuera, llenando la cavidad del molde (fig. l 8.9a). Se suele soplar eon aire a presiones de 350 a 700 kPa (50 a J00 psi). En algunas operaciones, la extrusión es continua y los moldes se mueven con el tubo. Los moldes se cierran en torno al tubo, cierran ambos extremos (rompiendo así el tubo para formar tramos) y despues se alejan, a medida que se inyecta aire a la pieza tubular. A continuación se enfría y se ex¡misa !a parte. El tubo corrugado se fabrica por moldeo continuo por soplado. en el que el tubo se extruyc en dirección horizontal ;1 pasa a los moldes en movimiento. En el moldeo poir inyección y soplado, primero se moldea una pieza tubular (pieza brnia, "parison") (lig. J 8.9b). A continuación se abren l
18.5 MOLDEO ROTATIVO La mayor parte de l
,..,......--
il
491) Capítulo 1 n /Moldeo y conformación de pLlsticos y 1r1ateriales compuestos Sección 18.6 / Terrnoforrnado
491
(a)
,,, J
,.. ,.. Extrusor Pieza. pnrisnn
Venas de
I ·,.J
// extTu:da IJalcntamiento Q/Cola '=
::ll~~l:e
.
ta botella
,\
...-··-Boca de soplado
ffi 'Botella
Molde cerrado y soplado de~
.ép
sopiada
la botclfa
(b)
Q)
Estación de moldeo por soplado
/-Botella soplada Abertura de la punta (paso del aire de soplado)
/Molde de sop!ado
.
.
j Preforma de amllo (Je .,,-uello
i~iilo de cuello Porción brnia 'del r n o w Molde de preforma 1 'sopI¡1do
.
Esta acción lanza el polvo contra el molde, y el calentamiento pega entre sí al polvo sin derretirlo. En algunas partes se agrega al polvo un agente químico para formar enlaces cruzados, y el cnlazainiento cruzado sucede despL1és de que se formó la parte en el molde, debido al calentamiento continuo. Entre las partes que se suelen fabricar por moldeo rotativo están los tanques de varios tamaños, boles de basura, cascos de lanchas, canastas, cajas, juguetes, cajas de transporte y pelotas de fútbol. También se pueden moldear integralmente diversos insertos metálicos o plásticos, en este proceso. Los polímeros líquidos llamados plastisoles (los más comunes son los de vinilo) se usan también en el moldeo de pulpa (o por escurrimiento). Es un proceso en el que el molde se calienta y gira al mismo tiempo. Las partículas del material plástico son impulsadas contra las paredes in!ernas del molde calentado, debido a la acción dei giro. Al tocar la pared, el material se funde y la recubre. La parte se enfría mientras sigue girando, y después se saca abriendo el molde. Con moldeo rotativo se pueden producir piezas con formas huecas complicadas, y con espesores de pared tan pequeños corno 0.4 mm (0.016 pulg). Además, se han moldeado partes hasta ele L8 m x L8 m x 3.6 m (6 pies x 6 pies x 12 pies). El acabado superficial externo de la pieza es una réplica del de las paredes del molde. Los tiempos de c:iclo son más largos que en otros procesos ele moldeo, pero los costos ele los equipos son bajos. Entre las consideraciones de control de calidad suelen estar la colocación del pc;so exacto del polvo en el molde, Ja rotación correcta del molde, y la relación entre 'lemperaturn y tiempo duran!e el ciclo de horneado.
j
18.6 TERMOFORMADO
de fransforcncia
Placa scpamdora
f!GUllA ill.'J
de a) el proceso del n1oldco por soplcido para filb1·icar botellas de y b) máquina de moldeo por inyección y soplado de tres estacione·;, Fuenle: Encyclopedia olpoiymer science (2a hl.). Derecho ele aulor@ pl6stico para
19B5. Reimpreso co11 au!orizacíón de John Wilcy & .Sons, lnc.
Jlf====---='ll .
Molde---
para ernpziques.
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'-t-.. k-,-_ --~'-'¡'¡--
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Molde ·->-
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b--·>:o.d~fJ í:ali:'B· c->~tJ~ . 'e
Husillo
Eje secundario
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i
-·- i--···----1 Fll~Rd'll-
c::::.::i
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a
1
1:111
primario
rc n métodos rnecánicos. Las piezas que se fabrican con termoformado son letreros, forros de refrigerador~ empaques, c~\jas de electrodo1nésticos y tableros para regaderas. Co1no d tcrmofonna
FiGURA 18.11 Diversos procesos de termoforrnado p2ra lámina terrnoplástlca. Estos procesos ';e suelen usar pZtra fabricar letreros, fuentes para pasteles y dulces 1 tableros par¡¡ regadera y
______ '.r. - - ---tt-~ 'leFluido ¡Jrcsión I' /e j d[c
¡~;;~~--!r¡~-t~-¿.~ g -~--f ¡ r--
El term(formodo, o formado en caliente, es una serie de proct~sos para conformar lámina o película de plástico sobre un molde, aplicandu calor y presión (fig. l 8. l l). En este proceso se calienta una lámina en un horno hasta d punlo de hundimiento (o colgamiento; se reblandece, pero no basta el punto ele fusión). A continw1ción la hoja se saca ele! horno, se coloca sobre un molde y se empuja contra él, por aplicación ele vacío. El molde se encuentra nornuJlrncnte a tempcraLt.ira ;unbícnte. p(Jí" lo que la forma de! plástico se establc·ce al tocar eJ molde. Por 1a pcquefia re:-;istencia de los materiales que se forman así, la diferencia de presione:~ debjda ~d vacío sude bastar para !a 'formación, aunque también, para algunas piezas. ~~e aplican presión de ~ü
FIGURA 18. l O Proceso de moldeo rotatorio (rotomoldeo o rotocolado). Con este proceso se fabrican los botes de basura, canastas, y balones de plástico.
1. Formado por vacío directo.
e
d
._ 2- Formado por
/6n""--+ L--c= 3. Fuerza sobre la lámina
vendas y vacío
a. Calentador b. Sujetador c. Lámina de pJást;co
d. Molde c. Tubo de vacío
ViL
I[l,,,, m _h
4. Formado con lapón y anillo
,,,,,_,492 Capítulo 1g /Moldeo y con(ony1,JCión de pliJsticos y
mat1:~ri~1lc-:s con1pu0slo.<, Sección ·1 Cl.8 /Moldeo por !-ransferencia
que de lo con!rario se estrangulará y fallará. Los termoplásticos tienen gran capacidad de alargamiento 11nifc me, en virtud ele sus grm1des exponentes m, de sensibilidad a la velocidad de deformación (véase la sección 2.2.i Las láminas para !ermoformado se fabrican por extrusión. Con este proceso no se pueden formar piezas con ,1. turas u ori/'icios, porque asf no se puede mantener la diferencia de presiones durante el formado. Los moldes para termo formado suelen ser de aluminio, porque no se necesita que tengan gran resi
cía. Los orificios en los moldes (para hacer el vacío) suelen tener menos de 0.5 mm (0.02 pulg) para no marcas en las piezas formadas. Las herramientas son poco costosas. Entre los aspectos de calidad se incl rasgaduras, de las piezas.c.spesores de pared no unifonnes, moldes mal llenados y mala definición (detalles superfici
-----18] MOLDEO P"~ ~-,
493
Las piezas que se suelen fabricar así son platos, manijas, tapas de recipientes, conexiones, componentes eléctricos y electrónicos, agitadores de lavadoras, y cajas diversas. Exclusivamente con este método se fabrican partes reforzadas con libras largas y seccionadas. El moldeo por compresión se usa principalmente cou resinas termo fijas. estando el material original en estado parcialmente polimerizado. El enlazamierito cruzado se completa en la matriz calentada; los tiempos de curado van de 0.5 a 5 minutos, dependiendo del material y del espesor y la geometría de la pieza. Mientras más grueso es el material, tardará más en curarse. También, los elastómeros se conforman con moldeo por compresión. Hay tres clases de moldes de compresión disponibles: a. El tipo de rehlba, para piezas superficiales o planas. b. El positivo, para piezas de alta densidad.
En ei moldeo por compresión se coioca una carga preformada de material, un volumen predosificaclo de polvo o una mezcla viscosa de resina líquida y una carga, directamente en la cavidad de un molde calentado. El moldeo se hace bajo presión desde un tapr.ín, o desde la parte superior de! molde (fig. 18. I 2). El moldeo por com-: presión causa la formación de una rebaba, que a continuación se dimína recortándola, o por otros rné!odo,.
c. El semipositivo, para producciones de gran calidad. No se recomienda que las piezas tengan socavamientos; sin embargo, se pueden diseñar dados que se abran lateralmente (fig. 18.12d) para poder quitar la pieza moldeada. En general, la complejidad permisible de las piezas es menor que con el moldeo por inyección, pero el control dimensiona! es mejor. A causa de su simplkiclad relativa, los dados para moldeo por compresión suelen ser menos costosos que los que se usan en el moldeo por inyección.
FHGWU\ rn.12
Tipos de moldeo por cornpresión, proceso al forjado: (a) positivo, (b) sernipositivo y (e) con rebaba. La rebab;¡ de la parte (e) se recortar. (d) Diseño de moldo para fabricar una parre moldeada por compresión con socavamientos. (a)
(b)
MOLDEO POR TRANSFERENCIA El moldeo eor transferencia representa un desarrollo posterior del moldeo por compresión. El material termofijo sin curnr se coloca en una olla o cámara de transferencia calentada (fíg. 18.13 ). Después de calentado el material, se inyecta en moldes calentados y cerrados. Un vástago, émbolo o tornillo alimentador giratorio (según el tiempo de máquina usada) impulsa al material, que fluye a través de canales delgados y entra a la
(e)
Elementos
cavidad del molde. /\bi~orto
FIGURA 18.13 Secuencia de operaciones en el moldeo de plásticos tcrmol'ijos pOI" transferencia. Este proceso es especialmente-: adecuado para piezas intrincadJs con distintos espesores de pared.
Molde
Cara
r··-----·-"--·--·-· .,
Émbolo de transforencia
l (d)
~
~~-rl~1
...................________
~~
·l-c- ---~ ·------~- A!imcntador
--·-----···-Vasija de l¿~ transferencia
~ c::_[c:±=:-
Pieza rnülclcad;:i
~
Se abre e! mokk y sus partes se expulsan
Molde cerrado sus cavidades llem1s
Cerrado
;
(e)
(b)
M , \perno
y polvo de moldeo Punzón
_L_
Perno expulsor
'~leva
Ls:c prrKcso gcncre1 c
d~
Fntre las piezas que se fabrican con moldeo por 1rnnsfcrencia están componentes eléctricos y elcctrópiezas de hule y de :;ilicon:1. El proceso se adapta muy bien para formas intrincadas, con disIÍnLoi, espesores de pared. Los moldes licnden a ser más co.,lo.sos que io.s del moldeo por compr·esión, y queda algo de nwlerfal en los cana.les de! rnc,fdc, duranlc el llenado (véase también 1\!loldeo por 1rmzs(errncia de resino. vet·,··idn. 18.12. I) 1Licos, as1 corno
cnltadlo Los produclos como los v<.1sos y platos para aiirnentos de espuma de esl:ircno, los bloques aislantes y \os materiales moldeados de empaque, por ejemplo, para cámaras, electrodomé;;ticos y artículos ckctnínicos) se fabrican por moldeo de espuma. El material es poliestire110 expandible. Se colocan unas perlas de polieslireno (obtenidas polimerizando el monómero de estircno) en un molde, con un agente espumanlc. y se ex¡xmen al calor, 11ormal111ente con vapor de agua. En consecuencia, las perlas se expanden hasla 50 veces su tamaño original y toman la forma del molde. Se puede controlar Ja cantidad de expansión haciendo variar la temperatura y el tiempo. Un mélodo común de moldeo es usar perlas preex¡)(lndidas, en e! que las: perlas se expanden parci
Algune>s icnnopl:íc;ticos, corn() los nylons y los acrílicos, y algunos plásticos termofijos. como los knc)licos, poliuretanos o poliésler, pueden miar en moldes rígidos o ílexiblc,,, con una diversidad de form;r:; (f"ig. J íl 14a). Entre las parles que se suelen fabricar así están engrnnajcs, cojinetes, medas, láminas gn;r:sas .Y ccmpn11cn1-cs que nece:-;ilc.n t.ener re:-;f~;!encia al desgaste por abrasión.
En el ¡micesamiento de espmn.a de poliuretano, para obtener prodLictos como cojines y bloques ai.slantes, consiste en var_ios pasos. En forma básica, comienza n1czdando dos o más componentes químicos; la reacción forma una eslructura celular que se solidific;J en el molde. Se consiguen diver~:;as tnáquin;._1-; a rnüa y alta pi·esjón, que tienen conl"ro!cs computarizados p;wa oblcner un n:e¿clado correcto.
el rniado cnnvenciunal ele los lcnuopl<ísticos, se vierte una mezclrr de monómcro . rnl:ilizador :Y d; :¡cliiiv1x-:, después de cakn1;1rb. La parie forma después de que se e!ecufo Ja polimcrimci:':¡1 :; :tlmosl(;ric;1_ Se puccka proclucir f'or111;1.s inu·incadils con moldes fkxi!.·ics, q11c tkspué:o Puede :
a,
'il Ssi.c proceso es larnbién usado con plásticos, incluyendo los pláslicos, re·iúr;.;1drJs con hhras cortas. (véase sección ! 1.13). Los p0Jímc1\Jó. termof'ijos son fundidos fr·r1n11 :-,irnii;:r: l1.1s :;ic::a:, típic,is producidas Slll1 similan:s a J;1, que sen hechas con 1'undici1ín ele polimcro1 icrnwpi
cncap:-:Hil~1do. Uri.:~
varú1ción del coiado., imporlantc en lu industria ..-~Iéeirica y
18. 1O
scmbradn {po11ing! y cnt:aosuL.Kh Esic ¡JJ\lCcosn consiste,,,¡ colar ci pJúsiico en lomo de: un dc'.crrico, ¡Xir.:i ;.~rnbehcrln
co11;~
qut~ es p
g<1nc1-1(/,~~ ~V j)Cf'rJ(/S
con.ductor). Se pueden
cnc~ip~uÜ.U' <;...'n L."nna
DA
Los procesos que se han usado en el 1J\1hajo de los rnetales en frfo, como larninaclo, e111but~do profundo, cx·trusí6n, estampado, acufiado y formacir)n con hule, también se pueden usar para moldear muchos termoplústico~; a Lernperaturn. ambiente ((ormado en fi-fo). Enlre los materíaks carnclerísticos que se rnoklcL1n es1án el poíipropi!eno, pollcarbonaLo. ABS (acrdonitri1u-bu!adieno-cstireno), y PVC rlrziclo. Las consider.nciuncs imporu:iotcs son las siguientes:
ck~;irónica,
·;i11ti..:n1c
Y Ei'J FASE
El m~lterial debe <-;er suficicnLcmenlc dúctil a ternperanirn arnhienle. f·In acrílicos y t:ermofi.Jo:; no se pueden moldear.
rr:ícini· 1 m,<.,
con;.;ecuencia~ lo~
pohcslin:::nc\,
2º La dcfr>rmación de! ma(crial no debe ser rccupcrabk, par::t minimtzar lr:t resli!ución y ln. fluu1cia. ·¡4
dd l
(e)
l:ncdps;.d,·1do
~·on
Las ventaja~ del formado de los plásticos en frío, sobre otros métodos de rnoldco, snn !res: ¡¡J,is!icos.
a. J\Lun-:.nL:rn
la
rcsi~lencia,
lenacü.Jad y clongac!ón uníforffJC.
h. Se pueden usar plásticos con ;;llos P""º' moleculares, y fabricar piezas con mejores propiedad.0s.
{;l)
(b)
e Las velocidades ele formación no son afoctadas por el grosor de la pieza. porque no intervienen calenl:
Molde.:
(e)
[O ¡~
' b] Bobina
18.11 PROCESAMIENTO DE ELASTÓMEROS Los elastómeros (sección 7.9) se pueden moldear mediante varios procesos de los que también se usan para moldear los lcnnoplásticos. Los dastórncros termoplásticos se suelen formar por moldeo por extrusión o inyección;
1
Molde
Molde
..¡¡J~~!J::: . .
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496
FIGURA HU 5
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E:;r¡ue1'1a del
calandrado. LJs lórninas producic/Js con este proceso .se usan después en ef
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(b)
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termoformado.
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la cxlrusión es el proceso más econ6rnico y rápido. En términos de sus características túmem lermoplástico es un polímero; en términos de .su función y desempeño. es un hule.
un clas-
Estos polímeros también o:e pueden moldear por soplado o por termoformado. El poliurelano tern1opiás1ico se puede moldear por todos los métodos convencionales: también se puede mezciar con hules lermoplásticos, compuestos con cloruro de vinilo, con ABS y con nylon. Es importante l;i e
Lor; productos discre!os ele hule, como por ejemplo los guantes, se fabrican sumergiendo un molde rncUlicn, con la forma de una mano, varias veces en una mezcla líquida que se adhiere al molde. A continunci0n se vulcaniza, por fo general en vapor, y se desprende del 111oldc.
1
REFORZADOS se ckscribiú en el capítulo 9, el plüstico reforzado. un maíedal com¡:)f)sfü¡., est{¡ entre los malcriaks m:is 1 impor' dcfocrnaci6'·1 gnt· D1:hido a .:u es1n.H.:l11ra única, phi:;ticos reforzados requieren métodos cspcci:iics para mo!de:rdn; y productos útil e~; {fig. 18. !6). 1
-¡¡¡_·¡ 0, Componentes de: pláslico reforzado para una motocicleta Honda. son !a:i horquillas deianlera y trasera, un brazo trasero, una rueda y discos de (reno
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FIGURA HU7 (a) Pmceso de fabricación de un material compuesto con matriz de polímero. Fuenle: T. W. Chou, I{. L. McCullough y R. B. Pipes. (b) Cinta preimpregnada de boro y epóxico. Fuente: Avco Speciolty Materials/Texlron.
F1 cuidado que se requiere y los diversos pasos de fabricación de estos plásticos hacen que los cos1'os de procesamiento :;can apreciables y que, en general, no sean competitivos con los materiales y las formm; tr;;.. dicionales. Esta situación necesita una evaluación cuidadosa y una integración de los procesos de discfio y manufactura (ingeniería concmTcnte) para minimizar los costos y mantener la integridad y la rapidez. de fabricación del producto, Un asunto importante para la seguridad y et ambiente, en los plásticos reforzados, es el polvo que se genera durante el procesamiento. Por ejemplo, se sabe que las fibras ele carbono penmmecen <:0n el ;ir:to:1 de trabajo hasta mucho después de haber terminado la fabricación de las piezas. Normalmente, se pueden fabricar Jos plásticos reforzados con los métodos que se describen en este ca . pílulo, además de cierto margen por Ja presencia de rnús de una clase de material en el compuesto. El refoe;· .. zo puede ser de fibras cortadas, tela tejida. mecha o hilos (fibras ligeramente torcidas), o bien tramos co11tin;:o 1: de fibra (secciún 9.2. i ). Para obtener buena adhesión entre las fibn:is de refuerzo y la rnatriz de p01.ímero, al "igual CJLH.~ p::\ra tegerlas durante el procesamienw sigu.1cn1.e, las fibras se tratan superficí~1h1tenrc por imprcs·naci6n Se sHelen agregar fibras cortas a ·1os tennophisticos parad rnolcleo por inyecc.ióo; para el moldeo por t11::icc·c¡ón y reacción se pueden usar fibras molidas; las fibras rn{Js largas trozad;.is se usan priucipalm.cntt:: en moldeo de plásticos reforzados por compresión. Cuando se hace la impregnación corrlo paso aparte, las láminas que resultan, parcialmente curadas, nen non1bres diversos:
a. Preimpregmufos (prepegs). En un procedimiento normal para fabricar preimpregnados (fig. 18.17a). las fibras continuas se alinean primero. y después se someten al tratamiento superficial, para aumentar la adhesión a Ja matriz de polímero. A continuación se recubren, sumergiéndolas en un baño de resina. y por último se conforman en una lámina o cinta (fig. 18. l 7b ). Las piezas individual.es de la lámina :se ensamblan después para formar estructuras laminadas (fig. 18, ! 8a), como por ejemplo eJ estabilizadDr horizontal del caza F-14. Se han constrnido máquinas especiales, controladas por computadora, para tender bandas para este objeto (fig. 18,lSb). Los productos característicos fabricados con preimpregnados son tableros arquitectónicos planos o corrugados, tableros para construcción y para aislamiento eléctrico, y componentes estructurales de aviones, donde se requiere buena retención de propiedades y resistencia a la fatiga, bajo condiciones calientes o húmedas, b. Compuesto de moldeo de láminas (SMC, sheet-molding-compound). Las hebras continuas de fibra reforzada se cortan primero en tramos cortos (fig. 18.19), y después se depositan en direcciones aleatori3s
C1pí1ulo
,.
1iJ / Moldcco y coniorn>oci1i11 de pi;íslicos y rnoicriab cornpueslos
·
1.
l ..
Sección 18.12 / Proce:..-am1\'nlo c!e pláslicos rei'mzados
499
·f
sobre una capa de pasla de resina, que normalmente es una forrnubción de poliéster que puede contener rellenos como diversos polvos minerales depositada a su vez en una película de un polímero como polil!Lileml. Arriba se deposita una segunda capa de pasta de resina, y la lámina se comprime entre rodillos.
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El producto se forma en rollos os<: pone en capas en recipiente;, y se almacena hasta que ha pasado un
1.··
período de maduración, 1iempo en que alcanzó la viscosidad adecuada para el moldeo. El proceso de maduración se lleva a cabo a tcmperntura y humedad controladas, y normalmente dura un día.
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Los compuestos ele moldeo se deben guardar a una temperatura suficientemen!e baja como para demo-
rar su curado. Tienen um\ vida limitada en almacenamiento (unos 30 días) y se debeo procesar dentro de es1e período. También, la resina y las fibras se pueden mezcla sólo cuando se van a poner en el molde. c. Com¡mesfo de moldeo volmwitdco (BMC, bulk molding r·ompound). Estos compuestos ti.enen la forma de palanquilias (de .ln el proceso de extrusión (capítulo 15) para obtener una forma a granel. Cuando se moldean, los BMC tienen características ele l'lujo parecidas a los de una masa de repostería, por lo yue también se ks llama compuestos de moldeo de maso (Dl'vIC.
dough molding co111pow1ds) .
d. Com¡:mesto de moldeo grueso (TMC). Estos compuestos combinan una caracterís!ica de los BMC (menor costo) con una de los SlV!C (m<:yor resistencia). Se 'uelcn moldear por inyección, con fibras lrozad;:is de diversas longitudes. Una aplicación es para fabricar componentes eléctricos, por la al la rigi·· de¿ dieléctrica de los TMC.
,.."'"'"''". R;iquetas de tenis hechas de materiales
rn•mn~º'*""
Parn obkncr ciertas c~iracterbtic~t.'> f.:lvor~1bks, como bajo peso)' rigidi.;7.: s...: fabrican de rcnis d": rn~itt.;ria1c:; compositn'.'). con fibras de rcCucrzo con grJJiw, fibnJ de viclrío. boro, cid) y Kcvbr. E:-.tas raquew-.: ¡j~ncn ur: núclcu J,~ e~;puma: algunas tienen refuerzo unídirecdonai y otras lo 1
tienen rramaJn.
flGURA ·HL1H (r1) lPi1rlido de; G)f)d ún1ca dE' cinJCJ d(~ boro y ep6;
LH:-- raquct1s con f~hras dr: horn tienen b rn~1xima rig1clez. y !es siguen las ck grafito, después !~1s ck vidrio y Jespués las ~k· La raqu('1<.i C)n la m(~ncH· rigidez tiene 800~.' de ·libra de \'j
18.12.í l\!\oideo
1
Milling 1\/ízH l1i11e Compd11y.
1:
Hay v2rio~ procesos de rnotdco para plüsticos reforzado~, que se describirán en esta sección: a. En e! rnoklieo por cm1npresEórn, ei matcri2l se pone en1Tc dos moldes y se aplica presión. Según d material, los moldes pueden estar a lcmperalura ambiente, o ser calentados, para acelerar el endurecimiento. El material puede estar en forma volumétrica (compues!o de moldeo volumd.-ico, mezcla viscosa y pegajosa de polímeros, frbras y aditivos). Por lo general se moldea en un trozo que a continuación se cort1r a la forma deseada. Las longitudes de fibra pueden variar de 3 a 50 mm (O. l 25 a 2 pulg), aunque también se pueden usar fibras más largas (por ejemplo, de 75 mm o 3 pulg).
Tri1urado1
FIGURA rn.19 l'roceso de fabricación de láminas de pl;ístico reforzado. La hoja todavía es viscosa en es!o etapa; despw~s se puede amoldar a diversos productos. Fuente: T. W. Chou, R. L McCullough y R. 8. Pipes.
También se pueden usar los compuestos de molclco de láminas. Se parecen a los BMC, pero la mezciJ de fibra y resina se tiende entre las láminas de plástico, formando un emparedado que se puede manejar con facilidad. Las láminas se quitan cuando el SMC se pone en el molde. b. En el moldeo en bolsa al vado (fig. 18.20) Jos preimpregnados se tienden en nn molde, formando el contorno deseado. En este caso, la presión necesaria p1rra moldear el producto y desarrollar buen;i adhesión se obtiene cubriendo el tendido con una bolsa de plástico y creando un vacío. Si se desean más calor y presión, sé pone el conjunto en una autoclave. Se debe tener cuidado para mantener la orienta-
son
Cap:·tulo ·1 <3 /Moldeo )' coníorrnac ión de:: p!áslkos y
matt~riaJe;..
compues1os
, Sección 18.12 / Pn.xesamiento de plásticos reforzados
5~H
(:i) (h)
Barra
Ain.!a
J
0 Filamento conünuo
(a)
:1>45 kPa
de :w_jcc:16n
Pre;.;ión atmosférica
(b)
Bano v1,·il._J·crodcrcsma
DGsmolck~ld(ir
Curado a temperalura ambiente o en horno: tendido a mano o por aspcn;ión
13.2()
(a)
Tendido a mano o por aspersi6n
Moldeo con bolsa al vacío. (b) Moldeo con bolsa a presión. Fuente: T. H. Meister.
ciún de las fibras, si es que se desean. En los materiales de fibra trozada no específicas.
pretenden oricnlacionc:s
-81
~u -Mandril 1·01.atorio
FIGURA 18.22 (a) Esquema del proceso de devanado de filaménto. (b) Fibra de vidrio devanada sobre forros de aluminio para recipientes inflables deslizantes para el avión Boeing 767. Fuente: Brunswick Corporation, Defense Division.
Para evitar que la resina se pegue a la bolsa de vacío, y para facilitar la remoción de su exceso, se colocan varias !irninas de diversos materiales (tela de dcóprendimiento, lela de purga) sobre las láminas de preimpregnado. Los moldes pueden se1· ele rnetai. en general aluminio, pero con frecuencia se hacen cor: la misma resioa (con refoerzo) que d material que se va a curar. Con esta práctica :;e elimina cualquier problema de diferencias de dilatación ténnica entre el molde y la pieza.
tón de! tipo de desplazamiento positivo, dentro de la cavidad del molde que es llenado con fibra de refuerzo. El proceso es una alternativa viable al tendido a mano. a la aspersión y al moldeo por compresión, para producciones bajas o intermedias.
c. Los procesos ele moldeo por eoniacl:o usan un solo molde macho o hembra (fig. J 8.21) hecho de materiales corno plásticos reforzados, madera o yeso. El moldeo por contacto se usa para fabricar productos con grandes relaciones de área a espesor, como por ejemplo piscinas, lanchas, unidades de lin:: y regadera y cajas. Es un 1nétodo '~húmedo" en el que e1 refuerzo se jinpregna con la resina en el momento de moldearlo.
e. Moldeo por trnnsforcnda e inyección. Es una operación automatizada que combina el moldeo po'· compresión, el moldeo por inyección y el moldeo por transferencia. Se está investigando el polenci:i! de este proceso, en vista del buen acabado superficial, estabilidad dimensional y propiedades rnecJnÍ·· cas, propias del moldeo por compresión. combinadas con Ja gran capacidad de automatización y el ba jo costo del moldeo por inyección y el de transferencia que se alcanzan.
Ei:i n1t~todo m.ás senciUo es ci de tendido 3 n1ano. Los nwteJiales se tienden y se conforrnan en e} molde mano (1ig. .18.21 a), y por exprimido se expulsa todo el aire arrapado, y se compacta la pieza. El mol·· deo t:rn1bién se puede hacer por aspersión (rodado; fig. 18.21 b).
aspersión se. puede aut<)rnatizar, estos procesos son relativarncnte lentos y !os cosr:os de nr;~ nn de obra son ;titos. Sin embargo, son sencillos y bs herramientas son poco costoscis. Sólo fa cara y !:1 variedad de materiales t;:,:., lirni1·aJa. IV1uchas clas-ts de 1.aTH.'.)!.:_.\:-1 rnoldc qnc se va a usar debe s-:;r s""; fahric;.rn con e;.;tc rroceso. Aunque
Üt
por tra1rns:fr.:ren.cfa de ftE:Sin.ól ~e basa en ei rnoicieo por transfercnci
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I
Rodillo
Brocha
~ WzMo'• ~=11--
(b) Colchoneta de fibra de vidrio trozada
18.12. 2 Devanado de filamento, pu ltrusión y pu !formado a~ Dev:t~Jíu1do
de fHm:nento~ Es un proceso en que se combinan la resina y las fibras durante el curado (fig. l8.22.a). Las piezas con simetría axial. como tubos y tanques de alrnacenan1iento, y hasta pie1:
Los productos fabricados con devanado de filamento son muy resistentes, por su estructura tan ref •rzada. Este proceso también se ha usado para reforzar recipientes a presión cilíndricos o esféricos (Y:g. i 8.22b) hechos de materiales como aluminio y titanio. La presencia de una cáscara metálica hace la pieza sea impermeable. El devanado ele filamento se puede aplicar en forma directa sobre moldes para cobetes de propelente só-liclo. Se bao desarrollado máquinas controladas por computadora, que trabajan con siete ejes, para fabri"· car pmtes asimétTicas, que dosifican en forma automática varios preimpregoados unidireccionales. Lis partes asimétricas características de este proceso son conductos de motor de avión, fuselajes, hélices, hojas y puntales. b. Pultrnsión. Las formas largas con diversas secciones uniformes, como por ejemplo varillas, perfiles y tubo, de tipos pm·ecidos a los de productos metálicos extruidos, se fabrican con el proceso de puitrusión. Fue desarrollado a principios de los 1950, y consiste en jalar de un refuerzo continuo (colchoneta o tela) a través ele un baño de polímero termofijo, y después a través de un dado de acero largo y caliente (fig. 18.23). El producto se cura durante su paso por el molde. Después es cortado en los tamaños deseados. Para mejorar el impregnado de la fibra con resina, se usan presiones hasta de 2800 kPa (400 psi). El material más común que se usa en la pultrusión es el poliéster reforzado con fibra de vidrio. Los productos caracteristicos son palos de golf, ejes de impulsión y miembros estructurales como escalerillas, pasillos y pasamanos.
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502 C1pítulo
·¡e/ MoldL'O y coníorrnaci611
dt~ plástícos y mJieríale~ co1npuestos Sección 18.'! 3 /Procesamiento de materiales cornpositos con matriz de metal
503
C:irnara de curado con dado de pul!rusión
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FIGURA 18.23
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iull-purpose vehicíe) de General Motors: sin embargo; .se da ptcfcrenciahoy_a las nuevas pomayor estabiiidad térmica, tenaddad a baja ternperatuntymenorcs tiempos de ciclo. posibles. Las piezas grancjes horizontales exeriores: com() capotas, techos y cajuelas .s~ fabÍ'ican con poliéster o reforzados, en forma de compuestos én láminas moldeadas por compresíó1;. Sin embargo, las menor voll\men se hacen hoy con moldeo por nwi.1ferencio de resina (RTM); princíp¡¡Jmentc los costos, que son rClatívamcntc bajos en heri-amientas. Cada vez tienen mayor importancia las consideraciones ambientales y de tecíclado para seleccionar ·íos materialcsy procesos para fabricar automóviles ..El 6xido ele polifcníleno, que se usaba en el Jeep Che;rokee yen las consolas superiores del Plymouth AcClaim oDodge SpirÍ\, está siendorcernplazado por poJicarbonato, fabricado
a parlir de materiales iülJ% recupera(fos.
. ·--- - Generador de rmcroondas
Consideraciones de calidad en el procesamiento de plásticos refmzados
Esquema del proceso de pultrusión.
c. PuEformado. Los productos reforzados en frirma continua sin secciones trnnsversales constantes son fabricados por pu/formado. Después de tirar de él a través de un baño de polímero. el material compuesto se sujeta entre las dos rnitacles de un molde y se cura hasta Hcgar al producto terminado. Los moldes se recirculan y moldean en forma sucesiva a los productos. Los artículos que se fabrican normaimenk son mangos de martillo reforzados con libra de vidrio y hojas curvas de muelle automotriz.
Las principaleo; consideraciones de calidad acerca de los procesos que se describieron en esta sección, implican que hay vacíos internos y huecos entre capas sL1cesivas ele material. Los gases volátiles que se producen durante d procGso deben poder escapar dd tendido a través de la bolsa de vacío, para evitar porosidades debidas a los gases atrapados. Se pueden desarrollar microgrietas durante un curado impropio, o durante el transpm:e y manejo. Estos clel'eclos se pueden descubrir con banido ultrasónico y con otras técnicas (véase la sección .i6.9).
Carrocerías automotrices de polímeros moldeadas con diversos procesos i,a kndcnc1a a u"lr materia!t·s polimericos en las carrocerías auwmotiices ha aumentado e1i !Orm;; :;cdebt1re !os autus fabricados en Estados Unidos que u·sá1í divc.rsas piezas de carrocería de polímero:, csi<ín el Pl1illí:K Trans Sport, Chevrolet Lumina. Oldsmohile Siibouettc, todos los modeio.s Smurn. C!ie: r"ier C11nar" e! Pon1íac Fircbird. Lis piezas qu<: se fabrican así son los verticales. corno i:ts dcfc1J:,;¡:, cuan'"· y la.'· Licias
¡"" siJ!uic·rnc;., mc.'lodos '"n lo.s que rn
3.
:1. í'rncesamienio en fase líquida, que consiste fundamentalmente en colar la matriz de líquido y e! rc-
molde:tdo:- por inyecci6o con reacción:
''"PUL'.str,s de moldc:o de Límin:1 (Si'v!Cl moldeados por compresión; tamhi611. al:w ck pnl1c'"1,·r V!jj{lii:o
Los tres métodos básicos de fabricar materialeo cornposilos con matriz de metal (MMC) y formur partes forrna casi neta se ckscriben en esta sección.
compiten emrc:
i. 1crrno¡-Jiú.1.itii..:o.1., y ela.-..tómero:-;; rnolde1dos por 2.
18,13 PROCESAMIENTO DE MATERIALES COMPOSITOS DE METAL
:nui\.Jt:adc; ror l!'ail.S/t:P .'llCi~¡ ck_• re:..,Ína.
b1 G! Saturn .se usan los CÍ\ls lateraie.s inyecci6n; y otro:¡ componentes extcrirnb !' "'"' des. Sus salpicackras delanteras y tmseras son de érer de polipmpileno y nylon; los exteriores de sus pu'"'" !as son de pulicarbon<1to y ABS. y sus facias son de poJiolefina termoplüstica. Se o;cicccion:iru;; c.<,i<" rnctkriules por su flexibilidad en el disct1o, rco;istencia y tenacidad al. impacto, resistencia ala corrosión. gran liurnucín y poca masa. Los paneles verticales y las facias'Se fabrican. e.h moldes.de varias cavidades en müquinas de moldeo por inyección de 5000 y a continuacíól) se ensámblan mecánkamcmc sobre un marco de acero. Entre las novedades están las defelis
lone!üda~,
facrzo sólido con alguno de los procesos convencionales de colado (capítulo l l) o el colado con infiitr:ición ele presión. En este proceso se usa un gas a presión para forzar al metal de la matriz líquida a pasar a una preforma (por lo general moldeada con lámina o alambre) hecha de las fibras ele refuerzo.
b. Procesos en fase sólida, que consisten en técnicas de metalurgia de polvos. incluyendo el prensado isostático frio o caliente (sección 17.3.2). Es importante el mezclado adecuado para obtener una distribución homogénea ele las fibras. Un ejemplo de esta técnirn. que se emplea en fabricación de herramientas y matrices o dados de carburo de tungsteno que tienen matriz ele cobalto, se ve en el último ejemplo de la sección 17.5. En la fabricación de piezas complejas de matriz metálica con refuerzo de triqLiitas o de fibras, son muy importantes la geometría de la matriz y el control ele! proceso, para asegurar la buena distribución y orientación de las fibras en el interior de la pieza. Los artículos de matriz de metal fabricados con procesos de metalurgia de polvos se suelen tratar térmicamente para obtener propiedades óptimas.
Las piezas exteriores grandes de la caffocería soi1 fo!Jl'icada5 tambíénéon.poliµretano moldeado por 1eu"ci1ín e i11vecci1in (RIM), aunque las poli ureas están cobrando importancia.en las caffocerías y defensas aut< •molriccs.
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· ·• ~ .. ,
L;, mayor parte ele las piezas delanteras y traseras·
-~-'-,
s~ fabrictm éon poliuretano RIM. como la,, dd
c. Las técnicas que se usan en el procesamiento en dos fases (líquido y sólido) consisten en el "rheocasting", que se describió en la sección 11.14.2, y en atomización y deposición. En los últimos procesos, se mezclan las fibras de refuerzo con una matriz que contiene fases líquida y sólida al mismo tiempo.
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:ITTw
504 Capitulo 13 /Moldeo y conformación
d(~ plásticos y maL<..~ria.les compues1os Sección 18."l S /Consideraciones de diseño y economía pa¡;;:i, el moldeo y coníorrnación de plósticos
Ejemplo: metálica Rotores de freno y camisas de cilindros fabricados con compuesto de matriz Algunos rotores de frenos se hacen hoy con Compuest()s torm:iu
(SiC).Ü~
li1~gotes y.ftunbore~defreno, ~is!)ll~o ~~ men6.sfa.!1Ji.taif~re~so
las
Para mejorar la resistencia.al desgaste y al calor de las éamisas de cilindro de hierro colado en bloques de motor de aluminio, se están desarrollando camisas de matriz de aluminio. La capa de cer6mica en ma. triz metálica consiste en 12% de fibras de óx.ido de aJurnitúo (AJ 0¡) y 9% de fibras de grafito, con espe1 sores entre 1.5 y 2.5 mm f0.06 a 0.1 ¡:mlg).
8.·14
----------
PROCESAMIENTO DE MATERIALES COMPUESTOS MATRIZ DE CERÁMICO
Varios de los procesos que se usan para fabricar materiales compt1'cstw; con matrjz de ccr;\mico (CMC) se describen en esta sección. Además de ellos, se están desarroilando técnicas nuevas, como inii ltrnción ele fundido, oxidación controlada y sinterizado en prensa caliente, que todavía estün en etapa c;tperjmentaJ, para me.iorar las propiedades y el desempefío de estos materiales compuestos. La intilti:ación por esc1m:imien!o (sluny) es el proceso más común. Implica la preparación de una preforma de fibra, que se prensa en caliente y a continuación se impregna con un lodo (que contie.ne al polvo de la matriz), un líquido portador y un aglomernnle org:ínico. Un desarrollo de este proceso es la adhesión ron reacción, o sinterizado con reacción del lodo. El uso de infiltración de lodo se obtiene alta resistencia. tenacidad y estructura uniforme, pero el producto tiene propiedades limitadas a alta temperatura, por la baja kn:peratura de fusión de los materiales de matriz que se usan. Los procesos de síntesis química implican técnicas como sol-gel y polímcro-precurwr. En el proceso soJ .. gel, un sol, que es un fluido coloidal con líquido como fase continua, y que contiene fibras. se convierte en un gel, que a continuación se SUJeta a tratamiento térmico para producir un compuesto con matriz de cerámico. El método polímero-precursor se parece al proceso para fabricar fibras de cerámico. En la infiltración química de vapol', se infiltra una preforma porosa de fihrn con la fase de la matriz, usando técnicas de deposición de vapor (sección 33.5). El producto tiene muy buenas propiedades a alta temperatura, pero e] proceso es costoso y tardado.
18.'l S
r/,
cía, se deben seleccionar los tamaños de Jos perfiles tratando de mantener un módulo de sección alto, para tener mejor rigidez. También, el refuerzo con fibras o partículas puede ser muy eficaz para lograr este objetivo, al igual que el disefío de perfiles transversales con gran relación de momento de inercia entre área. Una de las vent<~as principales del disefío con plásticos reforzados es la naturaleza direccional de la re· sistencia del malerial composito (véase, por ejemplo, la fig. 9.7). Las fuerzas aplicadas al material son transferidas por ta matriz de resina a las fibras, que son mucho más resistentes y rígidas que la matriz (véase el capítulo 9). Cuando todas las fibras están orientadas en una dirección, el material compuesto que resulta, tiene resistencia excepcional en esa dirección. Esta propiedad se usa con frecuencia en el diseño de estructuras de plástico reforzado. Para obtener resistencia en dos direcciones principales, se suden tender dos capas individuales unidireccionales en los ángulos adecuados entre sí. Si se desea Ja resistencia en la tercera dirección (el espesor), se usa un material compuesto de tipo distinto, para formar una estructura de emparedado. Las propiedades físicas, en especial un alto coeficiente de dilatación Lérmica (y por consiguiente de contracción) son importantes. El diseño o el ensamble inadecuado de la pieza puede originar torcimientos y contracción (fig. 18.24a). Los plásticos se pueden moldear con facilidad en torno a piezas e insertos metálicos. Sin embargo, su compatibilidad con los metales, en esas condiciones, es un aspecto importante. La forma general de la pieza determina el proceso particular de formado o moldeo. Aun después de haber seleccionado determinado proceso, los diseños de la pieza y la matriz deben ser tales que no causen problemas rcdativos a la generación de la Jorrna (fig. l8.24b), al control dimensional y al acabado superficial. Como en la fundición de metales y aleaciones, el flujo del material a las cavidades del molde se debe controlar en forma adecuada. Se deben tener en cuenta los efectos de la orientación molecular durante el procesamiento, en especial en la extrusión, terrnoformado y moldeo por soplado. Se deben evitar grandes variaciones en el tamaño de las secciones transversales (fig. l8.24c) y cambios abruptos en la geometría para obtener mejor calidad en el producto y mayor vida del molde. Además, la contracción en secciones transversales grandes tiende a causar porosidad en las piezas de plástico. Por el contrario, una falta de rigidez puede dificultar el desmoldear secciones delgadas, después de haberlas formado. El bajo módulo ele elasticidad ele los plásticos requiere además que las formas sean seleccionadas correctamente, para tener mayor rigidez. en el componente (fig. 18.24d), en especial cuando es importat1tc ahorrar material. Estas consideraciones se parecen a las de! diseño de fundiciones y forjas metálicas. Las propiedade;; del producto final dependen de! material original y de su historia de procesamiento. El trabajo de los polímeros en frío mejora su resistencia y tenacidad. Por otro lado, por la falta de unifonniciad en la deformación (aun en un laminado sencillo), se desarrollan esfuerzos residuales en los polímeros, así co-
(a)
Dise-.ílo
(e)
(b)
Forma del dado
·,,,,..::"" ...,_ ···r~·.v "~"~ '"~z ~
· "· n
°w .. ·w '"'
""'"~ '"
,.,,,, ,.
Rechupe
¡[-+~¡¡. 1
1
1
•
1
:
1
'=-¡---...;
~)'_...··Delgada
Comparados con los metales, los plásticos tienen menor resistencia y rigidez, aunque las relaciones ele resistencia a peso y rigidez a peso en los pl;ísticos reforzados es mayor que en muchos metales. En consccucn·
--v,,
Diseño modificado
(d)
_j\-/ Gruesa {~
1
~~ Producto cxtmido
"''"·";r-~f
Distorsión
origina!
CONSIDERACIONES DE DISEÑO Y ECÓNOMÍA PARA EL MOLDEO Y CONFORMACIÓN DE PLÁSTICOS
Las consideraciones de diseño en el moldeo y Ja conformación de plásticos se parecen algo a las que se usan en el procesamiento de metales. La selección de un material adecuado entre la extensa lista requiere considerar requisitos de servicio y de efectos posibles a largo plazo sobre las propiedades y el comportamiento (corno estabilidad dimensional y desgaste), así como del desechado final después de terminar la vida del artículo. Algunos de estos asuntos se describen en la Introducción general, subtítulo Diseño y manufactura ambiental con conciencia social, y en las secciones 7.8 y 37.4.
505
'
FIGURA 18.24 Ejemplos de modificaciones al dise1'io, para eliminar o minimizar distorsiones en piezas de plástico. (a) Cambios sugeridos en el diseño, para minimizar la distorsión. Fuente: F. Strasser. (b) Diseño de la matriz o dado (exagerado) para extruir perfiles cuadrados. Sin este diseño, los productos se hinchan por la restitución del material; este efecto se llama hinchamiento. (c) Cambio en el diseño ele una costilla para minimizar el rechupe causado por contracción durante el enfriamiento. (d) Aumento de la rigidez en el fondo de recipientes delgados de plástico mediante convexidad. Esta técnica se parece a! proceso para fabricar los fondos de latas de aluminio para bebidas. ·
~.,,,,,....-
506 C;p1iulo ·¡ 8 /Moldeo)' conforniación de ¡il,ísticos y 11lJleri,1les compueslns Resurnen
h d\,m¡,¡,, de'"'~'"'''"'"'"""'"· iPdep'"d'"'""'"" de"'"'.~ prod""""· "°" '"°""" im""''"
507
mo en Jos me!ales. Estos e.sfuerzos se pueden generar también por ciclos térmicos en la pieza. La rnagnituct
TABLA 18.3
vida títiL esfuerzos p1wdcn desaparecer después de cieno tiempo y cnusar distorsión de la pieza durante tes. Estos
Cantidades económicas de producción para diversos métodos de moldeo Inversión relativa necesaria
Economía. Co1110 en todos los procesos, las decisiones de diseño y manufactura se basan, en úJtün{ término, en la eficiencia y el costo, incJuyendo los costos del equipo, herramientas y producción. La seJeccfo
p1uc~p dcpecdc
o,,,¡ de m1
So'"'"º" "~P<~ ''""'°"'"·'de
'°'"'""de
mPchp dd pmfo"""·
m~s
Los moldes mayores deben tenerse en cuenta en ei caso de necesitar un nú111ero mayor de cavidades, a expensas de aumentar todavía d costo del molde; por otra parte, se producirán mcís piezas poi· cich> de máquina y ;1ume111ani fo tasa de producción. Se: debe hacer un an:ílisis deta!Jado para caicular la cantid<1d 6pGma de el tamaño y la capaciclad de Ja m[tquina. Se aplican parecidas a otros rneLodo.':i decavidacle;;, procesan1iento de plí.ísticos. En las i:>blas 18.2 y 18.3 se presentan lineamientos generales para el procesamiento económico de pLislicos y materiaies composiros. Nótcnse los ¡,:rancies costos de capital para mo!dcar
Tendido a mano ASpersión Colado Moldeo con bolsa al vacío BMC moldeado por compresión SIVlC y preforma Moldeo con bolsa a presión
Colado centrífugo Devanado de filamento
'Pultrusión
Moldeo rotativo Moldeo por inyección
Tasa relativa de producción
Cantidad económica de producción
B B B
MB B B MB A A B M B A M MA
Equipo
Herramientas
MB B M M A A A
B B B B MA MA A
ll
A
A A A A MA
M B A B MA
A A A MA
ll
A A
Fuente: G. G.BraHa (Ed.), Nandbook of pmdiu:t Jesignfor manufacruring. McGraw-Híll, 1986. MB =muy bJjo, B =bajo, M = me
para la
rieclad de l:1sJs de producción. Para los materiales compneslos. los costos de eq11ipos y
mayor parte de opcracjones de mokle(\ son aitos en general, y las tasas de producción y los lotes econ6micos de producción varían mucho.
RESUMEN <> Se pueden formar y moldear los termoplástícos con diversos procesos, como extrusión, moldeo, cola-
C:ostos ·-·-·- ··--·------~L2 -·---.- .._,_ ___.. ______ _
de los -·----·---··----·--·---------
:apitaJ Costo de herramientas
lVhc¡u11wdu
Mold,~o por compn~.si<)n 1Vlo!dco (le trHnsJcrcnci
Mcdi~t
,\J10
iVkdin
Alto
Medía
Alto
Alta
f::xtru,<;J(JIJ
Mt:dio Moldeo rofalivo f\/loldco por .<;opbdo Ternroformad()
13;\jo Medio
Jvfedia
fü\ia
Colado
Rijo
Muy ba_ia
Foijado Alto Moldeo de espuma
B
Alto
Tf"f( •""'fñf ... ~_,,.
'º'
Al!o
1
¡--·-·--·-
Alto Alto
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Medio Bajo
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Bajo
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Medio Medio
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"'·~"··~·'·""'e'@""'?' •'"'''""t'...~f,. vm·ww
Wb
"'-"'"-'~~·
"' Los pl{lsticos reforzados con fibras se procesan para formar componentes estructurales usando mon6· meros líquidos, preimpregnados y compuestos a granel y en hoja para moldeo. Entre las técnicas de fa. bricación están diversos métodos de moldeo, devanado de filamento y pultrusión. Son importantes el tipo y ia orientación de las fibras, así como la resistencia de la adhesión entre fibras y matriz, y entre las capas de material. • En el diseño de piezas de plástico se debe tener en cuenta su baja resistencia y rigidez, así como sus propiedades físicas, por ejemplo la gran dilatación térmica y la resistencia térmica, que por lo general es baja. Se dispone de técnicas de inspección para determinar la integridad de estos productos.
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Fueme: Según R L. E. Browu. D 1wcmn ele John Wiley & Sons. fnc. 'Proceso continuo - · ""mu, uestgn and mam¡/i1ctu1v 11/[>lastic parts. Derecho ele autor© 1980 por Jolrn Wiley & Sons. !ne. Reimpreso con
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Alta fü~ja
Ktjo
do y tennoformado, al igual que con algunos de !os que se usan en el trabajo de 111etales. La materia prima suele esiar en forma de "pellets" y polvos. La gran sensibilidad de los termoplásticos a la rapidez de deformación permite un extenso eslirnmiento en las operaciones de formado; así se pueden produ-· cir formas complicadas y profundas. Los plásticos termo fijos se 111oldean o se cuelan, en general.
" Por su uso cada vez 111ayor en aplicaciones críticas, el procesamiento de materiales compositos con matriz metálica y con matriz cerámica, ha sufrido importantes mejoras para asegurar la integridad del producto y para reducir costos. Los materiales compuestos con matriz de metal se procesan en fase líquida, fase sólida y en dos fases. Los de matriz de cerámico se pueden procesar por infiltración de lodo, por síntesis química o por infiltración química de vapor. o Debido a la diversidad de materiales debajo costo y las técnicas de manufactura disponibles, una consideración importante es la economía del procesamiento de plásticos, solos o reforzados (en especial cuando se comparan con componentes metálicos). Incluye, como parámetros importantes, los costos de moldes, tiempos de ciclo y los volúmenes de producción.
~--50ll Capítulo ·¡ IJ I Moldeo y con(orrnac.ión de pl<'is!icos y n1r.1lf'r1ales compuestos
----·----·---
Pregunlas de repaso
e Se están desarrollando piezas y componentes de plástico reforzado en forma. acelerada, para aplicaci nes donde se requiere gran rigidez y relación de resistencia a peso.
" Se está imp!emcmando e! disefío de moldes ayudado por computadora, en especia! para moldeo de fot mas complicadas por inyección. Se están desan-ollando varias técnicas analíticas y computarizadas p, estudiar el flujo de materinl a los moldes, para optimizar y hacer consistente !a calidad de la pieza. "' Se están desarrollando técnicas de automatización en la manufactura de piezas compuestas, para com, pc1.ir económicamente con materiales y mélodos de fabricación convencionales. "' Se están desarrollando enfoques de maquinaria controlada por computadora e ingenierfo concu1Tente; para mejorar ducir costos. la calidad y la tasa de producción a las estructuras de plástico reforzado, así como para re., Están prcvafociendo cada vez más los diseños de devanado de filamc1110 generados por computadora, así como máquinas devanadoras manejadas por computadora.
" Se están desarrollando materiales compuestos más tenaces: estructuras de dos capas formadas por eslra!os suaves, düctiles, de alto módulo y gran tenacidad, alternados con estratos duros, frágiles, ele alto módulo y baja tenacidad. Las capas frágiles se infillrao con un ingrediente dúctií.
-----------------------··Cahmclrado Colado Compuesto de moldeo en !{imiirns
CompliCslo de moldeo grueso Comptiest<) Lle 11l
Devanado de filamcnln Encapsulado Extn1si6n Formado en frío
fnllltracjón de lodo Inri!tración química de vapor Jvio!cle() c
l\lloldeo de espuma estructural Moideo de pulpa rvioideo de transferencia Moldeo en bolsa de vacío Moldeo en fase ::;ólida Moldeo en hielo Moldeo por compresión Moldeo por cont~ido r"Y'io!deo por extru.si6n y soplado Moldeo por inyección Moldeo por inyección y reacción Moldeo por soplado 1\1.o!deo por transferencia de resinas
BIBLIOGRAFÍA
"iiig Materíal,1· Handhook, Vol. \: Composites. ASM fnternational, 1987. an, D., andA. Barbalata, Synthetic Po/ymers: Technology, 11 ·pri!perties, applications. Chapmao & Hall, 1996. eyi R.G., Polymer Process Engineering. Chapman &
Hall, 1995. 'vski, T.G., Advanced Camposites lVIanufacturing. WÜey, 1997. , W.M., Extrusion Coating: Equipmenl and MateriaL~·. Tappi Press. 1997. 'sko, C. W., Fundamenrals ofReaction-büection Molding. Oxforcl University Publisbers, 1989. (ed.), Composites Engineering Handbook. Marce! 1997. R.A., Plastic Part Design j{!r Jnjection Molding-An Introduction. Hanser-Gardner, 1994. R.M., and N. I-lancox, Design. Data .for Rein/'orced Plastics: A g1údefor enginecrs and designers. Chapman
& Hall. 1994. Meyer, R. W., Hamlhook rifPultrn
Pye, R.G. W., Jnjection Mold Design. ( 4th ed.). Wiley, J989. Quinn, J.A., Composites Design Man11al. Technomic, l999. Rauwcn
Moideo ro1atiV<> Partículas ("pelJets'')
Pieza brt11a (Parison) Piastisoics Preimpregi1ados Procesamiento en dos fases Pi::ocesarniento en fose líquitb Pulformadl>
PREGUNTAS DE REPASO 18.1 ¿Cuá.les son las formas de las materias primas para procesar plástico~ y fabricar productos?
Pu/trusión Sembrado
J.8.2 Describa las partes de rnJ extrusor.
Sínlesi~ química
18.4 18.5 18.6 18.7 18.8 18.9
Sobremoldeo Tcrrnoform;itlu
-~---
18.3 ¿Por qué el moldeo por inyección es capaz de producir piezas con formas complicadas y detalles finos? ¿Cómo se especifican las máquinas de moldeo por inyección? Descriha el proceso de moldeo por soplado. ¿Qué es a) una pieza bruta (parison)'? b) un plaslisoi? e) un preimpregnado? ¿Cómo se produce una película delgada de plástico? Haga una lista de varios productos que se puedan fahricar por termo formado. ¿Qué semejanzas hay entre el moldeo por compresión y el forjado por estampado?
18.10 Explique la diferencia entre el sembrado y el encapsulado. 18.11 Describa las ventajas del formado de plásticos en frío respecto a otros métodos de procesamientn.
Bcrins, M.L. (ed.), Plastics Engineering Handbook (5th ed.). Chapman & Haii, 1995. 13howmick, AK., Ruhher Pmducts Manufacturing Technology. Marce! Dekker, J994. Bitzcr, T.,
llll . '""'•'"'"'• ···•-..· ·- .....
Honeycomb Technology: 1l1aterials, Design, Manufacturing, App/ications andTesting. Chapman & Hall, 1997.
CampbeJJ, P.D.O., Plastic Componen! Design. Industri:Jl Press, 1996. Chabot, J.F., Jr., The Development of Plastics Processing Machinery and Methods. Wi!ey, J992. Chanda, J.M., and S.K. Roy, Plastics Technology Handbook (3d ed.). Marce! Dekker, 1998. Cracknell, P.S., and R. W. Dyson, Handhook ofThermoplastics lnjection Mould Design. Chapman & Hall, 1994.
509
18.12 Cite los métodos principales para procesar plásticos reforzados. 18.13 ¿Cuáles son las características de los productos fabricados con devanado de filamento?
1.8.14 Describa los métodos para fabricar productos tubulares de plástico. 18.15 Haga una lista de las ptincipales consideraciones de diseño para formar y moldear plásticos reforzados. 18.16 ¿Qué es la pultrusión? ¿Qué es el pulformado? 18.17 Describa los principales procesos de manufactura para fabricar materiales compuestos con matriz de metal. 18.18 ¿Cómo se producen las láminas y membranas gruesas de plástico'? 18.19 ¿Cómo se producen los vasos de espuma? 18.20 Si un polímero está en forma de una lámina delgada, es un termoplástico o un tennofijo? ¿Por qué?
!
._,,,-srn
Capítulo "! 8 /Moldeo y conformación de plásticos y materiules cornpuestos SínLesis
y diseño
511
PROBLEMAS CUALITATIVOS Y DISEÑO 18.21 Describa las ventajas de aplicar las técnicas tradicionales de formado de metales (capítulos 13 a 16) para moldear ticos. JS.22 Explique las razones por las que se adaptan más ciertos procesos de moldeo a cic1tos pliísticos que a otros. 18.23 Desciiba los problemas que se presentan al reciclar productos hechos con plásticos reforzados.
Describa otros ejemplos de modificaciones al diseño, además de los de la fig. 18.24.
18.24 Haga una lista de las diversas posibles aplicaciones ele Jos plásticos de devanado de filamento. 18.25 Explique la diferencia entre extrusión y pultrusión.
Con ejemplos específicos, describa los temas de diseño que intervienen en la fabricación de productos de plástico sólido, en comparación con los de plástico reforzado.
18.26 ¿Usaria usted plásticos tennofijos para moldeo por inyección? Explique por qué.
18.53 Revise diversos componentes de su automóvil e identifique los procesos que se pudieron haber empleado para fabri-
18.27 AJ inspeccionar recipientes de plástico, como los de talco para bebé, se puede ver que las letras grabadas están en al; torrelieve y no en bajorrelieve. ¿Puede usted explicar por qué se moldearon así?
18.28 Describa las diferencias entre las tres clases principales de moldeo por compresión. 18.29 Describa las precauciones que tomaría usted para moldear plásticos reforzados.
18.3! Un engrane de nylon moldeado por inyección tiene poros pequeños. Se recomienda secar el material antes dearlo. Explique por qué con el ,c:ecado se
r::-:;~t~1",;,_:¡ ,~ t~-~t: problema.
de mol-
1íU2 Exp.!iyue por qué las operaciones como moldeo por soplado y fabricación de bolsas de pel.ícula delgada se hacen ver-
~íca!mentc.
¿Por qué el movimiento es hacia an-iba!
JK33 Describa la operación que ilustra la fig. ] 8.5b. l 8.34 Haga comentarios sobre el fundamento de la operación de la máquina tendedora de bandas que se ve en ia fig. i 8. 1ob. 18.35 Los volúmenes característicos de producción se muestran en la labia 18.2. Haga comentarios Je sns observaciones y explique por qué hay límites tan lcjfü1os entre sf. 18.36 Describa varios ejemplos de partes moldeadas por inyección.
18.37 ¿Qué dctennina eJ tiempo ele ciclo en a) moldeo por inyección? b) tcnnof"onnado? 18.38 Imagine y describa piezas de plástico fabricadas por dos o más de los procesos presentados en este capítulo. 18.39 El pordefecto qué. de reclmpc de la fig. J 8.24c, ¿Lan1bién sucede en los procesos de formado y fundición de metal? Explique
18.410 Describa las diferencias entre las piezas moldeadas por compresión y por inyección.
18.4I ¿Cuáles son las diferencias entre la sección del barril de un extrusor y la ele nna máquina de moldeo por inyccci611? 18.42 ;.Cmíl es la función del toq1edo en la dmara de inyección de Ja fig. l8.5a? 18.43 l-laga una lista de proccso.s que usen plástico en polvo como materia prima, y los que usen "pellets" l8.44 ¿Qué procesos son razonables para pcquefia;. corridas de producción (digamos de 100 piezas) de piástico'I 18.45 Examine unas fichas comunes de b;;rraja. ¿Cómo se fabricaron?
-·
--·------------PROBLEMAS CUANTITATIVOS 18.4(i Estime la fuerza de prensado
18.48 Tome un vaso de espuma. Mida su volumen y su peso. Con estos datos. estime el aumento porcentual de volumen de las perlas de poliestireno.
18.49 En el proceso ele este1ilización para producir bolsas para aplicaciones médicas, las bolsas se sometieron a una presión interna ele 30 psi. Si el diámetro de la bolsa es de 4 pulgadas y se puede considerar como un recipiente a presión cilíndrico y de paredes delgadas, ¿qué espesor de pared se requiere para asegurar que no explote durante la esterilización? Suponga que el esfuerzo de tensión admisible es 10 ksi.
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carlos.
18.54 Explique los aspectos de diseño que intervienen para reemplazar LllJO lata metálica para bebidas por una de plástico. 18.55 Inspe(;cione varios artículos eléctricos, como interruptores de luz, c0ntactos y disyuntores, y describa el o los procesos que se usaron para fab1icarlos.
18.30 ¿Cwíles son los factores que contribuyen al costo de cada proceso de formado y 1110/Jcado de los que se describieron en este capítulo?
¡,
Describa ejemplos de varias piezas adecuadas para el moldeo con insertos. ¿Cómo las fabricaría si no se pudiera usar el moldeo con insertos?
18.56 Revise varios productos parecidos hechos de metal o de p1"stico, como por ejemplo, una canasta de plástico y una de metal de forma y tamaño parecidos. Comente sobre sus espesores respectivos y explique las razones de sus diferencias, si las hay. 18.57 Escriba un aitículo técnico breve acerca ele cómo se aplican recubrimientos plásticos a a) conductores eléctricos, b) tableros de lámina metálica, e) canastas, entrepaños y estructuras parecidas de alambre, y d) mangos para herramientas como alicates y pinzas que necesitan aislamiento eléctrico. 18.58 En ba;}e a experimentos, se ha sugerid() que los polímeros (solos o reforzados) pueden ser materiales adecuados para matrices en operaciones de moldeo de láminas. Describa sus ideas acerca de esto, teniendo en cuenta la geometría de la matriz y todos los factores que puedan ser relevantes. 18.59 Corno se sabe, los te1iedores, cucharas y cuchillos
18.60 Parn facilitar la clasificación al reciclarlos, una cantidad en rápido aumento de productos de plástico se identifican hoy con un símbolo triangular y un número de un dígito en su centro. ¿Qué indica ese número? 18.61 ¿Cuáles son las semejanzas y diferencias entre los principios de diseño de producto para los procesos que se describieron en este capítulo y los de lo::; capítulos de la parte JI!? Del)criba sus observaciones. 18.62 Consiga un juego para hacer un autornóvíl o un avión a escala. Examine las piezas moldeadas por inyección que tiene y describa sus ideas acerca de la distribución de los moldes. 18.63 Obtenga la siguiente informaci(rn en lntcrnet:
a.
costos de perlas de poliestireno como materia prima:
h.
costo de "pellcts" de polietileno corno materia prima;
c.
el intervalo de tamaños de máquinas de moldeo por inyección;
d.
las propiedades del fundido (temperaturas de transición vítrea, temperaturas de fusión. etc.) de plásticos;
e_
la disponibilidad de aditivos para polímeros, como colorantes y aditivos para mejorar propiedades de flujo.
18.64 En operaciones de moldeo por inyección se acostumbra quitar la parte de su canal y después poner el canal en un desintegrador y reciclar las partículas C'peilets") que resulten. Haga urn1 lista de las precauciones que aconsejaría para usar esas partículas rccíclatias en comparación de las llamadas "pellets" vírgenes. 18.65 ün asunto ambiental cuya ünportancia es cada vez mayor es el tiempo tan largo que se requiere en la degradación de los polímeros en los rellenos sanitarios. Haga una investigación bibliográfica de las tendencias y desarrollos en la producción de plásticos biodegradab/es.
...--
L......
Sección 19.1 /Introducción
19
(b)
FIGURA 19.1 Systems.
Operaciones rápidas de construcción de prototipos ·¡ 9_ ! ·¡ 9 .2 19..3 ·¡ 9.4
Introducción Procesos sustractivos Procesos aditivos Construcción virtual del prototipo
·¡ 9_5
Aplicaciones de la tecnología
1_9~1~!TI«~o UCOQl\J
1
-
Los procesos de prototipo rápido se pueden clasificar en tres grupos principales: snsb'activos, aditivos y virtuales. Como sus nombres indican, !os procesos sustractivos implican quitar material de una pieza mayor que la parte final; los procesos aditivos forman una parte afiadiendo material en incrementos, y .los procesos virtuales usan tecnologías avanzadas de visualizacicín, basadas en cómputo
---·------------ -·-·--.
En la fig. 6, de la Introducción general, se describe un proceso normal de clcsarroílo de un pro· dueto. Cuando se le descubren errores, o cuando se inventan soluciones más eficientes o nH.:jores del disefio al estudiar un prototipo de generacicín temprana, se desarrolla en forma natural el proceso de iteración o tanteos. Sin embargo, el problema principal que tiene este método es que la producción de un prototipo puede ser en extremo lenta: podrían necesitarse muchos meses para preparar !as herrarnien· tas y es muy ditlcil producir una sola pieza complicada mediante las operaciones convencionales de manufactura. Miena·as se espera un prototipo, las instalaciones y el personal siguen generando costos. Un asunto todavía más importante es la rapidez con que fluye el producto desde el concepto hasta el artículo en el mercado. Se sabe bien que en un mercado de competencia los productos que se introducen antes que los de la competencia son, en general, más rentables, y gozan de una mayor tajada del mercado. Al mismo tiempo hay consideraciones importantes en cuanto a Ja producción de artículos de alta calidad (capítulo 36). Por estas razones se organizan los esfuerzos para llevar al mer· cado, con rapidez, Jos productos de alta calidad. Una tecnología nueva que acelera mucho el proceso iterativo de desarrollo del proceso es el conla práctica cepto y entre c!uyen, otras: de construcción rápida del prototipo* (fig. 19. l ). Las ventajas del mismo in·
Ejemplos de piezas fabricadas con procesos de prototipo rápido. Fuente: 30
" Se pueden fabricar modelos físicos de piezas producidas con archivos de datos de CAD (diseño ayudado por computadora) '"n cuestión de horas, para permitir una evaluación rápida de la facilidad de fabricación y eficacia de! diseño. En esta forma el prototipo rápido* es una herramienta importante para visualizar y verificar el concepto. " Con los mal.eriales adecuados, se puede usar el prototipo en operaciones futuras ele manufactura, para obtener las piezas definitivas. De esta forma, el prototipo rápido es uaa importante tecnología de manufactura " Se pueden aplicar operaciones de obtención rápida de prototipo en algunas aplicaciones, para producH herrnmiemas para !as operaciones de manufactura. Así, se pueden obtener las herramientas en unos cuantos días.
rh~ prOl'otipo r,ípido a la fabriGición de partes reales
AJ desarrollar un nuevo producto siempre hay ía necesidad de producir una muestra, o ¡.oirnto!.ipn. de una parte o un sistema disefü1dos, antes de asignar grandes capitales a nuevw, instalaciones produc. livas o líneas ele ensamble. La razón principal de esta nGcesidad es que siendo tan alto el cos10 dci capital. y como se necesita tanto tiempo para preparar las herramientas. se necesita un prototipo pa· ra buscar sus puntos débiles y para evaluar el clisei\o, antes de que qttcde listo un sistema complica· do para producir y distribuir el producto.
!AIRA :!_~1-~:_'.l~acterís~5=as de las técnicas de prototipo rápido Fase del suministro
Proc1~so
Técnica de creación de canas
Tipo de cambio de fase
Liquida
Estcrcolito:.;raffa
Cun.i.do de capa líquida
Fotopolimcrización
Fotopolinicros (acrílaLos. epóx.icos, resinas co!orablcs, resinas con corga)
Curado en base sólida
Curado y maquinado de capa líquida
Fotopolimerización
Fotopo!ín1eros
Modelado por deposicíón de fundido
Extrusión del polímero fundido
Solidificación por enfriamiento
Fabricación con partículas balísticas
Deposición de gotitas
Solidificación por enfriamiento
Impresión
Deposición de capa de polvo y gotitas de
Sin cambio de fase
Polvos de cerámico, polímeros y metal con aglutinante
Sinterizado y fundido por láser; solidificación
Polímeros, metales con aglutinante, metales, cenirnicos y arena con aglutinante
Sin cambio de fase
Papel, polímeros
Polvo
tridimensional Sinterizado selectivo con láser
Sólida
Fabricación de objetos laminados
aglutinante Capa de polvo
Deposición de matedal en hoja
Materiales
Polímeros (ABS, poliacrilato,
etc.), cera, metales y cerámicos con aglomerante Polímeros, cera
*N. del T.: Aqu:í usaremos "'prototipo rápido" en vez de '\:onsu-ucción rápida del prototipo" cuando la redacción asílo permita.
512
.....,.......................
.513
,,,--
515
Sección '19.3 /Procesos aditivos
514
Capítulo ·¡ 9 /Operaciones rápidas de construcción de prototipos
Casi todos los materiales se pueden fabricar mediante una operación de prototipo rápido, pero !os po lírneros son los que más se usan hoy (tabla 19. l ). Se inventan procesos nuevos en forma continua, y se mej ran los existentes. füte capítulo pretende presentar una perspectiva de las operaciones comunes en la fabricaci, rápida de prototipos.
19.2 PROCESOS SUSTRACTlVOS En forma tradicional, para fabricar un prototipo se usan procesos de manufactura que requieren diversas herramientas y máquinas; por lo general se necesitan desde semanas a ineses, dependiendo de la complejidad de la parte. Hasta fecha reciente, este método ha requerí¡:lo operádores muy .ospecializados, con maquinaria convencional de corte y acabado de metales (véase la parte IV) para ejecutar operaciones, una tras otra, hasta que se termina el prototipo. Hoy en día, los procesos sustantivos usan tecnologías computarizadas para acelerar el proceso. Para estos procesos son esenciales las siguientes tecnologías:
" Paquetes de dibujo basados en computadora, que pueden producir representaciones tridimensiona-
(b) 1
(a)
'1i~,\
~1\ ~¡
1
les del.as piezas;
é~J.1
"' Programas de interpretación, que puedan traducir el archivo CAD en nn formato ú6l para los programas de manufactura;
~-)· 1l:\1 ,\~
" Programas d.c manufactura, capaces de planear las operaciones de maqttinado que se requieren para producir la forma deseada, y
1¡,&7
,JE/
"' Maquinaria computarizada con control nmnfrico, con la capacidad neccsc.ria para fabricar hs picz"s. Cuando sólo se necesita un prototipo para verificación de la fonna, la pieza se forma con un material q¡ave, que por lo general es un polímero o una cera, para reducir los problemas de maquinado. El material previsto para la aplicación real puede ser el que se maquine, pero este método sea más tardado. Los sistemas suslrnctivos pueden adoptar muchas formas: se parecen al método de las celdas de manufactura (sección 39.9). Pueden intervenir o no operadores. aunque por !o general el manejo de la p.ieza es Wrea para humr1nos. Según Ja complejidad de la parte y de !Js posibilidades de maquinado, se pueden producir prototipos entre al .. gunos días y <:lgunas semanas. Estas operaciones se detallan en los capítulos 22 y 23.
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19.3 PROCESOS A.DIT!VOS
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Todas las c>peraciones aditivas de prototipo rápido forman las piezas en capas. Se resumen en la
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FIGURA 19.2 Pasos computacionales para producir un archivo de estcreolitograría. (a) Descripción tridimensional de la pieza. (b) La pieza se divide en rebanadas (sólo se indica una de cada 10). (c) Se planea el material del soporte(d) Se determina un con¡unto de direcciones de herramienta para producir cada rebanada. Se muestra !a trayectoria del extrusor en la sección A-A de (c), para una operación de modelado por deposición de fundido.
Se debe reconocer que las operaciones de preparación y acabado son muy intensivas en roano de obra, y que el tiempo de producción sólo es una fracción del requerido para obtener un prototipo. Sin embargo, en general los procesos aditivos son mucho más rápidos que los sustractivos; pueden tardar desde unos minutos hasta unas horas para producir una pieza.
~ 5l6 Capi1ulo 'i 9 /Operaciones r/tpirfas cie construcción de protoUpos Sección 19.3 /Procesos aditivos
(a)
t j
Li me"'ª -;e mw.!vc j en clirccción
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Busc sin soporle
FIGURA 19.3 (a) Esquema del proceso de modelado por deposición de fundido. (bl La FDM 5000, und máquina de modelado por deposición de fundido. Fuente: cortesía de
Stratysis, lnc.
19 ..'3.
Modelado por deposición de material fundido
A veces se requieren partes complicadas, como la de la fig. 19.4. Esta parte es difícil de fabricar en forma directa, porque una vez formada hasta la altura a, la siguiente rebanada necesitaría depositar el filamento donde no existe material que lo soporte. La solución es extruir por separado un material de soporte, para que se pueda depositar un filamento con seguridad en el centro de la pieza. El material del soporte se extruye con distancias más apartadas del filamento en la capa, por lo que es más débil que el material del modelo y se puede romper después de terminar la parte. Las capas que deposita una máquina de FDM se determinan por el diámetro del dado extrusor; en forma característica van de 0.50 a 0.25 mm (0.02 a O.O l pulg). Este espesor representa Ja mejor tolerancia alcan-zable en dirección vertical. En el plano x-y, la precisión dimensional puede ser tan fina como 0.025 mm (0.001 pulg) siempre que el filamento pueda extruirse y fonnar el detalle determinado. Un examen cuidadoso de una pieza modelada por deposición de fundido indica que existe una superfJcie escalonada en los planos exteriores oblicuos. Si esta rugosidad de la supe1ficic es indeseable, se puede usar una herramienta caliente para alisarla, o se puede aplicar un recubrimiento, que con frecuencia es una cera pa· ra pulir. Sin embargo, en este caso se infringen las tolerancias generales a menos que se tenga cuidado en estas operaciones de acabado. Algunas máquinas de FDM se pueden conseguir en alrededor de 30,000 dólares, pero otras pueden costar hasta 150.000 dólams. La diferencia principal entre ellas es el tamaño máximo de las piezas que se pueden producir. Para distintas aplicaciones se dispone de una gran variedad de ceras y polímeros.
19.3.2 Estereolitografía
En eJ proceso de modelado por deposición deJímdido (FDMJue/ deposition modeiing) (fig. 19.3), una cabe· za extrusora controlada por un autómata (robo!) colgado en un puente se mueve en dos direcciones principa. les sobre una mesa. La mesa se puede subir y bajar lo necesario. Se extrnye un filamento de material lcrmopJástico o cera por el pequeño orificio de un dado calentado. La capa inicial se deposita sobre una base de espuma, extruyendo el filamento a velocidad constante mientras la cabeza del extrusor sigue una trayecto· ria predeterminada (fig. l 9.2d). Cuando se lennína la primera capa, la mesa baja para que se puedan sobreponer la:> capas siguientes. En la actualidad se venden más de FDM en Estados Unidos q1.1e para cualquier otro si Mema de prototipo rápido.
m~íquinas
FIGURA (a) Una pie;ca con secciones "V"""'·11rremcs, que requie1c soporlar el materi,11. (b) Estrnctur
Otro proceso muy común para obtener prototipos rápidos, que en realidad apareció antes del modelado por deposición ele fundido, es la estereolitografía (fig. 19.5). Este proceso se basa en el principio de curar (endu· recer) un fotopolímero líquido moldeado en una forma específica. Un depósito que contiene un mecanismo para bajar o subir una plataforma, se llena con un polímero líquido de acrilato fotocurable. El líquido es una mezcla de monómeros y oligómeros (polímeros intermedios) de acrílico con un fotoiniciador. Cuando la plataforma está en su posición más alta, la profundidad a de la capa de líquido sobre ella es poca. Un lúser, en forma de un rayo ultravioleta, se enfoca en cierta superficie seleccionada del fotopolímcro y se mueve a continuación en las direcciones x·y. El haz cura esa parte del fotopolímero (digamos que sea una región anular) y con ello produce un cuerpo sólido. A continuación la plataforma baja lo suficiente para cubrir el polímero curado con otrn capa de polímero líquido, y Ja secuencia se repite. En la fig. 19.5 el proce· so se repite hasta llegar al nivel b. Hasta ahora, se ha generado una pieza cilínchica con espesor constante de pared. Nótese que ahora la plataforma queda cubierta por una distancia vertical ab.
(a) (h)
~.li '\L.Jb!{~/=e; Escuadra:::; de refuerzo
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FIGURA 19.5
Esquema del proceso de estereolitografía. Fuente: Ultra Violet l'roducts, lnc.
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Líquido curable por uv----
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Superficie
del líquidor
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Plafón
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Fuente de luz UV
Parte formada-•
Plafón con un arco
517
Plataforma
+--Depósito
.,...-. 5Hl
Capítulo "!
91 Operaciones
r;;'ipidas de construcción ele prototipos
Sección 19.3 /'Procesos aditivos
En el nivel b, los movimientos x-y del haz son más amplios, por lo qLte se está produciendo una pieza en forma de ceja sobre la pmte formada anteriormente. Después de baber curado el espesor adecuado del l.íquido, se repite el proceso y se produce otra parte cilíndrica entre los niveles by c. Nótese que el polímero líquido del entorno sigue estando fluido, porgue no se ha expuesto al rayo ultravioleta, y que la pieza se ha producido de abajo hacia an-iba, en "rebanadas" individuales. La pieza no usada del polímero líquido se puede volver a usar para fabricar oo·a parte u otro prototipo.
La en1presa pudo demostrar el diseño conpt'ototipos funcionales, dentro del plazo de dos séltlánas. Hoy
~!l. dí(l, esa em¡iresa embarca más .de ún míllón. de Jnidades cada año al fabricante de computadoras.
Ftiel1tii: cortésfa ae.Logitech y3D Systems. Inc ..
.:.;;~~ft&1~\>.~:{p:\':,t~~ :.,;:'..::;::'.:~::-~<{: ·: 1t~-/;:~.,:;'-/::,'./:<''-n: ·'.<;/:·, · :;·
Nótese que el término estereolitograffa con que se describe este proceso se debe a que los movimientos son tridimensionales, y que el proceso se parece a la litografía, en la que la imagen que se va a imprimir en una superficie plana es receptora de tinta, y que las áreas en blanco son repelentes de tinta. También, nótese que la estereolitografía puede, como el FDM, necesitar un material de soporte más débil; en la estereolitograffa este soporte tiene Ja forma de estructuras perforadas. Después de terminar, la pieza se saca de Ja plataforma, se seca y se limpia ultrasónicamente y con un baño de alcohol; a continuación se yuita la estrnctura de soporte y la pieza se somete a un ciclo de curado final. La tolerancia mínima que se puede lograr con Ja estereolitografía depende de la nitidez de! foco del láser; en forma característica es alrededor de O.O J25 mm (0.0005 pulg). Las superficies oblicuas también pueden tener una calidad muy alta. Una técnica interesante con la que se pueden formar dos capas para producir una tnmsición de una a otra es que la plataforma se sumerje bajo e] nivel del fluido, después se sube hasta SO· bresalir, para que el polímero fotocurable forme un menisco entre esas capas. A continuación el menism se cura con el láser, para formar una superficie más lisa.
Se pueden producir piezas sólidas aplicando modelos especiales de barrido con h1scr, para aceler;u· la producción. Por ejemplo, si se apartan las líneas de ban-ido en la estereolitografía, se pueden formar buceos o bolsas de polímero no curado en torno a cascarones curados. Cuando después se pone la parte en un horno de postproccsamiento, las bolsas se curan y se forma una pieza sólida. De igual manera, las piezas que serán fabricadas por fundición en cerámico (véase la sección l 9.5) tendrán una estructura en panal, drenable, gue permita que una fracción apreciable de la pieza gucde sin curar. Los tiempos de ciclo en la estereo!itografía van de algunas horas a un día, sin poslprocesamiento (lijado, pintado, etc.). Dependiendo de su capacidad, el costo de las máquinas necesarias está entre los límites de 100,000 hasta 400,000 dólares el costo del polímero líquido es del orden de 300 dólares por galón. El tamaño máximo de la parte es 0.5 m x 0.5 m x 0.6 m ( 19 pu!g x 19 pulg x 24 pulg).
FIGURA 19.i; Un ratón con dos botones, para computadora.
El sinterizado selectivo con láser (SLS) es un proceso basado en sinteiizar polvos no metálicos (o metálicos, con menos frecuencia) en forma selectiva para formar un objeto (véase también el capítulo 17). Los elementos básicos de este proceso se ven en la fig. 19.7. El fondo de la cámara de procesamiento tiene dos cilindros: a, un cilindro de alimentación de polvo, que sube en forma incremental para sumi.nistrar polvo al cilindro de formación de la pieza, mediante un mecanismo de rodillo, y
b. un cilindro de formación de la pieza, que se baja en forma incremental hasta donde se forma la parte sinterizada. Primero se deposita una capa delgada ele polvo en el cilindro de formación de parte. A continuación se enfoca un rayo Jüser., guiado con una computadora de control de proceso con instrucciones para la parte deEsquema del prcceso de sinterizado selectivo con !;\ser. Fuente: St•g(in C.
Oecbrd y I'. F. McClure. _.../
Cuancio oc llarnó a ia compañía Logi!ech, un gran fabricante de co111putadoras (y cliente potencial por primera vez;. prcsent<\ a las dos semanas una cotización para fabricar. un ratón parn computadora con dos hotnnes. de diseño exclusivo (fig. l 9.6 ). Se empleó con éfitacia·fa est(;lreolitografía en el maróo de un sistem" dc ingeniería concun-ente (véase Ja sección 3 la I.ntrnduccíón· general). El cliente proporcionó a Logilech los dibujos de control del nuevo ratón, y se llevó cabo laingenierfll:e-0ncurrente con dos equipos de diseño: uno de ingeniería eléctrica, que se toncentrp en Jos cil"c,t1itos.dti:·control, y un equipo de ingeniería mecánica que se dedicó a Ia clis.tribución de l¡i q1J.1; y l~ géome!ría dé lo,s bOtóries. . . ·
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Galvanómelro
Sistema óptico'! ~---
Unidad de control ambiental
Cámara Je proceso
a
E! primer día comenzarqn ambos equipos su trabaj9de qiseñ?:Durame la noche dél primer día, la máquina de estereolitografía produjo primer pI"ototipo El trabajo de de la parte día,.yfag pártes se:mansuperior y del complicado mecanismo de los botones se daron a la máquina de estéreoJitografía, que las produjo al Eh este!rioment9 habían construido prototipos de tarjetas completas de circuí to, que fisfa5 pru:a al Pr<>tótipo. El de días. tiempo total transcurrido entre el inicio y el prototipo
61
·
19.3.3 Sinterizado selectivo con láser
FiGURA 19.7
Ejemplo: Diseño de un ratón (mouse) para computadora
delr'ó?d'.ii(;lír~tÓJj; dis~ño ternljJ)~#!-lrai~~Is(;lgundó fip'al~íJer&erdía. ,~e est~an iniegra~se termínad~s;-furrcionando fue sü~te
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Computad~
Mecanismo de rodillo
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de control del proceso
Motor
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519
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52()
Oper~iciones r~ípidas de construcci<Ín ele protOl'ipos
Cdpítulv 19 /
Sección 19.3 /Procesos adilívos
seacla generadas por el programa CAD en 3D, y traza y sinteriza determinada área transversal ele una 111asa sólida. El polvo en las demás zonas queda suelto. aunque sostiene a la porción sinterizada. A continuación se deposita otra capa de polvo; este ciclo se repite una y otra vez hasta que se ha producido la pieza tridimensi . 0 na!. sea Entonces se sacuden las partículas sueltas y se recupera la pieza, que no requiere más curado, a menos que un cerámico. En este proceso se pueden usar también varios materiales, incluyendo polímeros (ABS, PVC, nylon, poliéster, poliestireno, epóxico; véase también el capítulo 7), cera, metales y cerámicos con aglutinantes adecuados. Lo más frecuente es usar polímeros, porque se requieren láseres menores, menos costosos y menos complicados en el sinterizado. Con los cerámicos y los metales se acostumbra sinterizar sólo un aglomerante de en polímero, qtie se ha mezclado con los polvos de cerámico ó de metal, para entonces terminar el sinterizado un horno.
19.3.4 Curado en base sólida
52'i
2. Mientras se prepara la mascarilla, se deposita una capa delgada de polímero fotorreactivo en Ja superficie de trabajo, y se reparte uniformemente (paso 1). 3. La fotomascarilla se coloca sobre la supe1iicie de trabajo y se enciende un reflector ultravioleta que ia ilumina. Donde la mascarilla es transparente, la luz llega a curar al polímero y endurece la rebanada que se pretende (paso D). 4. La resina no afectada, todavía líquida, se aspira y se guita de la superficie (paso 3). 5. Se reparte cera líquida soluble en agua por el área de trabajo, que llena las cavidades qLte antes ocup
El proceso de curado en base sólida, que también se llama curado sólido en el suelo, es tínico, porque !odas las rebanadas de una parte se fabrican de una vez; como reSllJtado, se logra una gran producción, en comparación con otros procesos de prototipo rcipido. Sin embargo, este proceso está entre los más costosos, por lo que su adopción ha sido menos frecuente que otros métodos de obtención rápida de prototipos. El método básico se ve en la fig. 19.8, y consiste en los siguientes pasos: L Una vez creada una rebanada con el programa de cómputo, se imprime su mascarilla en una lámina de vidrio, mediante un proceso de impresión elcctrost<Ílica, parecido al de las impresoras láser. Se requiere una mascaril.la porque el •írea de la rebaoada donde se desea que el material sea sólido es transparente (pa.sos A a C en la fig. 19.8).
flGU~A 19.ll
7. El proceso se reµite capa tras capa. hasta completar Ja µarte, El curado en base sólida tiene la ventaja de una gran rapidez ele producción, debido a que se producen rebanadas completas de una vez, y al mismo tiempo porgue se usan dos pantallas de vidrio en forma concurrente. Esto es, mientras se usa una mascarilla para exponer el polímero, la siguiente ya se está preparando y queda lista tan pronto como se termina la operación de maquinado. El soporte ele cera es hidrosoluble; se puede guitar de inmediato o puede quedar en su lugar, como protección durante el transporte de Ja pieza, Al usar soporte ele cera se puede fabricar cualquier forma, incluyendo partes del tipo "embarque en botella", donde se puede dificultar la eliminación ele un soporte sólido. En general no se requieren operaciones ele acabado, pero a veces el polímero se limpia en una solución ligeramente ácida, para bíanquear la superficie y obtener un acabado más terso.
Esquemcl del proceso de curado con base sólida. Fuente: Segt:1n /vi. Burn,,
Autornat.ed Fahricalion, Prcntice Hall, 1993.
Fucn1e
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19.3.5 Manufactura con partículas
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ísticas
En el proceso de manufáctura con partículas balísticas. se expulsa un chorro de material, como plástico, cerámico, metal o cera, por un orificio pequeño hacia una superficie (el blanco) con un mecanismo parecido al del chorro ele tinta. Este mecanismo usa una bomba piezoeléctrica c¡ue trabaja cuando se aplica una carga eléctrica y genera una onda de choque que impulsa gotitas de 50 f.Llll con una frecuencia ele l 0,000 por segundo. La operación se repite en forma parecida a otros procesos y se construye la pieza con capas de material depositadas nna sobre otra. La cabeza del choJTo ele tinta es guiada por un robot en tres ejes. La impresión tridimensional (3DP, 3-dimensional prin.ting) se relaciona con la fabricación con partículas balísticas, excepto que, en lugar de depositar el material, la cabeza ele impresión deposita un material aglutinante inorgánico (como sílice coloidal), El aglutinante se dirige hacia una capa de polvos ele cerámico o de metal, como se ve en la fig. 19.9. Un pistón que sostiene al lecho ele polvo baja en forma incremental y, con cada paso, se deposita una capa que se unifica después con el aglutinante. Los materiales en polvo que se emplean con frecuencia son óxido ele aluminio, carburo de silicio, sílice y zirconia (véase el capítulo 8). Una pieza que se produce con frecuencia mediante impresión tridimensional es un cascarón cerámico de colada (véase la sección 11.6), en el que se funde un polvo de óxido de aluminio o de aluminio y sílice con un aglutinante de sílice, Los moldes necesitan posprocesarse en dos etapas: curado a unos 150ºC (300ºF) y después quemado a 1000-1500ºC (1840-2740ºf),
~
522 Capítulo ·¡ 9 / Operacíones rápidns de construcción de prototipos
(a)
r-;,.._
(b)
Sección 19.5 /Aplicaciones de la tecnología de prototipo rápido a la fabricación de partes reales
¡-->(e)
Estos sistemas, comparados con otras operaciones cíe prototipo rápido, emplean medios muy poco costosos, y Jos sistemas menos complicados representan las máquinas menos costosas. Se llaman máquinas de escritorio para prototipo rápido y usan etiquetas normales corno el medio, pero tienen espacio de trabajo limitado. Otra limitación del proceso es que las piezas, que son de papel, no se prestan a operaciones posteriores de manufactura.
Q../· Aglutinante
Extender eJ polvo
(J)
Pt-1 Capa de impre.sión
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523
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.4 CONSTRUCCIÓN VIRTUAL DEL PROTOTIPO
Movimiento del pistón
(e) (0
~--;-·--. -~":1
LQJ-~yy Etapa intcrnwdia Última capa impresa
FIGURA 19.9 y M. Cima.
Pieza termirw.d
Esquema del proceso de impresión tridimensional. Fuente: Según E. Sachs
19.3.6 Fabricación de objetos laminados La laminación consiste en tender capas que se pegan entre sí. En la.fabricación de objetos laminados (LOM, de "laminated-object manufacturing) se usan capas de papel o lámfoas de plástico con un pegamento térmico forman en una cara, para producir piezas. se capa sobre capa (fig.las19. lO). Las formas deseadas se queman en Ja hoja con un láser, y las partes Una vez terminada Ja pieza hay que guitar manualmente el exceso de material. Este proceso se simplifica programaocio e! láser para que queme perforaciones en pautas cruzadas: las líneas cíe malla que resultan hacen aparecer a la pieza como si se hubiera construido en papel milimétrico. En la fabricación ele objetos laminados se usan ilojas tan delgadas corno de 0.05 mm (0.002 pulg), aunque con más frecuencia se usan espesores de 0.02 pulg, por lo que se pueden obtener tolerancias parecidas a las de la eslereoJitografía y del modelado con deposición de fundido. El papel comprimido tiene e! ;1specto y la resistencia de una suave, y con frecuencfa se confunde fo pie7,a con una elaborada mediante un laborioso labrado cíe madera. Las piezas de papel son füciles de acabar o de recubrir.
mad~ra
Esquema del proceso de manufactura de objeto laminado. Fuente: Hely:;is, lnc. (b) Ejemplo cíe un cigüeñal fabricado con esta técnica. Fuente: Según L. Wood. flGUll./\ ·¡ 9. l(l
(a)
El prototipo virtual, una forma totalmente programada de producir proto!ipos, aprovecha los ambientes avanzados de gráficas y cíe realidad virtual, para permitir a los ciiseñaclores examinar una pieza. En cierto sentido esta tecnología la usan los paquetes de CAD (diseíio asistido por computadora) para presentar una pieza ele modo que la pueda observar y evaluar tal como está dibujado. Sin embargo, se debe reconocer gue los sistemas de prototipo virtual son casos extremos de presentación de detalles. Las formas más sencillas cíe estos sistemas usan programas complicados y rutinas gráficas tridimensionales, para permitir a los espectadores cambiar el punto de vista de las partes en una pantalla de computadora. Las versiones más complicadas usan cascos y guantes de realidad virtual con los sensores adecuados, que permiten al usuario observar un prototipo cíe la pieza generada por computadora, en un ambiente totalmente virtual. Los prototipos virtuales tienen la ventaja ele presentar las piezas en forma instantánea para su evaluación, pero los sistemas más avanzados son costosos. Debido a que un pren-eguisito necesario para su aplicación es la familiaridad con las interraces de programación, estos sistemas tienen curvas de aprendizaje muy pronunciadas. Además, muchos profesionales cíe la manufactura y el diseño prefieren evaluar un prototipo fi. sico y no una presentación en pantalla ele vídeo. Con frecuencia se imaginan que los prototipos en realidad virtual son inferiores a los mecánicos, aun cuando los diseñadores con-igen tantos errores o más en ese ambiente virtual. Hay varios ejemplos importantes cíe productos complicados que se fabricaron sin tener prototipo físico alguno, Quizá el ejemplo más conocido sea el avión Boeing 777, en el que se evaluaron los ajustes e interferencias mecánicas en un sistema CAD, y se corrigieron las dificultades antes cíe fabricar el primer modelo de producción (capítulo 39).
19.5 APLICACIONES DE LA TECNOLOGÍA DE PROTOTIPO RÁPIDO A LA FABRICACIÓN DE PARTES REALES
Espejo
Cabeza mlÍvil con .sistcnrn óptico
Recuadro ih//~ Rodillo caliente
, Marerial de la hoja "Block"-·
Rodillo de toma
Si bien es extremadamente benéfico como herramienta cíe demostración y visualización, los procesos de prototipo rápido también se han usado corno paso de manufactura en la producción. Se usan cios metodologías básicas: a) producción directa cíe las partes deseadas con técnica de prototipo rápido, y b) producción cíe herramientas con prototipo rápido, para usarlas después en las operaciones de manufactura.
Producción de piezas individuales Las piezas de polímeros que se pueden obtener con las diversas operaciones de prototipo rápido tienen utilidad no sólo para evaluar el diseño y buscarle fallas; a veces hasta se pueden usar estos procesos para fabricar productos vendibles, en forma directa. Desgraciadamente, con frecuencia es preferible, por motivos funcionales, usar piezas metálicas, mientras que las operaciones de prototipo real más desarrolladas y más disponibles implican trabajar sobre piezas de plástico.
..,....._. 524 Capítulo l 9 /Operaciones 1·Jµid,1s de construcción de protolípos Sección 19.5 /Aplicaciones de la tecnología. de prototipo r1-lpid0 a la fabricación de pa1tes reales
(<¡) (b)
(e) (d)
525
pido con polímero. Además, las piezas que se dibujan con programa:, de CAD se suelen modificar con programas, para compensar el encogimiento .. y Ja parte modificada es la que se produce en la maquinaria de prototipo rápido. Los procesos de prototipo rápido se usan hoy para producir componentes (manufactura directa), aunque no en forma económica cuando las cantidades son grandes. La ventaja ele! prototipo rápido es que hace económicos procesos tradicionalmente costosos, cuando las corridas ele producción son muy cortas, con frecuencia de tan sólo una parte.
Herramental rápido La dificultad principal que se debe superar en la aplicación de operaciones de prototipo rápido, más allá de la obtención del prolotipo, es el tiempo tan largo que se requiere. Recuérdese que la ventaja del prototipo rápido es el tiempo corto ele producción para piezas individuales, en comparación con otros métodos. Una pieza que se pueda guardar en un cubo de 150 mm (6 pulg) se puede fabricar por estereolilografía en ocho horas, más o menos, y se obtiene con mucha mayor rapidez que por cualquier otro proceso. Sin embm·, o, si se va a fabricar un lote de algunos cientos de esas piezas, el tiempo necesario con el método ele protOLipo rápido es
Creación ele! moddo Conjunto de árho1
Inserción de ww caja de molde
(e)
(f)
(g)
(h)
excesivo. Para producción rápida ele herramientas mediante operaciones de prototipo rápido se han inventado varios métodos. Por ejemplo, en la fig. l9.12 se muestra una operación ele fundición en molde de arena, en la que se han fabricado las placas del modelo mediante métodos de prototipo rápido y el resto del proceso es idéntico a la fundición convencional en arena (véase la sección [ 1.2). La ventaja de este método es el tiempo tan corto que se necesita para producir la placa modelo, en comparación con su fabricación convencional. La principal desvc11t<\ia es la menor vida del patrón, en comparación con la que se obtiene con metales de alta re-
.I'/ MctJJ fundido
* LknarcJ con
flGUf~A 19.H
Enfriar Acabado
Pasos en la manufaciura mediante 1.i técnica de una fundición en cer:ímico (;; Li cera perdida), con prototipos roípidos ele cera como piezas brutas. En este método se usu un bui<' p:ira el revesíímiento, pero también se puede usar un m,;todo de cáscara. Fuente: 30 Systems, lnc.
La solución es usar los componentes fabricados como prototipos rápidos como auxiliares en los procesos posteriores. Como ejemplo, en la fig. 19. J [ se muestra un método para fundir en molde cerámico (véase también la sección [ l. 7). En este caso los moldes individuales se fabrican en una operación de prototipo rápido (en casocerámico. estereolitografía) para usarlos después corno piezas brutas armadas en Llll árbol para la fundición eneste molde Debernos notar que este método requiere un polímero que se funda y se queme desapareciendo por completo de[ molde de cerámico; estos polímeros se consiguen para todo tipo de operaciones de prototipo rá-
ill.._.illliiiillliiiiíiiiiiliillllíiillíiillíii. . . .
sistencia maquinados. Otra aplicación común es el moldeo por inyección (véase la sección 18.3). En este caso el molde (o, con más frecuencia un inserto de molde) se fabrica mediante prototipo rápido y se usa en las máquinas de moldeo por inyección. Para la producción ele las herramientas se usan dos métodos: use usa un termoplástico de alto plinto ele fusión, o un tennofijo estable, para moldeo por inyección a baja temperatura, o bien, se produce un inserto por fundición en molde cerámico con el método descrito en la sección l 9.4. l. Los moldes pai:1 colar barbotina en los cerámicos también se pueden producir de esta manera (véase la sección 17.9. l). Pai·a producir los moldes individuales se usan en forma directa los procesos de prototipo rápido, pero los moldes se conforman con la permeabilidad deseada. Por ejemplo, en el modelado de deposición de fundido, este requisito determina que los filamentos se coloquen sobre las rebanadas individuales, con un hueco pequeño entre filamentos adyacentes. Estos filamentos se colocarán después en ángulos rectos en capas adyacentes. El resultado es un molde (o inserLo de molde) que se puede usar para la fabricación de piezas de plás1.ico, sin la demora (de varios meses) que se requiere tradicionalmente para conseguir las herramientas. Además, se simplifica el diseño, porque el diseñador sólo necesita analizar uu archivo CAD de Ja parte deseada. A continuación, el programa produce la geometría de la herramienta y en forma automática compensa la contracción. Veamos, ele nuevo, el método de fundición en molde cerámico (a la cera perdida) de la fig. 19.11. Es obvio que para grandes corridas de producción, el tiempo necesario para producir las piezas brutas en forma individual, en una máquina de prototipo rápido será excesivo. Sin embargo, los modelos moldeados por inyección, producidos con técnicas de prototipo rápido, se pueden usar para acelerar la producción y al mismo tiempo reducir en forma impresionante el tiempo de retraso. Las desventajas principales son a) que las partes obtenidas sólo tienen precisión dimensional y acabado superficial limitados, en comparación con los que se producen con los moldes tradicionales, y b) que la vida de las herramientas es corta, en especial cuando se usan insertos ele polímero.
.,-526
Capítulo ·19 / Operziciones rápidas de construcción de prototipos
Resumen
527
Modelo
Milad supc1;~or
/ Prensa del corazón Corazón
qi
Línea
L Producir molde con proceso de prototipo rápido.
2. Producir corazón de arena a partir del molde fabricado con prototipo rápido.
Mitad inferior del mode.lo "'-..
Agente separador
de! molde
(~
9=. _____ p 4. Preparación de Ju mir<1d inf'er!or de! molde.
~~em,plo: Caja del motor del IÍmpiaparabrisas trasero •.· .Lo~ihgenieros de manufactura de la Ford Motor Company encararon un dilema: cuando se . dieron cuenta ;:°g'µ~;:parap1mplit con la~ metas de producción, .se necesitaba, l\llªCul:Jierta prototipo del l'.lotor del limpiac '.j:1*~9rÁs¡¡s trasero para el Explorer 1994, enun.tiempo me11oi:de seis. semanas (fig. 19,13), El proveedor ' qeherramientas de Ford no podfa apegarse a este plazo: para nmqt1inar; rectificar.y por últimp verificar las
;¡li1Uensiones; se ~u~lei;i necesitar mayores tiempos, . . . . . . .· ' ·. ' S¿ creó uri prototipo a partir de un archivo <;:AD y se produjo ~riprototip<'. rápido rnedi~te estereolito-
gfafín, que fue u-;sfaiado sobre el motor del. limpiador.Como. s~el~ ocurrir con los nuevos diseños y. ensam·. bles, se descubrió un problemade interferencia, que requeda un' re~isefüi de la ~aja. Se maquinó a mano el •. prmotípo .de cera, se verificó el nuevo ajuste, y la piezamodificada sirvió como plantilla para ajustar el di, b'ujo de CAD. A partir de este dibujo revi)iado se produjo up.nuevo prototipo y se aseguró elajuste. · Con programas para diseñar moldes se produjeron patrones "negativos" delas pit;:zas, qué incorpota·•l:J¡ln factores de contracción para compensar las propíedádes de la resina del protótipo; el acerb A2 (secCi6n 5;7) que se usaría en las herramientas y el material final, que erapolípropileno. 'Estos .moldes se produje'ron con un sistema de fiindición en molde cerámicó (a la cera.perdida); con cera compatible en estereolitbgrafía, y después usando acero A2. A continnacióh se evaluaron los. primerós moldes, se hicíeron i:nejoras en los canales de enfriamiento y en los cumponentes de cabeza de inyector de la h.emunienta. Fue vaciado un segundo conjunto de herramientas, a la. cera perdida, para producir 30,000 piezas por mes. El tiem· po total en el desarrollo füeron cuatro semam¡.s. Fúente: cortesía de Ford Motor Company y 3D Systems.
C<.inal de VaCJ
rnt~~-- Copete
If:~-il LJd "":: .:·. ·"· ·
bu-
5. Voltear la scmic;::ija inferior, colocar
~-+
Compactar arc11a
L-------- __F
Quitar el exceso
6. Pr~parar Ja mitad i-:llperior del molde: este paso se debe repetir para cadu mitad del molde.
Ja mitad .superior del modelo y de la caja, Nota: t;J cana1 ck ·v'aciado y las maz,lrntas son inserlos cstánUar.
Fabrieación de una para motorde limpiaparabrisas trasero, mediante técnicas de prototipo rápido•
FIGURA 19.13
/Bebedero /
• La construcción rápida de prototipos, o los "prototipos rápidos", ha llegado a ser por derecho propio una disciplina única en la manufactura, durante las dos décadas pasadas. Como tecnología Je producción de modelo físico, es útil para identificar y corregir errores de diseño. Existen varias técnicas para pro-
Mitad inferior . qullar . todos los modelos. 7. Separar las caias, Poner el corazón en su lugar y cerrar la caja.
8. Caja cerrada y apizonada, para verter el metal fundido lista
FIGURA 19.12 Pasos en la manufactura con fundición en arena, donde se usan moldes fabricados con técnicas de prototipo rápido. Fuente: 30 Systems, /ne.
"-'-==='"="'"-"""''-''""""-:,4;_,.. ,_,__,.;¡_~~ , ..,-~~'-"'""~"'~""""'--'~'·~---~-----"'
ducir prototipos rápidos. • El modelado por deposición de fundido consiste en un extrusor controlado por computadora mediante el cual se tiende un filamento de polímero, para producir una parte, rebanada tras rebanada. • La estereolitografía consiste en un sistema controlado por computadora de enfoque de láser, para curar un polímero termofijo líquido que contiene un agente fotosensible de fraguado.
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528
Capítulo 19 / Operacio11es r.ípidas de cons1rucció11 de pro101·ipos Problemas cuantitativos
'" El curado en base sólida implica curar toda una capa de una vez, con una lámpara ultravioleta, para después untarla con una cera soluble en agua y llenar los lugares no curados. Se obtienen mayores capacidades que con otros procesos. La fabricación de objetos laminados usa primero un rayo láser para coitar las rebanadas en láminas (laminaciones) de papel o de plástico, y a continuación aplica una capa de adhes.ivo y por último apila fas hojas para producir la pieza.
0
" La manufactura con partículas balísticas (y el proceso afín de impresión tridimensional) usa un meca-
&
529
_,:;..;.--·PREGUNTAS DE REPASO 19.1 ¿Qué es !a estereoliLografía? 19,2 ¿Se pueden fabricar piezas de papel con prototipo rápido?
19.3 ¿Qué es prototipo virtual, y en qué difiere de Jos métodos aditivos?
nismo de chorro de tinta para depositar gotitas líquidas en el material del prototipo (o depositar un aglutinante líquido en polvos, re;;pectivamente).
J9.4 ¿Qué es modelado por deposición de fundido (FDM)?
El sinterizado molde deseado.selectivo con láser us<1 un rayo láser de gran potencia para sinlerizar polvos y formar el
19.6 ¿Qué quiere decir herramientas rápidas?
19.5 ¿Cuáles son los pasos para producir una pieza con curado en base sólida? 19.7 Describa los métodos de producción de partes metálicas con los procl':sos descritos en este capÍlulo .
., Las técnicas de prototipo rápido han hecho posibles tiempos ele desuno Uo de producto mucho menores y, además, tienen Llll gran efecto sobre otros procesos de manufactura. Cuando se usan los materiuies correctos, la maquinaria de prototipos rápidos puede producir piezas bruta;; para vaciar en molde cerámico (a Ja cera perdida), o procesos parecidos, para poder obtener piezas metálicas en forma rápida y poco costosa, aun para tamaños de lote hasta de una sola parte. Estos métodos también se pueden aplicar para producir moldes en operaciones como el moldeo por inyección, y en consecuencia pueden reducir n1L!cho el tiempo de demora entre el diseño y la manufactura.
-·--·--
PROBLEMAS CUALITATIVOS J9.8 Examine una laza de café y determine qué orientación escogería usted para producirla, usando a) manufactura con de-
posición de fundido, b) manufactura de objeto laminado. 19.9 ¿Cómo fabricada usted rápldamenlc las herramientas para el moldeo por inyección? 19.10 Desl:riba en forma resumida los procesos de prototipo rápido, y lo{-) materiales que
8e
pueden usar i;;n ellos.
19.11 ¿Qué procesos descritos en este capítulo se adaptan rnejor a 1a producción de piezas de cerámicos? ¿Por qué?
" Los sistemas de prototipo rápido continúan abaratándose y al mismo tiempo mejoran su ex.actitud; su rapidez. <> Con au111entos en
"
la rapidez de cómputo, el prototipo virtual está ganando más aceptación. En realidad,
19.12 ¿Por qué hay tan pocas partes en los productos comerciale~; que se fabricaron en forma directa con operaciones de prototipo rápido'! 19.13 ¿Cuúl es la ventaja pri11cipal del prototipo rápido ffsico'I
casi todo programa comercial de CAD tiene posibilidades sencillas ele prototipo virtual.
19.14 ¿Por qué son necesarias operaciones de ltmpleza y acabado en los procesos de prototipo rápido?
Las tecnologías ele prototipo rápido se aplican cada vez más como producción comercial, en la prod11cci6n de piezas brutas para herramientas, que se deben terminar con procesos como la fundición en la cera perdida, para fabricar en forma directa las herramientas y sus insertos.
19.15 El análisis cuidadoso de una parte fabricada con técnicas de prototipo rápido indica que está formada de capas, y que en una capa se ve con claridad un contorno de filamento. El material, ¿e.s tcnnorijo o termoplás.tico?
Se estün ensayando nuevos polímeros, más amigahles al amb.iente y con mayor resistencia, en especi:d ai impacto.
rfRM-1ÑoscLAVE ----Curado en base só!ida Fahricaciún con partfcula.s balísticas Fabricaci6n de objetos laminados j'.,'otopolímcro
19.16 ¿Por qué no se t:sa wnto e( curado en base sólida, medido ror las máquinas vernJidas, como olras técnicas de pro!o·
tipo ní.pido'?
PROBLEMAS CUANTITATIVOS ·---------19.17 Suponga un coslo aproximado de 500 dólares por galón y estime el costo de material para obtener un ratón de compu-
Herranl.ienta.s rápidas
Procesos adi11vos
Impresión tridimensional Máquinas de escritorio para prototipo rápido Modelado por deposición de fundido
Procesos suslractivos Prototipo Prototipo virtual Simerlzado selectivo con láser
Ladora con técnlc.as de prototipo rápido.
19.18 La cabeza de extrusión de un conjunto de modelado por deposición de ti.mdido tiene l .25 mm (O.OS pulg) de diámetro, y produce capas de 0.25 mm (0.01 pulg) de espesor. Si las velocidades de la cabc?.a de extrusión y del polímero cxtruido son 50 mm por segundo) estime el tiempo pm·a generar un cubo sólido de 50 mm (2 pulg) por lado. Suponga que hay una demora de 15 segundos entre las capas, mientras la cabeza extrusora se mueve sobre un cepillo de alambre para su limpieza.
BIBLIOGRAFÍA Beaman, .U., J. W Barlow, D.L. Bourell, and R. Crawford, Solid Freeform Fabrication. Kluwer Academic Pub., 1997. Bennett, G. (ed.), Developments in Rapid Prototyping and Tooling. lnslilution of Mechanical Engineers, 1997. Burns, M., Automated Fabrication. Prentice Hall, 1993. Chua, C.K., and L.K. Fua, Rapid Prototyping: Principies and Application.1· in Manufacturing. Wiley, 1997.
19,19 Con Jos datos del problema 19.18, y teniendo en cuenta que Ja porosidad del material de soporte es 50%, calcule la rapidez de producción de una taza de 100 mm (4 pulg) de alto. con diámetro exterior de 88 mm (3.5 pulg) y espesor de pared 6 mm (0.25 pulg). Examine los casos del extremo cerrado hacia arriba y hacia abajo.
P.F., Rapid Prototyping and Manufacturin.g: Fundamentals ofStereoLühography. McGraw-HilJ, J993. _ _ _ , StereoLithography and Other RP&MTechnologies: From Rapid Prototyping to Rapid Tooling. Socíety of Manufacturing Engineers, J995. Wood, L., Rapid Automated Prototyping: An lntroduction. Jacobs,
Industrial Press, 1993.
.
-
19,20 Sí se van a fundir piezas por el método de molde cerámico (a la cera perdida), se pueden producir con más rapidez si tienen una cáscara sólida y un interior poroso. Estime el material y la reducción del tiempo de producción para producir un cilindro hueco de 125 mm (5 pulg) de alto y 62.5 mm (2.5 pulg) de diámetro. Suponga que se van a analizar la estereolitografía o un modelado por deposición de fundido, con foco de 0.625 mm (0.025 pulg) de diámetro de foco o de filamento, respectivamente. Para asegurar la integridad de la parte, se trazarán dos contornos en torno a la periferia de la parte, en cada superficie. Use una velocidad de travesía de láser o de cabeza de extrusión de 50 mm por segundo.
!JIJll!"""'"
530
Capítulo 19 /Operaciones r.<ípidas de construcción (fo protoUpos
SÍNTESIS Y DISEÑO
--------------
l 9,2l Un lema de actualidad en diseño es la producción de piezas con operaciones de prototipo rápido, para usarlas después' en análisis experimental de esfuerzos e inferir la resistencia de partes definitivas producidas con operaciones convencionales de manufactura, Haga una lista de sus objeciones a este método, y describa métodos de eliminarlas,
!9,22 Debido al relevado de Jos esfuerzos residuales durante el curado, los "colgamientos" largos, sin soporte, en las piezas producidas por estercolitograffa, tenderán a curvarse. Sugiera métodos para controlar o eliminar este curvarniento, 19.23 Como las máquinas de prototipo rápido representan una gran inversión de capital, hay pocas empresas que puedcnjus. lificar la compra de su propio sistema. Se han popularizado las empresas de servicio que producen partes basada,1 en dibujos de sus clientes, Haga una investigación inforrmtl de estas empresas de servicio y determine las clases de máquinas de prototipo rápido, y sus porcentajes,
19,24 Una de las principales ventl\jas de la estereolitografía es que puede usar polímeros semitransparentes, con los que se pueden discernir con facilidad los detalles internos de las piezas, Haga una lista de las piezas para las que esta propiedad sea valiosa.
PARTE IV
Procesos y máquinas para remoción de material Las paiies fabricadas con procesos de fundido, formado y moldeado, que se describieron en las partes II y III, y que comprenden muchas de las fabricadas con métodos de forma casi neta o neta, requieren con frecuencia más operaciones antes de que el producto esté listo para usarse. Además, en muchas aplicaciones técnicas, las piezas deben ser intercambiables, para funcionar en forma correcta y confiable durante sus vidas esperadas de servicio. Es el caso de las partes automotrices (fig. IV J), Nótese, por ejemplo, las tolerancias dimensionales especificadas para la parte de la fig, IV.2 y la presencia de un extremo roscado. En un breve repaso se verá que ninguno de los procesos que hemos descrito hasta ahora puede producir partes con tal precisión, Se deben hacer elecciones críticas, acerca del grado d.e formado y moldeado en función del grado de maquinado que se van a hacer en una pieza, para producir en forma económica una pieza aceptable, El maquinado es el término amplio para describir la remoción de material de nna pieza, y abarca varios procesos, que se suelen dividir en las siguientes categorías: '" Corte, que implica en genero] herramientas de corte de una o varias puntas, cada una con una forma bien definida de la herramienta. <> Procesos abrasivos, como el rectificado,
FIGURA !V.1
Partes típicas maquinadas en un automóvil.
;;;.rE8 ~~lf~t:~,$'.i~ "'"' ci ci
1
,OlO O45" CHAM,
FIGURA IV.2 Parte maquinada mostrando diversas dimensiones y tolerancias, (Todas las dimensiones están en pulgadas,)
531 _,,,;
~
..
~.,., ,~
..
~:..;,.,_.,
11
.,... ........ 532 Parte IV / Procesos y rnáquinas para remoción de rT1aterial Parte !V / Procesos y máquinas para remoción de material
533
Máquinas herramientas Proceso~
de remoción de material
Ccntrns de maquinado Economía (capftulo 24)
Avanzados 1
1 1
FIGURA !V.3 Cigüeñal forjado, antes y después de maquinar las superficies de los muñones. Fuente: cortesía de Wyman-Gordon Company.
"' cos, Procesos avanzados así como fascres. de maquinado que us1m métodos elécllicos,
químico.~. térmicos e hidrodinámi-
1 1
Torneado
Fr..::~ado
Rectificado
Barrenado
Cepillado
Hoocado
Taladr;.1
Confonnac\o Brochado
Capa de abra:;ivos
Aserrado Limado
Maquinado· ultrasónico
Lapear.lo
(c<1pít:ulo 25)
Maquinado químico Maquinado elcctroquímic<> Rectificado electroquímico Maquinado por descarga eléctrica Maquinado con rayo láser Maquinado con haz ele electrones Maquinado hidrodin
Lustrado
Maquinado con chorro abrasivo
Pulido
Maquinado con chorr{) de agua y abr:.isivo
(c<1pitulo 26)
Loslas procet;os de remoción tura, por siguientes razones: de material sor1 deseables o hasta necesarios en J.as operaciones ele manufac<> Mejor precisión dimensiomil
ce~rncfa, que se puede requerir, respecto a la que se oblicne sólo con los
procesos de fundición. foniiación o moldeo. Por ejemplo, en el cigüeñal fo1jado de la fig. IV.3, la,; superficies de los mufiones y los orificios no se pueden producir con buena precisión ciimensional yacabado superficial tan sólo con los procesos de formado y moldeado. '" Las piezas pueden tener detaH!cs geométricos externos e internos, al igual que esquinas agudas y planiludcs yue no se pueden producir con los procesos de formado y moldeado. Algunas piezas se someten a diversos tratamicnlos térmicos parn mc:jorar su durez.a y resistencia al desgaste. Ya que esas piezas pueden sufiir distorsiones y manchado superficial, por lo general requieren de ()¡Jcn1ciimes de acatado adicionales, como rectificado, para obtener las dimensiones y acabacJo super·· ficial finales deseados. " den Las piezas rcque1ir características superficiales especiales, o textura superficial que no se pueobtenerpueden por otros métodos. w Puede ser más económico maquinar Ja pieza que fabricarla por otros procesos, en especial sí In canti-
dad de piezas necesaiias es relativamente pequeña.
Contra estas ventajas, los procesos de remoción de material tienen ciertas limitaciones: w Los procesos ele remoción, en forma inevitable, desperdician material, y en general requieren más manosea de posible. obra que las operaciones de formado y mok1eado .. En consecuencia se deenergía, ben evitarcapital hasta ydonde "' A menos que se hagan en forma correcta, los procesos de remoción de material pueden tener cfoctos adversos sobre la calidad superficial y las propiedades del producto. "' lo Para un volumen de materiul ele poreliminar otros procesos.
Lllla
pieza se necesita en general más tiempo que para fom1ar-
Los procesos y las máquinas de remoción de material son indispensables para la tecnología de manufactura. Desde que se comenzaron a usar los tornos en los años de 1700, se han desarrollado en forma continua muchos procesos. Hoy se consigue una diversidad de máquinas controladas por computadora, al igual que nuevas técnicas que usan láseres y fuentes de energía eléctrica, química, térmica e hidrodinámica. Siguiendo el esquema de la iig. IV4, en esta parte N se describirá primero la mecánica básica de formación de virutas en los procesos de corte. Entre los aspectos más importantes de las operaciones de corte es-
FIGURA nYJ!
Esquema de los procesos de remoción de material que se describen en la parte IV.
tá el tipo de hen-amicntas usadas. Una selección .incorrecta de herramientas puede tener un gran impacto económico sobre la operación. Se han clesarro!Jaclo materiales de herramienta para resolver los desafíos de maquinar materiales nuevos, incluyendo los materiales compuestos, ele gran resistencia y tenacidad. CC>n maquinado se puede producir una variedad de formas. Describiremos los principales procesos de corte y sus posibilidades, aplicaciones características y limitaciones. Las máquinas en que se efectúan operaciones de remoción de material suelen llamarse máquinas herramientas. Su construcción y características ini1uyen mucho sobre estas operaciones y también sobre \a calidad del producto, acabado superficial y precisión dlm0nsional. Es importante considerar las operaciones de maquinado y de manufactura como un sistema, que consiste en la pieza, la herramienta de C()rte y la máquina. Las operaciones ele manufactura no se pueden llevar a cabo con eficiencia y economía sin conocer la~ interacciones entre estos elementos. La parte TV también identificará las características importantes de las máquinas herramientas, incluyendo su estructura y rigidez, y los nuevos desarrollos en el disefio, así como los materiales que se usan en su constrncción. Entre los nuevos desarrollos están los centros de maquinado, que son máquinas herramientas versátiles, controladas por computadoras y capaces de ejecutar con eficiencia una diversidad de operaciones de maquinado. A continuación describiremos los operaciones en las que la remoción del material, para obtener gran precisión dimensional, se hacen con procesos abrasivos. El ejemplo más común es una rueda de esmeril, en la que las partículas abrasivas se mantienen unidas con un aglutinante. Entre otros ejemplos de operaciones abrasivas está el lijado con abrasivos de recubrimiento (papel lija, lija esmeril) así como el honeaclo, !apeado, pulido, lustrado, granallado y maquinado ultrasónico. Por razones técnicas y económicas no se pueden fab1icar algunas piezas, en forma satisfactoria, por los procesos ele corte o abrasión. Desde la década de 1940, han ocurrido desarrollos importantes en procesos avanzados de maquinado, como por ejemplo con medios eléctricos, químicos, térmicos e hidrodinámicos para eliminar material. Como resultado, el maquinado químico, electroquímico, por descarga eléctrica, rayo láser, haz de electrones, chorro abrasivo e hidrodinámico se han vuelto procesos importantes en la actualidad. El conocimiento adquirido en la parte IV nos permitirá evaluar las posibilidades y limitaciones de los procesos y los equipos ele remoción ele material, su selección adecuada para obtener una productividad máxima a bajo costo del producto, y el modo en que estos pro~esos encajan en el esquema más amplio de las operaciones de manufactura. '·
.J
.,..,-Sección 20.1 /Introducción
(b) Tronzado
('J.) Cilindntdo
-.·.·.,o·_·}·.·--·· ":::: ;,;~;,.: -,~'
535
Herramienta
·.•. 2 ·
',
·-
}'<~:;·;::,-,:,.,·,-._,)~· (d) Fresado de acabado
Ejemplos de procesos de corte.
FIGURA 20:1
Fundamentos del corte 20.1 20.2 20.3 20.4 20.5 20.6 20.7 20.8 20.9
Introducción La mecánica de la formación de virutas Tipos de viruta producida c>n el corte de metales La mecánica del corte oblicuo Fuerzas y potencia de corte Temperatura en el corte Vida de las herramientas: desgaste y falla Acabado e integridad de la superficie Maquinabilidad
Avance (mm/rev o pulg/rev)
-'1
i~·-· j_rrofundi
FIGURA 20,2
2Q.1-j ~HRODUCCIÓN Los procesos de corte quitan material de la superficie de una pieza y producen virutas. Aunque des· cribircmos con más detalle estos procesos en los capítulos 22 y 23, en la fig. 20. l se presentan algu· nos de los procesos de corte más comwies. En la operación de cilindrado (fig. 20. la), la pieza se gira y una herramienta de corte quita una capa de material al moverse hacia la izquierda; la fig. b) muestra una operación de tronzado, donde la herramienta de corte se mueve radialmente hacia adentro y separa el trozo de la derecha del cuer· pode la pieza bruta; la parte c) muestra una operación de fresado de placa, en donde una herramien· ta de corte rotatoria guita una capa de materia! de la superficie de la pieza, y d) muestra una operación de fresado de acabado, en Ja que un cortador giratorio viaja a cierta profundidad en la pieza y pro· duce una cavidad. Uno de los procesos más comunes es el cilindrndo, que se ilustra en la fig. 20.2. La hen-ainienta de corte se ajusta a determinada profundidad de corte (medida en mm o en pulg) y se mueve hacia la iz· quierda con cierta velocidad, cuando gira la pieza. El avance o la velocidad de avance es la distancia que recorre la herramienta en cada revolución de la pieza (mm/rev o pulg /rev). Como consecuencia de esta acción se produce una viruta, que se mueve cuesta arriba por la cara de la herramienta. Para analizar en detalle este proceso se presenta un modelo bidimensional del mismo, en la fig. 20.3. En este modelo idealizado, una he1rnmienta de CO!te se mueve hacia la izquierda, a lo largo de la pieza y a velocidad constante V, y a profundidad de corte t0 constante. Adelante de la herramienta se produce una viruta, por deformación y cizallamiento continuo del material a lo largo del plano CO!tante.
534
~
'., '"'""" ·;,,.... .,.,.-.-· ~
Principio básico
del torneado.
/Superficie lm:trosa Superfi~ie áspera~
./ ~
hen·amienta
. Flanco
Ángulo de incidencia o de holgura
Esquema de un proceso de corte bidimensional, llamado también corte ortogonal. Nótese que Ja forma de Ja herramienta y sus ángulos, la profundidad de corte 10 y la velocidad de corte V son variables independientes.
FIGURA 203
........-536
Capitulo 20 /Fundamentos del COt"te
TAB!:.A 20.1 Parámetro
~ección 20.2 /La mecánica de la form¿¡ción de virutas
Influencia e intetTelaciones Velocidad de corte, profündidad de
corte, avance. fluidos de corte
Ángulos de la herramienta
Virut.a cor1Linua Viruta de borde acumulado Viruta discontinua Aumento de lempcratura
Desgaslc de la hcrramicntJ. MaquinabiJidad
Fuerzas, potencia. aumento de temperatura, vicia de la herramicnla, tipo de virula,
acabado superficial.
-
Igual que m-riba; influencia sobre dirección de flujo de viruta; n;sistencia de la herramienta al despnrti!lamicnto. Buen acabado superficial; fuerzas estables de corle; indeseable en maquinado automatizado. Mal acabado superficial; si el borde acumulado es delgado. puede prolcgcr las superlicic, de la herramienta.
1
Preferible para facilidad al desecho de viruta; füerzas íluctu:mtes de corte; puede afoctor el acabado .superficial y causar vibración y traqueteo. Influye sobre la vidb de la herramienta, en especial sobre el desgaste ele cráter, y la exactilud dimensional de la pieza; puede causar daños térmicos a Ja superficie de la pieza. fnfluye sobre el acabado superficial. Ja exactitud dimensional, aumento Je tempcrature. fuerzas y potencia. Se relaciona con la vicia
d~cnta, d acabado superficial, las fuerzas.y la~'':':':_
Al comparar las figs. 20.2 y 20.3 se ve que el avance en el lomo equivale ahora a t , y que la profundidad de corle en el cilindrado equivale al ancho de] cmte (dimensión perpendicular a Ja pügina)0 en el modelo idealizado. Estas relaciones se pueden visualizar haciendo girar 90º la fig. 20.3 en el sentido de las manecillas del reloj. La tabla 20. l describe l.)s factores que influyen sobre un proceso de corte. Las V(lriabtes indepcnrfien. tes principales en este proceso son las siguientes: " Material, recubrimientos y estado de la herramienta. <>
537
Factores que influyen sobre el proceso de corte ficial y maquinabilidad. Con estos conocimientos se pueden planear operaciones eficientes y económicas de maquinado, así como seleccionar el equipo y las herramientas correctos.
:2 LA MECÁNICA DE LA FORMACIÓN DE VIRUTAS Para comprender el proceso básico de corte de metales, estudiaremos primero el mecanismo de formación de virutas. Este es un tema estudiado en forma extensa desde principios de la década de l 940; se han propuesto varios modelos del mecanismo de corte, con diversos grados de complejidad. En este libro sólo describiremos una teoría (debida & M. E. Merchant), que basta para nuestros fines. Aunque casi todos los procesos de corte son de naturaleza tridimensional (capítulos 22 y 23), el modelo que se ve en la f:g. 20.3 es útil para estudiar la mecánica básica del corte. En ese modelo, llamado corte ortogonal, la herramienta tiene un ángulo de ataque, (positivo como se muestra en la figura), y un ángulo de incidencia (de holgura). En exámenes microscópicos se ha visto que las virutas se producen por el proceso de cizallamiento que se ve en la fig. 20.4a, acción que se produce a lo largo de una zona de cizallamiento (que normalmente se le llama plano de cortante). Este plano forma un ángulo de
uo-
Forma, acabado superficial y filo de la herramienta.
"' Material, estado y temperatura de la pieza. '" Parámetros de corte, como velocidad, avance y profundidad de corte. "' Fluidos de corte.
t
0
le
" Características de la máquina herramienta, como por ejemplo rigidez y amortiguamiento. Sujeción y soporte de la pieza.
®
Variables dependientes que son influí das por cambios en las variables independientes, son fas siguiente:,: "' Tipo de viruta producida.
sen
(21U)
r = -- = - - - · - - . COS (
-
a)
El espesor de la viruta siempre es mayor que la profundidad de corte; por consiguiente, el valor ele r siempre es menor a Ja unidad. El recíproco de r se llama relación de compresión de viruta, y es una medida de lo grueso que es la viruta en relación con la profundidad de corte. Por consiguiente, la relación de compresión de viruta siempre es mayor que la unidad.
e Fuerza y energía disipadas en el proceso de corte. " Aumento de temperatura en la pieza. la virn.ta y la herramienta. " Desgaste y falla de la herramienta.
FIGURA 20.4 (a) Esquema del mecanismo básico de formación de viruta en el corte de metales. (b) Diagrama de velocidades en la zona de corte. Véase también la sección 20.5.3. Fuente: M. E. Merchant.
"' Acabado superficial producida en la pieza después de maquinarla. Cuando se producen condiciones inaceptables debidas a operaciones de maquinado, el técnico de manufactura se debe preguntar acerca de la causa del problema.
(b)
(a)
(90º-
a. Si, por ejemplo, el acabado superficial de la pieza que se cona es malo e inaceptable, ¿cuál de las vaV,
riables independientes debe cambiarse primero? ¿El ángulo de la herramienta? En caso afirmativo, ¿se debe aumentar o disminuir?
1
v,
b. Si la herramienta de corte se desgasta y rápidamente se desafila, ¿se debe cambiar la profundidad de corte o el material de la herramienta?
V
c. braciones? Si Ja herramienta y la máquina comienzan a vibrar, ¿qué se debe hacer para eliminar o reducir las vi-
e
fate capítulo describe la mecánica de la formación de viruta, sus tipos, las necesidades de fuerza y potencia, el aumento de temperatura causado por la acción de corte, la vida de la el acabado super-
herramie~ta,
A~('p-a) Os
~
538
Capítulo 20 i Fundamentos del corte
539
Sección 2.0.3 /Tipos de viruta producida en e! corte de metales
También se debe observar que, aunque hasta aquí se ha llamado profundidad de corte a tm en Jos pro. cesos de maquinado que se describen en los capítulos 22 y 23, esta cantidad se conoce como avance, Supongamos, por ejemplo, que Ja pieza de la fig. 20.2 fuera un tubo de pared delgada, y que la amplitud del corte fuera igLial al espesor del tubo. En ese caso visualizaríamos la situación girando 90º la fig. 20.3 en sentido de las manecillas del reloj, y notando que ahora es parecida a la vista de la fig. 20.2. En consecuencia, la profundidad de corte es igual al avance. La relación de corte es un parámetro útii e importante, para evaluar las condiciones del corte. Ya que el 0 espesor t de la virnta no deformada es un ajuste de la máquina, y en consecuencia es conocido (y es una variable independiente), la relación de corte se puede calcular con facilidad midiendo con un micrómetro de tornillo o de carátula el espesor de la viruta. Como también se conoce el ángulo de ataque para determinada operación de corte, la ecuación (20. l) permite calcular el ángulo del plano cortante en el corte ortogonal.
En consecuencia,
AO
y = cote/>
+
tan( - a).
(20.5)
También podemos formar un diagrama de velocidades (fig. 20.4b) y, con relaciones trigonométricas, obtener la ecuación
V V, V, cos ( - a) = cosa = sen'
(20.6a)
donde V, es la velocidad con la que se efectúa el cizallamiento en el plano cortante. Nótese también que
t0 V, r=-=-
(
OB
y= oc= oc+ oc'
es decir,
COS (
e
Con en la como fig. 20.4a, sigue:podemos expresar la deformación cortante, y, que sufre el material (véase también la base fig. 2.12)
AB
Vsen - lY) .
V=----
v·
(20.6b)
Estas relaciones de velocidad se usarán más adelante, en la sección 20.5.3, para determinar la potencia necesaria en las operaciones de corte.
(20,2)
Nótese que hay grandes deformaciones cortantes asociadas con bajos ángulos de plano cortame, o con ángulos de ataque bajos o negativos. Se han observado deformaciones co1tantes de 5 o mayore.s en las operaciones reales de corte. En comparación con los procesos de formado y de moldeo, el material sufre mayor deformación durante el corte. 11tmbién, la deformación en el cone se efectúa en general dentro de una zona de deformación 111uy an gosta; esto es, la dimensión d "' OC, en la fig. 20.4a, es muy pequeña. Así, la rapidez con la que se efectúa el cizallamiento es grande. La naturaleza y el tamaño de la zona de deformación se describirá más en la sección 20.3.
20.3 TIPOS DE VIRUTA PRODUCIDA EN EL CORTE DE METALES Al observar la fo1mación real de virutas bajo distintas condiciones de corte de metales, se ven desviaciones apreciables del modelo ideal que muestran las figs. 20.3 y 20.4a. Los tipos de viruta metálica que se observan con más frecuencia en la práctica, con sus fotomicrografías, se ven en la fig. 20.5. Como las clases de viruta producida afectan mucho el acabado superficial de Ja pieza, y la operación general de con.e (por ejemplo, la vida de la herramienta, la vibración y el traqueteo), describiremos los tipos de viruta en el siguiente orden: • Continua
El ángulo del plano cortante tiene una gran importancia en la mecánica de las operaciones de corte. lnfluye sobre los requisitos de fuerza y de potencia, sobre e.l espesor y la temperatura de la viruta (debido al D"
~ngllio
Uno de los primeros análisis se basó en la hipótesis que el ángulo del plano cortante se ajusta :;óJo pala fuerza de corte, o que el plano ele corte es un plano de esfuerzo cortante máximo. Con este ra min[mú.ar anAI isis se llegó a Ja ecuación:
,/, '+'
= 45" -
+ .'2:".
!!_ 2'
(20.3)
donde f3 es el ángulo de fricción y está relacionado con el coeficiente de fricción,µ, en la interfaz viruta-hc1rnmie11ta (cara de ataque) por la expresión (véase también fig. 20. 1l) /.L = tan{3.
(20.4)
La ecuación (20.3) indica que al disminuir el ángulo de ataque y/o aumentar la fricción en la cara de contacto entre herramienta y vimta, el ángulo del plano cortante disminuye y la viruta se hace más gruesa. Las virutas gruesas indican más disipación de energía, porque la energía de deformación es mayor (ec. (20.2)). Como el trab,tjo efectuado durante el corte se convierte en calor, también es mayor el aumento de temperatura. Los efectos de estos fenómenos se describirán en el resto de este capítulo. Vemos en la fig. 20.3 que como el espesor de la viruta es mayor que la profundidad de corte, la velocidad Vededelaflujo la viruta debe ser menor que la velocidad V de corte. Ya que se debe mantener la continuidad masa,deentonces
Vt0 = Ve t,.
· iiñtO ""'FS'
"~;.º-Ti
-trm;',:r.::..t e rrs(·
' w 7
tt' *
.,
~
_,,,
o sea
Ve= Vr.
• Borde acumulado o recrecido ., Escalonada o segmentada
,. Discontinua Primero diremos que una viruta tiene dos superficies: um1 en contacto con la cara de la herramienta (ca-
ra ele ataque) y la otra de la superficie original de la pieza. La cara de la viruta hacia la herramienta es brilbnte, o bruñida, y esto se debe al frotamiento de \a viruta al SLtbir por la cara de la herramienta. La otra superficie de la viruta no se pone en contacto con cuerpo alguno. Esta superficie tiene un aspecto rasgado y áspero (como en la iig. 20.3), que se debe al mecanismo de corte que muestra la íig. 20.4a.
20.3.1 Virutas continuas Las virutas continuas se suelen formar con materiales dúctiles a grandes velocidades de corte y/o a grandes ángulos de ataque (fig. 20.Sa). La deformación del material se efectúa a lo largo de una zona de cizallamiento angosta, la zona primaria de corte. Las virutas continuas pueden, por la fricción, desarrollar una zona secundaria de corte en la interfase entre herramienta y vimta (fig.20.Sb ). La zona secundaria se vuelve más gmesa a medida que aumenta Ja fricción entre la herramienta y la viruta. En las vimtas continuas la deformación también puede ser a lo largo de una zona primaria de corte amplia. con límites curvos (fig. 20.Sc). Nótese que la frontera inferior está abajo de la superficie maquinada y que somete a esta superficie a una distorsión, como muestran las rayas verticales distorsionadas. Este caso se presenta en especial al maquinar metales suaves a velocidades y ángulos de ataque bajos. Puede producir mal acabado superficial e introducir esfuerzos superficiales residuales, que pueden ser perjudiciales para las propiedades de la pmte maquinada. Aunque en general producen buen acabado superficial, las virutas continuas no siempre son deseables, en especial en las máquinas herrarnientas controladas por computadora que tanto se usan hoy (capítulo 24). Tienden a enredarse en el portaherramientas, los soportes y la pieza, así como en los sistemas de eliminación
~
540
Ccipítulo 20 /Fundamentos de! corte
Sección 20.3 /Tipos de viruta producida en el corle de metales
541
(b)
(a)
J)uccz:::(!HU
(e) (d)
P1.:1.:1
FIGURA 20.6 (i1) Distribución de durezas en la zona de corte para un arnro 3·t15. Nótese que algunas regiones del borde acurnulaclo son hasta 3 veces 1ncís duras que el metal en general. (b) 1\cabado s.uperficial al tornear oc<:; ro 5130 con un borde acumulado. (e) Acabado superficial f".n el fresado de acero ·¡ 018. Aumentos:
·i sx. Fuente: corlesía de i\!\etcut Research J\ss¡JCiates, !ne
que un borde delgado y esiable es favorable, porque reduce el desgaste, protegiendo la cara de ataque de la FIGU!lA 20.S Tipos lx\sicos de viruta y correspo11die111es del corte de metales: (a) viruta continua con zona pri1mri;·, angiJst11 y 1·cclil,: (b) zona secundaria ele corte en la inteda;entre vin.Jtd y (e) viruta conl"inua con una zona primaria cfo corte grande; (d) viruta conti11ua con borde a.cumulado; (e) viruta segmentada o e~;ca1onada, y (f) viruta discontinua, Fuente: Seglin M.C. Shaw, P.J<.VVri~5ht y S. íCi/p,1kjian.
herramienta. A medid:ct que aumenta la velocidad de corte disminuye el tamaño del borde aCLimulado; de hecho, puede no formarse. La tendencia de formación de borde acumulado se reduce también con cualquiera de los siguicnte2' métodos: a. Disminuir la profundidad de corle. b. Aumentar el ángulo de ataque. c. Usar una herram1enta aguda.
de viruta, y se debe parar la operación para apartarlas. Este problema se puede aliviar con los rnmpcvirnias (sección 20.3.7) y cambiando los parúmetros de maquinado, como Ja velocidad de corte, el avanc<' y !os fü1i·dos di:: corte.
20..3.2 Virutas de borde acumulado o recrecido Una viruta de borde acumulado consiste en capas de material de la pieza maquinada, que se depositan en forma gradual sobre la herranüent;i (de aquí el término acumulada) puede formarse en la punta de Ja heJTamienta durante el corte (fig. 20.5d). Al agrandarse, esta viruta se hace inestable y finalmente se rompe. Parte del material de la viruta es arrastrado por su lado que ve a la herramienta. y el resto se deposita al azar ¡;obre la superficie de la pieza. El proceso de formación y destrucción del borde acumulado se repite en forma continua durante la operación de corte, a menos que se tomen medidas para eliminarlo. El borde acumulado se observa con frecuencia en la práctica. Es uno de los factores que afecta de forma 1nás adversa al acabado superficial en el corte, como se puede ver en las figs. 20.Sc y 20.6. De hecho, un borde acumulado cambia la geometría del filo de corte. Obsérvese por ejemplo, el gran radio de la punta del borde acumulado y el acabado superficial áspero que se produce. Por el endurecimiento por b·abajo y la deposición de capas sucesivas de material, la dureza del borde acumulado aumenta bastante (fig. 20.6a). Aunque en general el borde acumulado es indeseable, se considera
d. Usar un buen fluido de corte. En general, mientras mayor sea la afinidad (tendencia a formar una liga) de los materiales de la herramienta y la pieza, la tendencia al borde acumulado es mayor. Además, un metal trabajado en frío tiene, en genernl, menor tendencia al borde acumulado que uno que ha sido recocido.
20.3.3 Virutas escalonadas o segmentadas Las virutas escalonadas (llamadas también virutas segmentadas o no homogt'neas) son semicontinuas, con zonas de baja y alta deformación por cortante (fig. 20.Se). Los metales con baja conductividad térmica y resistencia que disminuye rápidamente con la temperatura, como el titanio, muestran este comportamiento. Las virutas tienen un aspecto de diente de sierra. Esta clase de virutas no debe confundirse con la ilustración de la fig. 20.4a, donde la dimensión d está muy exagerada.
20.3.4 Virutas discontinuas Las virutas discontinuas consisten en segmentos que pueden fijarse, firme o flojamente, entre sí (fig. 20.Sf). Se suelen formar bajo las siguientes condiciones: 1. Materiales frágiles en la pieza, porque no tienen la capacidad para absorber las grandes deformaciones cortantes que se presentan en el corte.
~
542
Capítulo 20 /Fundamentos de corte
Sección 20.3 /Tipos de viruta producida en el corte de metales
2. Materiales de la pieza que contienen inclusiones e impurezas duras, o que tienen estructuras como las láminas de grafito en la fundición gris.
543
(b)
(a)
3. Velocidades de corte muy bajas o muy altas. 4. Grandes profundidades de corte. 5. Ángulos de ataque bajos.
Prensa Cara de ataque / de la hcn-amien~ Rompcvirutas
6. Falta de un fluido de corte eficaz.
-\__J--~--
7. fütja rigidez de la máquina herramienta. Por la naturaleza discontinua de la formación de virutas, las fuerzas varían en forma continua durante el corte. En consecuencia, adquieren importancia Ja rigidez del p01iaherramienta y de los sujetadores de la pie. za, así como de la máquina herramienta, cuando se forman virutas discontinuas o escalonadas. Si no tiene la rigidez suficiente, la máquirca herramienta puede comenzar a vibrar y a traquetear (como se explica en la sec. ción 24.4). Esto, a su vez, es perjudicial para el acabado superficial y la exactitud dimensional del componente maquinado, y puede dañar la herramienta de corte o causar demasiado desgaste.
~rnmienta
(e)
20.3.5 Viruta en forma de rizos En todas las operaciones de COJie en los metales y en los materiales no metálicos, como plásticos y madera, ías vi111tas desam>llan una curvatura !forma de rizos de viruta) al salir de la superficie de la pieza (figs. 20.3., 20.Sd y 20.8). Todavfo no se comprenden con claridad las razones del formado de rizos. Entre los posibles factores que contribuyen al fenómeno están la dist1ibución de esfuerzos en las zonas primaria y secundaria de co11c, ios efectos térmicos, las características de endurecimiemo por trabajo del material de la pieza y la geometría de];¡ cara de ataqL1e de la herramienta de coite.
Cara de ataque
EP ~(5) Ra
Ataque positivo
Ataque Je Oº
(a) Esquema de la acción de un rompevirutas. Nótese que hace disminuir el radio de curvaturJ de la viruta. (b) Rompevirutas prensado o la cara de ataque de una herramienta de corte. (c) Surcos en las herramientas de corte. que funcionan como rompevirutas; véase también la fig. 21.2.
FIGURA 20.7
También las va!iables dd proceso y las propiedades del material afectan al formado de rizos de la viru-
ra. En general, el radio de curvatura baja (la virnta se enrosca más) a medida que dimtinuye Ja profundidad de corte: esto aumenta el ángulo de ataque y disminuye ia fricción en !a interfase entre herramienta y viruta. 1¡1mbién, el uso de fluidos de corte y ele diversos aditivos en el material de la pieza influyen sobre e! formado de 1izos.
Rompevirutas Como se dijo en la sección 20.3. l, las virutas largas y continuas son indeseables, porque son un riesgo potencial de seguridad. tienden a enredarse e interferir con las operaciones de corte. Esta situación es muy probJemfüica en la maquinaria automatizada de alta velocidad y en celdas de maquinado sin atención, que usan máquinas con control numérico por computadora (capítulos 24 y 39). Si todas las variables independientes de maquinado csl:án rmnpevirutas. bajo control, el procedimiento normal para evitar esta viruta continua es romperla en fo1ma intermitente con un
1i»~; Diversas virutas producidas en el torneado: (a) viruta muy enroscada; (b) la viruta choca con la pieza y se rompe; (e) viruta continua alejándose de la pieza y (d) la viruta golpea al zanco de la herramienta y se rompe y aparta. Fuente: G. Boothroyd, Fundamenlals of metal machining and machine tools. Derecho de autor© 1975; McGraw-Publishing Company. Se usa con autorización.
FIGURA 20.8
Aunque el rompevirutas ha siclo por tradición una placa de metal fija a la cara de ataque de la herramien· ta (figs. 20.7a y b) que dobla la viruta y la rompe, la mayor parte de las herramientas de coite e insertos (sección 21.5.3) de hoy tienen características incorporadas de rompevirutas, con distintos diseños (figs. 20.7c y 21.2) de insertos individuales. Los rompevirutas aumentan el ángulo efectivo de ataq'ue de la herramienta y, en consecuencia, aumentan el ángulo de plano cortante. También se pueden romper las virutas debido a la geometría de la herrarnienta, controlando así ei flujo, como en las operaciones de torneado que se ven en la fig. 20.8. La expeliencia indica que la vi111ta ideal tiene la fonna de la letra C o del número 9, y que cabe en un cuadrado ele 25 mm (l pu!g). Con materiales suaves de Ja pieza, como aluminio o cobre puros, por lo general no es eficaz romper virutas con estos métodos. Las técnicas comunes que se usan en estos casos incluyen maquinar a pequeños incremen· tos para después liacer una pausa (para no generar una viruta) o invertir el avance en pequeños incrementos. En operaciones interrumpidas de corte, como el fresado (capítulo 23 ), no se necesitan en general los rompedores de viruta, porque ya las vimtas tienen longitudes finitas por la naturaleza intermitente de la operación.
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20.3.7 Formación de virutas en materiales no metálicos Muchas de las explicaciones para los metales también se pueden aplicar en general a los materiales no metá· licos. Al cortar termoplásticos se obtiene una diversidad de virutas, según el tipo de polímero y de paráme· tros del proceso, como profundidad de corte, geometría de la herramienta y velocidad de corte. Por ser frágiles, los plásticos termofijos y las cerámicas producen, en general, virutas discontinuas (véase también la sección 20.9.3).
........544
C:iµíiulo 20 / Funda1r1cntos ele! corte
Sección 20.5 /Fuerzas y potencia de corte
(a)
(b)
545
(a)
(e) Viruta
fCJ
;,o· Angulo de
filo auxiliar (ECEA)
- Filo de corte o principal
-,J
I =::
FIGURA 20.9
JQº
..c:;;JL:::::J;¡;:;;;:;yc!D"Zl~
Pieza X
···-----Ángulo de alaquc po:)terior, + {BR)
Vista silperior
de incidencia lateral
(.1) Esquema del corte con una herramienta oblicua. (b) Vista superior donde· se ve el
ángulo de inclinación i. (e) Tipos de viruta producidos con distintas inclinaciones.
20.4--l~A MECÁNICA DEL CORTE OBLICUO
-------
L1 mayor pmtc ele las operaciones de corte implican formas de herramienta lTidimensionales (oblirnas). Una di fcrencia büsica entre ei corte bidimensional y el oblicuo se ve en la fig. 20.9a. Como ya vimos, en el corte ortogonal el filo de la herramienta es perpendicular al movüniento de elb y la viruta se desliza cuesta arriba de Ja cara de la herranlienta. En el corte oblicuo el filo de corte forma un ángulo i, llamado ángnlo de inclinación (fig. 20.9b). Nótese la dirección lateral del movimiento de la viruta en el corte oblicuo. Este caso se parece al de una conformadora cun cuchilla oblicua, que empuja Ja tierra hacia un lado. Nótese que la viruta de la fig. 20.9a va hacia arriba de Ja cara de ataque de la herramienta fornrnnclo un ángulo a,. (ángulo de füijo de viruta), que se mide en el plano de Ja cara de la herramienta. El ángulo""' el :áiinguña ~1rnrma! de ataque. es una propiedad geométrica básica de la herrnmienta. Es el ángulo cn1rc [¡¡ nornwl o.;; a la superficie de la pieza, y la recta oo en la cara de la herramienta. El material ele la pieza llega a la herramienta a una velocidad Vy deja la superficie, en forma de vin1:.,,, con una velocidad 11,. El ángulo efectivo de ataque, a,., se calcnla en el plano de estas dos velocidades. Supo· nienclo que el ángulo de flujo de viruta a, sea igual al ángulo de inclinación i, hipótesis que, medianle cxperi rnentos ha demostrado ser aproximadamente cotTecta, e! áugulo efectivo de ataque a,. es 0:1,
::::
sen-· 1( sen 2
i
+ cos 2 i
(2\l,7) Como i yª" se pticden medir en forma directa, se puede calcular el úngulo efectivo de ataque. A medi-da que aumenta i el ángulo efectivo de ataque aumenta y la viruta se adelgaza y se alarga. En la fig. 20.9c se JTllJeStrn la influencia del ángulo de inclinación sobre la fonna de la viruta. Una herramienta monofilo típica para torneado (un buril) se ve en la fig. 20. !0a. Nótense los diversos Jngulos que intervienen, cada uno de los cuales se debe seleccionar en forma adecuada para obtener un corte eficiente. Allnque por lo general se pueden obtener estos ángulos en las herramientas por esmerilado (ca· pftulo 25), este proceso es tardado. Hoy, las herramientas de corte se consiguen con mucha frecuencia en forma de insertos o pastillas (lig. 20. l Ob), montados en portahetTamientas con diversos ángulos para orientarlos en distintas aplicaciones. En los capítulos 22 y 23 se describen con m;is detalle varias herramientas de corte. Las hay para taladrar, machue· lar. fresar, cepillar, tallar, brochar, serrar y limar.
\_·-Ángulo de incidencia frontal o de ho!gura
FIGURA 20.Hl
(a) Esquema de un buril derecho. Aunque estas herramientas se fabrican en forma
tradicional partiendo de barras macizas de acero, se han sustiLuido mucho por otr<:1s con insertos de carburo u otros materiales, de diversas formas y tamaños, corno se ve en (b). En !a seccíón 22.3.·! se describirán !os diversos ángulos de estas herramientas y sus efectos sobre el m<:iquinado.
Las partes largas o que tienen una combinación de formas se rasuran pelát1dolas con una h<0rramienta especia! de corte. La herramienta se mueve tangencial mente a través de la longitud de la pieza.
20.5 FUERZAS Y POTENCIA DE CORTE Es importanle conocer las.fúerz.as y la potencia en las operaciones de corte, por las sigui~nles razones:
l. Se deben conocer los requerimientos ele potencia, para poder seleccionar una máquina herramienta ele potencia suficiente.
2. Se requieren datos sobre fuerzas de corte para: a. Poder diseñar en forma correcta las máquinas herramientas, y evitar distorsiones excesivas de sus elementos. manteniendo las tolerancias dimensionales necesarias en la parte acabada, las herrab,
mientas y sus sujetadores, así como los soportes de piezas. Poder determinar, antes de la producción real, si la pieza es capaz de resistir las fuerzas de corte sin deformarse demasiado.
Las fuerzas que actúan sobre la herramienta en el corte ortogonal se ven en la fig. 20. l l. La fuerza de corte, F" actúa en la dirección de la velocidad de corte V, y suministra la energía necesaiia para cortar. La fuer· za de empuje, F,, actúa en una dirección normal a la velocidad de corte, esto es, perpendicular a la pieza. Estas dos fuerzas producen la fuerza resultante, R. Nótese que la fuerza resultante se puede descomponer en dos fuerzas sobre la cara de la herramienta: una fuerza de fricción, F, a lo largo de la inte1fase entre herramienta y viruta, y una fuerza normal, N, per· pendicular a ella. De acuerdo con la iig. 20.11 se puede demostrar que
Rasurado y pelado. Se pueden sacar capas delgadas de material de superficies rectas o curvas con un proceso parecido a cuando se usa un cepillo para alisar la madera. El rasurado tiene utilidad especial cuando se quiere mejorar el acabado superficial y la exactitud dimensional de partes cizalladas y tejos punzonados (fig. 16.9). Otra aplicación del rasurado es el acabado de engranajes con una fresa que tenga Ja forma del diente (véase la sección 23.8.4).
F = R sen/3,
(20.8)
N = R cosf3.
(20.9)
y que
·--
Sección 20.5 /Fuerzas y potencia ele corte 546
547
Capítulo 20 /Fundamentos del corte
Ejemplo: Direccion de la fuerza de empuje fig. 20.! 1 se ve que
o bien FIGURA 20.11 Fuerzas que actúan sobre una herramienta de corte en el corte bidimensional. Nótese que la fuerza resultante, R, debe ser colineal, para equilibrar las fuerzas. Nótese también que Ja fuerza resultante es equilibrada por una fuerza igual y opuesta a lo largo de! plano cortante, y se descompone en una fuerza de cizallamiento, F." y una fuerza normal, F,,. Se puede demostrar que estas fuerzas se expresan como signe:
Fs
F,. cose/> -- F, senef'
(20.10)
y
F,, = F,- sen 1>
+ F, cos
La relación de Fa N es el coeficiente de fricción, µ, en la interfaz entre herramienta y viruta, y el ángulo f3 es el ángulo de fricción (como en la ecuación 20.4). Se puede expresar aµ en la siguiente forma:
+
F
1V
E~.
-
tana 1'~
tan o:
F1 = Fe tan(f3 - á).
La magnitud de Ft siempre. es positiva (como se ve en lafig. 20.1 l);'e! signó de F, puede ser positivo ()negativo, dependiendo de las magnitudes relativas de f3 y {3 > q, el. sígno de F1 es po&it1Vo (hacia abaju} y .cuando f3
a. ~)i~ndo
ta yvíruta.
20.s.2 Medición de las fuerzas de corte Las fuerzas ele corte se pueden medir con dinamómetros adecuados (celdas de deformación con alambre de resistencia) o con transductores de fuerza (como cristales piezoeléctricos) montados en la máquina herramienta. También se pueden calcular partiendo del consumo de potencia durante el corte, que con frecuencia se mide con un potenciómetro, siempre que se pueda determinar la eficiencia de la máquina henamienla.
(20.11)
Ya que se puede calcular el área del plano cortante conociendo el ángulo de dicho plano y la profund1· dad ele corte, se pueden calcular los esfuerzos conantc y normal en el plano cortante.
µ=-=
F1 "" R sen(/3 -ia)
(W.12)
El coeficiente de fricción en el corte de metales está, en general, entre 0.5 y 2, Jo que indica que Ja viruta se encuentra con una considerable resistencia de fricción al moverse cuesta an-iba por Ja cara de ataque de la herramienta. Aunque Ja magnitud de las fuerzas en las operaciones reales de corte es en general del orden de algunos cientos de neLitronos, los esjúerzos locales en la zona de corte, y las presiones sobre la herramienta wn muy grande-;, porque las áreas de contacto son muy pequeñas. La longitud de contacto entre viruta y hcrTJmienw (véase la fig. 20.3) es, por ejemplo, del orden de l mm (0.04 pulg) normalmente. Así, la herramienta está sometida a esfuerzos muy grandes que producen su desgaste y a veces su despoitillamicnto y fractura.
'20.5.3 Potencia La potencia es el producto de la fuerza y la velocidad. En la fig. 20.11 se ve que el consumo de potencia en el corte es
(20.13) Potencia = Fe V.
Esta potenwt se disipa principalmente en Ja zona de cizallamiento (por la energía necesaria para cizallai el material) y en la cara ele ataque de la herramienta (por la fricción en la interfase henarnienta-viruta). Se puede ver en las figs. 20.4b y 20.11 que la potencia disipada en el plano cortante es (20.14) Potencia cortante = F, V.,. Si se define a w como el ancho del corte, la energía especifica cortante, u." está definida por
(20.15)
F,V
u=---
·'
wt0 V·
De igual manera, la potencia disipada en la fricción es Potencia para fricción = FV,.,
(20.16)
20.s.·1 Fuerza de empuje y la energía específica para fricción, u1, es Es importante conocer la fuerza de empuje en el corte, porque el portaherramientas, los sujetadores de la pi.eza y la máquina herramienta deben ser suficientemente rígidos para reducir al núnimo las flexiones causadas por esta fuerza. Por ejemplo, si la fuerza de empuje es demasiado alta o si la máquina herramienta no es suficientemente rígida, la herramienta será empujada y apa!1ada de la superficie que se esté maquinando. Este movimiento, a su vez, reducirá la profundidad de c01te y ocasionará falta de exactitud dimensional en la parte maquinada. Véase de nuevo la fig. 20.1 l y observe que la fuerza de empuje actúa hacia abajo. Al aumentar el ángulo ele ataque yío disminuir la fricción en la cara de ataque, esta fuerza puede actuar hacia arriba. Se puede visualizm· este caso observando que cuandoµ= O (esto es, f3 = 0), la fuerza resultante R coincide con la fuerza normal N. En este caso, R tendrá un componente de empuje dirigido hacia arriba. Nótese también que cuandoµ= O Y f3 =O, la fuerza de empuje es cero.
FVc
Fr
wt0V
Wlo
(20.17)
u¡=--=-
(20.18)
La energía específica total u1 es, entonces U1
=
U.1 +U¡-
Ya que intervienen tantos factores, una determinación confiable de las fuerzas y la potencia de corte se basa todavía en datos experimentales, como los de Ja tabla 20.2. Los amplios límites de valores que se mues-
11
.......
__
"'"''
~--------
v~
L -·· ·-····-·
548
Czipítulo 20 / FundJmentos del corlt'
TABLA l!l.2
Secci.ón 20.6 /Temperatura en el corte
Ener-gía necesaria aproximada para operaciones de cmte (en el motor impulsor·, corregida con 80% de eficiencia; multiplíquese por 1.25 con herramientas desafiladas)
y
F
Energía específica Material Alear'.innr>"
rb " 1"'.ninio
Hierros fundidos Ak:Jciones de cobre Aleaciones de alta temperatura Aleaciones de magnesio Aleaciones de níquel Aleaciones refractarias Aceros inoxidables Aceros Aleaciones de titanio
--~---------
W · s/mm
hp · min/pulg 3
4.~-6.8 3.8-9.6 3.0-5.2 2.7-9.3 3.0-4.1
., Una temperatura excesiva afecta negativamente la resistencia, dureza y desgaste de la herramienta de corte. "' Al aumentar el calor se provocan cambios dimensionales en la parte que se maquina, y se dificulta controlar la exactitud dimensional. " El calor puede inducir claí1os térmic.:os en la su.perfic[e maquinada, que afectan negativamente sus pro-
La agudeza de la panta ele la herramienta también influye sobre las füerzas y la potencia. Corno se froia contra la superficie maquinada y agranda la zona de deformación delante de ella, las lierrarnientas clc,safiladas requieren mayores fuerzas y potencia.
piedades. " La misma máquina herramienta se puede exponer a kmperaturas elevadas y variables. causando su distorsión y, en consecuencia, mal control dimensional de la pieza.
Ejemplo: Energías relativas en el corte
=
Debido al trabajo efectuado para cizaHar y superar la fricción en la cara ele ataque de la herramienta, las fuentes principales generadoras de calor son la zona primaria d0 corte y la interfase herramienta-viruta. Ade-
En una operación de corte ortogonal, la profundidad de corte t;, "'ü.005 pulg, h. velocidad ele corte F 400 pics/mí.n, e! ángulo de ataque a= 10º y el ancho del corte= 0.25pulg, Se observa gue el espesor de la rular, 0.009 pu!g. que¡;; = l 25 íb y gue F, = 50 lb. Caku!e gilé porcentaje de b energía total es para >U perar la fricción entre Ja herran1ienta y fa viruta.
más, si la h1 ~rramien1a estü desafilada o gastada (como, por ejemplo, en la fig. 20.22), tmnbjén se genera ca-
=
lor cuarnlo su punta frota la superficie maquinada. Las temperaturas de corte aumentan con b resistencia del material de la pieza, la velocidad de corte y la profundidad de corte; disminuyen al aumentar el calor específico y la conductividad térmica del material de la pie7,a. Se ha visto que la tempenitm·a media
Solm::ión: El porcentaje: se puede definir como
F,. F
Energía toral donde
_!_;,_
1,
=
1= 9
Fr Fe'
avance, es deór
donde a y b son constantes que dependen ele los materiales ele la herramienta y de la pieza, V es la velocidad de corte y fes el avance de la herramienta, esto es, lo que se mueve la herramienta en cada revolución ele Ja pieza. Los valores aproximados de los exponentes a y b son los siguientes, para dos materiales distintos:
F = Rsen{3,
Material de la herramienta
a),
y
R=~=
(20.19)
Temperatura media ex V"/',
0-555.
¡;: = R cos ((3 -,.
32'X,
Como en todas las operaciones de trabajo en metales, la energía disipada en la operación de corte se convierte en calor, que a su vez eleva la temperatura en Ja zona de corte. Es importante conocer el aumento de temperatura, por los s[guientes fenómenos:
------·~~~~~~~~
.~~~erg~~,~c fricción =
o
20.6 TEMPERATURA EN EL CORTE
transe pueden atribuir a diferencias en resistencia dentro de cada grupo de mak:riales, así como a diversm; Lic. !ores, como la fricción. el uso de fluidos de corte y las variables de procesamiento.
Por consiguiente,
71.5 lb.
(71.5)(0.555) ' . Porcent
0.15-0.4 0.6-2.0 0.5-J..2 1.2-3. I 0.15-0.2 1.8-2.5 J .1-3.5 1.1-l .9 1.().....3.4 1.1-1.5
=
135 sen 32º
Entonces
3
0.4- J. j l.6-5.5 1.4-3.3 3.3-8.5 0.4-0.6
r
549
l35Jb •.
a
b
Carburo
0.2
0.125
Acero rápido
0.5
0.375
En la fig. 20.12 se muestra una distribución típica de temperaturas en la zona de corte. Nótese la presencia de grandes gradientes térmicos. y que Ja temperatura máxima se presenta más o menos a la mitad del recorrido por la cara de la herramienta. La distribución particular de temperaturas depende ele factores como el calor específico y la conductividad térmica de los materiales de la herramienta y de la pieza, la velocidad de corte, profundidad de corte y la clase ele fluido de corte que se usa (si la hay). Las temperaturas que se desarrollan en una operación de torneado de acero 52100 se ven en la fig. 20.13. La clistribnción de temperaturas a lo largo del flanco de la herramienta se ve en la fig. 20.13a, para velocidades d~ corte V de 60, 90 y 170 rn/min (200, 300 y 550 pies/min), respectivamente, en función de la distancias
y así
.~~'''
,_.-
.550
Capítulo 20 /Fundamentos del corte
Sección 20.7 /Vida de las herramientas: desgaste y falla
~
Viruta
'~
2!'
Viruta
áJ"
Velocidad de corte
Hc1Tamienta
FIGURA 20.14 Porcentaje del calor generado en el corte que pasa a la pieza, a la herramienta y a la viruta, en función de la velocidad de corte. Nótese que la viruta se lleva la mayor parte del calor.
aumenta la temperatura. Este efecto se puede demostrar con facilidad frotándose las manos más y más rápiFIGURA 20.12 Distribución típica de temperaturas en la zona de corte. Nótense los grandes gradientes de temperatura en el interior de la herramienia y la viruta. Fuente: G. Vieregge.
(a)
551
mm 1100
damente. La viruta se lleva gran parte del calor generado (fig. 20.14). Al aumentar la velocidad de corte, la viruta aparta una mayor proporción del calor generado y pasa poca cantidad a la pieza. Es una de las razones por las que las velocidades de maquinado, en la práctica, se han incrementado al paso de los años (véase maqui .. nado de alta velocidad, sección 22.4.1): otra razón es por los beneficios económicos de reducir los costos de maquinado (sección 24.5). 1ecnicas para medir la temperatura. Se pueden determinar las temperaturas y su distribución en la zona ele corte mediante termopares embebidos en Ja herramienta y/o la pieza. Esta técnica se ha aplicado con éxito, aunque implica esfuerzos considerables. Es más fácil determinar la temperatura promedio con la fem térmica (fuerza electromotriz térmica) en la interfase herramienta-viruta, que actúa como empalme caliente entre dos materiales distintos: ele la herramienta y de la viruta. Se puede vigilar la radiación infrarroja de la zona de corte con un pirómetro de radiación. Sin embargo, con esta técnica sólo se indican temperaturas superficiales; la exactitud de los resultados depende ele la emisividad de las superficies, que es difícil de determinar con exactitud.
~
~
500
.~
500
~
o
~
20.7 VIDA DE LAS HERRAMIENTAS: DESGASTE Y FALLA
800
~ ~
600
}
"ºº 1
al filo de la herramienta. La fíg. 20.13b muestra la distribución de temperaturas en la interfase herramientaviruta para las mismas tres velocidades de corte, en función de la fracción de la longitud de contacto. El cero de la abscisa representa la punta de la herramienta, y el 1.0 representa el final de la longitud de contacto entre herramienta y viruta. Nótese que la temperatura aumenta con la velocidad de corte y que la máxima temperatura es casi l !OOºC (2000ºF). Se puede comprobar la presencia de temperaturas tan altas observando el color azul oscuro de las virutas (debido a la oxidación) que se desarrolla a altas velocidades de corte. Las virutas pueden calentarse al rojo y crear un riesgo de seguridad para el operador. Según la ecuación (20.19), y con los valores para el exponente a, se puede ver que la velocidad de corte influye mucho sobre la temperatura. Al aumentar la velocidad disminuye el tiempo para disipar el calor y
En las secciones anteriores se ha explicado que las herramientas de corte están sometidas a a) grandes esfücr.. zos localizados, b) altas temperatur;s, e) deslizamiento de la viruta por la cara de ataque, y d) deslizamiento Je la herramienta por la superficie recién cortada (véase también el capítulo 32). Estas condiciones inducen el desgaste de la herramienta que, a su vez, afecta en forma negativa la vida de la herramienta, la calidad de la superficie maquinada y su exactitud dimensional, y en consecuencia Ja economía de las operaciones de corte. En general. el desgaste de la herramienta es un proceso gradual, muy parecido al desgaste de la punta de un lápiz ordinario. La rapidez del desgaste depende de los materiales de la herramienta y de la pieza, la forma de la herramienta, los fluidos ele corte, los parámetros del proceso (como la velocidad de corte, avance y profundidad ele corte) y de las características de la máquina herramienta. Hay dos tipos básicos de desgaste, que corresponden a dos regiones de una herramienta: desgaste de flanco y desgaste de cráter.
20.7 .1 Desgaste de flanco El desgaste de flanco se presenta en Ja superficie de incidencia de la herramienta (figs. 20.JSa y e; véanse también la fig. 20.3 y el ángulo de incidencia lateral de la fig. 20. lOa) y en general se atribuye a a) frotamiento de la herramienta sobre la superficie maquinada, que causa desgaste adhesivo y/o abrasivo (sección 32.6), y b) alta temperatura, que afecta las propiedades del material de la herramienta y la superficie de la pieza. En un estudio clásico, debido a F W. Taylor, sobre aceros para maquinado, que se publicó en 1907, se estableció la relación aproximada
VT" = C,
(20.20)
...-552
Capítulo
:w / Funrbmentos dei corre Se~ción 20.7 /Vida de i.1~ herramientas: desgaste
(a) Cara del flanco
b Í
del
y fa!la
553
(b) (e) Desgaste de flanco 1
Car¡¡ de
Profundjdad de In
m/min
líneu de corte
,,¡,~~~r"'' J
. .. rL·"" '1r VBm:íx
~
~50_~~Vi~200 250 e
120
~
·~
Ctra del flanco
~
?)0
,5'
40
-"
Cara de ataque
\
.g
b e
(HB)
Ferrita
Perlita
2.65
. 2ü
~
80%
c. Colado
215 207
40 60
d. Recocido
183
97
e. Recocido
{70
100
a. Colado b. Colado
d
1
~
:2
O 100
~
(el)
Dureza
a
Q.)
\/B
O
'-..:
:;oo st;;i
700
60 40
900
Velocidad de corte (pies/min)
FIGURA 20.16 Efecto de la rnicroestructura y la dureza ele la pieza sobre la vida de la herramienta, en el cilindri!do de hierro colado dúctil. Nótese la rápida reducción en la vida de I;:¡ herramienta al aumentar la velocidad de corte. Se han desarrollado materiales que resisten altas temperaturas, como los carburos, las cerámicas y el nitruro ele boro cúbico, corno se describirá en el capítulo 2·1.
2. Dependiendo de los exponentes, tma reducción de !a velocidad puede tener como consecuencia un aumento de material removido, por lcl mayor rapidez de avance y/o profondidac! de corte. Curvas de vida de herramienta. Las curvas de vida de herramienta son gráficas de datos experimentales obtenidos en pruebas de corte con varios materiales bajo distintas condiciones y variando los parúmetros ele proceso, corno velocidad de corte, avance, profundidad ele corle, materia! y geometría ele la herramienw y fluidos de corte. Por ejemplo, en la fig. 20.16 se observa a) Ja disminución rápida ele duración de la herramienta a medida que aumenta Ja velocidad de c01ie, y b) la gran influencia que tiene el material de la piew sobre !a vida de la herramienta. También, nótese la gran diferencia en la vida ele Ja herramienta para distintas microestructuras del material ele la pieza. Es importante el tratamiento térmico de la pieza, principalmente porque mimenta 1a dureza de la pieza. Por ejemplo, la ferrita tiene una dureza aproximada ele J 00 HB, !a perlita 200 .HB y la martensita de 300 a 500 HB (véase el capítulo 4). Las impurezas y los componentes duros en el material o en la superficie de !a pieza, como por ejemplo, herrumbre, cascarilla, escoria, ele., también son de importancia, porque su acción abrasiva reduce la vicia de la herramienta. Las curvas de vida de herramienta, de las cuales se puede calcular el exponente n (fig. 20. l 7), se sue· len trazar en papel logarítmico. Estas curvas son más o menos rectas en un intervalo limitado de velocidades
flGURA 2(U5 (a) Desgaste d<· flanco y de cr;íl<•r, en una herramienta de corte. Esta herra111ir'11ta se mueve hacia la izquierda. (b) Vista de la cara de ataque de un buril de torneado, mostrando el radio de nariz R y¡., fig. de de cráter en esa cara de aldque. (e) Vista de la cara de flanco de un buril ele lorne;ido, mostrando le pisla Lehigh desgaste fXOrneclio del flanco (VB) y la línea cie profundidcid de corle (rnw,sca de desg.iste). Fuenle: J. C Kcefe, Universily.
en fo que V es la velocidad de corte, Tes el tiempo, en minutos, que tarda en desarrollarse cierta cam
de la pieza, así corno de las condiciones de corte, y
Ce~ una constante.
=
Nótese que Ces la velocidad de cortt; cuando T 1. En consecuencia. cada comhinación de makri:dcs de pieza y herramienta, y cada condición ele corte, tienen .sus propios valores den y C. y ambos se determinan experimentalmente. Los límites de los valores den, observados en la prüctica, se muestra en la tabl(t 2CU. La vc!ocidacl de corte es la var.iable m
VT"d'F = e, donde des la profundidad de corte y.fes el avance (en rnm/rev o pulg/rcv) en el torneado
m/min
(20.21)
Se deben determinar experimentalmente los exponentes x y y, para cada condición de corte. SJ se supone que n = 0. l 5, x = 0.15 y y= 0.6 son valores característicos que se encuentran en la pr<Íctica, se puede ver que la velocidad de corte, la de avance y la profundidad de corle tienen importancia decreciente La ecuación (20.21) se puede reexpresar como sigue:
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g" ~
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T = ci1nv-11nd--x1nf-yfn,
(20,22}
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(20.23)
la ecuación (20.23) se pueden hacer las siguientes observaciones, para obtener una vida de la herramientaEn constante: L Si se aumenta Ja rapidez ele avance o la profundidad de corte, y viceversa.
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se debe disminuir la veloc_idad de corle,
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1000
5000 10,000
Velocidad de corte (pies/mi n)
FIGURA 20.17 Curvas de vida de herramientas para diversos materiales de herrarn ienta. El inverso negativo de la pendiente de estas curvas es el exponente nen las ecuaciones de Taylor para duración de herramientas, y Ces la velocidad de corte para que T = 1 min .
TABLA 20.3
Aceros rápidos Aleaciones fundidas Carburos Cerámicas
Límites de valores de nen la ecuación (20.20) para diversos materiales de herramienta 0.08-0.2 O.J-0.15 0.2-0.5 0.5-0.7
.,,....-554
Capítulo 20 /Fundamentos del corte
Sección 20.7 /Vida de las herramientas: desgaste y falla
1AIUA 20.4
Pista de desgaste promedio admisible (VB) para herramientas de corte en diversas ope1·aciones
Ejemplo: Aumento en la vida ele la herramienta reduciendo la velocidad
Pista de desgaste admisible (mm)
555
de corte
Use la ecuación de Taylor (20.20) de la vida~ lii herramienta, suponiendo que 11=0.5 y C = 400, paracalcuIár el aumento porcentual en la vida de la hem1mienta cuando la velocidad de corte se reduce en50%.
S()ludón: Como n =0.5, podemos reformular l~ ecuación deTaylor como
vr
Yi
=400, Si .~s l_a velocidad inicial y V 1 la velocidad reducida, se ve que para.este problema V;¡= 0.5 V¡. Como Ces una consfanté, se llega a lo siguiente:
Nota: 1 mm~ 0.040 pulg
0.5 V1T2 = V1T1 • Al síinplificar esta ecuación.se ve que Ti(T 1 . = 1/0.25 =' 4.0. Esto quíeredecírqueelcarnbiode vida de !afü:rranúentáes(Tz ~- Tí)/T1 = (T2/T1) -' 1 4 - 1 = 3, es decir, Cjue aumenta en 300ºk. La reducción en Ía velocidad de corte ha causado un gran alimentü en la vida ··¡je ia herramienta. Nótese que, en este problema, la magnitud de C no \"S relevante:
=
ele corte, y raramente lo son en un intervalo amplio. Además, el exponente n puede volverse en realidad negativo, a bajas velocidades de corte. Estas curvas de duración de herramienta pueden hasta tener un máximo y a continuación bajar. Debido a lo anterior, se debe tener cuidado al usar ecuaciones de duración de herramienta fuera del intervalo de velocidades de corte en el que se aplican. Ya que la temperatura afecta a las propiedades físicas y mecánicas de los materiales, cabe esperar que influya mucho sobre el desgaste. Se ha confinnado, mediante :investigaciones, que al aumentar la temperatura el desgaste del flanco aumenta con rapidez. Pista de desgaste admisible. De igual manera en que se llega a un punto en que se decide afilar un;, navaja o unas tijeras, cuando comienza a empeorar la calidad del corte y a aumentar demasiado las fuerzas De·· cesarías en el corte, las herramientas de corte se afilan o se cambian cuando a) el acabado superficial de la pieza maquinada comienza a empeorar, b) las fuerzas de corte aumentan en forma apreciable y e) la temperatura aumenta en forma apreciable. La pista de desgaste admisible (VB en la fig. 20. J5c) para diversas condiciones de maquinado se muestra en la tabla 20.4. Para tener mejor exactitud dimensional y acabado superficial, la pista de desgaste admisible puede se1· menor que los valores de esta tabla.
20.7.2 Desgaste de cráter El desgaste de cráter se presenta en la cara de ataque de la herramienta (figs. 20.15a, by d, y fig. 20.18) y, ya que cambia la geometría de la interfase entre viruta y herramienta, afecta al proceso de corte. Los factores más import
en Bise! .
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Acero rápido
Ccr:imica
l. Desgaste de flanco (cara de desgaste) 4. Ranura secundaria (desgaste de oxidación) 2. Desgaste de cráter 5. Muesca de metal externo de viruta 3. Ranura primaría o línea 6. Muesca de metal interno de viruta
Se puede apreciar <.;l electo de la velocidad de corte sobre 'el. Y()l'umen de metal elíminado entre afilados o reemplazos de herramienta, analizando la fig. 20, 16, Si;ipong!lmos que se ya el material en Ja condición "a", es decir, tal como se fundió, <::on•una.dureza dé 265HB. _. Si la velocidad de corte es .60 m/mjn;,la 40 pifo, En cuencia, la herramienta recdrre una distancia de i50 nllf!l1t-t_~4-0 ffijn. :24()0 m para que necesite a91ai:se o cambiarse. Sí !a velocidad de de.la liejTarnientaes5 inin. En consecuencia, la herranlienta reCO!Té i20 m/minx 5¡¡jjnl=.gRº'rn, • • i •.. ·.· ..• . ·.· ... Como el volumen de material por quitar ei; ; la cJt!!'!.recorre la herramienta, debe quedar claro que al dismimiiríq :velocidad de se puecty material entre cambios de herrarnienta. Sin embargo, téi:Ig-,ise en•cuenfü q!-)e mien!fft$úl!encirsea Ja velocidad di:i corte, el tiempo necesario para maquinar una parte es· rrúiyor. Estas variables tienen un impacto económico importanie. y 'e descripen más en la sección 24.5. · ·
dÚ-ecta1~etii:e~prii{ló~~iQri~1
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l_r_ <>,._- ~~f--"7c¡,. , , - _:._:lc-/;¡ /
~emoción de material
du¡-aciól¡\apr()~}zy~,.4e}¡1he1ramien~aes corteauJl1entaalZOm/mj11.¡J¡¡~icta.ap[oiün¡¡da
cort~
interrurnpido
1
Velocidad óptima de corte. Hemos visto que al aumentar la velocidad de corte, la vida de la herramienta se reduce con rapidez. Por otra parte, si las velocidades de corte son bajas, Ja herramjenta dura mucho, pero también es b;,ja la rapidez con que se elimina el material. Así, hay una Fcincidad óplima de corte, como se describió en la sección 24.5.
Ejemplo: Efecto de la velocidad de corte sobrela
Grietas tt!rmicas
(a)
La velocidad recomendada de corte para un acero rápido es, en general, la que produce urw duración de liem1micnta de 60 a l 20 rnin (para herramientas de carburo, de 30 a 60 min). Sin embargo, las velocidades selecciona.das de corte pueden variar bastante respecto a estos valores, dependiendo de la pieza, la operación y !ascomputadora. consideraciones de alta productividad debidas al uso de máquinas herramientas 1noc!ernas y contro!ddas por
de profundidad de corte
(b)
Bisel
,~onSe
Acero rápido para herramientas, reblandecimiento térmico y flujo plástico
l. Desgao;;te de flanco 2. Desgaste de cráter 3. Cara de falla
Herramienta de cerámica, desportillamiento y fractura 4. Ranura primaria o línea de profundidad de corte 5. Muesca de metal externo de viruta 6. Flujo plástico en torno de la cara de falla
IJ ....... 556
Capítulo 20 / Funclanrentos del corte
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Sección 20.7 /Vida de las herramientas: desgaste y falla
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1200 1600 2000 Temperatura promedio en la interfase viruta-herrarnientr;. (ºF)
Relación entre la rapidez de desgaste de cráter y la temperatur·a promedio en el contacto entre herramienta y viruta: (a) acero de
55 7
bio correspondiente de forma, y tiene un gran efecto negalivo sobre el acabado superficial, la integridad superficial y la exactitud dimensional de la pieza. Dos causas principales del desportillado son choque mecánico (impacto por interrumpir el corte, como cuando se talla o se tornea un eje estriado) y la fatiga térmica (variaciones cíclicas de temperatura de Ja herramienta en el corte inte!Tumpido. Las grietas térmicas suelen ser perpendiculares al filo cortante de la herramienta (fig. 20. lSa). El desportiJ!amiento puede ser consecuencia de graneles inconsistencias en la composición del material d~ la pieza o en su estructura. El desportillamiento se puede presentar en una región de la herramienta donde ya exista una grieta o un defecto pequeños. Los ángulos ele ataque positivos grandes también pueden contribuir al despo1tillamiento, por el ángulo incluido pequeño de la punta de la herramienta (como en la fig. 20.3). También, es posible que la región de desgaste de cráter avance hacia la punta de la herramienta, debilitándola y causando su desportillami.ento. El desportillamiento o la fractura se pueden reducir seleccionando materiales de herramienta con gran resistencia al impacto y al choque térmico, como se describirá en el capítulo 21 _
20.7.4 Observaciones generales sobre el desgaste de herramientas
FIGURA 20.20 Interfase entw la herramienta de corte (derecha) y la viruta (izquierda) al cortar acero simple al carbono. La mancha de la herramienta indica la presencia de
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altas temperaturas. Compare esta figura con la fig. 20.12. Fuentt?: P_
K. Wright.
y b) Ja afinidad química entre los materiales de he1Tamienta y pieza. Además, los factores que influyen sobre el desgaste de flanco también influyen sobre el desgaste de cráter.
Se ha descrito el desgaste de cráter en términos de un mecanismo de difusión, esto es, del movimiento de los átomos a través de la interfase entre herramienta y viruta. Como la rapidez de difusión se incrementa al aumentar la temperatura, el desgaste de cráter se incrementa al aumentar la temperatura. Obsérvese en la fig_ 20. J9 cómo aumenta tan brnscament'·º el desgaste de cráter dentro de límites estrechos de temperatura. Al comparar las figs. 20. l 2 y 20. J5a, se ve que Ja ubicación de la profundidad máxima del cráter (KT) coincide con el lugar de la temperatura máxima en la interfase herramienta-viruta. En la fig_ 20.20 se muestra un corte transversal real de esta interfase, cuando se corta acero a altas velocidades. Obsérvese la ubicación de la figura de desgaste de cráter, y la figura de la mancha en la herramienta, debida a altas temperaturas.
20.7.3 Desportillamiento De.17Jortillado es el término que se usa para describir Ja rotura y expulsión de una pequeña parte del filo de la he1Tamienta, fenómeno parecido a cuando se rompe la punta de un lápiz aguzado. Las partes desportilladas de la herramienta de corte pueden ser muy pequeñas (microdesportillado o macrodesportillado) o pueden ser relativamente grandes (desportillado grueso o fractura). A diferencia del desgaste, que es un proceso gradual, el desportillamiento da como resultado una pérdida repentina del material de la he1Tamienta y un cam-
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A causa de los muchos factores que intervienen, que incluyen las características de la máquina hernunienta y Ja calidad de una herramienta fabricada por determinado proveedor, el comportamiento de las herramientas de corle en el desgaste varía mucho. Además de los procesos de desgaste ya mencionados, hay otros fenómenos que también contribuyen a las patrones del desgaste de la he1Tamienta (fig. 20.18). Por ejemplo, por la disminución del esfuerzo de cedencia a altas temperaturas generadas durante el corte, las hetTamientas se pueden ablandar y sufrir deformación plástica. En general, esta clase de deformación se presenta al maquinar metales y aleaciones de alta resistencia. En consecuencia, las herramientas deben ser capaces de mantener su resistencia y su dureza a las temperaturas elevadas que se desarrollen en el corte. La rnnura o la mnesca de desgaste en las herramientas de corte (fig. 20.18) se han atribuido a que esta región es la frontera donde la viruta ya no está en contacto con la herramienta. Esta frontera, llamada también línea de profundidad de corte, oscila, por las variaciones inherentes en la operación de corte, y acelera el proceso de desgaste. Además, esta región está en contacto con la superficie maquinada del corte anterior. Como una superficie maquinada puede desarrollar una capa delgada endurecida por el trabajo, este contacto podría contribuir a la formación de la ranura de desgaste. Por ser duras y abrasivas, cascarillas y capas de óxidos en una superficie de pieza aumentan el desgaste. En estos casos, la profundidad de corte debe ser mayor que el espesor de la capa de óxido o de la capa endurecida por el trabajo. Así, la profundidad de corte en la fig. 20.2 debería ser mayor que el espesor de la cascarilla en la pieza. En otras palabras, no se deben hacer cortes ligeros en piezas oxidadas.
20.7.5 Vigilancia del estado de la herramienta Con el rápido aumento de las máquinas he!Tamientas controladas por computadora y la implementación de manufactura automatizada (que se describe en la parte Vlll), el desempeño confiable y repetible de ]as he!Tamientas de corte se ha vuelto una consideración importante. Como se describirá en los capítulos 22 al 24, la mayor parte de las máquinas he1Tamientas modernas, una vez bien programadas, trabajan con poca supervisión directa de un operador. En consecuencia, la falla de una herramienta de corte puede tener graves efectos sobre la calidad de las partes maquinadas, así como sobre la eficiencia y economía de la operación general de maquinado. Por lo anterior, es esencial vigilar en forma continua e indirecta el estado de la herramienta ele corte para notar, por ejemplo, si hay desgaste, desportillamiento o falla generalizada. En la mayor parte de las máquinas hetTamientas modernas se integran sistemas de vigilancia del estado de hemunientas en el control numérico computarizado y en Jos controladores lógicos programables (como en la sección 38.2.5). Las técnicas para vigilar el estado de las herramientas suelen caer en dos categorías generales: directas e indirectas .
-558
C1pítulo 20 /Fundamentos del corte
· Sección 20.8 /Acabado e integridad de la superficie El método dfrccto para observar el estado ele una herramienta ele corte implica la medición óptica del desgaste, como en una observación periódica de cambios en el perfil de la herramienta. Es la técnica más común y confiable, y se hace con un microscopio (microscopio de herramentista). Sin embargo, este procedimiento requiere parar la operación de corte.
559
(b)
(a)
Los métodos indirectos de medición del desgaste implican la correlación del estado de la herramienta con variables de proceso, como fuerzas, potencia, aumento de temperatura, acabado superficial y vibraciones. Un
ACABADO E INTEGRIDAD
DE LA SUPERFICIE Ei acnbado superficial no sólo influye sobre la exactitud dimensional de las pai1es maquinadas, ;,ino también sobre sus propiedades. Mientras que el acabado superficial describe las caracteristicas geométricas (capítulo 3 l), la integridad super:ficial pertenece a las propiedades, como la vida ele fatiga y la resistencia a la con-osión, que esUú1 muy influidas por el tipo de superficie producida. Los factores que influyen sobre la intef,'Iidad superficial son a) las temperaturas generadas durante el procesamiento, b) los esfuerzos residuales, ·e) las transformaciones metalúrgicas (de fase) y d) la defo1mación plástica, desgarramiento y agrietamiento superficiales. El borde acumulado, con su gran efecto sobre el perfil de la punta de la herramienta, tiene la máxima influencia sobre el acabado superficial. La fig. 20.21 muestra las superficies obtenidas en dos operaciones distintas de corte. El daño por borde acumulado se manifiesta por las marcas abrasivas que se desvían
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FIGURA 20,21 Superficies producidas sobre acero por corte, según se observa bajo un microscopio electrónico: (a) superficie torneada y (b) superficie producida por fornaclo. Fuente:). T. Black y S. Ramalingarn.
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FIGURA 20,22 Ilustración esquemática de una herramienta sin afilar en un corte ortogonal (exagerado). Nótese que en pequeñas profundidades de corte, el
Una be1Tamíenta que no estú afilada tiene un radio grande en su arista, así como un lápiz o una navaja romos. La fig. 20.22 ilustra la relación entre el radio de ía orilla cortante y la profundidad del corte, en el corte ortogonal. Nótese que a pequeñas profundidades de corte, el ángulo ele ataque puede volverse negativo de hecho; simplemente la herramienta puede cabalgar sobre Ja superficie de la pieza, sin sacar viruta. Este cómportamiento se puede si mular al tratar de raspar la superficie a lo largo ele una barra de mantequilla con un cuchillo desafilado. Se nota que no es posible quitar una capa ele mantequilla con profundidades muy pequeñas, a menos que el cuchillo esté afilado. Si este radio (no se debe confundir con el radio R en la fig. 20. l5b) es grande en relación con la profundidad de corte, la herramienta se frotará sobre la superficie maquinada. El frotamiento genera calor e induce esfuerzos superficiales residuales que, a su vez, pueden causar daños superficiales, como rasgaduras y grietas. En consecuencia, la profundidad de corte debe ser, en general, mayor que el radio del filo ele corte. En el cilindrado, como en otras operaciones de corte, la herramienta deja un perfil en espiral (marcas de avance) en la superficie maquinada, al recorrer la pieza (figs. 20.2 y 20.23). Se puede ver que cuanto mayor es el avance f, y cuanto menor es el radio R de nariz de la herramienta, estas marcas serán más prominentes. Aunque no importan en operaciones ele desbaste, sí importan en el maquinado de acabado. Las marcas de avance y otras consideraciones del acabado superficial, para los procesos individuales ele maquinado, se describen en los capítulos 22 y 23. La vibración y el traqueteo se describen con detalle en la sección 24.4. Por ahora se debe reconocer que si la herramienta vibra o traquetea durante el coite, afectará negativamente el acabado superficial. La causa
r-
L._ . . .
560
Capítulo 20 / Fundclmen1os de! corre
Sección 20.9 / Maquinabilidad
561
20.9.1 Maquinabilidad de los aceros
Ángulo
orilla ele
FIGURA 20.23 Ilustración esquemática de marcas de avance en torneado (exagerado). Véase también en fig. 20.2.
bten.11
es que una herramienta en vibración cambia en forma periódica las dimensiones del corte. Un traqueteo excesivo puede causar dcsportillamiento y falla prematura de bs herramientas de corle más frágiles, como las también de cerámica y diamante. ·-··
20.9 lvlAQUINABILIDAD
------------
La maquin.abilidad de un material, se suele definir en función de cuatro !"actores:
l. Acabado e integridad superficial Je la part~ maquinada: 2. Duración de la herramienta; 3. Hcquerimientos ele fuerza y potencia; 4. Control de viruta. Así, una buena maquinabilidad se traduce en buen acabado e integridad de super/icie, larga vida de la herramienta y bajos requirímicntos ele fuerza y potencia. Respecto al control de viruta. las virutas largas y clcígadas, si no se rompen, pueden inle1forir mucho con las operaciones de corte, al enredarse en la zon;.i de corte. Debido a iJ na!urn.leza compleja de las operaciones ele corte es dificil establecer relaciones que definan en l(mna cuanti1ali.va la n1aquinabilidacl de un material. En las plantas rnanul'actt11·eras se considera er1 genc:ral que la vicia de la herramienla y !a rugosidad i>upcrficiaJ son los factores más importantes en la mac¡ninabi·· lid<1d. Aunque ya no se usan mucho, las cafükaciones de maq11illabifülad aproximadas se ven en el :águienlc ejemplo.
Ejemplo: Calificaciones de maquinabilidad La.s calificaciones ele maquinabilidacl se basan en una (Ju ración de herramientaT"' 60 mÍn. El material de referencias es acero A ISI l l J2 (resulfuraclo) al que se le da la de lOQ. Para una vida de herramienta de 60 min, este acero se debería maquinar con de 100 pies/rnin (30 m/rnin). Con velocidades mayores se reduce la vida, y con aunieiÍt
~<~Üicación
u~av~loqi~z¡d dé~'orte velocid~des ~é~or~s Por ejemplo, el acero 3 l 40 tiene una calificación a& maq~ín~.bilidad de 55: Esto quíere decir que cuando se maquina a una velocidad ele corte de 55 pics/nlin C!7~Zti}lÚ), r~\:'iiJi(d~fa !Íerriunientaseráde 60 min. El níquel. tiene una eali ficaci6h· el~ 200, porque sédebi!maquiiiat (\ 2 j)1es/inlh (60.m/min) para obtener 00 una duración de herramienta de 60 min: Las calificacio~íe,~.?e;~uj~~§!Ji~l)!/.Pªrá, d~y~rsos in~teriales sori las siguientes: latón libre maquinado, 300; aluminio pieS!ool!(''.!(ÍlJ.'KqJ\\~o; t~~;'!lfotro grís peilítico, 70: inconel, 30; acero 17-7 endurecido por precipifaci6n. 20. •• ~ .. < •...· •·•. . ·•. Al aumentar la. durezá del máterial disminuye en fomfa pro¡yoiCiiJlia! ~ü má~uínabilidad. Sin embargo, estas calificaCiones sólo son aproximadas y se debenúsarcori'~rei:líución. · · , · · ··
Debido a que los aceros son de los materiales más importantes en ingeniería (como se mencionó en el capítulo 5), se ha estudiado en forma extensa su maquinabilidad. La maquinabiliclad de los aceros se ha mejorado, principalmente agregándoles plomo y azufre para obtener los llamados aceros libre-maquinado, o aceros de maquinado libre. Acems resulfurados y refosforados. El azufre en los aceros fonna inclusiones ele sulfuro de manganeso (partículas ele segunda fase) que actúa como elevadores de esfuerzos en la zona ele corte primario. En consecuencia, las virutas producidas se rompen con facilidad y son pequeñas; esto mejora la maquinabilidad. El tamaño, forma, disu·ibución y concentración ele estas inclusiones inlluyen mucho sobre la maquinabiliclad. Elementos como el teluro o telurio 1, a.5Í como el selenio, que son químicamente semejantes al azufre, funcionan como modificadores de inclusiones en los aceros resulfurados. El fósforo tiene dos efectos principales sobre los aceros. Fortalece a la ferrita, elevando la dureza. Los aceros más duros dan como resultado mejor formación de viruta y mejor acabado superficial. Nótese que puede ser que los aceros suaves sean difíciles ele maquinar, con formación ele borde acumulado y mal acabado superficial. El segundo efecto es que la mayor dureza cm1sa la formación ele virutas cortas, en lugar de hilos continuos, y con ello mejora "Ja maquinabiliclacl. Aceros con plomo, Un gran porcentaje del plomo en los aceros se solidifica en las puntas ele las inclusiones de sulfuro de manganeso. En los tipos no resulfuraclos ele acero, el plomo toma la forma de pm·tículas finas dispersas. El plomo es insoluble en el hierro, cobre y aluminio y en sus aleaciones. Por su baja resistencia al corte, en consecuencia, el plomo funciona como lubricante sólido (sección 32.11) y se reparte sobre la interfase herramienta-viruta durante el corle. Este comportamiento ha sido verificado por la presencia ele grandes concentraciones ele plomo en la cara ele las virutas que dan a la herramienta, al maquinar aceros con plomo. Cuando la temperatura es suficientemente alta, por ejemplo, a grandes velocidades ele corte y grandes avances (sección 20.6), el plomo se funde directamente frente a la herramienta y funciona como lubricante líquido. Además ele este efecto, el plomo baja el esfuerzo cortante en la zo1ia primaria de corte, reclucienclo las fuerzas ele corte y el consumo de potencia. El plomo se puede usar en lodo tipo ele aceros, como l Oxx, l 1xx. i2xx, 4lxx . etcétera. Los aceros con plomo se identifican con la letra L (/ead, plomo) entre el segundo y tercer número (por ejernpio l Ol.45). Nótese que en los aceros inoxidables. el uso de la letra L indica "bajo carbono", condición que mejora su resistencia a la corrosión. Sin embargo, como el plomo es una toxina y un contaminante bien conocido, hay graves preocupaciones ambientales para usarlo en los aceros. Se estima que cada año se consumen 4,500 toneladas de plomo en la producción de aceros. En consecuencia, hay la tendencia continua a eliminar el uso ele plomo en los aceros (aceros sin plomo, o libres de plomo). Hoy, se investigan el bismuto y el estaño como sustitutos posibles ele! plomo en los aceros. Aceros desoxidados con calcio. Un .desarrollo importante es el de los aceros desoxidados con calcio, en los que se forman hojuelas ele silicatos ele calcio (CaSO,). Estas hojuelas, a su vez, reducen la resistencia de la zona secundaria de corte y disminuyen la fricción entre la herramienta y la viruta, así como el desgaste. La temperatura se reduce en consecuencia. Por lo anterior, estos aceros producen menos desgaste de cráter, en especial a grandes velocidades ele corte.
Aceros inoxidables, Los aceros austeníticos (serie 300 o 400) son, en general, difíciles de maquinar. El traqueteo puede ser un problema necesitando máquinas herramientas con gran rigidez. Sin embargo, los aceros inoxidables feITíticos (también de la serie 300 o 400) tienen buena maquinabilidad. Los aceros mar1
N. del T: Antes se decía tduro. hoy se dice telurio cada vez con mayor frecuencia.
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Capílulo 20 /Fundamentos del corte Sección 20.9 / Maquinabilidad
tensíticos (serie 400) son abrasivos, tienden a forma borde acumulado y requieren materiales ele herramienta con gran dureza en caliente y resistencia al desgaste de cráter. Los aceros inoxidables de endurecimiento por precipitación son fuertes y abrasivos, requieren materiales ele herramienta duros y resistentes a la abrasión.
Efectos de otros elementos sobre la maquinabilidad. La presencia ele aluminio y de silicio en los aceros siempre es nociva, porque estos elementos se combinan con el oxígeno y forman óxido ele aluminio y silicatos, que son duros y abrasivos. Estos compuestos aumentan el desgaste de las herramientas y reducen la maquinabilidad. Son esenciales para producir y usar aceros limpios. El carbono y el manganeso tienen diversos efectos sobre la maquinabilidad de los aceros, qué dependen de su composición. Los aceros simples al bajo carbono (menos de O. 15% C) pueden producir mal acabado superficial por la formación de borde acumulado. Los aceros colados son más abrasivos, aunque su maguinabilidad se parece a la ele los aceros forjados. Los aceros ele herramientas y matrices son muy difíciles de maquinar, y suelen requerir recocido previo. La maguinabi!idad de la mayor parte de los aceros se mejora con el trabajo en frío, que los endurece y reduce la tendencia a formar borde acumulado. Otros elementos de aleación, como níquel, cromo, molibdeno y vanadio, que mejoran las propiedades de los aceros, reducen en general su maquinahilidad. E! efecto del boro es inapreciable. Los elementos gaseosos, como el hidrógeno y el nitrógeno pueden tener efectos especialmente nocivos sobre las propiedades del acero. St ha demoslrnclo que el tiene un füeite efecto sobre Ja relación de aspecto de ias inclusiones de sulfurn de manganeso; a mayor contenido de oxígeno, Ja relación ele aspecto es menor y !a maquinabilidad es mayor. Al seleccionar diversos elementos con objeto de mejorar la maquinabilidad, se deben tener en cuenlG los efectos negativos posibles de ellos sobre las propiedades y la resistencia de la parte maquinada durante su servicio. Por ejemplo, a temperaturas elevadas, el plomo causa fragiJización ele los aceros (.fragilización por meta! líquido, acritud en caliente; véase ia sección 1.4.3), aunque a temperatura ambiente no tiene SO·· brc las propiedades mecfüticas.
ox(~eno
efecto~'
El azufre puede reducir mucho la facilidad de confonnado en caliente ele los aceros, por formación de sulfuro de hierro, a menos que haya suficiente manganeso presente para evitarla. A temperatLira ambiente, las propiedades mecánicas de los aceros resulfurados dependen de la orientación de las inclm;iones deformadas de sulfuro de manganeso (anisotropía). Los aceros refosforadrn; son bastante menos dúctiles y sólo se producen para mejorar su maquinabilidad.
de otros metales diversos En general, el aluminio es muy faci! ele maquinar, aunque los grados más suaves tienden a formar borde acumulado y se obtiene mal acabado superficial. Se recomiendan grandes velocidades de corle. altos ángulos ele :uac¡ue y grandes ángulos de incidencia. Las aleaciones fo1jadas de aluminio con alto contenido de silicio y las aleaciones coladas de aluminio pueden ser abrasivas; requieren materiales ele herramienta müs duros. Puede presentarse el problema del control dimensional al maquinar aluminio, por teucr un alto coeticiente de dilatación y un módulo ele ~lasticidad relativamente bajo. berilio se parece a los hierros colados. Sin embargo, por ser más abrasivo y tóxico, requiere maqui-· El un narlo en ambiente controlado. Las fundiciones grises, o hierros colados grises son maquinables en general, pero también son abrasivos. Los carburos libres en las coladas reducen su maquinabilidad y causan desportillamiento o fracturas de herramienta; necesitan herramientas con gran tenacidad. Los hierros nodulares y maleables son maquinab!es con materiales ele herramienta duros. Las aleaciones a base de cobalto son abrasivas y se endurecen mucho por el trabajo en frío. Requieren mate1iales afilados y resistentes a la abrasión, así como bajos avances y bajas velocidades. E! cobre forjado puede ser difícil de maquinar por la fonnación de borde acumulado, aunque las aleaciones coladas de cobre son fáciles de maquinar. Los latones son fáciles de maquinar, en especial con adición de plomo (latón de maquinado libre con plomo). Los bronces son más diffciles ele maquinar que los latones.
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El magnesio es muy fácil de maquinar, con buen acabado superficial y permite larga duración de la herramienta. Sin embargo se debe tener cuidado por su gran rapidez de oxidación y peligro de incendios. El elemento es pirofórico. El molibdeno es dúctil y se endurece con el trab;rjo, por lo que puede producir mal acabado superficial. Son necesarias herramientas aguzadas. Las aleaciones a base de níquel se endurecen con el trabajo, son abrasivas y son resistentes a altas temperaturas. Su maquinabilidad se parece a la de los aceros inoxidables. El tántalo se endurece mucho por el trabajo, es dúctil y suave. Produce mal acabado snperficial. El desgaste de las he1Tamientas es grande. El titanio y sus aleaciones tienen baja conductividad térmica (la mínima de todos los metales) que causa bastante aumento ele temperatura y borde acumulado; pueden ser difíciles de maquinar. El tungsteno es frágil, resistente y muy abrasivo, por lo que su maquinabilidad es baja, aunque mejora mucho a temperaturas elevadas. El zirconio tiene buena maquinabiliclad. Sin embargo requiere un fluido de corte del tipo para enfriamiento, por el peligro de explosión e incendio.
20.9.3 Maquinabilidad de diversos materiales El grafito es abrasivo; requiere herramientas duras, afiladas y resistentes a la abrasión. Los termoplásticos, en general, tienen baja conductividad térmica, bajo módulo de elasticidad y baja temperatura de reblandecimiento. En consecuencia, para maquinarlos se requieren herramientas con ángulos de ataque positivos (para reducir las fuerzas de corte), graneles ángulos ele incidencia, pequeñas profundidades de corle y pequeños avances, velocidades relativamente altas y un soporte adecuado de la pieza. Las herramientas deben estar bien afiladas. Podría necesitarse enfriamiento externo de la zona de corte, para evitar que las virutas se vuelvan "pegajosas" y se adhieran a las herramientas. En genera!, se puede lograr este enfriamiento con un chorro de aire, niebla de vapor o con aceites hídrosolubles. Durante el maquinado se pueden desarrollar esfuerzos residuales. Para aliviar estos esfuerzos se pueden calentar las partes maquinadas durante cierto tiempo a temperaturas entre 80 y l 60ºC ( 175 a 3 l5ºFJ, para enfriarlas después lenta y uniformemente a la temperatura ambiente. Los plásticos termofijos son frágiles y sensibles a los gradientes térmicos durante el corte. Su maquinabilidad es, en general, parecida a Ja de los termoplásticos. Por las fibras presentes, los plásticos reforzados son muy abrasivos y difíciles de maquinar. Los mayores problemas son el rasgado y jalado de fibras. y des!aminado; pueden provocar una gran reducción en la capacidad de carga del componente. Además, para maquinar esos materiales se requiere la eliminación cuidadosa de los productos de maquinado para evitar el contacto con, o inhalar las fibras. La maquinabilidad de las cerámicas ha mejorado en forma gradual, con el desarrollo de las nanocerámicas (sección 8.2.5) y con la selección de parámetros adecuados de procesamiento, como por ejemplo el corte en régimen dúctil (sección 22.4.2). Los materiales compositos con matriz metálica y matriz cerámica pueden ser difíciles de maquinar, dependiendo de las propiedades de los componentes individuales, es decir, de las fibras o triquitas de refuerzo, así como del material de !a matriz.
20.9.4 Maquinado asistido térmicamente Los metales y las aleaciones difíciles de maquinar a temperatura ambiente se pueden trabajar con más facilidad a temperaturas elevadas. En el maquinado asistido térmicamente (maquinado en caliente), la fuente de calor, que puede ser un soplete, una bobina de inyección o un haz de alta energía (láser o haz de electrones), o un arco de plasma, se enfoca a una zona justo adelante ele la herramienta de corte. Las ventajas son: a) me-
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564
Capítulo 20 /Fundamentos del corte
565 norcs fuerzas de corte, b) mayor vida de Ja herramienta, e) uso de materiaies poco costosos en la herramienta de corte, d) mayores tasas de remoción de mate1ial, y e) menor tendencia a la vibración y al traqueteo. Podrá ser diffcil calentar y mantener una distribución uniforme de temperatura dentro de la pieza. 1ambién, la microestructura original de la pieza se puede afectar en forma adversa por las temperaturas elevadas. La mayor parte de las aplicaciones del maquinado en caliente son para tornear metales y aleaciones de alta resistencia, aunqlle hay experimentos para maquinar cerámicas como nitruro de silicio.
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TERMINOS CLAVE
Acabado superficial Acero refosforado Acero resulfurado Adelgazado Ángulo de ataque Ángulo de cortante Ángulo de fricción Ángnlo de holgura Ángulo de incidencia fi.ngulo de inclinación Borde acumulado Calificaciones de maquinabilidad Corte oblicuo Corte ortogonal Desconchado de herramienta Desgaste de cráter
--
RESUMEN
"' Con frecuencia se necesitan procesos de remoción de material para impartir las características de exactitud dimensional, características geométricas y acabado superficial deseadas en los componentes, en especial los que tienen formas complicadas que no se pueden producir en forma económica con otrn técnicas de modelado. Por otra parte, estos procesos tardan más, desperdician algo de rnalerial en for-1 ma de virutas y pueden tener efectos adversos sobre las superficies producidas. ,. Las clases de viruta que se observan con frecuencia son: continua, borde acumulado, discontinua y escalonada. Las variables importantes del proceso de maquinado son la forma y el material de la herra. mienta, las condiciones de corte, corno velocidad, avance y profundidad de corte; uso de fluido.'; de corte y las características de la máquina herramienta y del material de la pieza. Los parámetros influidos por estas variables son las fuerzas y el consumo de potencia, ei desgaste de Ja herramienta, cJ aca·· bado y .la integridad superficial, la temperatura y la exactitud climensionai de la pieza. ,. El aumento de temperatura es consideración importante, porque puede tener efectos adversos sobre k vicia de la herramienta, y también sobre Ja exactitud dimensional y la integridad superficial de i!l par!c maquinada.
Desgaste de flanco
Marcas de avance
Desgaste de muesca
Pista de desgaste
Difusión Ecuación de Taylor
Pista de desgaste admisible Plano de cortante Rasurado Relación de corte
Emisión acústica Energía específica
Forma de rizos Fuerza de corte Fuerza de empuje Integridad superficial Línea de profundidad de corle Máquina herramienta Maquinabilidad Maquinado Maquinado asjstido térrnicarnenle fvlaquinado en caliente
Rompevirutas Torneado
Vida de la herramienta Vigilancia del estado de la herramienta
Viruta Viruta continua Viruta discontinua Viruta escalonada Zona primaria de corte Zona secundaría de corte
BIBUOGRAFÍA Annarego. E.J.A., and R.H. Brown, The Machining of"Metals. Prentice Hai1. 1969. Astakhov, V.P., Metai Cuttin.g Mechan.ics. CRC Press, 1998. ASM Handhook, Vol. 16: Machining. ASM lnternalional, 1989. Boothrnyd, G .. and W.A. Kn;ghl, Fundamental.1· o(Machining and Machine Tools, (2d ce!.) Marccl Dekker, 1989. Kalpakjian, S. (ed.), 7liol andDie foilures: Source Dook. ASM
" Dos clases principales de dcsgasle de herramienta son el de flanco y el de cráter. El desgaste de la he rramicnta depende de las características de loo; materiales de la pieza y de la herramienta, ele la velocidad de corte, avance, profundidad de cone y fluidos de corte, así como de las características cíe la máquina berramienta. ,, El acabado s1.1perficial de los compo;ientcs maquinados puede afectar en forma adversa la iniegridad dd producto. Las variables impor!antes son la geometría y el estado de !a herramienta de corre, el tipo de virurn producida y las variables del proceso.
lntemational, 1982. Oxky, P.L.B., Mechanics of /Vfachinin.g-An Analytical
Shaw, M.C., Metal Cutting Principies. Oxford, 1984.
Stephenson, O.A., and J.S. Agapiou, Metal Cutting Theo1'.Y and Practice. Marce! Dekkcr, 1996. Too/ and Man~/izcturing Engineers Handbook (4th ed.). Vol. /: Machining. Socicty of Manufacturing Engincers, l 9X3.
Trcnt, E.M., and P.K. Wright, Metal Cuaing (4th ed.). Buttcrworth Heinemann, 1999. Vcnkatcsb, V.C .. and H. Chandrasekaran, E~\perimenfaf Tcchniqu.es in Metal Cutting (Rcv. ed.). Prcntice Hall,
Approach IO J\s.1essi11.g Machinahility. Wiley, 1989.
" La maquinabilidad se suele definir en términos de acabado superficial. duración o vida ele la herramienta, fuerza y potencia necesarias y control de la viruta. La maquinabilidad no sólo depende de sus propiedades intrínsecas y microestrnctura, sino tm11bién de una selección y control adecuados de las variables de proceso.
1987.
PREGUNTAS DE REPASO
TENDENCIAS "' Continúan los estudios sobre los procesos de corte, en especial para nuevos materiales metálicos y no metálicos (también para materiales diseñados) para determinar mejores formas de maquinado. '" Debido a su importancia en la fabricación controlada por computadora, y en la planeación de cambios de herramienta, continúan investigímdose técnicas confiables de determinación la vida de henwnienta"5, y de la predicción exacta de esta última. • Ya se usan en la actualidad técnicas y dispositivos en línea para vigilar el desgaste de herramientas para máquinas controladas por computadora, y también se están desarrollando otras. • Se investigando el control del flujo y disposición de virutas, en especial en el maquinado de grandesestá producciones.
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20.1 Haga una lista de (a) variables dependientes y (b) variables independientes en el corte de metales. 20.2 Explique Ja diferencia entre ángulos de ataque posltivos y negativos. 20.3 Explique la diferencia entre virutas discontinuas y virutas segmentadas. 20,4 ¿Por qué no siempre son convenientes las virutas continuas? 20.5 ¿Hay alguna vent~ja de tener borde acumulado? Explique por qué. 20.6 Escriba los factores que contribuyen a la formación de virutas discontinuas. 20.7 ¿Cuál es la función de los rompevirutas? ¿Cómo funcionan? 20.8 Identifique las fuerzas que intervienen en una operación de corte. ¿Cuál fuerza contribuye a Ja potencia requerida? 20.9 Explique las características de distintos tipos de desgaste de herramienta. 20.10 Cite las técnicas para medir el desgaste de herramientas. Describa sus ventajas y limitaciones. 20.1.1 ¿Se relacionan las ubicaciones de la temperatura máxima y de] desgaste en cráter? En caso afirmativo. ¿por qué?
20.12 Haga una lista de los factores que contribuyen a un mal acabado superficial en el corte. ~-
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Capítulo 20 /Fundamentos del corte
56 7
Problemas cuantitativos 20.13 Explique qué significa el ténnino "maquinabilidad" y qué implica. ¿Porgué el titanio tiene poca maquinabiliclad? 20.14 ¿Cmíl es la ecuación de Taylor para la vida de !a herramienta? 20.15 ¿Cuándo se forman virntas escalonadas? 20.16 ¿Hay algún inconveniente en maquinar con mucha lentitud? 20.17 ¿Cuáles son las formas comunes de rompevirutas? 20.18 ¿Crníl es la diferencia entre el corle oblicuo y el ortogonal? 20.19 ¿fa impoitante la ductilidad de los materiales en la maquínabilídacl? Explique por qué. 20.20 ¿Por qué es importante el ángulo de ataque de una hen-arnienta? ¿Es importante el ángulo de incidencia? 20.Zl ¿Qué es el torneado? Describa sus posibilidades.
PROBLEMAS CUALITATIVOS
20.44 En la tabla 20.4 se ve que en general, la pista de desgaste admisible para los carburos es menor que para los aceros rápidos. ¿Por qué?? 20.45 Describa con detalle los efectos que puede tener una herramienta desafilada sobre las operaciones de corte. 20.46 Explique si es preferible tener un valor alto o bajo de nen la ecuación de Taylor, para la vida de la herramienta. ¿Y respecto al valor de qué puede decir?
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20.47 La curva de vida de herramientas cerámicas, en la fig. 20. 17, está a la derecha de las de otros materiales. ¿Por qué? 20.48 ¿Qué tipo de virutas se producirían al maquinar fundición gris? Explique por qué. 20.49 Se hizo notar en este capítulo que la potencia del corte se disipa principalmente en la zona primaria de corte, y en ia interfaz entre viruta y herramienta. Si el ángulo de ataque es Oº, las fuerzas de fricción son perpendiculares a la dirección de corte y no consumen potencia de la máquina. ¿Entonces por qué lo anterior tiene como consecuencia un aumento de la potencia disipada sobre un ángulo de ataque de 20º, por ejemplo? 20.50 ¿Por qué son baja,; las temperaturas de herramienta a bajas velocidades de corte. y elevadas a altas velocidades de corte?
20.22 Explique por qué es importante estudiar la clase de viruta gue se produce para comprender las operaciones de corte.
20.51 ¿Cuál es el inconveniente de una pista de desgaste grande?
24l.23 ¿Por qué cree usted que la temperatura máxima en el corte ortogonal está más o menos a la mitad de la interfaz entre herramienta y viruta? (Sugerencia: recuerde que las dos fuentes de calor son (a) cizallamiento en el plano primario de crn1e, y (b) fricción en la interfaz entre hetrnmienta y vimta.)
20.52 La ecuación de Taylor, de vida de herramientas. se refiere al desgaste de flanco. ¿Esperaría usted que una ecuación para el desgaste de cráter fuera bastante distinta? Explique por qué.
W.24 ¿Cuáles son los cfeclos de bajar la fricción en la interfaz entre herramienta y vmrta (por ejemplo. con un lubric:H1le) sobre la mecánica de las operaciones de corte'?
.W.25 La vida de una herramienta puede ser casi infinita a bajas velocidades de corte. ¿Recomendaría usted que todo maquinado se haga a b<~ja.s velocidades? Explique por qué.
20.53 ¿Cuáles son las propiedades físicas y químicas importantes de una hen-amienta de corte 1 según sus conocimientos dt~l proceso básico de corte de metales? 20.54 Una aleadón de aluminio de aplicación aeroespacial tiene alta conductividad térmica y resistencia, pero al cortada se producen virutas escalonadas. ¿Qué diría acerca de la resistencia del aluminio en altas temperaturas? 20.55 ¿Cuál es la importancia de la relación de corte?
211.26 Explique l'Ls consecuencias de dejar que suban mucho las temperaturas en el corte 20.27 La fnerza de corte aumenta con la profundidad de corte y con menor ángulo de ataque. ¿Por qué? 20.28 ¿Por qué no siempre se aconseja aumentar la velocidad de corte para aumentar la capacidad de producción? W.29 i.Cu{!Jes son las consecuencias de que se desportille una hemunicnta? 20.30 La madera es un material muy anisotrópico (ortotrópico). Explique los efectos de formación de viruta aJ cortar ma·· dera en diferentes ángulos respecto al hilo. 20.31 ¿Cuáles son lo.s efecios de efoctuar una operación de corte con una herrnmie11ta desal!lada·,' :Z0.32 ¿A qué factores atribuye usted la diferencia de energías específicas al maquinar los materiales de la tabla 20.2"1 ;,Por qué hay un intervalo de energías para cada grupo de materiales? 20.33 Explique por qué es posible quitar más materia! entre alilados de herramienta bajando la velocidad de corte. 20.34 En vista de que la dimensión den la fig. 20.4a es muy pequeña (del orden de menos de 0.01 mm), explique por qué es lan alta la velocidad de deformación corlame en el corre de metales (véase también la labia 2 ..3). 20..35 Explique el significado ele la ecuación (20.7).
PROBLEMAS CUANTITATIVOS 20.56 Sean n = 0.4 y C = 400 en la ecuación ele Taylor, de duración de herramienta. ¿Cuál es el porcentaje de aumento en la vida de una herramienta si se reduce la velocidad de corte en a) 20%? b) 40%? 20.57 Suponga que en el corte ortogonal el ángulo de ataque es 1Oº, y que el coeficiente de fricción es 0.5. Aplique la ecuación (20.3) para determinar el aumento porcentual de espesor de vimta cuando la fricción aumenta al doble. 20.58 Deduzca la ecuación (20. \2). 20.59 Tome un carburo como ejemplo. y con la ecuación (20.19) determine cuúnto hay que reducir el avance para mamener constante la temperatura media cuando se eleva al doble la velocidad de corte. 20.60 Use relaciones t1igonomél1icas para deducir una ecuación para determinar la relación de energía cortante entre la energía de fricción, en el corte ortogonal, en función de los ángulos a, f3 y tjJ solamente.
20.36 el Dijimos que,¿Por er, 1" ecuación (20.19), la velocidad Je corte V tiene mayor influencia sobre la temperatura nredia que a vanee/ qué?
20.61 Se hace una operación de corte ortogonal bajo las siguientes condiciones: t 0 = 0.1 mm. te = 0.2 mm, ancho de corte = 5 mm, V= 2 mis, ángulo de ataque= 10º. F,. = 500 N y F, = 200 N. Calcule el porcentaje ele la energía total que se disipa en el plano de corte.
20.37 Co1nentc sus observaciones acerca de 1a fig. 20.9.
20.62 Calcule los valores de C y n para los cuatro materiales de herramienta de la fig. 20.17.
W.38 20.12'1 ¿Hubicrn usted imaginado Explique por qué. la distribución general de temperaturas en el corte de metales tal como se ve en la fig.
20.63 Los datos de la siguiente tabla se obtuvieron en corte ortogonal de acero AISI 4 l 30, usando una herramienta de acero rápido y con velocidad de corte V= 90 pies/min, profundidad de corte 10 = 0.0025 pulg, amplitud de corte= 0.475 pulg. Calcule las cantidades que faltan en la tabla. Describa sus observaciones acerca de las diversas fuerzas y energías al aumentar el ángulo de ataque.
20.39 mienla Describa consecuencias de rebasar la pista admisible de desgaste (tabla 20.3) para diversos materiales de hcrrade las corle. 20.40 Comente sus observaciones acerca de la fig. 20.6.
20.41 ¿Por qué la temperatura de corte depende de Ja velocidad de corte. el avance y la profundidad de corte? Explíquelo en función de las variables relevantes en el proceso.
20.42 ¿Por Habráqué notado que los valores de a y ben la ecuación (20.19) son mayores para aceros rápidos que para carburos. es así?
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20.43 de Como se ¿Por ve enqué? la fig. 20.14, el porcentaje de la energía total de corte que disipa la viruta aumenta con la velocidad corte.
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Caµi1ulo 20 /Fundamentos del corte 211.64 Deduzca la ecuación (20. 1). 20.65 Suponga que en un corte ortogonal, el ángulo de ataque a es 15º, y que el üngulo de fricción f3 es 30º en la intcrfose entre y herramienta. No useviruta la ecuación (20.3). Calcule el cambio porcemuaJ en el espesor de la viruta cuando el
20.73 fig. La mgosidad de superficie en el torneado (sin formación de borde acumulado oi vibraciones, como se ve en la 20.23), es,ideal aproximadamente
Rª = 8R
Materiales de herramientas y fluidos de corte 21.1 21 .2
21.3 donde R" es el valor del promedio arilmético (sección 3 l .5), fes el avance y R es el radio de nariz ele la herramienta. Seleccione un avance adecuado parn R = 1 mm y una rugosidad deseada de J µ,m. ¿Cómo ajustaría este avance para tener en cuenta el desgaste de la nariz de la herramienta durante cortes extensos?
21.4 21.5
W.'74 Suponiendo que el coeficiente de fricción en el coite co 0.3, calcule la profundidad máxima de corte para tornear una aleación dura de aluminio en un torno de 20 hp (eficiencia mecánica= 80%) con ancho de corte de 0.2.'i pulg, ángulo de ataque de 10º y velocidad de corte ele 300 pies/min. ¿Cmíi es su estimación dc la resistencia cortante del material"' Use requisitos específicos de energía que aparezcan en la tabla 20.2.
21.7 21.8
21.6
2·1.9
21.10 W.'75 Con una herramienta de corte de carburo, la temperatura en una operación de corte es 1200 ºE con una velociúad de 250 pics/min y avance de 0.0025 pulg/rev. ¿Cuál es la temperatura aproximada si la velocidad sube al doble'' ¡_Quó velocidad se requiere para bajar !a temperatura máxima en el corte a 800 ''F?
Y DISE1\Jo 20.76 Como hemos visto, la viruta se lleva la mayor parte del calor generado en el corte. Si no fuera así, ¿qué sugerencias hm"fa usted para poder llevar a cabo procesos de maquinado? Explique por qué. 20.77 La vida de las herramientas se puede aumentar mucho si se encontrara un medio eficaz p_arn enfriar y lubricar. Diseñe su métodos de diseñopara entregar este tluido a la interfaz emre herramienta y pieza, y describa las ventajas y las limitaciones 20. 78 Diseñe un experimento en el que se pueda simular el corte ortogonal en una operación de torneado. 20.79 Suponga que es usted profesor de los temas que describimos en este capítulo, y que va a poner un cuestionario acerca los aspectos numéricos, para deteiminar la comprensión de los alumnos. Prepare varios problemas cuantitativosde y resuélvalos. 20.80 A veces se diseñan herramientas de corte para que se controle la longitud del contacto entre viruta y herramienta, retrasando esteherramienta. contacto en la cara de ataque a cierta distancia de la punta de la herramienta. Explique las posibles ventajas de esa
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21.11 21.12 21.13
Introducción Aceros al carbono y de media aleación Aceros rápidos o de alta velocidad Aleaciones de cobalto fundidas Carburos Herramientas recubiertas Cerámicas a base de alúmina Nitruro de boro cúbico Cerámicas a base de nitruro de silicio Diamante Materiales de herramienta reforzados con triquitas y nanocristalinos Reacondicionarniento de herramientas de corte Fluidos de corte
21.1 iNT-RODUCCIÓ~~ Entre los factores más importantes de las operaciones de maquinado está la selección de materiales de herramientas de corte para determinada aplicación, como la selección de los materiales de molde y de matriz para procesos de moldeado y formado (parte III). Como se mencionó en el capítulo 20, la herramienta de corte está sometida a a) altas temperaturas, b) esfuerzos de contacto y c) deslizamiento en la interfase entre herramienta y viruta, a lo largo de la snperficie maqninada. En consecuencia, una herramienta de corte debe poseer las siguientes características: • Dureza, en especial a temperaturas elevadas (dureza en calieute o al rojo), para que se mantengan la dureza y resistencia mecánica de la herramienta, así como su resistencia al desgaste y a las temperaturas que se desarrollan en las operaciones de corte (fig. 21.1). • Tenacidad, para que las fuerzas de impacto sobre la herramienta en operaciones interrumpidas de corte (como en el fresado o torneado de un eje estriado) o las debidas a vibraciones y traqueteos durante el maquinado no se desportillen ni fracturen la herramienta.
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Capítulo 21 /Materiales de herrz¡mientas y fluidos de corte
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fusión o descomposición cfo estos materiales.
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Se dispone de varios materiales para herramientas de corte, con una mnplia gama de propiedades mednicas, físicas y químicas (tab!as 21 .1 a 21.3). Los materiales para herramientas se suelen dividir en las siguientes categorías generales, mencionadas en el orden en que se desarrollaron e implementaron: "l. Aceros al carbono y de media aleación 2. Aceros de ali.a velocidad 3. A leacioncs ele cobalto fundidas 4. Carburos 5. Herramientas recub.ie11as 6. Cerámicas a base de alúmina 7. Nitrnro de boro cúbico 8. Cerámicas a base de nitruro de silicio 9. Diamante IO. Materiales reforzados con triquitas Nótese que, tal como se describió en las partes II y III, muchos de estos materiales también se usan para matrices y moldes. Este capítulo describe las características, aplicaciones y limitaciones de estos mate.riales para henamienta en operaciones de maquinado, incluyendo caracteristicas como dureza en caliente, tenacidad, resistencia ai impacto, resistencia al desgaste, resistencia al choque térmico y costo, al igual que los límites de velocidades de corte y de profundidad de corte para su desempeño óptimo. *N. de losyR. T.: fndexar, especie de "anglicismo"' usado en insertos de carburo, cerámico o diamante para indicar el acto de reorieniar el inserto activar un nuevo filo ha<>ta que se agoten todos.
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Sección 2·1.1 /Aceros r¿{pidos o de alta velocidad
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TABLA 21.3
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Catburos sin recubrir
Alta dureza entre amplios límites de temperatura; tenacidad, resistencia al de~.gaste, versátiles y amplia variedad de aplicaciones
Desgaste de flanco, desgaste de cráter
No se ¡:iuede usar a baja vcloddcid por soldarnicnto de virutas en frío; mícrodesportillam1ento
Carburos recubierLos
Mejor rcsístencia al desgaste que los carburos no recubiertos; mejores propiedades de fricción y térmicas
Desgaste de tlanco, desgaste de cráter
No se puede usar a baja velocidad por soldamiento de virutas en frío; microdesporti!larniento
Gran dureza a temperatur::is
Muesca en línea de profundidad i.k corte, micmdesportillamiento, fractura masiva
Baja resistencia, baja resistencia termomecánica y a la ratiga
Muesca en línea de prnl'undidad de corte, desconchamicnto, oxidación, grafilación
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Desportillamiento, oxidación. grafilación
Baja resistencia, b~~ja estabilidad química a Jfü¡yor temperatura
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Los aceros al carbono son lo:.~ materiales de herrmnienta más antiguos, y se han usado mucho en taladros, 1nachuclos, brochas y escariadores desde Ja década de 1880. Después se desarrollaron aceros de baja y media aleación para aplicaciones parecidas. pero con vida más larga. Aunque son poco costosos y se conforman y afilan con facilidad, no tienen la dureza suficiente en caliente, ni la resistencia al desgaste para cortar a graneles velocidades (donde, como ya vimos, la temperatura sube en forma apreciable). Por ejemplo, en la fig. 21.l, nótese lo rápido que disminuye la dureza de los aceros al carbono a medida que aumenta la temperatura. En consecuencia, el uso de estos aceros está limitado a operaciones ele corte a muy baja velocidad.
21.3 ACEROS RÁPIDOS O DE ALTA VELOCIDAD Las herramientas de acero rápido se llaman así porque se desarrollaron para cortm· a mayores velocidades. Se comenzm·on a producir a principios de los años de 1900, y son los aceros ele herramienta con más alta aleación (sección 5.7). Se pueden endurecer hasta diversas profundidades, tienen buena resistencia al desgaste y son relativamente poco costosos. Por su tenacidad y gran resistencia a la fractura. los aceros rápidos se adaptan en especial para herramientas con ángulo de ataque positivo grande (las que tienen ángulos incluidos pequeños), para cortes interrumpidos y para máquinas herramientas con baja rigidez, sometidos a vibración y a traqueteo. Han dos tipos básicos de aceros rápidos: al molibdeno (serie M) y al tungsteno (serie T). La serie M contiene hasta 10% de molibdeno, con cromo, vanadio, tungsteno y cobalto como aleantes. La serie T con-
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574
Capítulo 21 /Materiales de hcrramientJs y fluidos de corte
Sección 21 .5 /Carburos tiene de 12 a 18% de tungsteno, además de cromo, vanadio y cobalto. En general, la seri.e M tiene mayor re. sistencia a la abrasión que la serie T, sufre menos distorsión durante el tratamiento térmico y es menos costosa. En consecuencia, 95% de las herramientas de acero rápido se fabrican con acero,; de la serie M. Las herramientas de acero rápido se pueden conseguir en formas forjada, colada y sinterizada (metalurgia de polvos). Se pueden recubrir para tener mejor desempeño (sección 21.6). Tmnbién se pueden someter a tratamientos superficiales, como por ejemplo endurecimiento superficial, para mejorar la dureza y la resistencia al desgaste (véase la sección 4. l 0), o tratarse con vapor a temperaturas elevadas para desarroJ!ar una capa negra de óxido que les confiere mejor desempeño, por ejemplo, para reducir la formación de borde acumulado. Los aceros rápidos forman el mayor tonelaje de materiales para herramienta que se usan en la actualidad, y les siguen diversos aceros para matrices y carburos. Se usan en una gran variedad de operaciones de corte donde se requieren formas complicadas de herramienta, como por ejemplo brocas, escariadores, machuelos y co1tadores de engranajes (capítulos 22 y 23). Sus limitaciones más importante son las velocidades de corte que se pueden emplear, que son bajas en relación con las de las herramientas de carburo.
575
21.5.1 Carburo de tungsteno El carburo de tungsteno (WC) es un material composito formado por partículas de carburo de tungsteno dentro de una matriz de cobalto. Un nombre alternativo del carburo de tungsteno es carburos cementados. Estas herrmnientas se fabrican con técnicas de metalurgia de polvos (como se desc1ibió en el ejemplo de la sección 17 .5), en las que !as partículas de WC se combinan con cobalto en un mezclador y se obtiene una matriz de cobalto que las rodea. Estas partículas, que tienen tamaños de 1 a 5 µ,m (40 a 200 µ,pulg) se prensan y sinterizan en las formas deseadas de los insertos. Debido a este proceso, al carburo de tungsteno también se le llama carburos sinterizados. Con frecuencia se mezclan Jos carburos de tungsteno con carburos de titanio y de niobio para impartirles propiedades especiales. La cantidad de cobalto presente afecta en forma sensible a las propiedades de las herramientas de carburo. Al aumentar esta cantidad disminuye la resistencia mecánica y al desgas le, así como la dureza de la herramienta, mientras que su tenacidad aumenta, por la mayor tenacidad del cobalto. En general, las he1rnmientas de carburo de tungsteno se usan para cortar aceros, fundiciones (hierros colados) y materiales no ferrosos abrasivos, y han sustituido mucho las herramientas de acero rápido, por su mejor rendimiento.
21.4 ALEACIONES DE COBALTO FUNDIDAS 2 l ..5.2 Carburo de titanio Se comenzaron a usar en 19!5, y tienen los siguientes márgenes de composición: de 38 a 53% de cobalLo, de 30 a 33% ele cromo y de 10 a 20% de tungsteno. Por su gran dureza (normalmente de .58 a 64 HRC) Lienen buena resistencia al desgaste y pueden mantener esa dureza a temperaturas elevadas. No son tan tenaces como los aceros rápidos, y son sensibles a las fuer?.as de impacto. En consecuencia, son menos adecuados que los aceros rápidos para operaciones interrumpidas de corte.
Se conocen normalmente como herramientas de estelita, est
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Los tres grupos de materiales de herramienta que acabamos de describir (aceros aleados, aceros rápido., y «lcaciones fundidas) poseen la tenacidad, resistencia al impacto y resistencia al choque térmico necesarias, pero lambién tienen limitaciones importantes, en especial respecto a resistencia mecánica y dureza, y pmticulannente a.l choque térmico. En consecuencia no se pueden usar con tanta eficacia clonde se requieren gran·" des velocidades de corte y en consecuencia altas temperaturas. · Para enfrentar el desafío de mayores velocidades para mayores producciones, se introdujeron los carburos (llamados también carburos cementados o sinterizados) en Ja década de 1930. Por su gran dureza dentro de un amplio margen de temperaturas (fig. 21.l), alto módulo de elasticidad, alta conductividad térmica y lxlja dilatación térmica, los carburos están entre los materiales más importantes, versátiles y económicos para fabricar herran1ientas y matrices para una amplia gama de aplicaciones. Los dos grupos básicos de carburos que se usan en operaciones de maquinado son el carburo de tungsteno y el carburo de titanio. Para diferenciarlos de las herramientas recubiertas (sección 2 l .6), a las herranúcntas de carburo simple se les llama "de carburos no recubiertos" (véase la seccion 21.J l, con una descripción de Jos carburos de micrograno).
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21 .5 .3 Insertos Hemos visto que las herramientas de acero al carbono y de acero rápido se forman en una pieza y se rectiti can para darles sus características geométricas (fig. 20.JOa); entre otras herramientas de esa clase están las brocas y las fresas. Después de que se gasta el filo de corte hay que quitar la herramienta de su sujetador para volverla a afilar. Aunque los almacenes de herramienta suelen tener disponible una existencia de herramientas afiladé!S, las operaciones de cambio de herramienta son tardadas e in.eficientes. La necesidad de un método más efectivo ha conducido al desarrollo de inse11os, que son herramientas individuales de corte con varias puntas (fig. 21.2). Por ejemplo, un inserto cuadrado tiene ocho puntas de corte, y uno triangular tiene seis. Los insertos se suelen fijar en el portah.erramienla con diversos mecanismos de sujeción (figs. 2 J .3 a-c). Aunque no se hace con tanta frecuencia, los insertos se pueden soldar con soldadura fuerte al portaherra-
Insertos de carburo con distintas formas y rompevirutas; también hay insertos redondos (fig. 21.4). Los orificios de los insertos están normalizados para poder intercambiarlos. Fuente: cortesía de Kyocera Engineered Cerarnics, !ne., y Manufacturing engineering magazine, Society of Manufacturing Engineers.
FIGURA 21.2
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herramic~ntas y fluidos
de corte
Sección 21 .5 /Carburos
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Mayor tendencia al desporlillamlento y rotura ·---·-- --··--->·
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FIGURA 21.4 Resistencia relativa de arista y tendencia al despor!iliamiento y rotura de insertos ele diversas formas. La resistencia se refiere al filo que indica los ángulos incluidos. Fuente: Kennametal, !ne.
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f!GliRA 21.3 Métodos de fijar insertos en potiaherramientas: (a) prensas, y (b) seguros de mariposa. (e) Ejcrnplos de insertos fijos a portaherr,m1ientas con seguros sin rosca, que se inmovilizan con tomillos Fuente: cortesía de Valenite. (di Inserto soldado (fijado con soldadura fuerte) en un po1·taherramienld laterales. la sección 30.2). (véase
FIGURA 21.5 -
mienta (fig. 2 l .3d). Debido a la diferencia de diiatación térmica emrc el inserto y el portahcrratnicnia, el soldado se debe hacer con cuidado para evitar roturas o torceduras. El método preferido para asegurar un inserto es 1<1 fijación mecánica, porque cada inserto tiene varias puntas de corte, y después que se gasta una. se indexa, (gira en su soporte para tener otra punía de ccnte). !\.demás de los ejemplos en esta figura, se dispone de una gran variedad de otros poriahcrramicntas para aplicaciones específicas, que incluyen los gne tienen aditmnentos para inserción y remoción rápida. Los insertos o "pastillas" de carburo se consiguen en Lma gran variedad de formas, corno cuadrado, l:ri{mgulo, rombo y redondo. La resistencia del filo de nn inserto depende de su forma. Mientras menor sea el ángulo incluido (fig. 21.4), la resistencia del filo es menor. Para mejorar esta resistencia y evitar el descon· chado, todos Jos filos del inserto se suelen asentar o honean, biselar o producir con una cara negativa (fig. 21.5). La mayor parte se asientan hasta un radio aproximado de 0.025 inm (0.001 puJg). Las características ele rompevirutas en las herramientas de Corte, que se describieron en Ja sección 20.3.7, tienen por objeto a) controlar el flnjo ele viruta durante el maquinado, b) eliminar vimtas largas, y e) reducir la vibración y el calor generados. La mayor parte ele los insertos de carburo gue se consiguen hoy tienen una gnm variedad de formas con rompevirutas; en la fig. 21.2 se ven unos ejemplos característicos. La selección de determinado tipo de rompevirutas depende• <:[el .avance y de la profundidad de corte en la operación, del material de la pieza, del tipo de viruta producida durante el corte, y de si se trata ele una ope· ración de desbaste o de acabado. Se están clesarrollanclo las geometrfas óptimas para romper viruta, mediante diseño ayudado por computadora y técnicas ele análisis por elementos finitos.
Mayor resislcncia de filo
Preparación de filo de insertos, para
mejorar la resistencia del filo. Véase también la sección 23.2. Fuente: K"nnametal, lnc.
La rigidez de la máquina herramienta es de gran import
21.5.4 Clasificación de las herramientas de carburo Durante varios años, el Instituto de Normas ele Estados Unidos (American National Standards lnstitute. ANSI) ha clasificado las herramientas ele carburo en los grados del C-1 al C-8 (tabla 21.4). Con las tendencias rápidamente crecientes en la manufactura global y con el uso cada vez más difundido de las normas ISO (Organización Internacional de Normalización), se han desarrollado esfuerzos, desde hace algún tiempo, para normalizar la clasificación de los carburos. Hoy, las clases ele carburos se clasifican mediante los símbolos P, M y K, para una variedad de aplicaciones (tabla 21.5). En la tabla 21.4 aparecen las normas ISO aproximadamente equivalentes ele los de la tabla 21.4. Por Ja gran variedad de las formulaciones disponibles de carburo, y por la amplia gama de aplicaciones de maquinado y Jos materiales maquinados, las actividades de la ISO se toman diffciles. Esto es especialmente cierto cuando se comparan los grados ISO con los grados C tradicionales.
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578
CJpítulo 21 /Materiales de herramientas y fluidos de cort<:•
Sección 2·1 .6 /Herramientas recubiertas
TABILA 21.4
Clasificación de los carburos de tungsteno según sus aplicaciones en maquinado. Véanse también los capítulos 22 y 23, con recomendaciones para herramientas de corte. Número de
clasificación (grado) ANSI
Norrna !SO 1<31}-K40
por
Operación
Tipo de
rnaquínar
de maquinado
carburo
Hierro colado,
KOI
C-4
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metales no
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C-5
..
Proposito
O"cneral
~cabado
se reqmera resistencia a la abrasión
ligero Acabado de precisión Desbaste
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P20 f C-6 1 Aceros Y sus Pio·--~--·· C-7 - - - - aleaciones que . reqmeran ¡;¡¡¡--res1stencia aJ C-8
__J.
cráter y a !a deformación
Grados resistentes al
ferrosos y materia.les no _J . rnetáhc_o.s donde
J
I
P30-P50
Propósito
precisión
tamaños vanables de grano
. Grados resistentes
a cráter· diversas
'. . co~posic10nes de
gencrul Acabado
Hiºcro A~abado
desgaste; en general WC-·Co . simple con
Características de
TI IT Corte
Carburo
VelocidaU de
Durez;:¡ y -
corle crccieme
resistencia al
desgaste crecientes
rr . J
y/o con
aleaciones de TaC
j_
desgaste crec1emc:s
'f
WC-Co con TrC de
Resistencia y co; tenido de aglomcrantc creoicntes Dureza y resistencia al
Avance creciente Vdncirlad de corte creciente
-
Avance creciente
- - - -de-tSO -- · -son --·--'----. 1\!0!o: f ,as comparac10ne.s y ANSI aprnxunados.
i
R~i y crm:. tenido de aghrnw-
- -cante-creciente·, --
Clasificación ISO de herramientas de corte de carburo, de acuerdo con su empleo Designaclón en orden crt'cii::ntc de resistencia al desgaste
I' 'VI
l
26
E1
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¡ 5 - - - - - - - ·- - ·- - - _"\. Grados mejorados de carburo .l - ______ ·- _______ ~. Primeros recubrimientos 07 __________________:,.. dobles
·
Primeros recubrimientos triples 1900'10 '20 '30 '40 '50 '60 '70 '80 '90 Año
Tiempo relativo para maquinar con diversos materiales de herramienta, con el año en que se comenzaron a usar. Fuente: Sandvik Coromant.
FIGURA 21,6
sores de 2 a 15 f.Lill (80 a 600 µ.pulg), y se aplican sobre las herramientas de corte y los insertos con los siguientes métodos (sección 33.5): a. Deposición química ele vapor (CVD), incluyendo CVD asistida por plasma y
lAl!J:l.A 21.5
Símbolo
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Materiales
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~:~~ =¡ :~~
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Material dela Met<-1les ferrosos con viruta larga
M~t;ilc." ferroso,<; con virutas l
Clave de color Azul
Amarillo
l< lVfetales ferrosos con viru!a corta; metales no
ferrosos: ma1cria1es no meufüco.s.
R<~jo
y orden decreciente de tenacidad en cada calegoria, en incremenios de S
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PUi, P05 a P50
M 10 a !W40
K01. KIOa K40
21.6 1-1 ERRA MlEN TAS ----~--------------RECUBIERTAS
b. Deposición física de vapor (PVD). El proceso CVD es el método que se usa con más frecuencia para herramientas de carburo con recubrimientos de varias fases y cerámicos, que se describirán más adelante en esta sección. Los carburos recubiertos de TiN por PVD, por otra parte, tienen mayor resistencia en el filo, menor fricción, menor tendencia a for· mar borde acurmtlado, y son más lisos y más uniformes en su espesor, que en genernl está entre 2 y 4 µ..m (80 a 160f.LITI). Una tecnología de recubrimiento que se inicia y se usa ell particular con recubrimientos multifásicos es la deposición química de vapor a temperatura intermedia (MTCVD). Se desarrolla para maquinar hiet-ro dúcti 1(nodular) y aceros inoxidables, y para tener mayor resistencia a la propagación de grietas en comparación con los recubrimientos CVD. Los recubrimientos para herramierltas de corle y para matrices deben tener las siguientes características generales: " Dureza elevada a temperaturas altas. " Estabilidad química con, e inertes al material de la pieza.
Clirno >e describió en Ja parte I, se están desarrollando en forma continua nuevas aleaciones y materiales rn· genieriles, en especial a partir de la década de l 960. Estos materiales tienen gran resistencia y tenacidad, pero son abrasivos y reaccionan químicamente con los materiales de herramienta. La dificultad de maquinar con eficiencia estos nuevos materiales, y la necesidad de mejorar el desempeño en el" maquinado de materiales técnicos más comunes, ha originado desarrollos importantes en las herramientas recubiertas. Por sus propiedades únicas, como menor fricción y mayor resistencia a grietas y al desgaste, las herramientas recubiertas se pueden usar a grandes velocidades de corte, reduciendo tanto el tiempo necesario como los costos, de las operaciones de maquinado. El tiempo de corte se ha reducido por un factor de más de 100 a partir de 1900 (fig. 21.6). Las herramientas recubiertas pueden durar hasta 10 veces más que las no recubie1ti1s.
21.6.1 Materiales de recubrimiento Los materiales que se suelen usar como recubrimiento son nitruro de titanio (TiN), carburo de titanio (TiC), carburo-nitruro de titanio (TiCN) y óxido de aluminio (Al 2 0 3 ), En general, estos recubrimientos tienen espe-
., Baja conductividad térmica. • Buena adhesión al substrato para evitar desprendimiento. • Poca o ninguna porosidad. La eficacia de los recubrimientos, a su vez, aumenta con la dureza, tenacidad y alta conductividad térmica del sustrato, que puede ser carburo o acero rápido. Un procedimiento importante para mantener la resistencia del recubrimiento es asentar los filos de corte (véase la sección 25.10); si no es así, el recubrimiento se puede desprender o desportillar en los filos y esquinas afilados. Nitruro de titanio. Los recubrimientos de nitruro de titanio tienen bajos coeficientes de fricción, gran dureza, resistencia a alta temperatura y buena adhesión al substrato. En consecuencia, mejoran mucho la vida de las herramientas de acero rápido y la vida de herramientas, brocas y cortadores de carburo. Las herramientas recubiertas de nitruro de titanio (de color dorado) funcionan bien a grandes velocidades de coite y grandes avances.
........580
Capítulo 2·1 /
M;üc~riales de herrarnientas y fluidos de corte Sección 21.6 /Herramientas recubiertas
El desgaste de flanco es b1stante menor que el de herramienta:s no recubiertas, y la superficie de flanco puede afilarse después, porque el afilador no quita el recubrimiento de la cara del ataque de la herramienta. Sin embargo, las he1rnrnientas recubiertas no funcionan tan bien a bajas velocidades ele corte, porque el recubrimiento se puede gastar por adhesión de viruta; por consiguiente es importante usar los líquidos ele corte adecuados para tratar de evitar la adhesión. Carl.1uro de titanio. Los recubrimientos de carburo ele titanio sobre los insenos ele carburo ele tungsleno tienen alta resistencia al desgaste de flanco, al maquinar materiales abrasivos. Cerámicas. Por su inercia química, baja conductividad térmica, resistencia a all:a temperatura y al clesgaste de cníter y de flanco, las cerámicas son materiales adecuados para recubrir herramientas (véanse las secciones 8.2 y 8.3). El recubrimiento cerámico ele mayor uso es el óxido de aluminio (Al 0 ). Pero por ser 2 3 muy estables (no son reactivos químicamente), los recubrimientos de óxido tienen en general una débil adhesión al substrato. Recubrimientos multifásicos_ Las propiedades favorables de los recubrimientos que acaba1110.1 de describir se pueden combinar y optimizar usando recubrimientos multifásicos. Hoy se consiguen herramientas de carbnro con dos o tres capas de estos recubrimientos, que son especialmente efectivos para maquinar fundiciones (hierros colados) y aceros. Por ejempio, se podría depositar primero TiC sobre el substrato, seguido ele Al/l,, y después por TiN La primera capa debe ligarse bien con el substrato; la capa externa debe resistir el desgaste y iener bajJJ conductividad térmica. La capa intermedia se debe ligar bien y ser compatible con las dos anteriores
581
También se consiguen recubrimientos en capas alternas de varias fases. El espesor de estas capas es del orden de 2 a 10 µ,m, más delgado que los recubrimientos normales ele varias fases (fig. 21.7). La razón de usar recubrimientos más delgados es que la dureza del recubrimiento aumenta al disminuir el tamaño del grano, fenómeno parecido al aumento de resistencia de los metales al disminuir el tamaño de grano (sección l .4). Por lo anterior, las capas más delgadas son más duras que las más gruesas.
Ejemplo: Recubrimiento de varias fases sobre una herramienta de carburo Corno ejemplo de una.herramienta de carburo recuÍ)iert.a, de reciente desarrollo, tenemos el sigúiente, comenzando en la capa superior: TiN
Bajá fricción
Al¿Ü3
Gran estabilidad térmica
TiCN
Reforzado cori. fibra; buen. equilibrio de resistencia al desgaste de llaneo, en especial para corte interrumpido
Suhs1rnto especial de carburo (delgado)
Gran tenacidad a la fractura
Substrato de carburo (4 granel)
Duro y resistente a Iá defonnacíón plástica
Las aplicaciones características de las herramientas con capa múltiple son las siguientes:
l. 2. Corte rucio y continuo:
3,. Corte ligero e interrumpido: TiC/TiC + TiNffiN.
21,6.2 Herramientas recubiertas de diamante
rlGUí!A 2L7 Recubrimientos de varias fases sobre un substrato de carburo de lungstenu. i-ldy ti es carx1s o/temas de óxido de aluminio separadas por capas muy delgadas de nitruro de lilanio. Se han fabricado inscrl-:Js hasta con 1J capas de recubrimiento. los espesores normales del recubrimienlo van de- 2 a ·¡O ¡.tm. Fuen/e: cortesía de l
En las secciones 8.7 y 33.13 se describen las propiedades y aplicaciones cid diamante y ele los recubrimientos ele diamante, respectivam.~nte, y su empleo como herramientas de corte se describe en la sección 21. lO. Un desarrollo reciente es el de usar diamante policristalino corno recubrimiento de herramientas ele corle, en particular sobre insertos de carburo de tungsteno y nitruro ele silicio. Exist<0n dificultades de adhesión de la capa de diamante al substrato, y de diferencia de dilatación térmica entre el diamante y los materiales del substrato (véase tabla 2 l .l). Hoy se consiguen en el comercio insertos recu.bi1·rtos de diamante, con capa delgada, y también herra-mientas de corte ele capa gruesa y punta soldada. Se depositan capas delgadas sobre substratos con técnicas de deposición química o física de vapor (CVD o PVD, por sus siglas en inglés). Las capas gruesas se obtienen con el crecimiento de una lámina grande ele diamante puro, que a continuación se corta a la medida con híser, y se suelda (con soldadura fuerte) a carburo. Las herramientas recubiertas ele diamante son bastante efectivas para maquinar materiales no ferrosos y abrasivos, corno por ejemplo las aleaciones de aluminio con contenido ele silicio, materiales compositos reforzados con fibras y de matriz metálica, y el grafito. Se han obtenido mejoras hasta de 10 veces en la duración de la herramienta, en comparación con otras herramientas recubiertas.
21.6.3 Nuevos materiales de recubrimiento Si bien todavía son comunes los recubrimientos ele nitruro de titanio obtenidos por deposición química ele vapor, se están teniendo avances en el desarrollo y prueba ele nuevos materiales de recubrimiento. El carburo nitruro (carbonitruro) de titanio (TiCN) y el nitruro de titanio y aluminio (TiAIN) han demostrado su eficacia en el corte de aceros inoxidables. El TiCN, que se deposita físicamente en vapor, es más duro y tenaz que el TiN y se puede usar sobre herramientas de carburo y ele acero rápido. El TiAlN es eficaz en el maquinado de aleaciones ele aplicación aeroespacial.
582
C.ipítulo 21 /Materiales de herramientas y fluidos de corte
Sección 21.8 / Nitruro de boro cúbico
Los recubiimientos a base de cromo, como el carburo de cromo (CrC), son eficaces para maquinar metales más suaves que tienden a adherirse a la herramienta, como el aluminio, el cobre y el titanio. Otros materiales novedosos incluyen al nitruro de circonio (ZrN) y al nitruro de hafnio (HfN). Se requieren todavía muchos datos experimentales para poder evaluar por completo estos recubrimientos y su comportamiento, para ver cuáles son sus aplicaciones adecuadas en el maquinado. Entre los desarrollos recientes están a) los nanorrecubrimientos (véase también ia sección 6.15), incluyendo carburos, boruros, nitruros, óxidos o combinacion.es de ellos, y b) recubrimientos compuestos, con diversos materiales. La dureza de algunos de estos recubrimientos se aproxima a la del ni truro de boro cúbico. Aunque todavía están en sus etapas experimentales, se espera que tengan las ventajas combinadas de diversos tipos de recubrimiento, al igual que aplicaciones más amplias en las operaciones de maginado.
21 .6.4 Implantación iónica En este proceso se introducen iones en la superficie de la herramienta de corte y se mejoran sus propiedades superficiales (sección 33.6). El proceso no cambia las dimensiones de las herramientas. Las herramientas de carburo con iones nitrógeno implantados se han usado con éxito en los aceros aleados y los aceros inoxidables. Las hemunientas con implantación de iones xenón también se encuentran en desaffollo.
un chorro continuo. Las aplicaciones inadecuadas o intermitentes de fluido pueden causar choque térmico y fractura de la herramienta de cerámica. Son importantes la forma y la preparación de las herramientas de cerámica. Los ángulos de ataque negativos (ángulos incluidos grandes) se prefieren en general, para evitar desportillamiento debido a la baja resistencia a la tensión de las cerámicas. Se puede reducir Ja falla de la hen-arnienta aumentando la rigidez y la capacidad de amortiguamiento de las máquinas herramientas, monturas y soportes de pieza, reduciendo así la vibración y el traqueteo (sección 24.4). Cermets. Las cerámicas negras o prensadas en caliente (carbóxidos) se introdujeron en la década de 1960. En forma característica contienen 70% de óxido de aluminio y 30% de carburo de titanio, y se llaman también cermets (de cerámica y metal). Con refinamientos en estas herramientas se han obtenido mejor resistencia, tenacidad y confiabilidad. Su desempeño es intermedio entre el de las cerámicas y los carburos, y son especialmente adecuadas para cortes ligeros de desbaste y de cortes de acabado de alta velocidad. Son importantes los rompevirutas en los insertos de cermet. Aunque éstos se pueden recubrir, las ventajas de sus recubtimientos son algo discutidas; parece que la mejora en la resistencia al desgaste es marginal.
21.8 NITRURO DE BORO CÚBICO
21.7 CERÁMICAS A BASE DE ALÚMINA Los materiales cerámicos para herramientas se introdujeron a principios de la década de 1950, y consisten principalmente en óxido de aluminio de grano fino y alta pureza (véase el capítulo 8). Se prensan en frío para formar los insertos, a alta presión, y se sinterizan a aita temperatura; el producto final se llama cerámica blanca o prensada en frío. Con adiciones de carburo de titanio y óxido de circonio se ayuda a mejorar propiedades como la tenacidad y Ja resistencia al choque térmico. Las herramientas de cerámica a base de alúmina tienen muy alta resistencia a la abrasión y dureza en caliente (fig. 21.8). Desde el punto de vista químico son más estables que los aceros rápidos y los carburos, por lo que tienen menos tendencia a adherirse a Jos metales durante eJ corte, y en consecuencia una tendencia menor a formar borde acumulado. Así, en el corte de fundiciones y aceros <;e obtiene buen acabado superficial con herramientas de cerámica. Sin embargo, las cerámicas carecen de tenacidad, y al usiu·las se puede presentar un:i falla prematura de la herramienta porgue se desportilla o por falla catastrófica (véase Ja fig. 20. J8). Los insertos de cerámica se consiguen en formas parecidas a las de los de carburo. Son eficaces en operaciones de alta velocidad e ininterrumpidas, como el torneado de acabado o semiacabado. Para reducir el choque térmico se debe hacer el corte en seco o con una cantidad abundante de fluido de corte, aplicado e11
Después del diamante, el nitruro de boro cúbico (cBN) es el material más duro que existe en la actualidad. Fue introducido en 1962 y se usa también como abrasivo (capítulo 25). Se fabrica por sinterización bajo presión ligando una capa de 0.5 a l mm (0.02 a 0.04 pulg) de nitruro de boro cúbico policristalino a un substrato de carburo (fig. 21.9). El carburo proporciona la resistencia al choque y la capa de cBN proporciona una resistencia muy alta al desgaste, así como resistencia en el filo de corle (fig. 21. 10). Las herramientas de nitruro de boro también se fabrican en tamaños pequeños sin substrato. Inserto de carb de uro _,,../~,,./'
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FIGURA 21.9 Construcción de una capa de nitruro de boro cúbico o de diamante sobre un inserto de carburo ele tungsteno.
FIGURA 21.10 Insertos con puntas de nitruro de boro cúbico policristalino (fila superior) y con insertos de cBN policristalino macizo (fila inferior). Fuente: cortesía de Valenite.
1 1_/~Cermets Carburos recubiertos
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Acero
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/rápido
Resistencia y tenacidad - -
583
FIGURA 21.8 Límites de propiedades de diversos grupos de materiales para herramientas. Véanse también las tablas 21.I
a 21.5.
•
'"" 584
C
~1
/Materiales de herramientds y fluidos de corte
Sección 21.13 /.Fluidos de corte
A tempera!uras elevadas el cBN es químicamente inerte frente al hierro y al níquel, y su resistencia a Ja oxidación es alta. En consecuencia se adapta en especial para cortar aleaciones ferrosas endurecidas, y aleaciones de alta temperatura. (Véase liJmeado duro, sección 22.4.3.)
535
21 .11 MATERIALES DE HERRAMIENTA REFORZADOS CON TRIQUITAS Y NANOCRISTALINOS
Como las hen-amientas de cBN son frágiles, es importante la rigidez de la máquina herramienta y el soporte de la pieza, para evitar vibraciones y traqueteo. Además, para evitar roturas por choque térmico, se debe hacer el maquinado en seco, es decir, se deben evitar fluidos ele corte, en especial en operaciones interrun1pidas de corte corno el fresado.
Para un posterior mejoramiento en el desempeño y la resistencia al desgaste ele las herramientas de corte, en especial al maquinar materiales nuevos y compositos que se investigan en forma continua, se avanza en el desarrollo ele nuevos materiales de henamienta con mejores propiedades, como las siguientes: a. Tenacidad a la fractura elevada.
21.9 CERÁMICAS A BASE DE NITRURO DE SILICIO
b. Resistencia al choque térmico. c. Resistencia en el filo de corte.
Los materiales ele cerámica a base de nitruro de silicio (Si3N 4 ) fueron desarrolladas en la década de l 970, y están fonnadas por nitruro ele silicio con diversas adiciones ele óxido de aluminio, óxido ele itrio y carburo de titanio. Estas herramientas tienen tenacidad, dureza en caliente y buena resistencia al choque térmico. Como ejemplo ele un material a base de "SiN" est>i eJ sialón, nombre ele los elementos que lo fonmm: silicio, aluminio, oxígeno y nitrógeno. Tiene mayor resistencia al choque térmico que el nitruro ele silicio y se recomienda para maquinar fundiciones (hierros colados) y superaleaciones a base de níquei a velocidadeó de corle intermedias. Por su afinidad química ai hierro, las hemunientas a base de SiN no son adccuad
d. Dureza en caliente.
J
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2·1 .1 O DIAMANTE
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De todos !os materiales conocidos, el müs duro es el diamante (sección 8.7). Tiene baja fricción, alla resisten-· cía al desg;:iste y la capacidad de mantener aguzado su fiio. Ei diarnm1te se usa cuando se requieren buen '1cabado superficial y exactitud clirnern;ional, en especial con aleaciones no ferrosas Sllaves y materiales no i:1ctálicos abrasivos. El diam:mte mom:icristal de varios quilates se usa en aplicaciones especiales, como por ejemplo maquinar espejos ópticos de precioión con frente de cobre, para el programa de la Iniciativa de De· fensa Estraíégica. Como el diamante es frágil, son importantes la forma y la aglldeza de la herramienta. En gcnerai se usan bajos üngulos de ataque (ángulos incluidos grandes) para tener uo filo robusto. Se debe dar especial aten .. ción al montaje y orientación correctos del cristal, para obtener una vida óptima de la herramienta. El le puede ser a través ele microdesportillamiento (debido a esfuerzos térmicos y a oxidación) y por lransformacicin a carbono (debida al calor generado durante el corte).
desg,~s
Las hen-amientas ele monocristal ele diamante han siclo sustituidas en gran parte por he1rarnientas de diamante policristalino (PCD, polycrystalline-diamond) o compactos, que también se usan en dados de trefilado de alambre fino (sección 15.l J). Estos materiales consisten en c1istales sintéticos muy pequeños, fundidos en un proceso de alta presión y alta temperatura hasta fonmu· espesores entre 0.5 y 1 mm (0.02 a 0.04 pulg) y adheridos a un substrnto de carburo. El resultado es parecido al ele las hen-amientas de cBN (figs. 21.9 y 2 l .10). La orientación aleatoria de los cristales de diamante evita la propagación de g¡ietas por la estrnctura y mejora su tenacidad en forma apreciable. Las he1rnmientas de diamante se pueden usar en forma satisfactoria casi en cualquier velocidad, pero son más adecuadas para cortes ligeros inintem1mpidos de acabado. Para minimizar la fractura ele la herramienta, se debe afilar el monocristal ele diamante tan pronto se desafile. Por su gran afinidad química, no se recomienda el diamante para maquinar aceros simples al carbono o aleaciones a base de titanio, níquel y cobalto. También, el diamante se usa como abrasivo en operaciones de rectificado y pulido (capítulo 25) y en recubrimientos (secciones 21.6 y 33.13).
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Entre los desarrollos recientes está el uso ele triquitas como fibras ele refuerzo (sección 9.2.1) en materiales compositos para herramientas ele corte. Corno ejemplos de materiales reforzados con triquitas se tienen las herramientas a base ele nitrnro ele silicio reforzadas con bigotes de carburo ele silicio (SiC), y las herramientas ele óxido de aluminio reforzadas con triquilas de carburo ele silicio, a veces con adición ele óxido de zirconío (ZrO,). Sin embargo, la gran reactiviclacl del carburo de silicio con los metales ferrosos hace que las herramientas reforzadas con SiC no sean adecuadas para maquinar hierros y aceros. Los avances en los nanomateriales (véase la sección 6.15) han conducido al desarrollo ele herramientas ele corte fabricadas con carburos ele grano muy tino (micrograno), como el carburo ele tungsteno, carburo de titanio y carburo de tántalo. En comparación con los carburos tradicionales, estos materiales son más resistentes, más duros y más resistentes al desgaste, por lo que mejoran la productividad. En una aplicación se fabrican microbrocas con estos materiales, con diámetros del orden ele 100 µ,m (0.004 pulg) y se usan en la producción de circuitos microelectrónicos.
21.12 REACONDICIONAMIENTO DE HERRAMIENTAS DE CORTE Cuando se eles gastan l«s herramientas, en especial los aceros rápidos, se :reacomlicfomm (se afilan) para seguirlas usando. Se suelen tallar en esmeriles de herramientas y piedras abrasivas, en talleres con aparatos especiales (sección 25.6.5). El reacondicionarniento se puede hacer a mano, lo que requiere mucha destreza dei operaclqr, o en esmeriles y piedrits abrasivas para herramientas controlados por computadora. Otros métodos (descritos en el capítulo 26) también se pueden usar para el reaconclicionamiento ele herramientas ele corte. También, en el reacondicionamiento pueden recubrirse las herramientas con nitruro ele titanio. En esta operación son i rnportantes la consistencia y la precisión. Se deben inspeccionar las herramientas afiladas, para ver si son correctos su forma y acabado superficial. Las decisiones acerca ele si las hen-amientas se deben reacondicionar o reciclar dependen ele los costos relativos. La mano de obra calificada es costosa, y también lo son los afiladores controlados por computadora, por lo qLie se requiere considerar también el .reciclado ele los materiales de la hen-amienta y los costos incurridos al hacerlo (tabla 21.6), dado que muchas de éstas contienen materiales costosos o ele importancia estratégica, corno el tungsteno y el cobalto.
21.13 FLUIDOS DE CORTE También se llaman lubricantes y refrigerantes; los fluidos de corte se usan mucho en el maquinado así como en procesos ele abrasión (capítulo 25) para alcanzar los siguientes resultados: • Reducir la fricción y el desgaste, mejorando la duración ele la herramienta y el acabado superficial. • Reducir las fuerzas y el consumo ele energía.
........-S36
Capítulo 21 / Maleriales de hcrramien1as y fJu1dos de-: corte
IABl.A 21.6
Sección 21 ."13 /Fluidos de corte
Costo aproximado de algunas herramientas de corte
Herramienta Acero rápido
Tamaño (pulg)
1por lado X
1por la
Costo (dólares)
587
el fluido ele corte debería tener tamaño molecular pequeño, y poseer buenas características de humectamiento (tensión superficial).
2J por lado
1--2
4
3-7
Ejemplo: Efecto de los fluidos de corte sobre el maquinado
4
Una operación de maquinado se efectúa con unfiuiclo ele corte .que es lubricant~ efectív(), Explic~r los cambios en la mecánica de esta operación y el consumo total de energía si se cortá·el .suminíSfro de fluido .
por lado
.1por lado ;-;,-,-.,,; .. ;,,scrito
de~
Solución:. Como el flnido de corte es buen lubricante, la fricción en el contacto entre_herra1ilienta y viruta aumentará cuando el fluido se cierre. Se presentará la siguiente cadena de eventos: a. El .fluido se cierra.
b. Aumenta Ja fücción. en la interfase e_ntre herramienta y virma. c. Disminuye el ángulo del plano cortante (ecuación 20.3).
d. Aumenta la deformación co11ante (ecuación 20.2). e. La viruta se hace más gruesa. .. Enfriar la zona de corte, reduciendo así la temperatura y la distorsión térmica ele la pieza. ® Lavar y retirnJ la viruta, .. Proteger las superficies maquinadas contra la corrosión por el ambiente.
f.
E~
probable que se forme borde acumulado.
Los sigLlÍentes eventos se presenta1l como consecuencía de los fenómenos anteriores: a. Aumenta la energía por deformación cortante en la zona primaria ele corte (sección 20.53),
Un fluido de corle, básicamente, puede ser un refrigerante o un lubricante. Su eficacia en las opernciones de corte depende de varios factores, como el método de aplicación, la temperatura, la velocidad de corte y el tipo de operación de maquinado. Como se ve en la sección 20.6, la temperatura aumenta cuando aumenta la velocidad de corte. En consecuencia, es de gran importancia el enfriamiento de la zona de corte cuando fas velocidades de corte son grandes.
El agua es un refrigerante excelente; sin embargo, causa oxidación de las piezas y componentes de la máquina, y es un rnal !Ltbricante. Por olrn parte, si la velocidad es baja. como en el brochado o en el machuei;1do, !o importwlle es la lubricación, y no el enfriamiento. Al reducir la tendencia a la formación de borde awrnulado, la lubricación mejora el acabado superficial ele la pieza. La severidad relativa de diversas operaciones de maquinado se define como la magnitud de !as foerus y temperaturas cnconlradas, ia kncle.ncia a la formación de borde acumulado y la facilidad con la qiw se rc~i ran la.s virutas de ta zona de corte. A medida que arnnenta la sever.icbd (como en el brochaJo, rna~hudado y roscado) aumenta tarnblén la necesidad de que cI fluido de corte sea eficaz. Sin embargo, hay casos en los que puede ser petjudicial e! uso de fluidos ele corte. En las operaciones interrumpidas de corte, como en el fresado, la acción de enfriamiento del fluido aumenta la variación de los ciclos. de calentamiento y enfriamiento alternados (ciclos térmicos) a la que están sometidos los dientes de !a fresa. Esta condición puede originar grietas térmicas (fatiga térmica o choque térmico). También. los flujdos de cone pueden hacer que Ja viruta se enrosque más, concentrando !os esfuerzos a menores distancia" de la punta de la herramienta. Estos esfuerzos, a ;;u vez, concentran el calor más cerca de la punta de la herramienta, con lo cual se reduce su vida.
21.I 3.1 Acción del fluido de corte Aunque se describirán con más detalle los mecanismos básicos ele la lubricación en el trabajo de metales en la sección 32.9, aquí describiremos en forma breve los mecanismos por los que el fluido de corte influye sobre las operaciones de maquinado. En vista de "las altas presiones de contacto y la gran rapidez de deslizamiento relativo en el contacto entre herramienta y viruta, ¿cómo penetra un fluido de corte a esta interfase para influir sobre el proceso de corte'? Parece que el fluido se succiona en la interfase por acción capilar de la red ele asperezas superficiales que engranan entre sí (véase también Ja sección 32.2). Se ha demostrado, con estudios, que el fluido ele corte liega a la interfase filtrándose desde los lados ele la viruta. Por el pequeño tamaño de esta red de capilares,
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"b. ALtmenta la energía de fricción en la zona secundaria. c. Aumenta !a energía total. d. iumenta
la' temperatltra en la zona de cmte, causando mayor desgaste de herramienta.
e. Es probable q:Ue empeore e! acabado de.la superficie. f. Podhí dificultarse mantener las tolerancias dimensionales, por la mayor temperatura y dilatación <.Jq la picoza durante el maquinado.
21.13.2 Tiposdefluidosdecorte En ías
operacion<~S
de m'1quinado es común usar cuatro clases generales de fluidos de corte:
a. Aceites. b. Emulsiones.
c. Semisintéticos. d. Sintéticos. En la sección 32.10 se describirán las características de estos fluidos, y en los capítulos 22, 23 y 25 están las recomendaciones para !as clases que se recomienda usar en operaciones específicas de maquinado.
21.J 3.3 Métodos de aplicación Hay tres métodos básicos ele aplicación ele fluidos de corte: a. Enfriamiento por inundación (fig. 21.11). Es el método que se emplea con más frecuencia. Los flujos van de 1O L/min (3 gal/min) para herramientas monofilo a 225 L/min (60 gal/min) por cortador para cortadores multifilo, por ejemplo, en el fresado. En operaciones como barrenado ele cañón (sección 22.7.1) y fresado (sección 23.2.3) se usan presiones de 700 a 14,000 kPa (100 a 2000 psi) para lavar y retirar las virutas. b. Enfriamiento por niebla. En este método se suministra fluido a áreas inaccesibles y se obtiene mejor visibilidad ele la pieza que se maquina. Es bastante eficaz con fluidos a base ele agua y operaciones ele
,,,,,,.-
"I 538
Capílulo
-~(J /Materiales de herramientas y fluídos de corte Resumen
(a)
589
Las partes maquinadas se deben limpiar y lavar para eliminar cualquier residuo de fluido de corte (sección 33.16). Esta operación puede ser importante en relación con su tiempo y costo; en consecuencia, la tendencia es usar fluidos de baja viscosidad y a base de agna, para facilitar su limpieza y filtrado. Efectos sobre las máquinas herramientas. Así como un fluido de corte puede afectar en forma negativa el material de una pieza, también puede afectar Ja máquina herramienta y sus componentes, como por ejemplo sus correderas y cojinetes. Por consiguiente, la elección del fluido de corte debe incluir el considerar su compatibilidad con los diversos materiales metálicos y no metálicos presentes, inclúyendo los aceites y grasas que se puedan usar como lubricantes.
(b)
(e)
Piedra de tallado
Bien
Bien
FIGURA 21.11 Esquema de los métodos adecuados de aplicación de fluidos de corte en varias operaciones de maquinado: (a) cilindrado, (b) fresado, (e) tallado de roscas y d) taladrado.
rectificado, con presiones de aire de 70 a 600 kPa (10 a 80 psi). El enfriamiento por niebla requiere ventilación para evitar que el operador de la máquina y otras personas cercanas inhalen partículas de fluido; tiene poca capacidad de enfriamiento. c. Sistemas de alta presión. Con la velocidad y potencia cada vez mayores de las máquinas herramientas modernas, controladas por computadora, la generación de vapor se ha vuelto un factor importante. Entre los desarrollos recientes estú el uso de sistemas de refrigerantes y a alta presión para mejorar la rapidez de remoción del calor de Ja zona de corte. También se usan altas presiones para entregar ei fluido en Ja zona de corle con boquillas de diseño especial, que dirigen un chorro poderoso a la zona. Las presiones que se emplean, que suelen estar en el intervalo de 5.5 a 35 MPa (800 a 5000 psi) trabajan como rompedoras de viruta en casos en los que las virutas que se producen serían largas y continuas e interferirían con la operación de corte. Para evitar daños a la superficie de la pieza por impacto de partícu.las en el chorro de alta presi
21 .1 3 .4 Efectos de los fluidos de corte La selección de un fluido de corte también debe tener en cuenta su efecto potencial sobre el material de la pieza de trabajo y las máquinas herramientas, así como los factores biol§gicos y ambientales. Efectos sobre el material de la pieza. Al seleccionar un fluido de corte se debe tener en cuenta si el componente maquinado estará sometido al ataque en el ambiente y a grandes esfuerzos en servicio que posiblemente cansen agrietamiento por corrosión bajo tensiones. Esta consideración es muy importante para fluidos de corte con aditivos de azufre y cloro. Por ejemplo, no se deben usar fluidos con cloro para maquinar titanio. Otra consideración es el posible manchado de la pieza, en especial de cobre o aluminio, por los fluidos de cobre.
Efectos biológicos y ambientales. Como el operador de la máquina herramienta sL1ele estar muy cerca de los fluidos de corte, deben tener máxima importancia los efectos del contacto del operador con los fluidos. Los vapores, humos y olores de los fluidos de corte pueden causar intensas reacciones cutáneas y problemas respiratorios. Se ha avanzado mucho en el aseguramiento del uso seguro de los fluidos de c01te en plantas manufactureras. Además, es muy importante el efecto sobre el ambiente, en especial en cuanto a contaminación de aíre y agua. Esto ha conducido a la tendencia hacia el maquinado en seco, que puede tener sus propias ventajas y limitaciones. Los fluidos ele corte, al igual que otros fluidos para trabajado en metal, en las operaciones manufactureras, pueden sufrir cambios químicos después de usarse durante algún tiempo. Estos cambios se pueden deber a efectos ambientales o a contaminación por diversas fuentes, incluyendo las virutas y Jos polvos metálicos producidos durante el maquinado, y aceite disperso (procedente de fugas hidráulicos, venas de aceite en las máquinas y sistemas lubricantes). Estos cambios implican el crecimiento de microbios (bacterias, hongos y levaduras), en especial en presencia de agua, y afectan en forma negativa las propiedades y características de los fluidos. Clarificación, reciclado y desecho. Se dispone de varias técnicas, como asentamiento, decantación, centrifugación y filtrado, para clarificar los fluidos de corte usados. El reciclado implica tratar los fluidos con diversos aditivos, agentes, biocidas y desodorantes, así como tratamiento con agua (para fluidos a base de agua). Las prácticas de desecho deben apegarse con las leyes y reglamentos federales, estatales y locales, como se describe en Ja sección 37.4.
RESUMEN " Se ha desarrollado una gran variedad de materiales de herramientas de corte durante el último siglo; los que más se usan son aceros rápidos, carburos, cerámicas y nitruro de boro cúbico. Los materiales de herramienta tienen una amplia gama de propiedades mecánicas y físicas, .corno dureza en caliente, tenacidad, estabilidad e inertes químicamente, y resistencia al desportillarniento y al desgaste. • Se han desarrollado diversos recubrimientos de herramienta, con grandes mejoras en la vida de herramienta, acabado superficial y economía de las operaciones de maquinado. Los materiales comunes de recubrimiento son nitruro de titanio, carburo de titanio, carbonitruro de titanio y óxido de aluminio; también los recubrirnientos de diamante están ganando aceptación. La tendencia es hacía los recubrimientos de varías fases, para mejorar más su desempeño. • La selección de los materiales adecuados de herramienta no sólo depende del material que se va a maquinar, sino también de los parámetros del proceso y las características de la máquina herramienta. • Los fluidos de corte son impo1tantes en las operaciones de maquinado, y suelen reducir la fricción y los requerimientos de fuerzas y potencia, mejorando la duración de las herramientas. En general, las
IJ 590
Capnu!o 2·1 /Materiales de herramientas y fluidos de corte Problemas cualitativos
operaciones más lentas de corte, y las que tienen presiones muy altas en la herramienta, requieren un fluido con buenas características de lubricación, mientras que en las operaciones de a.Ita velocidad, donde el aumento de temperatw·a puede ser apredable, se prefieren fluidos con buena capacidad de en. frümiento. " En la selección de fluidos de corte deben intervenir consideraciones sobre sus efectos adversos posibles sobre las partes maquinadas, la máquina hetrnmienta, el personal y el ambiente.
·-
TENDENCIAS
., Continúan los avances en el desarrolJo de nuevos materiales de herramienta de corte con mejores propiedades, en especial para maquinar materiaies simples y compositos de alta resistencia a alta ternpe.. ratura, que contienen fibras y partículas abrasivas. ., Entre los nuevos materiales para herramientas están las cenimicas compuestas, refor2adas con triquiias. Se estudia el tratamiento ele las herramientas con láser, como método para mejorar SLt dureza y rcsístencb al desgaste.
" La pureza y la porosidad de los materiales de herramientas, en especial en h1s cer<ímicas, es un área importante de estudios dirigidos a mejorar la lenaciclad y la confiabilidad del desempeño . ., Continúa tratándose de normalizar los materiales de herramientas de corte, la evaluación de sus propic dadcs y sus aplicaciones. " Muchos recubrimientos, aplicados en capas únicas o múltiples, se están popularizando mucho, parn me jorar el desempeño de herramientas ll
rísticas biológicas y ecológicas.
c~uw:l:e
591
13íBLí0GRAFÍA ASMHandbook, Vol. 16: Machining. ASM lnlernational, 1989. ASM Handbook, Vol. 3: Properties and Selection: Stainless Steels, Too! Materials and Special Purpose Metals. ASM International, 1980. ASM Specialty Handbook: Tool Materials. ASM Inlernational, 1995. Boothroyd, G., and W.A. Knight, Fundamenta.Is ofMachining and Machine Tools, (2d ecl.). Marce! Dekker, 1989. !{alpakjian, S. (ed.), Too! and Die Failures: Source Boolc. ASM International, 1982. !{omanduri, R., Too/ Materials, in Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, (4th ed.). Vol. 24, 1997. Madúnery's Handbook. Industrial Press, reviscd pciiodically. Machining Data Handbook, (3d ed. ). 2 vols. Machinability Data Cenler. 1980.
Nacbtrnan. E.S., and S. Kalpakjian, Lubricants and Lubrication in Metalworking Operations, Marce! Dekker, 1985. Roberts, G.A., G. Krauss, and R. Kennedy, Tool Steels, (5th ed.). ASM lnternational, 1997. Scbey, J.A., Tribology in Metalworking~Friction: Wear and Lubrication. ASM lnternalional, 1983. Sluhan, C. (ce!.), Cutting and Grinding Fluids: Selection and Application. Society of Manufacturing Engineers, 1992. Stephenson, D.A., and J.S. Agapiou, Metal Cutting Theory and Practice. Marce! Dekker, 1996. Trent, E.M., and P.K Wright, Metal Cutting, (4th ed.). Butterworth Heinemann, 1999. Too! and Mamcfacturing Engineers Handbook, (4tb ed.). Vol. J: Machining. Socicty ofManufacturing Engineers, 1983.
PREGUNTAS DE REPASO 21.l ¿Cuáles son las piincipales propiedades que se requiere en los materiales de hen-amientas de corte" 21.2 ¿Qué diferencias de composición y propiedades hay entre las herramientas de acero al carbono y las de acero rápido'' 21.3 Haga una lista de los elementos piincipales de las aleaciones de cobalto fundidas. 21.4 ¿Cuál es la composición de una herramienta típica de carburo? 21.5 ¿Por qué se desan-ollaron los insertos de herramienta de corte? 21.6 ¿Por qué se recubren las herramientas? ¿Cuáles son los materiales comunes de recubrimiento?
Una nueva tendencia es hacia el maquinado en seco, por preocupaciones sobre asuntos ambienlak.c. v reglamentos gubernamentales cst.ricros para el uso de fluidos de corte.
21.7 Explique las aplicaciones y limitaciones de las herramientas de cerámica. 21.8 ¿Cuál es la composición del sialón? 21.9 ¿Cómo se reacondlcl
21.J() Haga •ma 1ista de las diversas funciones de los fluidos de corte. 2LU Explique cómo penetnm los fluidos de corte a la zona de corle.
CLAVE
21.12 Haga una lista de los métodos para aplicar fluidos de corte en operaciones de maquinado. 21.13 ¿Qué es un recubrimiento de varias fases? ¿Cmíles son sus ventajas?
Aceros rV.pidos Aleaciones de cobailo fundidas Carburo de tantalio Carburo de titanio Carburo de tungsteno Carburos Carburos de micrograno Carburos no recubiertos Cerámicas Cerámicas a base de alúmina Cerámicas a base de nitruro de silicio Cermets Coites de acabado
Corles de desbaste
Diamante policri61.alino Enfriamiento de inundación Enfriamiento de niebla Estabilidad química Este lita Fluidos de corte Herramientas recubiertas Herramientas reforzadas con triquitas Insertos Lubricantes Maquinado en seco Monocristal de diamante
21.14 ¿Por qué a los carburos también se les llama carburos cementados? NanocristaJino NiLruro de boro cúbico Nürnro de oro cúbico policristaJino Nitruro de titanio Reacondícionamiento de herramientas Recubrimientos de diamante Recubrimientos de varias fases Refrigerantes Resistencia al desgaste Rompevirutas Sialón Tenacidad
21,15 Describa las velllajas y limitaciones de las herramientas de diamante. 21.16 ¿Cuál es el material más duro conocido, después del diamante? 21,17 ¿Qué es un cermet? ¿Cuáles son sus ventajas? 21.18 Explique la diferencia entre los aceros rápidos serie M y serie T.
PROBLEMAS CUALITATIVOS 21.19 Explique por qué se han desarrollado tantos materiales distintos de he1rnmientas de corte. 21.20 ¿Cuáles materiales de corte serían adecuados para operaciones de corte interrumpido? ¿Por qué? 21.21 Describa las razones para que haya herramientas de corte con varias capas de diferentes materiales. 21.22 Haga una lista de los elementos aleantes que se usan en los aceros rápidos. Explique por qué son tan eficaces en las herramientas de corte (véase el capítulo 5).
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i'diú'f&Wt-~'
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• 592
CJpftulo 2-¡ /Materiales de herrJmientas y fluidos de co1ic:
Síntesis y diseño
593
21.23 ¿Cuáles son los propósitos de Jos biseles en los inse11os? 21.24 ¿Cuál es el impacto económico de la tendencia que ilusu·a la /ig_ 21.6') 21.25 ¿Por qué tiene la temperatura un efecto tan importante en Ja duración de las herramientas de corte?
21.26 Las herramientas de corte Je cerámica y de cermct tienen ciertas ventajas sobre las de carburo. Entonces, ¿por qué no han reemplazado por completo a Jas de carburo?
21 .27 ¿Pueden tener efectos adversos los fluidos de corte·) De ser así, ¿cuáles son? 21.28 Describa las tendencias que observa en la tabla 21.2. 21.29 ¡,Por qué son importantes la estabilidad y que sean inertes químicamente (falta de reactividacl) en las herramientas de corte? 21.30 ¿Cómo haría para medir la eficacia de los fluidos de corte?
21 .Jl Los recubrimientos de nitruro de titanio en las herramientas reducen el coeficiente de fricción en el contacto entre herramienta y viruta. ¿Qué importancia tiene e.sto?
2!.32 Describa las condiciones necesarias para el aprovechamiento óptimo de las posibilidades de las herramientas de corte de
21 .33 Haga una lista de la.s ventajas de recubrir herramientas de acero rápido. 21.34 Describa los límites de aplicación, comparnndo herramientas de co11e de carburo de tungsteno y nitruro de tung,aeno.
ROBLEMAS CUANTITATIVOS 21.50 Recomiende el grado ANSI de una herramienta de carburo para una pasada de acabado en el torneado de un eje de acero, con 0.050 pulg de profundidad de corte. 21.51 Repita el problema 21.50, pero para un lomeado de aluminio de alta resistencia en donde se usará la misma herramienta para pasos de desbaste y de acabado.
· sfNTESIS Y DISEÑO 21.52 Consulte las publicaciones técnicas y describa las tendencias en eJ desarrollo de nuevos materiales de corte. ¿Cuál de ellos se está poniendo a disposición de la industria? 21.53 Describa en detalle sus ideas acerca de los factores técnicos y económicos implicados en la selección de materiales
de herramienta. 21.54 Una de las principales preocupaciones respecto a los refrigerantes es el degradamiento a causa de ataque bacteriano. Para prolongar la vi
21.35 En general, se prefieren ángulos de ataque negativos para las herramientas de cenímica, c!iamanlc y 11i1ruro de boro cúbico. ¿Por qué?
te, en los fluidos de corte. 21.55 Llame a distintos proveeclore:, de herramientas de corte de la zona y forme una tabla parecida a ia 2L6; compare los
21.36 ¿Cree usted que hay una relación enlre el costo de una herramienta de corte y su dureza en caliente? Explique por qué.
costos aproximados que aparezcan. 21.56 Como puede usted ver, hay varias clases de materiales para herramientas de corte disponibles en la actualidad para operaciones de maquinado. Sin embargo hay mucha investigación y desan-ollo sobre estos materiales. Haga una lista de las razones que crea usted por la.s que se sigan efectuando estudios; comente cada una, con una aplicación o ejem-
21.37 En la sección 21.2 se dice que las hcmunientas de corte de acero al carbono y acero rápido se usan para cortes en hoja velocidad. Haga una investigación bibliográfica y cite algunos valores característicos de velocidades mi.íxirm1s de corte para estos materiales. 21.38 Consulte las publicaciones técnicas y cite algunos valores característicos de velocidades de corte para aceros rápidos y para diverso;.; materiales de pieza que se corta. 21.39 En ia tabla 2 I. l, "" últimas dos propiedades que aparecen pueden ser importantes para Ja duración de la hemunienta de corte ¿Por qué? 2!.40 Se ha afirmado que los recub1imienlos cfo nitruro de titanio perrni1en mayores velocidades de corte y avancc;s qee !us de herramienlas sin recubrir. Consulte las publicaciones técnicas y prepare una tabla que mueslrc el aumcn10 porcentual de velocidades y avances que son posibles al recubrir las hernunientas.
ZlAJ Notará us1ed en la !ig. 2Lt, que todos los materiales de herramienta tienen amplios límites de dureza para dctenninada ternperatura, en especial los carburos. ¿Por qué sucede así? 21.42 Haga una !isla y explique las consideraciones que intervienen en Ja decisión de reacondicionar, reciclar o desechar una hc
2!.43 Según la tablil 2 L l, diga qué materiales de herramienta podrían ser adecuados en operaciones de corle interrumpido. Explique por qué.
2 l .44 Las películas de diamante se suelen depositar sobre un substrato. ¿Qué tipos de substrato son adecuados para esta cfa" se de recubrimiento?
21.45 En su opinión, ¿cuál de las propiedades de la tabla 21. l es la menos importante en el maquinado? Explique por qué. 21.46 Si una broca es para madera, ¿de qué material estará hecha, con más probabilidad? (Sugerencia: las temperaturas casi nunca llegan a 400º en corte de madera.) ¿Hay aJguna razón por la que no se pueda usar esa broca para taladrar al-
gunos agujeros en un metal?
21.47 Los fluidos de corte emulsionados están formados n01malmente hasta por 95% de agua y 5% de aceite soluble y aditivos químicos. ¿Por qué está tan desbalanceada esta relación? ¿Se necesita el aceite, después de todo? 21.48 ¿Cuáles son las consecuencias de que un recubrimiento tenga distinto coeficiente de dilatación térmica que un substTato, si se van a aplicar en una herramienta de corte? 21.49 Describa las ventajas y limitaciones relativas del maquinado en seco, tendencia nueva debido a la preocupación por el ambiente_ Considere todos los aspectos técnicos y económicos relevantes.
,..~&"'"""'k;·'·~...l;.'-'o..~;,.~~,.__,~---------
plo específico. 21.57 Suponga que está a cargo de un laboratorio para desaiTollar fluidos de corte nuevos o mejorados. Con base en las dcscrjpciones que aparecen en este capítulo y en el anterior sugiera una 1ista de Lemas que debe investigar su personal. Ex.pl ique por qué escogió estos temas.
~
22 22.2
22.3 22.4
22.5 22.6 22.7 22.IJ
22.9 22.IO .2211
(e) Perfilado
(d) Torneado y ranurado externo
(e) Refrcntado o careado
(f) Ranurado de cara
(g) Corle con una herramienta de forma
(h) Madrinado y ranurado interno
(i) Taladrado
(le) Ro;cado
(1) Moleteado
,~. .-.;;.:.~~·~~---=*= ~~<~~~~idad
Procesos de maquinado para producir formas redondas 22.1
(b) Torncadu cónico
{a) Torneado
Introducción Parámetros del cilindrado Tornos y operaciones en el torno Maquinado de alta velocidad, ul1rapreciso y torneado* duro Maquinado de roscas Mandrinado y mandrinaclora Taladrado y brocas Taladros Escariado y escariadores lviachuelado y machuelos
ITj (j) Tronzado
FIGURA 22.1
Diversas operaciones de corte qui~ se pueden hacer en un Lorno. Observe que todas las
partes tienen ~:;imetrízi circular.
Consideraciones de diseño p
22. En este capítulo se describen Jos procesos de maquinado para producir partes que tengan forma básicamente redonda. Entre los productos caracteiist.icos se incluyen partes lan pec¡ueilas corno tornillos miniatura para armazones de anteojos. y tan graneles como rodillos para laminadoras, cilindros, cañones de turbina para plantas hidroeléctricas. Estos procesos se suelen hacer torneando la pieza en y unejes torno.
r F:~-Coojcnllo
FIGURA 22.2
Carro kmgitudiual
~
Corrcdcrns CoWopw>to Boquilla del contrapunto
/
./};¡,~~~li
Partes de un
torno. Fuente: cortesía de Heidenreich & Harbcck.
dd oonlrnpunlo ,-VobnLe
'
Tornear indica que Ja parte está girando mientras se maquina. El material inicial suele ser una pieza fabricada por otros procesos, como fundición, forjado, extrusión o estirado, que se describieron en las partes II y III. Los procesos de lomeado, gue se ilustran en la figura 22. l y la tabla 22.1, son muy versátiles. Los siguientes procesos pueden producir una gran vaiiedad de formas: '" ejes, Cilindrado, producir piezas rectas, cónicas, curvas o ranuradas (Figs. 22. la-d), como espigas ypara pernos. <>
Refrentado, para producir una superficie plana en el extremo de una parte (fig. 22. le), en partes que fijan "O" (fig.se22. lf).a otros componentes, o ranurar caras y formar asientos para sellos de anillo en
594 595
rt· Ti ·¡ --
1
··7
~-
596
Capítulo 22 /Procesos de maquinado para producir formas redondas
TABLA 22.1
Sección 22.2 /Parámetros del cilindrado
Características generales de los procesos de maquinado que se describen en íos capítulos 22 y 23
FIGURA 22.3 (a) Esquema de una operación de cilindrado, mostrando la profundidad de corte d y el avance f. La velocidad de corte es la velocidad superficial de la pieza en la punta de la herramienta. (b) Fuerzas que ~
Tolerancias comerciales (±mm)
Proceso
Características
Torneado*
Operaciones de torneado y refrcntado en toda ciase de materiales; usa herramientas monofilo o de fonna; requkrc mano de obra capacitada; b<üa rapidez de producción, pero mediana a alta con tornos de revólver y máquinas automáticas que requieren mano de obra menos capacitada.
Mand1inado
Superficie~ o perfiles internos, con c
Taladrado
Oríficios redondos de diversos tamaños y profundidades;
requien~ m~u1drinado y escariado
para obtener mejor precisión; gran rapidez de producción; b destreza requerida del operador depende del lugar del orificio y de la exactitud especificada.
Fresado
Cepillado Formado
(b)
(a)
Adelgazado: 0.025 a0.05
0.025 0.075
Diversas formas con contornos, superficies planas y ranuras. Gran variedad de herranucnta~; versátil; rapidez de producción de baja a mediana. Requiere nrnno de obra capaciracla.
0. IJ-0.25
Superficies planas y perfiles rectos en superficies grandes; adecuado para producir poca::: cantidnde.s: la destreza del operador depende de Ja íorma de la parte.
0.08-0.13
Superficies pfo.nas y perfiles de contorno recto en piezas relativamente pequcfias: ackcuaJo para producción en pequeñas cantidades; !a mano de obra caUficada requerirla depende de las formas de 1a pieza.
0.05--0.13
Superficies planas externas e internas, n:murw; y contornos con buen acabado rrnpcrlicia!; hcrramien1as costosas; velocidad de producción elevada; fa destreza del operador depende de la forma de la parte.
0.025-0.15
Cortes rectos y de contorno ¡,;n formas planas o estruclura!cs. No es adecuado para materüiks duros, a menofi que la .sierra tenga dien(es de carburo o esté recubícrta con diamante. Bajn rnpidcz de producción; sóh; requiere poca destreza dd operadoi:
0.8
A~errado
* N. de los R. T.: "'turning·• se puede interpretar corno: 1) torneado o el ténnino involucra todas las operacionec que se--~-------cjcccil
Estas operaciones de corte se suelen hacer en un torno (fig. 22.2), que hoy se consigue en una diversidad de diseños y con características de control por computadora (como se describirá en la sección 22.3 y en el capítulo 24 ). El cilindrado se puede hacer a varias velocidades de rotación, profundidades de corte d y avances /de la pieza (fig. 22.3), dependiendo de los materiales d~ la pieza y la ~emimienta, del acabado superficial y de la exactitud dimensional requerida de la pieza, y de las características del torno. Este capítulo describe los parámetros, herramientas de corte, posibi]\dades del proceso y los tomos empleados para cilindrar una diversidad de partes con formas redondas. Por su impacto económico, también se describen los procesos de maquinado de alta velocidad y ultrapreciso. Por último se presentan las consideraciones de diseño para mejorar la productividad para cada grupo de procesos.
22.2 PARÁMETROS DEL CILINDRADO La mayor parte de las operaciones de cilindrado implican el uso de herramientas de corte monofilo (buriles o a base-Oe inserto). En las figs. 20.10 y 22.4 se muestra la geometría de un buril derecho característico para ca~""""=."
actúan sobre un buril en el cilindrado. F, es la fuerza de corte, F1 es la fuerza de empuje, o de avance, en la dirección del avance, y F, es la fuerza radial que tiende a empujar al buril alejándolo de la pieza que se maquina. Compárese esta figura con la 20.11, de una operación de corte bidimensional.
Acabado: 0.05 a 0.1)
Desbaste: 0.13
Brochado
<>
597
-.__
Av<~ rear. Estas herramientas se describen con nomenclatura normalizada. Cada grupo de materiales de herramienta y de pieza tiene un conjunto óptimo de ángulos de herramienta, que se han establecido principalmente por experiencia (tabla 22.2). En el capítulo 20 describimos ya los parámetros importantes del proceso que tienen influencia directa sobre los procesos de maquinado, así como la importancia de controlarlos para obtener una productividad optimizada. En esta sección describiremos los parámetros del proceso de cilindrado, como son la geometría de la herramienta y la rapidrcz de remoción de material, y presentaremos datos de pr;ícticas recomendadas de corte, incluyendo los materiales de Ja herramienta, profundidad de corte, avance, velocidad de corte y empleo de fluidos de corte. Geometría de la herramienta. Los diversos ángulos en las henamientas de corte monofilo tienen funciones importantes en las operaciones de maquinado. Los ángulos de ataque son impmtantes para controlar la dirección de flujo de virutas y la resistencia de la punta de la herramienta. Como se describió en el ca.pítu.lo 20, los ángulos de ataque positivos mejoran la operación de corte reduciendo las fuerzas y las temperaturas. Sin emb
=(D,. + D,)12
*(D, o D
0
=diám.exterior en inglés; D, o D =diám.interior en inglés) 1
..-598 Capítulo 22 /Procesos de maquinado para prorlucír form.Js redondas Sección 22.2 /Parámetros del cilindrado
(a) Vista dd extremo
Recomenda_ciones generales para ángulos de herramienta de corte para torneado
Vista superior
adyacente
/¡--..A
/
\
¡,.- ____.- --- de
- ------- "':::.:.:..~." \\:- ~
ata{¡uc
R, radio de punta
Ataque Ataque posterior lateral
}
\
I 3.2 mm CI~ pulg) ......_-.....A
-.. . . . .___ º _ )-
15 Angulo de fi.Jo de corte
Áleaciones de alumirtio y de magnesio
Corte A-A
_
de holgdrü
,/.¡ ¡
Vista lateral
_¡;:--_::ry'-- 8°
e ua
na;~º /\U_==~w1 _, 6º Ángulo de , -j' \.\\ _ 6 ºÁngulo de mcrdenc:a Jrontal rnc1dencrn d;l
~ .. 12º\--
Jatci.tl
---
Angulo de
Angulo de holgura fiontal
-Abrcvi~üura -------~----------.......__ CnntidaJ
Nombre
8
12..............
Angulo de ataque posterior Ángulo de ataque lateral Ángulo de incidencia frontal Ángulo di: incidencia lateral
6
Ángulo de incidencia lateral
14 . 6 . .. ....
12
Ángulo de holgura lateral
20 . 1 15 /:¡
BR SR ER
cia
frontal
lateral
o
5
5
5
15 15
Ataque
2li
15
12
10 8
5
o
5
15
---s
5 -5
5
5
5
5
15
15
-5--0
-5-5
5
15
15
5
o
5 5
5
45
5
5
15
5
10 12
8 5
Aceros inoxidables
5
8-\0
5
Aleaciones para
o
10
5
5 5
Aleaciones refract..1rias O
20
5
5
5
o
o
o
s
5
5
Hierros fundidos
5
JO
-5 -5
o o
15--20
o
o
5 2(}--30
5 15--20
15
o o
5 20-30
-5 -5
Terrnoplásticos
\5 15 1()
20-30
15-20
10
ü
15
s
5
15
SRF
Ángulo de füo de corte frontal ECEA Ángulo de filo de corte lateral SCEA Radio de punj·ci
Ni'
\1/c@
1
'
\------¡ \
Vista superior
(
_,J)>"·-b \
\ S°
Portahen-amienta
Vistalat.er.al
FIGURA 22.4 (a) Nombres y símbolos para una herramienta de corte derecha; las herramientas macizas de acero rápido tienen nombres parecidos. Derecho quiere decir que la herramienta se mueve de derecha a izquierda, como se ve en la fig. 22. la. (b) Inserto cuadrado en un portaherramientas derecho para una operación de cilindrado. Se dispone lnc. de una gran variedad de portaherramientas para sujetar insertos a diversos ángulos. Fuente: Kennametal
10
Para cortes ligeros sobre piezas de gran diámetro, el diámetro promedio se puede reemplazar por I\, el diá-· metro externo. La velocidad de rotación de la pieza es N, y la rapidez de remoción de material por revolución es ('TT)(D,,m,,)(c[J(fJ. Como son N revoluciones por minuto, esta rapidez es (22.1)
La validez dimensional de esta ecuación se puede comprobar sustituyendo las dimensiones en su lado derecho. Por ejemplo, (mm)(mm)(mm/rev)(rev/min) = mm 3/min, que indica una rapidez de remoción de volumen. De igual modo, el tiempo de corte t, para una pieza de longitud l se puede calcular observando que la herramienta se mueve con una velocidad de avance igual afN = (mm/rev)(rev/min) = mm/rnin). Como la distancia recorrida es l mm, el tiempo de corte es
JN
-]
j;___ ~-::::-~
~?------¡ ': i \ ,_ \·-/ :
Termolijos
·-------
5
l t = --_
, «'"íº.---··--°"
Aleaciones de titanio
RRM = ('TT)(Dpmml(d)(j)(NJ.
(b)
1 5'
5
Ataque lateral
cia
posterior
alLa temperatura
norma! .._ "7 J2"' -
o
cia
lateral
Filo de coite lateral y frontal
Inciden- Inciden-
10
Aleaciones de cobre
lateral
L-}4
cia
frontal
Filo de corte lateral y frontal
Inciden- Inciden-
Superficie
Holgura-(-::(:_~ latera!.
Carburo (insertos)
:;..u/\ Ángulo de fiio de corte
,-.114°/--, \
Acero rápido
20º
Ángulo de ataque lateral
Incidencia
599
(22.2)
El tiempo de corte no inclL1ye al necesario para acercar y retirar la herramienta. Como el tiempo transcurrido en ciclos sin corte en una operación de maquinado no es productivo y afecta en forma negativa la economía en general, es importante tener en cuenta el que se necesita para acercar y retirar las herramientas hacia y de la pieza. Hoy se están diseñando y construyendo máquinas herramientas tratando de minimizar lo anterior. Un método para lograrlo es desplazar con rapidez las herramientas durante los ciclos sin corte, y seguir con un movimiento más lento cuando la herramienta llega a tocar la pieza. Las ecuaciones y la terminología anteriores se resumen en la tabla 22.3. Fuerzas en cilindrado. Las tres fuerzas que actúan sobre una herramienta de corte se ven en la fig. 22Jb. Son importantes en el diseño de máquinas herramientas, así como en la flexión de las piezas y de herramientas cuando las operaciones de maquinado son de precisión. La fuerza de corte, Fe, actúa hacia abajo sobre la punta de la herramienta de corte, y por consiguiente tiende a flexionarla hacia abajo. Es la fuerza que suministra la energía necesaria para la operación de corte. Se puede calcular usando la tabla 20.1, a partir de la energía por unidad de volumen, que se describió en la sección 20.5. La fuerza de empuje,F,, actúa en dirección longitudinal. También se le llama fuerza de avance, porque tiene la dirección del avance. La fuerza radial, F,, actúa en dirección radial y tiende a alejar la herramienta de la pieza.
.......--600
Capítulo 22 / Pmcesos de maquinado para producir formas redondas
TABLA 22.3
Sección 22.2 /Parámetros del cilindrado
Resumen de fórmulas y parámetros del cilindrado
mm/rev
N = Velocidad de rotación de la pieza, rpm
f =
O.to
Avance, mm/rev o pulg/rcv
0.20
0.30
0.50
0.75
900
3000
v = Velocidad de avance o velocidad line
Cerámicas
V = velocidad .superficial de la pieza, m/min o pies/min = 'Tr /)(, N (velocidad máxima)
600
2000
= Tr Dpmni N (velocidad media) I = longitud del corte. mm o pulg
601
"2
~
D,, = Diámetro original de la pieza, mm o pulg D1 = Diámetro final de la pieza, mm o pulg Dprum ~'::,: Diámetro promedio de la pieza, mm o pulg = (D,, + D1)/2 d = profundidad de corte, mm o pulg = (D,, + D1)/2 t = tiempo de corle, s o mio = l//N
300
], 1000
.5
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.,," -g 1lo
150
500
:Ji
100
RRM:::: rapidez de remoción de material, mm 3/min o pulg3/min
=
'lTÍ)prorndfN
Par:::: l'f.m o lh-pie
= (F,)(Dprnm/2) Potencia :::: kW o hp
50
= (Par de tor:;;ión)(w), siendo w:::: 21TN radfanes/rnil._1_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ __ No/a: Las unidades que aparecen son las guc se usan con más frecuencia: sin embargo, se deben usar y compro-
bar las unidades con-ccü1s en las fórmulas.
Es difícil calcular las fuerzas F, y f~, por los muchos factores que intervienen en el proceso de corte; e11 consecuencia, se determinan en forma experimental. Cortes de desbaste y acabado. En ei maquinado, el procedimiento norma! es a) hacer uno o más cortes de desbaste con grandes avances y grandes profundidades de corte (y por ende, grandes tasas de remoción de metal, sin importar mucho la tolerancia dimensional y Ja aspereza de la superficie), y b) continuar con un corre de acabado con menor avance y profundidad de corte para obtener un buen acabado superficial. Materiales de herramienta., avances y velocidades de corte. Las características generales de los materiales de corte se describieron en el capítulo 2 l. En la fig. 22.5 se muestran los amplios límites de velocidades de corte y avances para estos materiales de corte, como lineamiento general en las operaciones de cilindrado. En la tabla 22.4 aparecen recomendaciones específicas sobre los parámetros del proceso de cilindrado, para diversos materiales de piezas y herramientas.
Solución: La velocidad de corte es la·vefocidad tangencial de la pieza. La vefocidad máxima de corte se da en el diámetro exterior; D~, y se calcula con Ja ecuación V= 1rD,N. Así,
V .= ('lT)(0.;)00)( 400) = 628 pulg/min =; 52 pies/min. La velócidad de coite en el diáinetrofinal es
V = (7T)(OA80)( 400) Según los datos, se observa que la profundidad de corte es
(0.500 -: '0.480)
fluidos de corte. Aunque se pueden maquinar muchos materiales metálicos y no metálicos sin fluido
603 pulg/min = 5Ü:¡:>ies/min.
ti ""·· . . 2. ;.
=
pulg . ·. ·. 0<010 . .
ele corte (maquinado en seco), en muchos casos puede mejorar la operación si se aplica un fluido de corte (véase también la sección 21.13). En la tabla 22.5 se muestran recomendaciones generales para usar fluidos de corte en diversos materiales de pieza.
Ejempfo: ·Rapide~ de renm~lón~~ ~~t~· ·. yfüerzadecorte e~~.1.:;r¡~df· El.diámeirode·una·barr~d~a~efoínoxidablei•
cilindrárid~la e!l illl tOt1ló: El hJ:lswo glra ~ N ""~. 8 pul.g.!min: Calc~léla :Yelotfd~d. de corte; la rapt(feZ?de
tencia disipada y lafüerza de .cóite.
. '~o>k.'""' "·'ºd•'''""'"'
''''",
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··b:~áreµudr fi oAs{) pylg
• .éve•éimyeloeidatl axial ae '.m:á~iil;•e! ·:;~ ··H:: .-" .·._.-,: ,·. ,tiempode ~ ·..', ·' : ~ . corte,,· lipo.· ·.
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TABLA 22.4
Recomendaciones generales para operaciones de torneado
~s iniciales en propósito gen~
lntP.rv~'""
·~~~~~~~~~~~~~~~~~
Material de la pieza Aceros al bajo C y de libre maquinado
Profundidad de corte
He1ramienta de corte
mm (pulg)
Carburo
1.5-63 (0.06--0.25)
no recubierto
Avance rrnn/rev
(~. 0.35 W.014)
Carburo recubierto con cerámica
0.25
l.2-4.0 (().05-0.20)
rn.01m
395-440 (1300-)450)
0.30 (0.012)
2!5-290 73 (250;
60-230 (200-750.l 365-550 (!200-1800)
105-455 2.5-7.6 (0.10-0.30)
(350-1500) 0.15-0.75 (0.006-0.03)
Carburo recubierto
75-215 (250--700)
90-200 (300-650)
Cerámica de Al 20 3
0.25 (0.010)
Cermet 0.25 (O.GlO)
1.25-6-3
0.32
(0.05-0.25)
(0.013)
Carburo recubierto con cerámica
45-215 (150-700)
335 (l
100)
245-455 800-1500)
l l•J-245 {550"-800)
90· (300)
105-305 (350--l 000)
0.4-12.7
OT-0.75
(0.015--0.S)
(0.004--0.03) 120··365 (400-1200)
200 (650)
Carburo recubierto con TiN
45-120 (150-400) 120-4!0 (400-1350)
120-150 (400-500)
con TiN
60-135 (200-450)
90-245 (300-800)
185-230 (600-750)
Carburo con triple recubrimiento
de cone m/mín (pie/min)
120-425 400-1400)
(700-950)
0.30 (0.ül2)
Carburo recubierto con cerámica
90-135 (30G-450)
60-215 (200-700)
Cerámica de Al;~0 3
0.25 (0.010)
455-490 (1500-1600)
365-855 (1200-2800)
Cerámica de SiN
0.32 (0.013)
730 (2400)
200-990 (650-3250)
0.?5 (U.014)
150 (500)
Carburo con triple recubrimiento
1.5-4.4 (0.06-0.175)
Carburo recubierto con TiN Cermet
Carburo no recubierto
2.5 (0.10)
030 (0.012)
85-160 (275-525) 185-2[5 (600-700)
0.15 (0006)
25-45 05-150)
Carburo recubierto con cerámica Carburo recubieno conTiN Cerámica de Al:;0 3 Céramica de SiN
Aleaciones de titanio
0.15-1.l f0.006-0.045)
105-150 (350-500í
Cennet
Aleaciones para alta temperatura a base níquel
0.5-7.6 (O 02--0.30)
Velocidad Avance mm/rev (pulg/rev)
(600-650¡
Cerámica de Al 2 0 3
Acero inoxidable, austenítico
Profundidad de corte mm (pulg)
!85-200
Carburo recubierto con TiN
Carburo no recubieno
90 (300)
T>.,. ... ,
-·-" ,, •.," C:esbaste y acabado
245-275 (800-900)
Carburo con triple recubrimiento
Aceros al mediano yaltoC
Velocidad de corte m/min lpieímin)
cBN poli cristalino Carburo no rc:cubie110 Carburo recubierto con TiN
l.0-3.8 (0.04--0.15)
0.15 10.006)
45 (150) 30-55 (95-175) 260 (850) 215 (700) 150 (500) 35-60 (120-200) 30-60 (100-200)
0.5-12.7 (0 02--0.5)
0.08-0.75 (0.003-0.03)
75-230 (250-750) 55-200 (175-650) 105-290 (350-950)
0.25-6.3 (O.O 1--0.25)
0.25-6.3 (0 01-0.25)
0.1--0.3 (0.004--0.0 l 2í
0.1--0.4 (0 004--0.015)
15-30 (50-IOO) 20-60 (65-200) 20-85 (60-275) 185-395 (600-1300) 90-215 (300-700) 120-185 (400-600) 10-75 (30-250) !0-100 (30·-325) (Cú!llÍ!!1Ía)
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Sección 22.3 /Tornos y operaciones en e! torno
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Material
Tipo de fluido
NS
Aluminio
D, MO, E, MO
Berilio
MC,E,CSN
Cobre Magnesio
D,MO,MO +FO
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(7 l.700) T = ( 4ü0)(21T)
= 29 ¡b
- pulg
Como T = (F,)(D,,,,,,,/2), emonces
F = _ 29 ' (0.490/2)
118 lb.
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22.3 TORNOS Y OPERACIONES EN EL TORNO
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CSN,EP,MO
Zinc
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Titanio
Se puede calcular Ja potenéia requerida de acuerdo con la tabla 20. l y tomando el yalpr promedio de inoxid~ble. Por cqusiguientc. Ja potcncía disipa-
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D,MO, E,CSN
· 4 w · s/mm3 = 4/2.73 = 1.47 hp · min/pulg.. para el acero
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D, MO, E, CSN. EP
Aceros (inoxidables)
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Aceros (carbono y Je lx1ja aleación)
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MC, E,CSN MC,E,EP
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Níquel Refractario
+ FO
Nota: CSN: sustancias químicas y sintétic~s; D: en seco; E: emulsión; EP: presión extrema; FO: aceite graso y MO: aceite mineral.
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D, E, CSN, MO
+ FO. CSN
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Recomendaciones generales para fluidos de corte en maquinado
TABLA 22.5
~ 08~8vo8~~vo8~~08~8~808~80So80So80S28
·o üó ,.::._ ·;:::: ·s ..s .......___
605
~ ~
En general, se considera que los tornos son las máquinas herramientas más antiguas. Aunque se desarrollaroíl tornos para madera entre 1000 y 100 l a.C, los tornos para metal con avance de sinfín, no se construyeron sino hasta finales de los años de 1700. El torno más común (fig. 22.2) se llamó originalmente torno de motor, porque era impulsado por poleas y bandas por encima, accionadas por motores cercanos. Hoy en día, estos tomos tienen sus motores eléctricos individuales. Aunque es sencillo y versátil, un torno común requiere de un tornero hábil, porque todos los controles se manipulan a mano. En consecuencia es ineficiente en operaciones repetitivas y para grandes producciones. El resto de esta sección describirá los diversos tipos de automatización que se suelen agregar para mejorar la eficiencia.
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606
Capítulo 22 / f)rocesos de IT1aquinctdo para producir /"orrnas redondas
Sección 22.3 /Tornos y operaciones en el torno
22.3.1 Componentes de los tornos TABLA 22.6 Los torno¡; tienen una diversidad de componentes y accesorios. Los componentes biísicos de un torno comün son los siguientes. Ba11c;:11:la. La bancada sostiene todos Jos componentes principales del torno. Las bancadas tienen masas graneles y son ele constrncción rígida, por lo general de hierro colado gris o nodular (véase también la sección 24.3, sobre nuevos materiales para estructuras ele máquinas herramientas). La pane superior de la bancada tiene dos glllias o correderas con diversas secciones transversales, endurecidas y maquinadas para que ten. gan resistencia aJ desgaste y exactitud dimensional durante su uso (véase también la fig. 24.13). Carro. El carro longitudinal, o conjunto del carro, se desliza por las correderas y está formado por un conjunto ele corredera transversa/, el portaherramienta y el tablero. La herramienta de corte se monta en el DO'T1t111.
Cd:iezaí.. El cabezal está fijo en !a bancada y tiene motores, poleas y bandas que suministran potencia al husii/o a varias velocidades de giro. Las velocidades se pueden establecer mediante selectores de control manual.. La mayor parte de los cabezales tienen un conjunto de engranajes, y algunos tienen varios reductores para permitir una variación continua de velocidades en el husillo. Los cabezales tienen un husiJJo hueco al que se fijan dispositivos de sujeción de pieza, como mandriles* y boquillas (sección 22.3.3), y se pueden manejar barras o tubos largos en diversas opernciones de torneado. Carro de contraplllnl:o. El carro de contrapunto puede deslizarse por las correderas y se puede sujetar en cualquier posición. Sostiene el otro extremo de la pieza. Tiene un contrapunto que se puede fijar (co11tra-punloftjo) o se puede girar junto con la pieza (contrapunto vivo). En la boquilla de.I contrapunlo (tin;1 parte cilíndrica hueca con orificio cónico) se pueden montar brocas y rimas para laladrai· 01ificios axiales en la pieza. !farra de avance
y tornillo guia. La barra de avance de es accionada por un conjunto de engranes en
el. cabezal. Gira durante el funcionamiento de] torno y pasa el movimiento al ca1rn longitudinal y al carro transversal mediante engrai1es, un embrague de flicción y un cuñero que lo.recorre en .su longitud. Al cen-:,r una tuerca dividid8 que rodea al tomillo gufa, lo acopla con el calTo longitucJinal: rnmbién se usa pa.ra cortar roscas con exactitud. como se describirá más adelante.
22.3.2 Especificaciones de un torno Los tornos se suelen especificar por a) su volteo, esto es, el diámetro máximo ele la picm que se puede maqui11ar (labia 22.6), b) la distancia máxima en!Te eJ cabezal y el contrapunto, y e) la longitud de la bancada. Por ejemplo, un torno puede tener el siguiente tainafio: 3600 mm ( 14 pulg) de volteo por 760 mm (30 pulg) entre centros tencia. por l 830 mm (6 pies) ele bancada. Se consiguen tornos en una diversidad de estilos, construcción y poLos tornos de banco se instahin en un banco de mecánico; tienen baja potencia y suelen funcionar con avance manual; se usan para,rnaqu.inar pequeñas piezas con precisión. Los tornos de taller tienen gran precisión que permite maquinar las piezas a tolerancias estrechas. Los tornos de motor se consiguen en mia gran variedad de tarnailos, y se usan para diversas operaciones. En los tornos al aire o bipartidos se quita una parte de la bancada, frente al cabezal fijo, para manejar piezas de diámetros graneles. Los tornos eópeciales se usan en aplicaciones corno en ruedas de ferrocarril, cafiones y rodillos de laminadora, con piezas hasta de L7 m de diámetro por 8 m de longitud (66 pu!g x 25 pies), y capacidades has· N.de los R.T.: en México, y en muchos países latinoamericanos, se ha adoptado el anglicismo "chuck" y cada día se usa menos el tér· mino mandril.
607
Capacidades normales y dimensiones máximas de pieza para máquinas herramientas Dimensión ináxima Potencia RPM
Máquina herramienta
(m)
(kW)
máximas
Tornos (voltco/longilud) Banco
0.3/l
<1 70 60 20
3000 4000 3000 10.000
200 70
300 1000
Motor Revólver Autom.ático para lorn1Jloi; Mandrinadoras (diámetro/longitud de pieza) Husillo vertical Husillo horizontal
Taladros Banco y columna (diámetro de broca) Radial (distancia de columna a husillo) De control numérico (carrera de la mesa)
3/5 0.5/ 1.5 0.1/0.3 4/3 1.5/2 0.1
JO
12,000
Nota: Se consiguen capacidades mayores para aplicaciones especiales.
ta ele 450 kW (600 hp). El costo de los tornos de motor va desde unos 2000 clólareo; para los de banco, hasta más de 100,000 dólares para las unidades mayores. Las velocidades máximas de husillo suelen ser de 2000 1pm, aunque pueden ser sólo de 200 rpm para tornos grandes. En aplicaciones especiales, las velocidades pueden ir de 4000 a 10,000 rpm, o has\a 40,000 rpm en el maquinado de alla velocidad (sección 22.4.1).
22.3.3 Dispositivos y accesorios para sujetar piezas Los dispositivos de sujeción de pieza tienen especial importancia en las máquinas herramientas y en las operaciones de maquinado. En un torno, un extremo de la pieza se sujeta al hnsillo con una boqLülla, plato de arrastre o mandíil. Un mamlrii se snele equipar con cuatro mordazas de sujeción. Los mandriles de tres mordazas o uni·· ver~wles, tienen en general un diseño de espiral con engranes que los hace autocentrautes; se usan con piezas redondas, corno por ejemplo perfiles de barra y tubos. que se pueden centrar con 0.025 mm (0.00 l pulg) ele precisión, Los mandriles de cuatro mordazas (independientes) tienen mordazas que se pueden mover y ajustar en forma independiente entre sí; pueden usarse para manejar piezas cuadradas, rectangnlares o de formas diversas. Corno son más robustos que los de tres mordazas, se usan para piezas pesadas, o para trabajos donde se requieren varias posiciones, donde la concentricidacl es importante. En algunos mandriles, se pueden invertir las mordazas para permitir snjetar piezas desde sus superficies externas o desde sus superficies internas, cuando son huecas, en pieza' como tubos. También se consiguen mordazas de acero al bajo carbono (mnrdazas suaves) que se pueden rnaqttinar en frirmas deseadas; por su baja resistencia y dureza se apegan a pequefias irregularidades en las piezas, y en consecuencia producen mejor sujeción. Los mandriles pueden ser motorizados o de accionamiento manual, con una llave de mordazas. Como se tardan más en funcionar, los mandriles de accionamiento manual se usan en general sólo en talleres y para conidas pequefias de producción. Las mordazas se consiguen en varios disefios y tamaños. Su selección depende del tipo y rapidez de la operación, del tamafio ele la pieza, de los requisitos de producción y exactitud, y las fuerzas necesarias en las mordazas. Si controla la magnitud de las fuerzas en las mordazas, un operador puede asegurar que la pieza no se deslice en el mandril al maquinaria. Las grandes velocidades de husillo pueden reducir bastante las fuerzas de sujeción en las mordazas, por el efecto de las fuerzas centrífugas; este efecto tiene importancia especial en e! torneado de tubos de precisión. Los mecanismos modernos de accionamiento de mordazas permiten tener mayores fuerzas de sujeción para el desbaste y menor para operaciones de acabado. N. de los R. T.: el término mandn·z se usa para los plato.s ele sujeción tradicionales; un "mandril automatizado" es poco común verlo, y normalmente se refiere a platos o sistemas de sujeción.
-6()8
CapÍlulo 22 /Procesos de rnaquina.do para producir tonnas redondas Sección 22.3 /Tornos y operaciones en el Lorno
Para satisfacer ias crecientes demandas de ligidez, precisión, versatilidad, potencia y altas velocidades de corte en las máquinas herramientas modernas, se han hecho grandes avances en el diseño de los dispositivos de sujeción de piezas. Los platos o sistemas de sujeción motorizados, de acción neumática o hidráulica, se usan en equipo automático para grandes tasas de producción; incluyen Ja carga de las piezas con robots industriales. También se consiguen varias clases de platos de sujeción motorizados con mecanismos de palanca o de cufia, para accionar las mordazas; estos platos de sujeción tienen movimientos (cmTeras) de mordaza que suelen limitarse hasta tmos l3 mm (0.5 pulg). Una boquilla es básicamente un btije cónico panido longitudinalmente. La pieza, que en general tiene un diámetro máximo de l pulgada, se coloca dentro de la boquilla, y ésta se estira (boquilla de tracción, fig. 22.6a) o se empuja (boquilfa de empuje, fig. 22.6b) de o hacia el husillo, en forma mecánica. Las superficies cónicas concentran radialmente los segmentos de la boquilla y aprietan la pieza. Se usan boquillas para piezas redondas y ele otras formas (por ejemplo, piezas cuadradas o hexagonales) y se consiguen en una gran variedad de tamaños crecientes. Una de las ventiijas de usar boquillas y no un mandril de tres o cuatro mordazas es que Ja boquilla sujeta casi toda la circunferencia de la parte, por Jo que es muy adecuada para partes con pequeñas áreas transversales. Debido a que el movimiento radial de los segmentos de Ja boquilla es pequefio, las piezas deben tener una aproximación de 0.125 mm (0.005 pulg) al tamafio nominal de aqnélb. Los platos de arrastre son para stijetm- piezas de forma irregular. Son redondos y tienen varias ranuras y orificios, a través de los cuales se atornilla o prensa Ja pieza. Los mandriles de centro (fig. 22. 7) se colocar dentro de piezas huecas o tubulares, y son para sujetar· las cuando se requiere maquinarias en ambos extremos o en sus superficies cilíndricas. Algunos mandriles de centro se montan entre los puntos del torno. Accesorios, Se dispone de varios dispositivos y accesorios para tornos. Entre ellos est<ín los siguienit·s:
n.
Topes de can-o y de carro trnnsversal, de varios cfüefios, para detener el carro en un punto predeterminado de la bancada.
2. Dispositivos para cilindrar piezas con distintas conicidades o radios_ fiGlJRA 22.6 (a) y (b) Esquemas de una boquilla de lensión. La pieza se pone en el orificio de Ja boquillii y hs sup<'rfícics de ésla se cierran al ja/Jrlas con una barra que las introduce en la camisa. (e) Una boquilla de empuje. (d) Sujeción de una parte en un plJlo de arrastre. (a) (e)
dcJ husillo
Ja boquilla Cami~:m del hu'>illo del t.:ahczaJ
(b)
(d)
'-,_, ~~(r.
Plato de aiTastre _,,,.,,--(fijo al husillo)
Boqu;11a
~
~Pieza
~j~
~'---Pieza ·.__ Sujetadores
···m-wm,;,,
.,,~
_.,.,
,. ,. ·;,;'~.,..,¿.~·"""·''""',.,.,Y, .. ~ ..
(a) Mandril macizo
(b) Mandril encimado
609
(e) Mandril cónico
Mandril
Mandril
C-:S.:'(".:'7! Mandril e.>,. J cónico Cara
plana~c•· t·>:"~,\'(J
-
Lp;:~
Ci:.: "'
Cara plana
Pieza
Pieza
Diversos tipos de mandriles para sujetar piezas para cilindrarlas. Estos mandriles se suelen montar entre los puntos ele un torno. Nótese que en (a) las caras cilíndricas y de los extremos de la pieza se pueden maquinar, mientras que en (b) y (e) sólo se pueden maquinar las superficies cilíndricas.
FIGURA 22.7
3. Aditamentos para fresar, aserrar, maquinar engranes y rectificar.
4. Diversos accesorios para mandrinar, taladrar y roscar.
22.3.4 Operaciones en el torno En una operación normal de cilindrado, la pieza se sujeta con alguno de los dispositivos que se describieron. Las partes largas y esbeltas se deben soportar con una luneta fija y una luneta móvil colocada en Ja bancada; si no se hace esto, la pa!1e se flexionará debido a las fuerzas de corte. Estas lunetas suelen estar equipadas con tres dedos o rodillos ajustables, que sostienen a la pieza pero la dejan girm- libremente. Las ILmetas fijas se sujetan en fonna directa a las guías de la bancada (como en la fig. 22.2), mientras que las lunetas móviles se sujetan en el carro longitudinal, y se mueven con él. La herramienta de corte, fija al po1taherramie11ta, que a su vez es impulsado por el tornillo guía, quita el material al recorrer Ja bancada. Una herramienta derecha viaja hacia el cabezal, y una herramienta izquierda se mueve hacia el contrapunto. Las operaciones de refrentado se hacen moviendo la herramienta en dirección radial con el carro transversa! y sujetando el carro longitudinal para obtener mejor exactitud dimensional. Las herramientas formadoras son para producir diversos contornos en piezas redondas por cilindrac'.o (fig. 22. 1g). La herramienta se mueve en sentido radial, hacia dentro, para maquinar la parte. El maquinado con corte de forma no es adecuado para ranuras profundas y angostas ni para aristas agudas, porque pueden causar vibración y ocasionar mal acabado de la superficie. Por regla, a) la longitud formada no debe ser mayor a más o menos 2.5 veces el diámetro mínimo de la pieza, b) la velocidad de corte se debe redL1cir con los ajustes de cilindrar, y c) se deben usar fluidos de corte. En un torno también se efectúan algunas otras operaciones, como se describirá con detalle en el resto de este capítulo. La operación de perforado o mandrinado en un torno se parece a la de cilindrado. El mandrinado se hace en el interior de piezas huecas, o en un orificio hecho antes por taladrado u otros métodos. Los orificios de forma inadecuada se pueden corregir por madrinado. La pieza se sujeta en un plato de sujeción o por cualquier otro método. El mandrinado de piezas graneles se describirá en la sección 22.6. El taladrado se puede hacer en un torno montando la broca en un broquero, en la boquilla del contrapunto (un eje tubular). La pieza se pone en un sujetador en el cabezal y la broca se hace avanzar girando la manivela. Puede ser que los orificios taladrados en esta forma no sean concéntricos, por Ja tendencia que tiene la broca a desplazarse radialmente. La concentriciclad del orificio se mejora después mandrinando el orificio taladrado. Los orificios taladrados se pueden escariar o rimar en tornos, en forma parecida al taladrado, mejorando así las tolerancias del orificio. Las herramientas para tronzar, ranurar, maquinado de roscas y otras operaciones tienen formas especiales para sus destinos particulares, o se consiguen como insertos. El moleteado se hace en un tomo con rodillos endurecidos (véase la fig. 22.11) en los que la superficie es una réplica del perfil que se va a generar. Estos rodillos se comprimen radialmente contra la pieza que gira, mientras la herramienta se mueve en dirección axial, a lo largo de la parte.
.,, 6HJ
Capítulo 22 /Procesos de maquinado para producir formas redondas Sección 22.3 /Tornos y operaciones en el torno
22.3.5 Tornos copiadores Los tornos copiadores son máquinas herramientas con accesorios, capaces de tornear partes de diversos con. lomos. También se llaman tornos duplicado res o tornos de contomear. La herramienta de corte sigue una tra. yectoria que duplica el contorno de una plantilla, en forma parecida a como un lápiz sigue la fonna de una plantilla de plástico en el dibujo técnico. Un trazador sigue la plantilla y, mediante un sistema hidráulico o eléctrico, guía a la herramienta de corte a lo largo de la pieza sin intervenir el operador. Las operaciones hechas con un torno copiador se han reemplazado en su mayor parte con los tornos de control numérico y los cen. !ros de torneado (sección 24.2).
22.3.6 Tornos automáticos A través de los años se han automatizado los tornos cada vez más. Los controles manuales de las máquinas se han sustituido con diversos mecanismos que permiten que las operaciones de corte se apeguen a un orden preestablecido. En una máqLtina totalmente automática, se alimentan y se quitan las partes también en forma automática, mientras que en las máquinas semiautomáticas esas funciones las hace el operador. Los tornos automáticos, que pueden tener husillo horizontal o vertical y no tienen contrapuntos, s
22.3.7 Máquinas automáticas para barras Antes se llamaban máquinas roscadoras automáticas; estas máquinas están diseñadas para producir lornil!os y piezas roscadas en graneles cantidades. Como pueden producir otros componentes además, hoy se iíarnan ntáquinas aufmnáticas para barras.
En estas máquinas, todas las operaciones se efectúan en forma automática, y las herramientas se fij;in en un revólver especial. Después de haber maquinado cada tornillo o parte a sus dimensiones finales, el per-
fil de ba,-,.a avanza en forma automática y se corta. Las máquinas pueden tener uno o varios husillos. Las capacidades para barra redonda van de 3 a !50 mm ( 118 a 6 pulg) de diámetro. Las máquimis a11tomáticas de barra con mi husillo se parecen a los tornos de revólver, y ticnc.n varios rnecanismos accionados por levas. Hay dos tipos de estas máquinas: en las máq11ím1s automáticas ii¡io rmiw (fig. 22.8), la superficie cilíndrica de la varilla es maquinada por una serie de herramientas que se mue· ven en el sentido radial y en eJ mismo plano, hacia la pieza. La barra se sujeta cerca del husillo principal, con lo cual se reducen al mínimo las deflexioncs. Estas máquinas son capaces de maquinar con precisión piezns de diámetro pcguefio.
611
La otra máquina de un husillo, (llamada también tipo americano) se parece a un pequeño torno revólver. El revólver está en plano vertical, y todos los movimientos de los componentes de la máquina son controlados por levas. Las máquinas automáticas de barra ahora poseen controles numéricos por computadora, que eliminan el uso de levas, y la opernción se programa para cada producto en particular (véase el capítulo
38). Las máquinas automáticas de barra ele husillos múltiples tienen de cuatro a ocho husillos dispuestos en un círculo, en un tambor grande, y cada uno tiene una pieza. Las herramientas de corle se disponen en varias posiciones en la máquina y se mueven en direcciones axiales y radiales a la vez. Cada parte se maquina en etapas, al moverse de una estación a la siguiente. Como todas las operaciones se hacen en forma simultánea, se reduce el tiempo de ciclo de maquinado por pieza.
22.3.3 Tornos de revólver Los tornos (de) revólver son capaces de efectuar muchas operaciones de corte, como cilindrado, mandrinado, taladrado, roscado y refrentado (fig. 22.9) en la misma pieza. Se montan varias herramientas de corte (por lo general hasta seis) en el revólver principal, que gira para efectuar cada operación de corte. El torno suele tener un revólver cuadrado en el caiTO transversal hasta con cuatro buriles montados en él. La pieza, que en general es una varilla larga y redonda, se hace avanzar Lma distancia preestablecida por el plato. Después de maquinada la pieza, es tronzada mediante una herramienta montada en el revólver cuadrado, que se mueve en dirección radial penetrando en la pieza. A continuación la varilla avanza la misma distancia preestablecida, hacia el área de trabajo, y se :naquina ia siguiente parle. Los tornos revólver (tipo de barra o ele mandril) son versátiles y se pueden hacer las operaciones sea a mano usancio la manivela (rueda de trinquete) o en forma automática. Una vez que un programador lo alista bien, esta m(iquina no requiere operadores muy diestros. El torno revólver de la fig. 22.9 se llama tipo ariete, en el que un ariete se desliza en una base separada, sobre el puente. La carrera corta del ariete del revólver limita esta máquina a procesar piezas relativamente cortas y corles ligeros, en producción a pequefia y mediana escala. En otro eslllo, llamado tipo pueme, el revólver principal se instala en forma directa sobre el puente, que se desliza directamente sobre Ja bancada. La longitud de la carrera sólo está limitada por la longitud de la bancada. Eslc tipo de torno tiene construcción más robusta y se usa para maquinar piezas grandes. Por el gran peso de los componentes, las operaciones en el torno tipo puente son más lentas que en el tipo ariete. También hay lomos revólver verticales; son más adecuados para piezas cortas y pesadas, con diámetros hasta de J.2 m (48 pulg).
FIGURA 22.9 ilustración esquemática de los componentes de un torno de revólver. Nótese los dos revólveres: el cuadrado y el hexagonal (principal). Fuente: American Machinist and Automated ManufactJring.
FIGURA 22.8 Esquema de una máquina automática de tornillos tipo suizo. Fuente: George Gorton Machine Company.
carro
de Selectores de avance VolantC transversal
del carro transversal
ILJmlliiilliiilliiililiíllll. . . . . . . . . . . . .______~~
612
Capítulo 22 /Procesos de ma_quinado para producir formas redondas
613
Sección 22.3 /Tornos y operaciones en el torno
22.3.9 Tornos controlados por computadora En los tornos más avanzados, el movimiento y el control de la máquina y sus partes se produce mediante co • 11 tmles numéricos computarizados (CNC), como se desc1ibirá en la sección 24.2 y en los capítulos 38 y 39. Las particularidades de ese torno se ven en la fig. 22. IO. Estos tornos suelen tener uno o más revólveres (figs. 22.1 Ja y b). Cada revólver tiene diversas hen-amientas y ejecuta varias operaciones en superficies distintas de la pieza.
FIGUl1A 22.10 Torno con control numérico computarizado. Nótense los dos revólveres en esta máquina. Fuente: Jones & Lamson, Textron, lnc. RcV
Mandril
operacionc.s en exteriores
Estas máquinas están muy automatizadas, las operaciones son repetitivas y mantienen la exactitud dimensional pretendida; se requiere además mano de obra menos capacitada (después de haber preparado la máquina). Son adecuadas para producción en pequeña y mediana escalas.
· Ej~mpio: Partes características fabricadas en tornos con conif9f n.11mérico ~olllpt1tarcii,:ad~
t~sposlbi!idades.de lós. tornos éon ·controlriuméri¿<¡ comrhü1rl~iidos~.~en'~n·I¡{tlé22.f2: E~ca~a~~ , zi;se indica él.mar.erial y lÍicantidad.de herram.ientasc:le<:9rt~empiead~s,•a~í c:Oiµplos ~énJp¡;sC!f'l ftuÍ.qui'.i\ado. •Estas piezas tamlíién se pueden fabricar en tornos,l1~ai:~ale~ ? ~ey'
J:¡ien
~
:·¡:-"-f 87.9mm ('.Í.462") !98.4 mrú
¡
i
i(3.875'") 1 1 1
1
'
1
50.8.nun (2")
J.c_l
f
.L~
~
· 1
' (dos operaciones): 5.25 ·minmoS
Revólver extremo para
•
, ¡
53.2mm .· 1 r•· (2.094,") ·---..¡
Cantid~1d de.hel;l'J!ll,ient~: .7 Ti~~p~ tot~.l de. J\1ate:da\; Acero alea~o
.Material: Acero ,Ú carbono J020 Cantidad de h'erramienUL~: -811empci total de maquinado'
52100 ~ ....."·.·.·.-!
maquin.do:·
opcrn.ciones en interiores
.
1
Mate;.¡:ll; Aleacil~n
Cantidad de her'ramientas: 4
(doS o-per.~qiones):
Tiempo total de maquinado (dos
5.41·minu.tos
opcraciom"'.sJ:.6J2. minutm;:
FIGURA 22.11 (a) Revólver con 6 herramientas distintas para corte y roscado en exteriores e intcriore< (b) Un revólver con 8 herramientas de corte distintas. Fuente: Monarch Machi ne Tool Com1xrny.
flGÚRA 22.12
(b)
Ejemplo: Maquinado de diversas formas complejas Nótes.e en el ejemplo anterior, que las partes soiJ siri1étrícas con respecto al eje. Las posil:>ilidades, de~ tor. neado con controi numérico computarizado .se. pueden ilustrar además con las figuras 22~13, donde ven tres. piezas más, i~ás complejas: un eje de bomba, un cigüeñal y .una parte tubular con f()SCa ondulada ín· tema. Como en la may~ir parte de las operaciones;.el maquinado de esas partes consiste en cortes i:l¡i ,jeshaste y de .acabado. · · · · · ·· ·
se
j
.E
~je de.bamba (fig, 22. JJa). Esta.parte, al igual que µnagr'an variedad de Panespareciciaseondf'l~{re~
ex.ternos e internos {incluyendo cigüeñales) fµe pro~ueiqa en µn torn;o dé C.NC COI) dos revÓ!veres;:de éonstruccíón pareéida a la máquina de la fig. 21. l0•.c~4~r(!vól~er .Puede ~~jetar ñ,asta he~e11ta$· N6tes~ que para producir esta fol'ma en particurai:;efri;vó!\>er sliperior $.e:Pfográ!lla i.Je;ta:f:mane.. í:a. que su. mo.vimjenipta(lial es5é sfocrpn~zado con •
ª
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.or.¿f~~t~:Uit##~~~,~~do ·Tieµ<;re#oalim<;.rit¡¡#ión.de
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o·.,~~"~"-~' v~·'•••-'-
111
...__
6]4
Capítulo 22 /Procesos de maquinado para producir formas redondas
Sección 22.3 /Tornos y operaciones en el torno
(a)
615
2. CigüeñaL (fig. 22.13b). Esta pieza es de hierro colado dúc.tll (nodular) (sección 12.}.2). Los parámetTos de maquinado se muestran en la parte (b)de la tabla 22.7. El inserto fü~ de carb¡¡ro K1O. El tíem-. pode maquinado fue 25 hlin: nótese que este tiempo es del mismo ordeí1 dcfr1agnitud que el de 1a primera parte. · .· · '
.
_,,
.::',
3. Pieza tubular con rosca ondukida intema.(fig.2~,13(;),E,~.de acero.inoxidable 304,y fu!;l ¡naquinada bajo las condiciones de. la piezá {e) de Jatabla22.7.L\i pieza brut.a era una pieza tubular recta, parecida a un bt,je. Las herramientas de .corte fueron de. carburQ recubierto y de ce1J11et La b;rrra de madrinado fue de carburo de tungsteno para tener !r\ªY<>r:rigidez y, en consecuencia, mejor exactitud dimensional y acabado superficial. Paralaparteroscafia,Ja.exactítud dimensional fue.±0-05mm (0,002 pulg) y el.acabado superficial fue R,,.= 2.5 µ,m (100 µ,p1;1Jg): · El tiempo de maquinado de esta parte fue 1.5 miú. Nótese que es mucho más corto que los de los dos ejemplos anteriores. La razón es que esta parte es más corta, se quita menos material, no tieúe las propiedades excéntricas de las dos partes anteriores'(por lo que el movimiento radial de la herramienta de corte no es f.uncíón de la ¡x¡síción angular de lá parte) y la velocidad de corte es mayor. Fuente: Basado en publicaciones técniCas suministradas por Ókuma Corp.
(e)
FIGURA22.13
Este eje puede ser de aluminio o de acero lnoxidable. Los.parámetros de maquinado para el a!uminio se ven en la tabla 22. 7. Véase la parte (a) en la prim.cracolumna de Ja tabla. Se pueden comparar con tos datos de la tabla 22.4, donde sólo aparec~n amplios.lfmites como lineamiento: Los insc1ios fueron carburo sin recubrí r K1O (C3) y .düunanté Go!llpact:a(fo pólict:istalino .(capítulo 21} El maquinado .de diámetro exfl1JJS cilíndricos de la pieza. El tiempo total de maquinado para un ej~ deii1lnnini<> fu,~ 24niin;. para acero inoxidable foe 55 mín. Nótese en !a tabla 22.4 que la velocidad deeqqepara eJÍleero ínoxídable es bastante menor que para el aluminio, y se alarga el tiempo de ma(juirilld1); · .
22.3.10 Posibilidades del proceso de torneado Las velocidades de producción relativas en torneado, así como en otras operaciones de corte que describiremos en el resto de este capítulo y en el capítulo 23, se ven en la tabla 22.8. Estas velocidades tienen una gran influencia sobre la productividad en las operaciones de maquinado. Nótese que hay grandes diferencias de velocidad de producción entre <0stos procesos. Las diferencias no sólo se deben a las características inherentes del proceso y de las herramientas, sino también a otros factores, como tiempos de preparación y tamafios de las piezas (véase la sección 24.5 y el capítulo 40).
TABLA 22.7 Velocidad de
(
1150rpm
Cilindrado acabado
1750
Desbaste de avance
Acabu,do de avance
Hcrramienl«
TABLA 22.8
Cílindrado desbaste
J60 m/min (525 fpm) (820)
KlOIU¡ 45
(C3J 300 comp~Cto
200rpin
Acabado 200
(e) Rost'ado
de desbu.lte Roséado de acabado
,¡ ,¡;,p .
,'.,~;
•.
0.2
300
(b)
excéntrico
0.3,mrn/rev
KJO(C3i 25()
Desbaste
excéntrico
3mm(0.12pulgJ.
800rpm ·
:800
5-11 m/m\n (l6-136fjlm)
Velocidades normales de producción para diversas operaciones de corte
Operación
Velocidad
----·· Torneado Torno de motor Torno copiador Tomo de revólver Tomo controlado por computadora 10rno automático a1 aire de un husillo Torno automático al aire de varios husillos
Muy baja a baja Baja a media Baja a media Baja a medía Media a alta Alta a muy alta
Mndrinado
Muy b.aja
Taladrado
Baja a mediana
Fresado
Baja a mediana
Cepillado
Muy baja
Maquinado de engranes
Baja a mediana
Brochado
Mediana a alta
Muy baja a baja Ase1rndo Nota: Estas velocidades de producción son relativas: Muy baja es una o más partes por hora; mediana es unas 100 partes por hora; muy alta es 1000 o m:.í.s partes por hora.
--
Sección 22.3 /Tornos y operaciones en el torno
616
6"17
Capítulo 22 /Procesos de rnaquinado para producir formas redondas
mm
Las velocidades en la tabla 22.8 son relativas y pueden haber importantes variaciones en aplicaciones especiales. Por ejemplo, se pueden maquinar rodillos de acero colado al alto carbono con tratamiento térmico (pa, ra laminadoras, sección 13.4) en tomos especiales con tasas de remoción de material hasta de 6000 cm1/Jnin (370 pulg3/min) con varias herramientas de cermet. El factor importante en esta operación (llamada también maquinado de alta velocidad de remoción) es la gran rigidez de la máquina herramienta (para evitar Ja rotura de herramientas debida al traqueteo; véase la sección 24.4) y su gran potencia, hasta de 450 kW (600 hp). El acabado superficial (figs. 22.14) y la exactitud dimensibhal (fig. 22.15) que ¡;e obtienen en el cilindrado y operaciones afines dependen de factores como las características y el estado de la máquina berra, mienta, la rigidez, la vibración y el traqueteo, los parámetros de proceso, la geometría y el desgaste de la herramienta, el empleo de fluidos de corte, la facilidad de maquinado del material de la pieza y la destreza del operador. Resulta entonces que se puede obtener una ampliá gama de acabados superficiales, como se ve en la fig. 22.14 (véase también la fig. 26.4).
w-i ~-~---1~º-~20_ _ _ _ _ _10~0_ _ _2..,..s(_J_ 6
10
4
10-2 8 ';;;
!
"
FIGURA 22.14 Gamas de rugosidades superficiales obtenidas en diversos procesos de maquinado. Nótense !os amplios intervalos dentro de cada grupo, en especial en el torneado y el mandrinado. Véase también la fig. 26.4.
20
8
§
4
~ ¡s 0.2
Rugosidad (R,,) /L!TI
Proceso
---~lli_n.
50 2000
25 lOOO
J2.5 500
6.3 250
3.2 125
1.6 63
0.8 32
0.4(!
0.20
0.10
o.os
16
8
4
2
Corte con soplete Esmerilado grueso
Aserrado
i MaguirnKlo químico
!
por electroerosión eléctrico
Fresado Brochado
Escariado Maquim1do con lrn.z electrónico
JVIaq trinado con láser
l
1
r==
¡-Ft~FI
:=j --
CJ
Aplicación menos frecuen1 e
¡'
¡
!
1 c--t-~ 1
1
1
Bruñido de rodillo Rectificado Roncado Elcctropu!ido Pulido Lapeado
Superacabado
1
~'-'~~J..-~~~-~~
1
·-r·--
•
Maquinado electroquímico
Rectificado electroquímico
--¡
Aplicación promedio
Torneado, mandrinado
Tamborado
(1.1
0..5
111111!1
LL
Cepillado, formado
Taladrado
¡-
o.02s oon
0.5
].()
10
20
üiümctro o loogilud (pulg)
Intervalos de tolerancias dimensionales obtenidas en diversos procesos de maquinado, en función del tamaño de pieza. Nótese que hay una diferencia de un orden de magnitud entre las piezas pequeñas y grandes. Fuenle: Adaptado de Manufacturing planning and estimating handbook, McGraw-Hill, 196º,.
FIGURA 22.15
22-3. 11 Consideraciones de diseño para operaciones de torneado Son importantes ciertas consideraciones en el diseño de piezas que se deban fabricar económicamente mediante operaciones de torneado. Corno el maquinado, en general, puede tomar bastante tiempo aumentando el costo de producción, desperdicia material y no es tan económico como el moldeado de partes, se debe evitar hasta donde sea posible. Cuando sean necesarias operaciones de torneado, se deben usar los siguientes lineamientos generales de diseño: a. Las piezas se deben diseñar de tál modo que se puedan soportar y sujetar en los aditamentos correspondientes con relativa facilidad. Las piezas delgadas y esbeltas son dificiles de sujetar bien para rcsisLir las fuerzas de sujeción y de corte (véase tarribién soportes flexibles, sección 38.9). b. La exactitud dimensional y el acabado superficial que se especifiquen deben ser lo más amplios que sea posible para que la parte funcione en f01ma correcta. c. Se deben evitar aristas agudas, conos y grandes variaciones en dimensiones de la parte.
--,;;,;d,S=li.P'
,,,,. ·
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.....-l}]ll
Capítulo 2:2 /Procesos do maquinado p;:ira producir formas redondas
Sección 22.4 /Maquinado de alta velocidad, ultrapreciso y torneado duro
d. Las piezas brutas por maquinar deben tener dimensiones tan aproximadas a las finales como sea posible (formadas a forma casi neta) para reducir el tiempo del ciclo de producción. '"· Las piezas se deben diseñar de tal manera que las herramientas de corte puedan desplazarse por la pieza sin obstrucción. f. Las propiedades del diseño deben ser tales que se puedan usar herramientas ele corte, insertos y sujetadores normales y disponibles en el comercio.
619
A veces se le llama administración de viruta al proceso que implica recolectar las virutas de sus fuentes en las máquinas herramientas en forma eficiente, y sacarlas del área de trabajo. Las virutas largas y filamentosas son más difíciles ele recolectar que las cortas (uso ele los aditamentos rompedores de viruta en las herramientas de corte; véanse figs. 20.7 y 2 ! .2). En consecuencia, el tipo de viruta producida (control de vi-
ruta) es un aspecto integral ele! sistema ele recolección. Las virutas se pueden recolectar con cualquiera de los métodos siguientes:
g. Los materiales deben seleccionarse, hasta donde sea posible. en base a su facilidad de maquinado (sección 20.9).
1. Dejar qne la gravedad las haga caer sobre una banda transportadora de acero.
22.3.'l 2 Lineamientos para operaciones de torneado En la tabla 22. 9 se presenta una guía general de las causas probables de problemas en operaciones de cilindrado. Recuérdese que en los capítulos 20 y 2 l se describieron los factores que i11fluyen sobre los parámetros que se mencionan. Además de las diversas recomendaciones acerca de las herramientas y parámetros de proceso que hemos descrito hasta ahora, un factor importante es la presencia de vibración y traqueteo (capítulo 24). La vibración durante el corte puede causar mal acabado superficial, mala exactitud dimensional y desgaste y falla prematuros de la herrilmienta. A continuación se mencionan algunos lineamientos de aceptación general para !as operaciones de torneado. Sin embargo, a causa de la complejidad del problema, algunos de estos lineamientos se deberán implementar por tanteo (''prueba y en-or"): :i.
Minimizar lo sobresalido de la herramiema.
h. Soportar en fonna rígida la pieza. c. Usar 1náquinas herrm11ientas de gran rigidez y gran capacidad de an1ortigum11iento.
1-t Cuando las herramientas comiencen a vibrar y a traquetear, modificar uno o más de los parámetros de) proceso, como por ejemplo geometría de !a herramienta, velocidad de corte. avance, profundidad de cor-
2. Barrer las virutas ele un tanque de asentamiento. 3. Con sondas ele gusano alimentador, parecidas a las de los molinos de carne. 4. Con transportadores magnéticos (para virutas ferrosas). 5. Con instalaciones de vacío para eliminación. Las máquinas herramientas modernas se diseñan con aditamentos para manejo ele virnta. Se clebe hacer notar que puede haber una cantidad importante ele fluido ele corte mezclado y adherido a las virutas producidas, por lo que es importante su drenado o filtración adecuados. El fluido y el lodo se pueden eliminar con exprimidores de viruta (centrífugas). Los sistemas de procesamiento de viruta suelen requerir bastante espacio de piso. y pueden costar desde 60,000 dólares para talleres pequeños hasta más de ! míllón de dólares para plantas grandes. Las virutas recolectadas se pueden reciclar o desechar (siempre que no contengan componentes ni fluidos peligrosos). Antes de sacarlas de una planta manufacturera, su gran volumen se puede reducir hasta la quint.l parte por compactación (aplastamiento) para formar briquerns, o por desintegración. Las virutas secas son más valiosas en el reciclado, por la reducida contaminación ambiental. El método fimil de eliminación de viruta depende de la economía y del apego a los reglamentos locales, estat
le o empko de fluido ele corte (vé:ise también contm! adaptable (CA), sección 38.5).
22.3. i 3 Sistemas de
viruta
22.4 MAQUI DE ALTA VELOCIDAD, ULTRAPRECISO Y EADO DURO
Las virul.as que se producen durante el maquinado se deben recolectar y eliminar en forma correcla. El volunrnn de virutas puede ser muy alto, en especial en operaciones de alta velocidad y alta tasa de remoción. Por ejemplo, en una operación de taladrado en acero en la que sólo se elimine l pulg 3 de metal, el volumen sucllo y a grand ele las virutas puede ser de 40 a 800 , dependiendo del tipo de viruta (sección 20 ..1). De igual forma, al fresar ! pulg:i ele acero se producen de 30 a 45 pulg3 de viruta, y el acero produce de 7 a 15 pulg 3.
TABILA 22.9
-------
c:;uía general de localización de fallas en operaciones de '.orneado
Problema
Rolura de herramienta
Desgaste de herramienta excesivo
Causas probables El material de ta herramienta no tiene tenacidad; ángulos incorrectos de la herramienta; la má~ quina herramienta carece de rigidez; rodamiento.s y componentes de máquina ga¡.;tados; parámetros de corte demasiado grandes.
Los elesarrol!os importantes ea1 íos procesos de corte consisten en la implementació11 del maquinado de alt
22.4.'I Maquinado de alta velocidad Con la creciente demanda de mayor productividad y menores rnstos de producción, se han llevado a cabo i.nvesligaciones, desde finales de Ja década de 1950, para aumentar la rapidez de remoción de material en el maquinado, en especial en aplicaciones de las industrias aeroespacial y automotriz. Una posibilidad obvia es aumentar la velocidad de corte. El término alta velocidad es relativo. Como guía general, unos intervalos aproximados de velocidades de corte se pueden definir como sigue:
Parc.'imetros de corte demasiado grandes; material inadecuado de herramienta; Duido de corte inc·
.ficaz; ángulos incorreclos de la herramienta. Acabado superficial áspero
Variabilidad dimensional Traqueteo de la herramienta
l. Alta velocidad: 600 a 1800 m/min (2000 a 6000 pies/min). Borde acumulado en la herramienta; demasiado avance; herramienta demasiado afilada, desportullada o desgastada; vibración y traqueteo. Falta de rigidez; demasiado aumento de temperatura; desgaste de herramienta. Falta de rigidez; pieza no soportada rígidamente: herramienta demasiadn sobresalida
2. Muy alta velocidad: J800 a 18,000 m/min (6000 a 60,000 pies/min). 3. Ultra alta velocidad: > 18,000 m/min Las velocidades de giro ele! husillo pneclen llegar hasta las 40,000 rpm, aunque en la industria automotriz, por ejemplo, se limitan a 15,000 rpm para tener mayor confiabilidad y menos tiempo muerto si sucede
~
62()
Capítulo 22 / Pron:csos
de~ mc1quinado µar~: producir formas
redondas Sección 22.4 /Maquinado de alta velocidad, ultrapreciso y torneado duro
una falla. La potencia requerida en el husillo, para maquinado de alta velocidad, es del orden de 0.004 W!rpm (0.005 hp/rpm), mientras que en el maquinado tradicional está entre los límites de 0.2 a 0.4 W/rprn (0.25 a 0.5 hp/rp111). En los diseiios de husillo para altas velocidades se tiene en general un motor eléctrico integral. La ar. madura se forma sobre el eje y el estator se coloca en la pared de la caja del husillo. Los cojinetes pueden ser de elementos rodantes o hidrostáticos; los del último tipo necesitan menos espacio que los del primero. Se han hecho muchas investigaciones y desarrollos en el área de maquinado de alta velocidad (tornea. do, fresado, mandrinado y taladrado) de aleaciones de aluminio, de titanio, aceros y superaleaciones. Se han reunido muchos datos acerca del efecto de altas velocidades de corte sobre a) la clase de viruta producida, h) las fuerzas y la potencia en el corte, c) las temperat1iras generadas, d) el desgaste de las herramientas, e) el aca. bado superficial y t) la economía del proceso. Estos estudios han indicado que puede ser económico el maquinado de alta velocidad en ciertas aplicaciones. En consecuencia se implementa hoy en el maquinado de componentes de turbinas de aviación y de motores de automóvil, aumentando la productividad de 5 a 6 veces sobre el maquinado convencional. El maquinado de alta velocidad de contornos complicados con 3 y 5 ejes se ha vuelto posible sólo hasta hace poco, por los avances de la tecnología de control numérico computarizado (véanse también los capítulos 24 y 38). Un factor importante en la adopción del maquinado de alta velocidad ha sido el deseo de mejorar las !.olerancias en las operaciones de corte. Con el maquinado de alta velocidad, la mayor parte del calor generado en el corte sale con la viruta (fig. 20. l 4), por Jo que la herramienta y, más importante aiín, la pieza, permanede la temperatura ambiente. Esto es benéfico, porque no hay dilatación ni distorsión térmica ele ia cen cerca piew al maquinaria. Los siguientes factores son impo1tantes en las operaciones de alta veiocidad: L Potencia y rigidez de fas máquinas herramíentas.
621
Entre los materiales de trabajo para maquinado ultrapreciso en la actualidad se incluyen las aleaciones de cobre, de aluminio, plata, oro, níquel, materiales infrarrojos y plásticos (acrílicos). La profundidad de corte que se maneja está en la zona de los nanómetros. En este ámhito, los materiales duros y frágiles producen viruta continua (el proceso se llama corte en régimen dúctil; véase también rectifico.do en régimen dúctil, sec· ción 25.5.6); los cortes más profundos producen viruta discontinua. Las máquinas herramientas para estas aplicaciones se construyen con una gran precisión y grandes rigideces de máquina, husillo y soportes de pieza. Estas máquinas ultraprecisas, cuyas partes se fabrican con materiales estructurales con baja dilatación térmica y buena estabilidad dimensional (sección 24.3) se instalan en ambientes sin polvo, es decir, en cuartos limpios, donde se controla la temperatura con exactitud de una fracción de grado. Se evitan hasta donde sea posible las vibraciones debidas a füentes internas de la máquina. y también a fuentes externas, como pueden ser máquinas cercanas en el mismo piso. Para controlar el avance y la posi· ción se usa metrología con láser, y las máquinas tienen sistemas de control computarizado muy avanzados, con funciones ele compensación de errores térmicos y geométricos. Consideradones generales para el maquinado de precisión. Hay varios factores imp01tames implicados en el maquinado preciso y ultrnpreciso, y sus máquinas herramientas: l. Diseño, construcción y mmado de la máquina herramienta; rigidez, amortigLiamiento y exactitud geométrica. 2. Movimiento de diversos componentes, lineal y rotacional. 3, Tecnología ele husillo.
2. Rigidez de los portaherramientas y hem1mentales de sujeción de piezas.
4. Dilatación térmica de la máquina herramienta, su compensación y control del ambiente de la máquina.
3, Diseño ele husillo para grandes potencias y velocidades de giro.
5. Selección y aplicación de herramientas de corte (capítulo 21).
't Inercia de los componentes de la máquina herramienta. 5. Acciornm1ientos de avance rápido. 6º Grado de automatización. 7.. Selección de una herramienta de corte adecuada. Sin embargo. es importante notar que se debe considerar al maquinado de alta velocidad casi exclusivamente en cnsos en íos que el tiempo de corte es una parle importante del tiempo de operación entre uno y otro piso de trabajo. Corno se describió en Ja sección 38.6 y en el capítulo 40, hay otros factores, como el tiem· po Si!l corte y los costos de mano de obra, que son importantes en la evaluación general de los beneficios ele! maquinado de alta velocidad para determinada aplicación.
22.4.2 Maquinado ultrapreciso A partir de la década ele 1960 han crecido los requerimientos para fabricar con precisión componentes para aplicaciones de cómputo, electrónica, energía nuclear y defensa. Entre los ejemplos están los espejos ópticos, los discos de memoria de computadora y los tambores para las máquinas fotocopiadoras. Los requisitos deJ acabado superficial están entre límites de decenas de nanómetros 00- 9 m o 0.001 µ,m; 0.04 µ,pulg) y con exactitudes de magnitud de µ,m y sub µ,m (véase también capítulo 31). Como la herramienta de corte para aplicaciones de maquinado ultrapreciso es casi exclusivamente un diamante monocrista!, el proceso también se llama torneado con diamante. La herramienta de diamante tiene un filo cortante con radio de algunos nanómetros. El desgaste del diamante puede ser un problema apreciable, y entre los avances recientes están el torneado criogénico con diamante, en el que el sistema de herramientas está enfriado por nitrógeno líquido a una temperatura aproximada de -120 ºC (-184 ºF).
6. Parámelros de maquinado (capítulos 20, 22 y 23). 7, Funcionamiento en tiempo real de la máquina herramieuta, vigilancia del estado ele la herramienta y control de ambas (capftulo 20). Debido a sus interacciones que con frecuencia son complejas. estos factores se deben considerar en su totalidad y manejar como un sistema. En el capítulo 24 se describen vmfos detalles acerca de estos factorc~..
22.4.3 Torneado duro Hemos visto que, a medida que aumenta la dureza de la pieza, disminuye su maquinabilidad, y puede aumentar la importancia del desgaste y rotura de herramientas, el acabado superficial y la integridad superficial. Como se describirá en los capítulos 25 y 26, hay otros procesos mecánicos (en especial el rectificado) y no mecánicos para eliminar en forma económica material de metales y aleaciones duras o endurecidos. Sin embargo, sigue siendo posible aplicar procesos tradicionales de corte a metales y aleaciones duros, seleccionando un material de herramienta adecuado y usando máquinas herramientas con gran rigidez. Un ejemplo común es el maquinado de acabado de ejes de acero tratados térmicamente (de 45 a 65 HRC), engranajes, piiiones y diversos componentes automotrices con herramientas de corte de nitruro deboro cúbico policristalino (PcBN), cermet o ele cerámica. Este proceso, llamado torneado duro, produce partes con buena exactitud dimensional, acabado superficial (hasta de 0.25 µ,m o 10 µ,pulg) e integridad superficiaL La potencia y rigidez disponible en la máquina herramienta y en los soportes de pieza son factores importantes, así como la preparación del filo de la herramienta de coite, para evitar su falla prematura (véase la sección 21.5.3). Tanto desde el punto de vista técnico wmo del económico, el torneado duro puede competir con éxito con el proceso de rectificad?: Por ejemplo, el cilindrado duro es tres veces más rápido que el rectificado, re-
....-
t."-41?"'
622
Capítulo 22 /Procesos de nw.¡uinado para produci1· formas 1edondas Sección 22.5 /Maquinado de roscas
quiere menos operaciones y usa cinco veces menos energía. En la sección 25.6.9 se presenta un ejemplo comparativo de torneado duro y recüficado_
623
(a)
--~-----------
Raíz
22.5 MAQUINADO DE ROSCAS Profundidad
Entre los elementos de máquina más importantes están las roscas_ Una rosca se puede definir como un lomo de sección transversal uniforme que describe una trayectoria helicoidal o espiral en e! exterior o el interior de una superficie cilíndrica (msca recta) o cónica (rosca cónica). Los tornillos, pernos y tuercas de máquina tienen roscas rectas, así como las variJJas roscadas para aplicaciones como el husillo de roscar en los tornos (fig. 22.2). Las roscas pueden ser derechas o izquierdas. En general, las roscas cónicas se usan en tuberías de agua o de gas, y en artículos ele plomería, donde se requiere una conexión hermé!ica al agua o al aire. Se pueden producir roscas básicamente mediante a) formado (laminado, véase la sección 13.5.2), foenlc de la mayor cantidad de las partes roscadas que se producen, o b) por maquinado_ También es posible colar partes roscadas, pero con limitaciones en su precisión dimensional, acabado superficial y dimensiones mínimas, y la rapidez de producción no es tan grande como Ja gue se obtiene en otros procesos. Como se ve en !a fig. 22. lk, en el torno se pueden producir roscas sobre barras redondas. Cuando se pro. ducen externa o internamente cortando con una máquina corno el torno, aJ proceso se le llama roscado. Cuando se cortan imernamente con una herramienta roscada especial (machuelo), el proceso se llama machue/ado (sección 22.10). También se pueden cortar roscas externas con una terraja, y mediante fresado. Aunque
~,
..-.
'•y Ángui<>
(b)
(e)
adrnisiblt:
1-
-1
p P/8 -1 i--"
p
L
LL.~)
roscas •/,-201JNF-2A
A 1rk:diaclos de Li década de J 880 comenzaron a normaiizarse las roscas, y desde entonces se han nonna!izacio V
Tamaño nominal (diámclro mayor) Hoscas por pulgada
Diámeiro de cresta 1
1
1
¡
'
1
1
1
Clase
Di<.ímetro de paso
UNF. Olllí>nctO!tll"CS
UNC: Roscas normales
UNEF:
FIGURA 22:16 ia) Nomenclatura establecida para roscas. ib) Rosca Unifiecl National (UN) e identificación de roscas. (e) Rosca métrica ISO y su identificación.
22.5.2 Roscado en un torno
Holgura
Rosca externa (tornillo)
Grande Pequeña
Ninguna
•"tbr -•"·",,., ....,.,.,e..--··-·····
g h
Rosca interna (tuerca) G H
Se pueden considerar a las roscas como marcas ele avance profundas y toscas (fig. 20.2). Una operación nor mal de roscado en un torno se ve en la fig. 22. l Sa. La herramienta ele corte, cuya forma depende del tipo de rosca gue se va a cortar, se monta en un soporte que se mueve a lo largo de la pieza mediante e! husillo de roscar del torno (fig. 22.2). El movimiento se logra acoplando una tuerca bipartida (llamada también media tuerca) dentro deJ tablero del torno (no se ve en la figura). El movimiento axial de la herramienta en relación con la rotación de la pieza determina el avance opaso de la rosca, esto es, la distancia axial que se recorre en una rotación completa del tornillo_ Para determina-
-624
Capítul<) 22 /Procesos de maquinado p:1ra pmducir forrnas redondas
(a) Rosca cuadrada
Sección 22.5 /Maquinado de roscas
( b) Rosca truncada de propósito general
1
p
1 -··---·-----·--"--
-..¡ (e) Rosca "National" de estribo
o.i632 r
das rpm ele husillo, cuanto más lento es el movimiento ele la herramienta, la rosca obtenida será más "fina" o apretada. En el roscado, la herramienta se puede hacer avanzar en dirección radial hacia la pieza, cortando ambos lados de la rosca el mismo tiempo, como en el cilindrado de contorno. Sin embargo, con este método se p
~
!·-- 0.3707 p
(d) Rosca NPT de tubo
r--
066]7~:¿}~J7.
suele obtener un acabado superficial deficiente. En general se requieren varios pasos en el orden que se ve en la fig. 22. l Sb, pm·a obtener buena exactitud dimensional y acabado superficial. La fig. 22.18c muestra un inserto ele carburo para cortar roscas (inserto de roscar) y la fig. 22. l Scl muestra un proceso ele roscado interno. Aunque el roscado en tomos es un método viejo y versátil, requiere bastante destreza ele! operador, y es lento, es decir, no económiC0. En consecuencia., excepto en producciones pequeñas, se ha sustituido por otros métodos, corno lmninaclo de roscas, roscado automáticos y uso de tornos con control numérico computarizado (CNC). La tasa ele producción en el roscado se puede aumentm· con hemunientas llamadas almohadillas de roscado (figs. 22.19a y b). Estas herramientas suelen tener cuatro cortadores con varios clientes, y se pueden ajustar radialmente. Después ele cortar las roscas, las herramientas se abren en forma automática (por lo que también se llaman peines de abertura automática) girando en torno a sus ejes para permitir que Ja pieza sea extraída. Las tern1jas (fig. 22.19c) también se consiguen para maquinar roscas rectas o cónicas. Se usan principalmente para roscar los extremos de tubos, y no se adaptan a co!Ticlas ele producción.
'\_ 0.0714 P -- R
FIGURA 22.17
625
Diversos tipos de roscas.
22 ..5.3 Consideraciones de diseño para el roscado Lo que se debe tener en cuenta en el diseño ele roscas que se puedan producir con alta calidad y economía es !o siguiente: f!G'URA 22.18 (a) Roscado en un torno con herramienta monofilo. (b) Roscado con herramienta nronofilo en varios pasos, usado normalmente para roscas grandes. Las flechas pequeñas en las figuras muestran la dirección del avance, y las líneas interrumpidas muestran la posición del buril con el tiempo. Nótese que en el corte rad!a/ la herramienta avanza direci-amenle hacia la pieza. En el corte de flanco la herramienta avanza hacia la pieza por la cara derecha de.> la rosca. En el corte incremental, la herramienta avanza primero directamente hacia h pieza, en d centro de la rosrn, después en sus lados y por último en /¿¡ r;iíz. (e) Un inserto de carburo y sujclador p;1ra cort
(a)
~-
Primer corte
(e)
Inserto-~
Pieza
e. Se deben usar, hasta donde sea posible, herramientas e insertos estándar. f. Las partes de paredes delgadas deben tener el espesor y la resistencia suficientes para resistir las fuerzas de sujeción y ele corl:e. Una buena regla aproximada es que la longitud mínima de entrada de un tor--
t ,;~:<)\/ ~A í \ ..
A u
rosca terminada
¡
Radial
+
vH~rra~
\ nuenLa
Flanco
nillo debe ser 1.5 veces su diámetro. g. Se deben diseñar las partes para que se puedan completar tocias las operaciones ele corte en un solo so-
'-(-<
:~>;::J,~-
/
Do "
rebabas.
d. No se deben interrumpir los tramos roscados con ranuras, orificios u otras discontinuidades.
(b)
~JiJ\Wo U
;í
a. Los diseños deben permitir que las roscas terminen antes de llegar a un hombro. Las roscas internas en orificios ciegos deben tener en su fondo una longitud sin roscar. h. Se debe tratar de eliminar los orificios poco profundos y ciegos para machuelar. c. Se deben especificar biseles en los extremos de las partes roscadas, pm·a minimizar roscas aletadas con
fi
porte.
' VI 1+"'\ \ \ 1 V 11 . ' / \
Í\
Incremental
FIGURA 22,19
(a) Peines rectos para cortar roscas en un torno. b) l,eines circulares. e) Una terraja.
(d) (a)
o
Pieza
(e)
(b)
/ Filo de corte
Filo Dado de corte
........626
Capítulo 22 /Procesos de m¿¡_quinado
¡Xll"d
producír formas. redondas Sección 22.7 /Taladro y brocas
-
22.6 MANDRINADO Y MANDRINADORA
627
CuJurnna del cabezal. para verticule:; en fresado
avance~
bnm.1dem:.mdrinlll'
Si se hace en un torno. el mandrinado o perjiJrado produce perfiles internos circulares en piezas huecas (Jig. 22. le), o en un orificio hecho por taladrado u otro proceso. El mandrinado se hace con herramientas de corte parecidas a las que se usan en el torneado. Como la barra de mandrinar (fig. 22.20a) debe !legm· a toda la longitud del barreno, Ja flexión de la herramienta y, en consecuencia, la conservación de la exactitud dimensional, puede ser un problema importante.
\
La barra de mandrinar debe tener la rigidez suficiente, esto es, debe estar hecha de un material de alto módulo de elasticidad, corno el carburo de tungsteno, para minimizar la t1exi6n y evitar vibración y traqueteo. Se han diseñado barras de mandrinar con propiedades amortiguadoras de vibración (fig. 22.20b ). Aunque las operaciones de perforado en piezas relativamente pequeñas se pueden hacer en un torno, para piezas grandes se usan mandrinadoras. Estas máquinas pueden ser verticales u horizontales. y son capaces de operaciones como cilindrado, refrentado, ranurado y biselado. Una mandrinodora vertical (fig. 22.20c) se parece a un torno, pero el eje de rotación de la pieza es vertical.
La herramienta de corte, que por Jo general es de un solo filo, hecha de acero rápido M2 y M3 y carburo C-7 y C-8, se monta en el portaherramientas, con movimiemos verticales (para perforar y tornear) y movimientos radiales (para refrentar), guiada por el riel transversal. Este caben! se puede inclinar para producir supeliicies cónicas.
En las mandri11mforas horbmirnfales (fig. 22.:2 J ), la pieza se mrmta en una mesa qne se puede mover en sentido horizontal en las direcciones axial y radial. La herramienta de corle se monta en un husillo que gira en d cabezal, que a su vez puede moverse en sentidos vertical y longitudinal. También se pueden montar en el husillo de la máquina brocas, escariadores. machuelos y fresas.
Las mandrinadoras se consiguen con diversas características. Aunque tos diámetros de pieza son en gt:neral de J a 4 m (3 a l 2 pies). se pueden maquinar piezas hasta de 20 m (60 pies) en rnandrinadorm; venicalcs. Las capacidades de las máquinas llegan hasta 150 kW (20() hp). Esta;; máquinas también se venden con controles numéricos computarizados con los que se pueden programar todos los movimientos. Con esos conlroies, se requiere poca intervención del operador y se mejora mucho la productividad. Las velocidades de corte y los avances para e! mandrinado se parecen 11 los del lomeado. Véanse lus posibilidades de las operacicues de pedor;:tdo en Ja tabla 22.8.
Silla (me::;a tlc
FIGURA 22.21 !vlandrinadora horizontal. Fuente: Giddings ancl Lewis 1 lnc.
~oportc)
Las m{nquinas perforadoras verticales son madrinadoras verticaíes coa cojinete:; de gran precisión. Aunque se consiguen en vmios tamaños y se usan en los almacenes de herramienta para fabricar plantillas y soportes, hoy se están reemplazando por máquin:.ts más versátiles de control numérico.
Aspectos dei diseño del madrinado. Los lineamientos para las operaciones eficientes y económicas ele perforado o mandrinado se parecen a los del torneado. Además. se deben tener en cuenta los siguientes fac-
tores:
a. Siempre que sea posible, se deben especificar orificios pasados, y no ciegos. El término orificio ciego describe un orificio que no atraviesa el grosor de Ja pieza; véase por ejemplo la fig. 22. l i. b. Cuanto mayor sea la relación dl' longitud a diámetro del orificio, es más difícil mantener las dimensiones exactas, por las deflexiones de la harra de mandrinado, debidas a las fuerzas de corte.
c. Se deben eviwr las superficies internas interrumpidas. FIGURA 22.20 (a) Esquema de una harra de mandrinar, de acem con inserlo Je carburo. Nólese el onfic:io pasado en la barra, para aplicar íluirlo de co1·1e. (b) Esquema de unJ barra de laÍ
_ ~==-==-J-S . I 11
-·
/ Inserto
~;-·
Riel 1rnnsversa1
=rJ El ;
Zanco de acero o de carburo
'ºftii'i~i
--..J
1
Enfriador
Cabezal de herramienta,
22.7 TALADRADO Y BROCAS Al revisar diversos productos que nos rodean vemos que la gran mayoría de ellos tienen val"ios orificios. En general, ios orificios se usan para ensamblar con sujetadores tales corno pernos, tornillos o remaches (lodos requieren un orificio) o para tener acceso al interior de una pieza. Nótese, por ejemplo, la cantidad de remaches en el fnselaje de un avión, o de tomillos en los monoblocks y otros componentes bajo el cofre de un automóvil. El maquinado de orificios es una de las operaciones más importantes en la manufactura. En la producción de motores ele automóvil. el costo del maquinado de orificios es uno de los mayores en el maquinado. El taladrado es uno de los procesos más importantes y más comunes de maquinado de orificios; entre otros procesos para producir orificios está el punzonado o troquelado (sección l 6.2) y otros más avanzados de maquinado (capítulo 26).
.22.7.1 Brocas Debido a que las brocas suelen tener una relación grande de longitud a diámetro (fig. 22.22), son capaces de producir orificios relativamente profnndos. Sin embargo, son algo t1exibles, dependiendo de su diámetro, y se deben usar con cuidado, para taladrar orificios con exactitud y evitar que se rompa la broca. Además, hay que remover las virutas que se producen dentro de la pieza, moviéndolas en dirección opuesta al movirnien-
Ji! 628
CapUuJo 22 J Pror.esos de mé1quinado para producir fonnas redondas (a) Broc<:i helicoidal
Sección 22. 7 /Taladro y brocas
(e) Broca de surco recto
(a) Broca con punta cónica
c~-~;:s~~~~:J (b) Broca escalonada
-c;;=-- ---:---.::-.:J
í-
L_
Lengüeta /
(d) Broca de palo
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L____c_~~..,::_:_::_-.:>· .. ~
~:=J-LJ
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~~--T-Diámetro
~')i_hlela broca
, ,,,_..;;y\Y Angulo de líJ punta
, Ang:llo d~
---·----~
,
Canales
(e) Droca de cafión
Angulo
-
DiámeLro1-E·-------Zanco ________ c 3.,,~~---·-
(g) Rosca con insertos de carburo <üustables
broca (acero
úetx\iaaleación)
~y-~---..
-L.._~
;[l~S~~~~;,rff)>~::~~~;~-~~ FIGURA 22.22
Diversos tipos de broc0s.
lo axial de la broca. En consecuencia, en el laladrndo pueden presentarse grandes dificultades para rctirnr las virutas, asi como por la eficacia de los fluidos de corte.
En general. los diámetros de orificio que produce el taladrado son un poco rnayor<:s que el diámetro 11e la broca (sobreramaño) y se puede notar, observándola, que se puede sacar con facilidad una broca del orificio que acaba de producir. La cantidad de sobretamafio depende de la calidad de la broca y del equipo usado, asf como de los métodos empleados. De acuerdo con sus prnpiedades térmicas, algunos metales y materiales no metálicos se dilatan en forma apreciable a causa del calor producido en el taladrado, de modo gue el orificio final pod1ia ser menor que el di:írnetro de Ja broca. También, los orificios taladrados se pueden someter a operaciones posteriores pru·a mejorar su acabado superficial y precisión dimensional, como por ejemplo a escariado o honeado. En genebrocas dejan una rebaba en la superficie del fondo al perforar, y necesitan operaciones ele limpieza (secral, las ción 25.10).
Broca helicoidal. Las brocas más comunes son del tipo convencional helicoidal con punta cónica (fig. 22.23a), cuyas propiedades plincipales son el ángulo de punta, el ángulo de gavilanes, el ángulo de punto muerto o arista y el ángulo de hélice. La geometría ele la boca o punta ele la broca es tal que el ángulo ele ataque normal y la velocidad del filo varían con la distancia al centro de la broca. En general, dos ranuras helicoidales (canales) van por la longitud de la broca, y las virutas producidas son conducidas hacia arriba, por estos canales. También, los canales funcionan como pasos para que el fluido de corte pueda llegar a los filos. Algunos taladros tienen orificios longitudinales internos, a través de los cualeslassevirutas. hacen pasar los fluidos de corte, mejorando la lubricación y el enfriamiento, y también lavan y retiran
i ·'''.e¡y,;-,·.~v
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Holgura del cuerpo ~un~o , ~"' "-. muerto '·, . -·-. -·~¿~~
gavilanes~ ..,.\\ ~
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\-------Longitud de los canales----:¡
[~--d~-=-an"'.' -- L:1~gi1:1t1 ,;,;~;-cue'::~==::::::.i
{f) Broca con punLa !monada de carburo
Áng~lo J.e ªdista
Cuello--•-!..:,l__ l~[···--_ . 1, _____ 1 de 11eTice;-....~ ;-...._. . .,.... .· \
del zancoj_
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(b) Broca con punta ele cigüeñal
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Diámetro de holgura / ~
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Puntn . ~..._f" muerto
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FIGURA 22.23 (a) Broca normal de boca cónica con sus características. La función del par de gavilanes es proporcionar una superficie de soporte de la broca contra las paredes del orificio al penetrar en la pieza. Se consiguen brocas con cuatro gavilanes (margen doble) para mejorar el guiado y la exactitud de la broca. También se consiguen brocas con rompevirutas. (b) Broca de punta de cigüeña!. (el Diversas puntas de broca, con sus fabricantes: 1. Punta partida de cuatro facetas, de l
Se consiguen brocas con aditamento rnmpevfrutas, tallado en Jos filos. Esta función es importante en el taladrado con maquinaria automática. donde es necesaria la eliminación de virutas largas sin que interven-ga el operador. En la tabla 22. l O se muestran las recomendaciones generales para la geometría de las brocas adecuadas para diversos materiales de pieza. Estos ángulos se basan en la experiencia en operaciones de taladrado, y tienen por objeto producir orificios exactos, minimizar las fuerzas y el par de torsión o torque, así como optimizar la vida de Ja broca. Geometrías de punta de broca. Unos cambios pequeños en la geometría de la broca pueden tener grandes efectos en la eficiencia de ésta, en especial en la región del punto muerto o arista, que consume un 50% de la fuerza de empuje en el taladrado. Por ejemplo, si el ángulo de gavilanes es pequeño (fig. 22.23a), aumenta Ja fuerza de empuje, se genera demasiado calor y aumenta el desgaste. A la inversa, si ese ángulo es demasiado grande, puede causar el desportillamiento o la rotura del filo de corte. En consecuencia, además de las brocas convencionales, se han desarrollado varias otras geometrías de punta de broca para mejorar el funcionamiento y aumentar la rapidez de penetración de la broca (fig. 22.23c). Para producir estas geometrías se usan técnicas y equipo especiales de rectificado.
Otras clases de brocas. En la fi.g. 22.24 se ven varios tipos de brocas. Una broca escalonada produce olificios de dos o más diámetros distintos. Una broca de sondeo es para agrandar un orificio existente. Las
... Sección 22 .7 /Taladro y brocas 630
631
Capítulo 22 /Procesos de maquinado para produci1· formas redondas
TABLA 22.HJ
Recomendaciones generales para dimensiones de brocas helicoidales de alta velocidad
Material de la pieza
(a) Ángulo Je
Ángulo ele la punta
Ángulo ele gavilanes
Ángulo de punto muerto
Ángulo ele hélice
90-118 70-118 118 ¡ 18 118-135 118
12-15 12-L\ 12-15 7-10 I0--12
125-135 120-135 125-135 125-135 125-135 125-135
24-48 30-45 10--30 24-32 24-32 24-.J2
118-135
7-JG
120-130
24-32
Ciglicñal
118-135
9-12 7-IO 7--10 8---12 7
125-135 125-135 125-1}5 125-135 120-135
15 .10 }.i.. 32 15-32
Cigi.ieñill
Aleaciones de aluminio Alcuciones de magnesio
AJcm:ioncs de cobre Aceros Aceros de uJt;t rc.sisicncia Aceros inoxidab.lr:~;. bajn resístcncia
Aceros inoxidables, alta resistencia Aleacíones de alta lempermura Aleaciones refractarias Alcacionc.<; de tüanio Hierros cobcfos
ICH5
118 118-135 118
60-90
P!áslicos
~
i
g ~
.,,,,e
V
-o
24-32 ?.9
------
Estándar Estándar Cígliefial
;;
Angulo de ...../ punla interior
(b)
CCJJtC
/
"'',
r:~tJJ=z1 . . .~
---
FiGURA 22.25 Ftfrigerante a alta pre:-;í ón
del fluido de
de fluido de cor;c
L
"'
'
Tubo de llegada
Estopero de
tram;ferencía
r-
V
/..,..~
,
Estándar
.§ ~
·~~
Está11dar
Estándar Cigüefü,! Eslándw Estánd<.1r
Vena del
punta exterior·'-~'-'\
Punia
fü1ncada
~--------
--~-___________--..J
(a) Taladrado de cañón con diversas características. (b) Método para taladrar cañones .
Fuente: Eldorado Too! and Manufacturing Corporation-
de lub1icar y enfriar, el fluido de corte también lava y retira las virutm; que se quedarían atrapadas en el orificio profundo que se taladra . interfiriendo con la operación. No es necesario retirar la herramienta las virutas.
Trepanado. En el lrepanado, Ja herramienta ele cmte (fig. 22.26a) produce un orificio al quitar una pie22.24
DiverS.?t.S cmerDciones
ª(' ta!,idrzido y
za (núcleo) en forma ele disco, por lo general en placas planas. Se produce un orificio sin reducir a virutas to(~Scariado.
brocas ele abocardar y de avellanar producen depresiones o cajas en la st1perficie, para acomodar cabezas de iomillos y pernos. Una hmca de centro e:; corta, y se usa para producir un orificio rn el extremo de una piez2, para poder montarla entre Jos puntos de un torno (entre el puntü y el contrapunto, fig. 22.2). Una bruca píloro se usa para iniciar un orificio en el iugar deseado ele una supedicie. La:; hrocas de pala tienen puntas o bw-iles desmontables, y se usm1 para producir orificios grandes y profündos. Tienen las ventaj¡1s de mayor rigidez (por falta de canales en ei cuerpo), facilidad de afilado de ías aristas de corte y menor costo. Las brocas de puma de cigüeíwl (fig. 22.23b) tienen buena facilidad de centrado y, como las virutas tienden a romperse con facilidad, estas brocas son adecuadas para producir orificios profundos.
Taladrado de cañones. Desarrollado en sus inicios para taladrar cañones, esta operación tiene por objeto taladrar orificios profundos, y usa brocas especiales (figs. 22.22e y 22.25a). Las relaciones de profundidad a diámetro de los orificios obtenidos pueden ser hasta de 300: l o mayores. La fuerza de empuje (fuerza radial que tiende a empujar la broca hacia un lado) se equilibra mediante bases de soporte en la broca, que se deslizan por la superficie interna del orificio (fig. 22.25a). En consecuencia, una broca de cafión es autocenlrnnte, propiedad importante cuando se taladran orificios rectos y profundos. Las velocidades de corte en el taladrado de cafiones suelen ser altas, y los avances bajos. El fluido de corte se hace pasar a alta presión por un orificio longitudinal en el cuerpo de la broca (fig. 22.25b). Ademá,;
cio el material que se va a quitar, como se hace en el taladrado. El proceso de trepanado se puede usar para fabric::tr discos hasta ele 150 mm (6 pulg) de diámetro con placa o lámina plana; puede usarse también pura hacer ranu-
ras circulares donde se pongan anillos O (véase Ja fig. 22.lf).
Se puede hacer trepanado en tornos, taladros verticales (fig. 22.26b) u otras máquinas, con herranlientas de una o varias puntas. Una variación del trepanado es el trepanado de cañón, donde se usa una herramienta ele corte parecida a una broca de cañón, excepto que esa herramienta tiene un orificio central. FIGURA 22.26
(a) Herramienta de trepanado. (b) Trepanado con un solo cortador montado en la broca.
(a) Portaherramienta
\
.----632 Capi1ulo 22 /Procesos de maquinado par;:i prodtJCir formas n-1dondas
Sección 22.7 /Taladro y brocas
22.7.2 Rapidez de remoción de material
&33
22.7.4 Materiales y tamaños de brocas La rapidez de remoción de material (RRM) en el taladrado es el volumen de material sacado por la broca por unidad de tiempo. Para una broca con diámetro D. el área transversal del orificio taladrado es 7rD !4. La ve. 2 lociclad ele la broca, perpendicular a Ja pieza, es el producto del avance f(la distancia gue penetra la broca en una revolución) por la velocidad de rotación N, siendo N V/7r D. Así,
=
RRM = (
'Trf}f)(N).
(22.3)
Se puede comprobar la 2validez dimensional de esta ecuac.ión como lo hicimos con la ecuación (22.1), observando que de RRM = (mm )(mm/rev)(rev/min) = mm 3/min, que es ia unidad correcta del volumen remo. vido por unidad tiempo.
22.73 Fuerza de empuje y par de torsión o torque La fuerza de empu¡e en e[ taladrado tiene dirección pe1vendicular al eje del orificio; si esta fuerza es exce.siva puede hacer que ia broca se doble o se rompa. Una fuerza excesiva de empuje también puede distorsionar la pieza, en especial si no! iene la rigidez suficiente (por ejemplo. si es una estrnctura de metal en láminas delgadas). o puede hacer que la pieza se deslice en su soporte. Las fuerzas de empuje van desde algunos newtons con brocas pegueñas hasta l 00 kN (22.5 klb) cuando se taladran materiales de gran con brocas grandes. De igual manera, el par de taladrado puede llegar hasta a 4000 N · m (3000 pies-lb). La fuerza de empuje depende de factores como a) fa resistencia del material ele la pieza, b) el avance, e) la velocidad de rotación, d) el diámetro de la broca, e) la geometría de 18 broca y f) el uso ele fluidos de corte. Es difícil calcular con exactitud la fuerza de empuje sobre la brnca. Sin embargo, se cuenta con datos experimentales como auxi!üu· para el diseño y el uso de brocas y equipo de taladrado.
re~istencia
Es esencial conocer la magnitud del par de torsión en el taladrn.do parn estimar la potencia regueridn. Un par nmy grande puede torcer la pieza o hacer gue se deslice en su soporte. Es difrcil calcular el P
Ejemplo: Rapidez de remoción de material y par de torsión ,
'
''
en el taladrado
'
Se taladra un oriJicio en un bloque se aleación de magn('>io con nna b1'oca de·¡ O mm .y un avance de 0.2 mm/rcv, con husillo girando a N 80() rpm. CalcUiada rapidez de remocfün de material y el par de torsión sobre la el broca. · · ·
=
Solución: Primero se calcula la rapidez de remoción de material cm1 la ecuación (22.3 ):
f~-----; (0,2)(800)~ l7r)(J0)2J'•
RRM =
AJ cons'.1ltarJa tabla 20. l sMoma una uesio. Asf, la potencia reguerída es
. ·,
'.
La potencia e¡; el producio del parde'
h't m nw
z,., ""~'""'"'""'u'~---- ...
2IOmm~/s.
:.105 w: •
i?i~i6risobfe la~foc;aporia ve1<)9Í'1ad,de r~[?dón, gue
est~ caso es,(800)(Zn)/60 = ~3.8•ra.cliaries por se,gí,indq;f?¡ .w ;= J/s Y) C"N;m;. ent0nces .• ·.·.
'
•·. . ..
105
..• ' ••· .···.·.. ,, . ·.· ' T = ~- ==.L25 N·m, 83.8
1
. . ·.
potem:iaunitaríapmme:lJ!()4~().5)Y-sfU)!TI 3 para~leacíoue'stle mag· · · ·
Potencia= {2 l 0).(0~5) en
,..
l2,570uun3/inin =
'
.
Las brocas se suelen fabricar con aceros rápidos (Ml, M7 y MlO), y muchas se recubren hoy con nitruro de titanio, para tener mayor resistencia al desgaste (sección 21.6). Se consiguen brocas con puntas de carburo (figs. 22.22f y g) o de carburo macizo (C-2) para hierros colados, aceros, metales duros en alta temperatura y materiales abrasivos, como concreto y ladrillos (brocas para concreto), así como para materiales compuestos con refuerzos de fibras abrasivas, como las de vidrio y grafito. Hoy es común el uso de brocas recubiertas de diamante polícristalino, para producir orificios para tornillos en plásticos reforzados, como epóxicos con grafito. Por su alta resistencia al desgaste se pueden taladrar varios miles de orificios con pocos daños al material. Las brocas helicoidales normales son de las series siguientes:
a. Numérica: del No. 97 (0.0059 pulg) al No. 1 (0.228 pulg). b. Letra; De la A (0.234 pulg) a la Z (0.413 pulg). c. Fracciones: Zanco recto de¡/¡: pulg a pulg en incrementos de¡/¡: pulg; de 1 ~ a 3~ pulg en incrementos
11
+,
de pulg; brocas mayores en incrementos mayores. Con zanco cónico de~ pulg y hasta 3 ~ pulg en incrementos de pulg.
t,;
ft
a l ~ pulg en incrementos de
d. Milimétrica: Desde 0.05 mm (0.002 pulg) en incrementos de 0.01 mm. En la tabla 22.11 se muestran las posibilidades de las operaciones ele taladrado y mandrinaclo.
22.7.5 Práctica del taladrado Las brocas y las herramientas para hacer orificios se suelen sujetar en hroqueros o mordazas para brocas que se pueden apretar con o sin llaves. Se consiguen brogueros y boguíllas especiales, con diversas funciones de cambio rápido, que r10 requieren parar el husillo, para usarlos en maquinaria ele producción. Como una broca no tiene acción centrante, tiende a "caminar" sobre la superficie de la pieza al comenzar la operación. Ei;te. problema es especialmente grave en las brocas de tamaño pequeño. Para iniciar bien un orificio se debe guiar a la broca, con soportes (como por ejemplo un buje) gue eviten se desplace hacia los lados. Se puede hacer un orificio pequeí'ío inicial con una broca de centro (normalmente con ángulo de 60º en la punta), o se puede esmerilar la punta de una broca para obtener una forma de S (punta en espiral o helicoidal). Esta característica autocentrante elimina la necesidad del taladrado de centro, produce orificios exactos y mejora la vicia de la broca. Estos factores son de especial importancia en la producción automatizada, con máquinas ele control mnnérico, en donde lo que se acostumbra es usar una broca piloto con ángulo ele 118º en la punta. La broca "camina" menos cuando se igualan los ángulos de punta de la broca piloto y la broca que se vaya a usar. Por su movimiento giratorio, el taladrado produce orificios con paredes que tienen marcas circunferenciales; en contraste, los orificios troquelados o punzonaclos tienen marcas longitudinales (véase Ja fig. l6.5a). Esta diferencia es importante en lo que respecta a las propiedades de fatiga del orificio (sección 30.5).
TABLA 22.11
Posibilidades de las operaciones de taladrado y mandrinado
Tipo de herramienta
Intervalo de diámetros (mm)
Helicoidal Pala Cañón Trepanado Mnndrinado
0.5-150 25-150 2-50 40-250 3-1200
Profundidad/diámetro de orificio Nmmal 8 30 100 10 5
Máxima
so 100 300 100 8
634
Capítulo 22 /Procesos de maquinado p;;¡ra producir fmma.s redondzis
Sección 22.8 /Taladros
]!~:!_~__ Recom_~ndaciones generales para velocidades y avance_s en el taladrado Superficie
Avance, mm/rev (pulg/rev) Diámetro de broca 1.5 mm 12.5 mm
Velocidad
Material de la pieza m/min ---·----··---···-
pies/rnin
/\!eacioncs de aluminio 3(H2() Aleaciones de magne.sio 45-120 Aleaciones de cobic IS-60 /\ceros 20--30 Aceros inoxidables 10-20 Aleaciones ele titanio 6--2() Hierros colados 20-60 Tcrmopl
~--~-
20-60
100-400 150--400 50-200 60--IOO 40-60 20--60 60-200 100-200
-
60~-
-
W.060 pulg) 0.025 (0.00J) 0.1125 (0.001) 0.025 (0.00i) 0.025 (0.00!) 0.025 (0.001) 0.010 (0.0004¡ 0.025 (0.00! l 0.025 (0.00[)
0.025 (0.00!)
(0.5 pulg) 0.30 (0.012) 0.30 (0.012) 0.25 (0.010) 0.30 (0.012) 0.18 (0.007) 0.15 (0.006) 0.30 (0.012) 0.13 (0.005)
-----Rpm
1.5 mm
12.5 mm
6400-25.000 9600-25.000 3200-12,000 4300-640() 2100-4300 1300-430() 4:100-12,000 Mil(J-12.(100
800-3000 1100--3000 400-15()() 500-800 250··.SOO 150-50() 500-1500 800- 15()()
~~-___:1~10-12~'.lü.:.:~'~'._
;;
o,
o
;::
Vida de la herramienta
~
Cantidnd de orificios taladrados o machuc1aclos
635
FIGURA 22.27 Determinación de la vida de una broca vigilando el aumento en la fuerza o el par de torsión en función de la cantidad de orificios taladrados. Esta prueba también se usa para determinar la vida de los machuelos.
22.7.6 Medición de la vida de las brocas
Nmo: Al superfk:ütJ
Recome11dadom:s para ei taladrado. Los límites recomendados para velocidades y avances en el taladrado se ven en la Labia 22.12. La velocidad es la velocidad supe1.ficiu! de la broca en su periferia. Así, una broca de 0.5 pulg ( 12.7 mm) que gire a 300 rpm tiene una velocidad superficial de (0.5 pulg/2)(300 rcv/min)(2'1T rad/rev)( 1 pidl'.2 p1tlg) =39 pies/rnin = 12 m/min). Cuando se taladran orificios menores de 1 mm W.04() de cliámetro, las velocidades de rotación pueden subir hasta 30,000 rprn, depend¡endo del material ele la piezu. El ovmu:c en el tC1iadrado es la di,stancia goe recorre la broca por revolución, al penetrar en e! materia! de la pieza. Por ejemplo, en la tabla 22.12 se recomienda que para !a mayor panc de !os materiales de piczi, una broca de l .5 mm (0.060 pulg) de diámetro debe tener un de 0.025 mm/rev. Si la columna de velocidad en la tabla indica que la broca debe girar a, digamos. 2000 rpm, entonces debe penetrar en la pieza con una velocidad lineal de (0.025 rnm/rev)(2000 rev/min) = 50 mm/rnin = 2 pulg/min.
pu(~;
av~mce
La elinúnaciá11 de virula durante e.I taladrado se puede dificultar, en especial en orificios profLmdos y en materiales suaves y dúctiles. La broc;i se debe retirar en forma periódica parn sacar las virutas que "e hayan acumulado en sus surcos; de otro modo puede romperse d0bido al par de torsión excesivo, o puede "ce.minar" y saiirse del lugar, produciendo un orificio mal hecho. Como guía gcnernl pw·a determinar la:; c:w.o:" probables de problemas de taladrado se muestra la !abb 22.13.
•u""'""'""""" de brni:as.
Las brocas se reacondicionan esmerilándolas, sea en forma mar
Guía general de localización ele fallas en operaciones de taladro Causas probables Broca sin filo: la broca se aferra al oüficio por acumulación de rebabas en los surcos; avance demasiado
alto; ángulo de incidencia demasiado pequeüo. Desgaste excesivo ele la hroca
Velocidad de corte muy alla; lluido de corte ineficaz; ángulo de ataque demasiado alto; broca dafiada y pérdida de resistencia al afilarla.
Orificio ahusado
Broca desalineada o doblada; ángulos de gavilanes desiguales; ánima descentrada.
dimensionado Orificio sobre-
Igual a lo antetior; husillo suelto o flojo; orilla del cortador no cena·ado; presión latera) sobre la pieza.
Mal acabado de la
superficie del orificio
Broca sin filo; fluido de corte incticaz; soldadura del material de Ja pieza en el margen de la broca: broca
mal afilada; alineación inadecuada.
Es importante afilar o cambiar las brocas desafiladas, en especial si la producción es automatizada. El uso de brocas desafiladas aumenta las fuerzas y la potencia, causa daños en la superficie y produce orificios faltos de exactitud. La vida de las brocas. al igual que la de los machuelos (sección 22.10) se suele medir en cantidad de orificios taladrados antes ele desafilarse. E! procedimiento de prueba consiste en sujetar un bloque de material sobre un dinamómetro adecuado, o transductor de fuerza, y taladrar Yarios orificios, anotando al mismo tiempo el par de torsión o la fuerza durante cada operación. Después de haber taladrado varios orificios, comienzan a aumentar el par ele torsión y la fuerza, porque Ja herramienta se está desafilando (fig. 22.27). La vida de la broca se define como la cantidad de orificios taladrados hasta que comienza esta transición. También se pueden usar otras técnicas, como por ejemplo vigilar la vibración y las emisiones acústicas (sección 20.7.5) para determinar la vida de las brocas. Estas técnicas tienen importancia especial en operaciones controladas por computadora.
22.8 TALADROS Los taladros se usan para ban-enar, machuelar, escariar y también para p¡;rforar en diámetros pequcoi\os. Eí tipo más comtín es el taladro vertical, cuyos principales componentes se ven en la fig. 22.28a. La pieza secoloca en una mesa ajustable, prensándola directamente en las ranuras y orificios de la mesa, o con un tornillo de banco. que a su vez se puede sujetar en la mesa. La broca se baja manualmente medianle un volante o con el avance adcCLlado con velocidades preestablecidas. Para el avance manual se requiere cierta destreza para determinar el valor adecuado. Los taladros verticales se suelen especificar por el diámetro máximo de pieza que puede caber en la mesa. Los tamaños característicos van de 150 mm a 1250 mm (6 a 50 pulg). Para mantener las velocidades correctas de corte en los filos ele las brocas, se debe ajustar Ja velocidad del husillo en los taladros de acuerdo con los diferentes diámetros de broca. Los ¡ij ustes se hacen mediante poleas, cajas de engranes o motores de velocidad variable. Los tipos de taladros van desde las sencillas unidades de taladro de banco, que son para taladras ori ficios de diámetro pequeño, hasta los grandes taladros radiales (fig. 22.28b), donde pueden caber piezas grandes. La distancia entre la columna y el centro del husillo puede ser hasta de 3 m (10 pies). La cabeza del taladro de los taladros universales se puede girar, para taladrar en ángulo. Entre los desarrollos de taladros están las máquinas de tres ejes, numéricamente controladas; se efectúan varias operaciones de taladrado en forma automática y en el orden deseado usando un revólver (fig. 22.29). N6tese que el revólver tiene fijas varias herramientas distintas (véase también la sección 24.2). Los taladros con varios husillos (taladros múltiples) se usan para operaciones de producción en grandes volúmenes. Estas máquinas son capaces de taladrar hasta 50 orificios de diverSüs diámetros, profundidades y lugares en una etapa. También se usan para operaciones de escariado y abocardado. En taladros especiales, como los que se usan para producir orificios en bisagras verticales (por ejemplo, de piano) se usan brocas heli-
.........-636
Capítulo 22 /Procesos de m<:iquir.ado pa1·a producir formas redondas Sección 22.9 /Escariado y escariadores
(a)
637
(b)
ESCARIADO Y ESCARIADORES Cabezal fi30 (ca bezn de poder)
El escariado, o rimado es una operación para a) hacer un orificio con dimensiones más exactas que uno existente, que lo que se puede hacer sólo con taladrado, y b) mejorar su acabado superficial. Los orificios más exactos se producen con el siguiente orden de operaciones:
1. Centrado.
2. Taladrado. 3. Perforado o mandrinado.
Cabezal aju!:>tablc ·
4. Escariado.
fiGURA 22.28 Esquema de los componentes de (a) un taladro vertical y (b) un taladro radial.
Para obtener una exactitud mayor aún, así como acabado superficial, los orificios se pueden brui1ir o rectificar internamente, y después honearse (secciones 25.6 y 25. J0). Un escariador o rima (fig. 22.30a) es Llila herramienta con varios filos de corte, rectos o helicoidales; elimina muy poco material. Para los metales suaves, un escariador suele quitar un mínimo de 0.2 mm (0.008 pulg) del diámetro de un orificio taladrado; para los metales más duros, esta cantidad es 0.13 mm (0.005 pulg) aproximadamente. Si se trata de quitar capas más delgadas de material puede perjudicarse la operación, porque se puede dañar el escariador o la superficie del 01ificio se puede bruñir. En este caso sería preferible honearla. En general, las velocidades de los escariadores deben ser más o menos la mitad de la velocidad de las brocas del mismo tamaño, y los avances deben ser lo triple. Los tipos básicos de escariadores son manuales y de máquina. Los escariadores manuales son rectos, o tienen un extremo cónico en el primer tercio de su longitud. Se consiguen diversos escariadores de máquina, llamados también de broquem porque se montan en un broquero. Hay dos tipos básicos de escariadores de broquero. Las rimas de rosa tienen filos con amplios márgenes y sin desahogo (fig. 22.30a); sacan bastante material, y rectifican un orificio para escariar con rimas acanaladas. Los escariadores acanalados tienen poco margen de desahogo y su ángulo de ataque aproximado es 5º. Se usan para cortes ligeros, ele más o menos 0.1 mm (0.004 pulg) en diámetro ele orificio. Los escariadores huecos, que se montan en un eje, se usan en general para orificios de más de 20 mm (0.75 pulg) de diámetro. Los escariadores de expansión se adaptan a pequeñas variaciones de diámetro ele orificio, y pueden compensar tambi
FIGURA 22.30 (a)
g-w,"oo•b·
Ángulo de bise1
FIGURA 22.29 Un taladro de tres ejes con control numérico computarizado. El revólver sujeta hasta 8 herramientas distintas, corno brocas, machuelos y escariadores.
(a) Terminología para una rima cónica. (b) Rima ajustable de cuchillas de inser-
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(b) Contratuerca
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,,• ."iil"'llllilll"................- - - - - - -
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\Á~ulo de desahogo primario
coidales de 1 mm 10.040 pulg) de diámetro. Estas máquinas suelen ser horizontales y producir orificios en segmentos de hasta 3 m (10 pies) de longitud en un ciclo. Los soportes de piezas para taladrar son importantes, pues aseguran que se puede ubicar en forma correcta la pieza. También evitan que la pieza se deslice o gire durante el taladrado. Se consiguen en varios diseños; sus propiedades importantes son localización de tres puntos, para tener exactitud, y sujeción en tres dimensiones, pata asegurar el soporte. (Vea la sección 38.9.)
?\ j---~nclinación radial '
1
Cuchilla
Cuerpo
Tuerca de ajuste
ll .........638
Capi'tulu 22 /Procesos de 1113qui11ado para producir formas redondas
Sección 22.11 / Consideracion'es de disei"ío para taladrado, escariado y machuelado
Los escariadores se suelen fabricar con aceros rápidos (MI, M2 y M7) o carburos macizos (C-2), o tie nen filos de carburo. Son impoitantes el buen mantenimiento y afilado de los escariadores para obtener bue. na exactitud y acabado supeii!cial del orificio. Las rimas se pueden sujetar con firmeza, como en un broguero. o pueden.flotar en sus 'rnjetaclores, para asegurar el alineamiento; también se pueden pilotear en bujes guí; colocados aniba y abajo ele la pieza. Otro desarrollo en el escariado consiste en la rima ele ensueiio, herramienta que combina el taladrado y el escariado. La punta ele la herramienta produce un orificio por taladrado, y el resto ele la herramienta ejecuta un escariado. Un desarrollo parecido combina el taladrado y el machuelaclo en una soia carrera, con una sola herrarnienr-a.
---
22.1 O MACHUELADO Y MACHUELOS Se pueden producir roscas internas en piezas mediante machuelado. Un machuelo es una herramienta de roscar, que produce virutas, con dos, tres o cuatro canales. El machuelo más común en la producción tiene dos canales y punta en espiral. Impulsa a las virutas hacia el orificio, por lo que hay que sacarlo sólo al finalizar el corte. Los machuelos de tres canales son más robustos, porque en el canal hay más material disponible. Los tamaños ele machuelo llegan hasta los 100 mm (4 pulg). Los machuelos cónicos son para reducir el par de torsión que se requiere para ro;:car orificios pasantes. Los ma«hue!os de júndeo son para roscar orificios ciegos en toda su profundidad. Los machuelos colapsabits se y,usan orificios de orificio. gran diámetro; después de terminar el roscado el machuelo se contrae mednicamenle sin en gü·ar, sale de.l
En el machuelado puede presentarse el problema de la remoción de viruta, por las pequeñas holgnr:;s que se manejan. Si no se eliminan las virutas aclecuacJamente, el par de torsión •excesivo resultante puccie romper el machuelo. Los medios eficaces para eliminar las virutas y mejorar la ca.lidad c!cl orificio roscado es el uso de un fluido de corte y Ja inversión periódica y retiro del machuelo ele! orificio.
Un desarrollo cuyo obje10 es aumentar la productividad del machuelado es la combinación de taladrndo y machuelaclo en una sola herramienta (dmpping). Esta herramienta iicne una parte de lalaclrndo en .'tt punta, y la sigue una sección de machudado.
El rnachue.lado se puede hacer a mano o con máquinas como las siguientes: 'rlt1adros. 2. 'fornos.
Se venden machueladoras especiales con funciones para operaciones de machuelaclo mLíltiple. Se usan mucho cabezas c()n husillos múltiples de machuelaclo, en especial en In industria automotriz, donde entre 30 y 40'i!1 de las operaciones implican machuelar orificios. En la fig. 22.3 lb se ve un sistema para machnelar tuercas en forma automática. FIGURA 22.31 (a) lenninología para machuelos. fb) Producción de tuercas de acero por machuelado. (a)
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22.11 CONSIDERACIONES DE DISEÑO PARA TALADRADO, ESCARIADO Y MACHUELADO Los lineamientos básicos para diseñar las operaciones de taladrado, escariado y rnachuelaclo ';on los siguientes:
a. Los diseños deben permitir el taladrado de orificios sobre superficies planas
y perpendiculares al movimiento ele la broca; ele no ser así, la broca se tiende a flexionar y el orificio no estará localizado con exactitud. Las superficies ele salida de la broca también deben ser planas.
b. Se deben evitar las superficies interrumpidas ele orificio, o al menos reducir al mínimo, para mejorar la exactitud dimensional.
c. Si es posible, los fondos ele los orificios deben ser iguales a los ángulos nonnales ele la punta de broca (tabla 22.10). Se deben evitar fondos planos o formas raras.
d. Son preferibles los orificios pasados a los ciegos, como en las operaciones ele manclrinado. Si se requieren orificios de gran diámetro, la pieza debe tener un orificio previo, ele preferencia hecho durante su e. Se deben diseñar las paltes ele tal moclo que se pueda hacer todo el taladrado con un mínimo ele sopor-
Fresadoras verticales de control numérico, donde se combinen la rotación relativa y el avance longitucJinal correctos.
¡,
Con lubricación adecuada, la vida de un machuelo puede ser hasta de 10,000 orificios. Se puede determinar la vida con la misma técnica que se usó para medir la vida ele las brocas (véase la fig. 22.27). Los machuelos suelen ser ele aceros al carbono para aplicaciones ele servicio suave, o ele aceros rápidos (M 1, M2, M7 y MIO) para trabajos ele producción. Se puede mejorar la productividad ele las operaciones de machuelaclo, subiendo la velocidad superficial hasta los 100 m/min (350 pies/min). También se han mejorado los sistemas autoinversores ele maclrnelado y hoy se usan en máquinas herramientas modernas, controladas por computadora. Se consiguen diversos diseños con velocidades ele operación hasta de 5000 rpm, aunque las velocidades ele corte en la mayor parte ele las aplicaciones son bastante menores. Los tiempos de ciclo son normalmente ele 1 a 2 segundos. También, algunos sistemas ele machuelado tienen posibilidades ele dirigir el fluido ele coite hacia la zona de corte a través del husillo y un orificio en el machuelo, que también ayuda a lavar las virutas y sacarlas deí orificio que se rosca. El machueladu sin viruta es un proceso ele laminado ele roscas internas que usa un machuelo formador (sección 13.5.2).
fabricación (por ejemplo, por formado o colado) .
.3. Roscadoras automáticas.
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639
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1 FÚo
(b)
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1,..._.~--- Machuelo
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Ánf:.'llln de gancho
Tuercn
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tes y sujetadores, y sin cambiar ele posición la pieza.
f. Puede dificultarse escariar orificios ciegos o en intersección, por la posibilidad ele romper la herramienta. Se debe tener una profundidad adicional en el orificio. g. Se deben taladrar orificios ciegos a mayor profuncliclacl que la alcanzada por las operaciones postcrio·· res de escariado o machuelado que se vayan a ejecutar.
Ejemplo: Retén de tornillo de hueso Ei;i.la ~g. 22.32a se ve un implante cervical de e$pina dorsal.. Ei!.caso .cl!'l que un;r:~cient~ necesite una fusión ósea cervical t.'Il una o más vértebra.5, es\:e imphu1te pu~de/uncionar co!-'1oe_st~l#líz~.<;r interno, disminuyei;d9 Jac~tidad de moví.mientos cte esa zona.ParªªYtldll,Xi¡t ?.l:í\ene,r up¡tlJ,U~a.f#~9n. La placa se fija al aspeciO.a,ntel.'ioi: de 1a éspiiüicon tqr;nillos de ~1l,es9 que.a,tra\~\,~!a Dlaca•.v •enifán: al hueso. La superficie in:ferior de la placa es muy áspera. por fo queayúdii a sujétatla.p troducen lo.& torajlfos de hues~1. .......•..· ..... ... ·.·.. ·.·. ·• .. / .· Un prnblema .;,"()n este tip(Ycle implante es l¡t v.és del tiempo, poila ~arga not111al y rep¡jtitiva ~par'•· .. nar d regreso de un.tomillo, y que su Cllbezayanq;e~té; . > • '<•, .......· indeseable: E\steimplante usa un retén evita,r que salga e'Ftói:úílib ile 22.32b se ye, el díbujo de la p¡trte para el retén.
P1si
Parª
se
~
640
C~1pítulo 22 /Procesos de maquinado para producir formas
redondas Términos clave
e~~peí~les pla~a ~lin(;adas~cQn lq{or~fiC,i()$p¡¡ra
~in\ Es-~ t~ p~rmite al cintj~no insertar .esos tomillo,s sil1 #I~~;t!}!i,rt\~W,~~f t$f~g,.~~í\ ye~ i3:1serraél.?s l°.s tomillos, ej¡ c1ru3ano gira el.reten algunos grados, de.tal Jll(!~() qµe gu¡¡da ;a ~e tort)l!lo. Pi:ra ase< 1wrar que e1 retén tenga la onentacirín éorrecra S1'ira~1{1W¿~)it:t~~~!lr!
~10
!RESUMEN ·
2z:32k.' .L':';;•t¡%&]'~;~;~'&~t;ff~'!i~'.'.~•~·•;Yt•;; ' ,; '.. •L .••.• . .·• )
S
lugar . : ta cµlidad in.ido del maquinado. A y maqtú:
p~Í!te $e;y~/i;~¡t~~~;~;z·,J,.~(.[>füµé{? una 1nagui:ntl'Jas!.J:'Ó:~i.flí$l:t;'if{r~SC'itsétorneasofüé un~ ia iequleretiri'.fütfili~t~m#:!;~$~í~fáifi2'tíiilíps§§iljf1P.~i[~~'~~~k~~}~h~~or~ci11erido, se 1 na el radlo de o. !O pulg (\n .~u parte fofo~or. •;• ''< \':". :lr:ti{'r;' 1l'.t~~t~':~~)l'.f\';',0''::,~~ ; '. < ·. •. • .· . •··. Después .~e saca. la pieza, se inspecc10na y coloca.enun;tó~~¡¡;i~'.e().~tl'ol ptur1enco; >e refrenta a su .longi tud. Se maquina el contorno esférico de.la cab~~a7s~W:íd¡';ieJk\tiÍícipcentt'a1:se bróch.a la cabeza he-
~n ~ll.t~~~º~p;~~nf!'.~~~~~%~~)~~:§~0 r,et[e~!¡l; .~espliés s~cilindra /'.\i --.-
.•
llp'se'ga')pgrado'oóte~er la Iongittíd deseada, se lapida
xagonal. Esta cabeza se quita y se. inspecciona; si' (se "!apea", sección 25.10.4) a la dimensiónfinat, ·
·· . . ', <· • ,
·.
Médica! Tedmo/ogy, !ne.
e Los procesos de corte que producen perfiles circulares externos e internos son torneado, mandrinado. taladrado y machue!ado. Por la naturaleza tridimensional ele estas operaciones, es importante tener en cuenta el movimiento y el control de la viruta. La remoción de la viruta puede ser un grave problema, en especial en el taladrado y el machuelaclo, y puede causar rotura de herramientas. • Para optimizar cada proceso de corte se requiere comprender las interrelaciones entre los parámetros de diseño (forma de la parte, exactitud dimensional y acabado superficial) y los parámetros del proceso (velocidad de corte, avance, profundidad de corte), el material de la herramienta y su forma, el uso de fluidos de corte y el orden de las operaciones que se van a efectuar. e Hay desarrollos en maquinado de alta velocidad, maquinado ultrapreciso y torneado duro, que han ayudado a reducir los costos de maquinado y a producir partes con acabado superficial y exactitud dimensional excepcionales, para aplicaciones críticas. • Las piezas por maquinar se pueden producir al principio por fundición, forjado, extrusión o metalurgia de polvos. Mientras más cerca esté Ja pieza bruta a la forma final deseada, se requerirán menos operaciones y de menor extensión en Jos procesos siguientes de maquinado.
.
TENDENCIAS
En este punto el reté¡¡ se coloca en una fresadora con cbíHrol nt1mérico, con ull sopcme de disefio especial formado básicamente por un oriñcforoscado cónico:-Apliéarid()•concuidad9 un par predeterminado sobre el retén al colocarlo en el soporte, se puede controlar el!ugar de inicio delas róseas, conexu:ctitud: Una vez ubicada la tapa en el soporte, se maquinan los .tres .de a.cÚerdo con él dibujo. désbmfaí y 1) paraquitar todas las esquiA continuación se rosca e.l .reté11 y nas agudas. y su parte interior se somete a un chorro dt! aÍ:er¡a grtÍ.esa piira que coinci.daconJa parte .info" ríor de la placa. Porúltirilo, se anndízan las paites paraobtetÍer !acomp . . .• .. .. · Fuente: J: Ma?kowski y.B. Pyszka, Master metal yC. Lyle y M. Handwetker, Wright
s~
?rifiqío~ 9i~cul11res~
üimb(?ra(seé~ión Z~) (~ecCi6í13'.f9),)Ísepa~jv~n,
í!n:~in~érihg11ic: · ' · ·
FIGURA 22.32
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l
1 -13!
Tornil~o y terérrinscita.do$
enla¡)fac;:i Nota: La rosca debe
comenzar en el Pui:ito S para asegurar qqe t'!l retén interfiera con el tomiHo para hueso.
"' La principal tendencia en los procesos de corte es optimizar las operaciones y minimizar los costos automatizando y reduciendo la cantidad de mano de obra necesaria. e El maquinado de alta velocidad, con velocidades de husillo del orden de 20,000 rpm, y el torneado duro se usan cada vez más y se están volviendo competitivos con otros procesos de remoción de material, en aplicaciones especializadas. "' Se avanza mucho en el maquinado uJtrapreciso de componentes especializados. donde se usan herramientas muy agudas de monocristal de diamante. '" Se usan sensores para medir y vigilar fuerzas, potencia, deflexioues, temperatura, desgaste y fractura de herramientas y acabado superficial, como medio de compensación en línea para mantener la calidad y reJucir la cantidad de partes defectuosas. ., Se están diseñando máquinas herramientas tales que se reducen e] tiempo de preparación y el tiempo inactivo (es decir, el tiempo transcurrido en movimientos de herramienta sin cortar, como retracción, aceleración y desaceleración de herramientas y de giro de revólver). '" Hoy en día, las máquinas heffamientas son capaces ele efectuar diversas operaciones simultáneas de corte sobre una pieza, con sistemas de varios husillos, varios ejes y varios revólveres, y pueden efectuar operaciones de desbaste y acabado en una preparación. " También hoy, los sistemas de medición en el proceso vigilan la operación de corte y proporcionan retroalimentación de control en tiempo real Entre ellos están la vigilancia y detección automática de desgaste y rotura de herramienta, así como la implementación de técnicas de inspección para el control estadístico del proceso. " Los tornos controlados por computadora están reemplazando las máquinas roscadoras para producir tornillos especializados.
TÉRMINOS CLAVE /~ ~~t'·'°' ·º~¡ ~.6~1 .au
641
Administración de virntas Ángulo de ataque Ángulo de ataque lateral .Ángulo de ataque posterior .Ángulo de filo .Ángulo de incidencia '.'Bancada >¡>arra de avance Boquilla Broca helicoidal
Cabezal Carro (longitudinal) Contrapunto Corte en régimen dúctil Cortes de acabado Cortes de desbaste Escariado Escariador Fresa de mandrinar Fuerza de avance . . :
Geometrías de punta de broca Herramienta fonnadora Machuelado Mandril Mandrinado Máquina automática para barra Maquinado de alta velocidad Maquinado de orificios Maquinado ultrapreciso Máquinas perforadoras verticales
lll!l
.....
642
C1pítulo 22 /Procesos de nviquinado µara µroduci1· formas redond,1s Problemas cualitativos
Molelcado
Plato ele ;_1rrastre Radio de nariz Rapidez de remoción del material Reacondicionado Refrentado Roscado Roscas
Sistema ele sujeción o platos motorizados Taladrado Taladrado de cañón Taladro veriical
Torneado Torneado con diamante Torneado duro
Tornmo guía Torno de motor Torno de revólver Tornos Trepanado Tronzado Vida de Ja broca
BIBLIOGRAFÍA ASM Handhook, Vol. 16: Maclúning. ASM lnternational, l 989. Boothroyd. G., and W.A. Knighl, Fundamen!als o./Machining and Machine Tools, (2d ed.) Marce! Dekkcr, 1989. Brown, J.. Advanced Machin.ing Technology Handbook. McGraw-Hi!I, 1998. !'vlachinoy's Handbook. Industrial Press, rcvised periodically. Machining Data Handhook, (3d ed.), 2 vols. Machinahility Dala Centcr. 1980.
Metal Cutting Too/ Handbook, (7th ed.) Industrial Press, 1989. Stephenson, D.A., ancl J.S. Agapiou, Metal Cutting Theory an,J Practice. Marce] Dekkcr, 1996.
Too/ and Manufacturing Engi11eering Han.dbouk, (4th ed.), Vol. 1: Machining. Society ofManufacturing Engineers, 1983. Walsh, R.A., McGraw-Hil/ Machining and Meta/worlcing llandbook. McGraw-Hill, l 994. Wcck, M., llandbook oj Machine Tbols, 4 vols. Wiley. 1984
DE REPASO 22. i Describa los lipos de operaciones de maquinado que se pueden hacer en un torno. 22.2 22.3 22.4 22.S
22.(~
Explique las füncione:; de los distintos ángulos de una hcnamienta monofilo (buril o de inserto) p
22.7 Explique los motivos de los diversos 1ineamic11tos para tornear. 22.8 Haga una lisia de !as máquinas roscadoras automáticas. 22."I Desuiba las diferencias entre perforar una pieza en lln torno y perforarla en una rnandrinaclor:i. 22.lO Explique {as con.secuencias de !aladrar con una broca que no esté bien afiiada. 22.U ¡,Cómo se determina la vida de um broca'! 22.12 l.Por qué se hacen las operaciones de esc8riado'! 22.]3 ;,Por qué si::- puede dificuJtar la operación de rnachue1ado? 22.14 Describa la diferencia entre una luneta fija y una móvil. Describa una aplicación para cada una. 22.15 Los tornos revólver del tipo ariete se usan con más frecuencia que íos de tipo puente. ¡,Por qué? 22.16 Explique las funciones del puente en un torno. 22.17 Explique las fünciones del margen en una broca helicoidal (fig. 22.23). 22.18 Explique por qué las roscas de tubos son cónicas.
22.19 Describa las ventajas relativas de las terrajas a) de abertura automática y b) macims. 22.20 ¿Qué son las correderas de un torno? 22.21 ¿En qué se diferencia una mandrinadora de un torno'í 22.22 ¿En qué máquina se hace el moleteado? 22.23 ¿Qué es un torno copiador? 22.24 ¿Qué quiere decir "formado" con respecto a fonnas de máquina? 22.25 Explique cómo se cortan roscas externas en un torno. 22.26 ¿Cufü es la diferencia entre un orificio ciego y uno pasado? 22.27 Desc1iba las operaciones que se pueden hacer en un taladro vertical. 22.28 ¿Por qué un corte de desbaste nunca puede hacerse después de uno de acabado''
...
643
PROBLEMAS CUALITATIVOS 22.29 Explique por qué la secuencia de taladrar, madrlnar y c:::cariar un orificio es más exacta que tan sólo taladrarle y escariarlo. 22.30 Diga por qué ias operaciones de maquinado se pueden nec~sítar en productos fundidos, conformados o de metalurgia de polvos. 22.31 En un torno se maquina una baffa redonda muy oxidada y dispareja. ¿Recomendaría usted umqxofundidad grande o pequeña de corte" Explique por qué. 22.32 Describa Jos problemas, si es que los hay, que se pueden presentar al sujetar una pieza hecha con mela1 suave en un plato de tres mordazas. 22.33 ¿Cambia la l'uerza o el par de torsión en el taladrado al aumentar Ja profondidad del orificio'í Explique por qué. 22.34 Explique las semejanzas y diferencias en Jos lineamientos
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644 Caµftu/o 22 /Procesos de maquinado para producir formas redondas
Síntesis y diseño 22.59 Si un tornillo se rompe en un orificio (de modo que pierde su cabeza). se saca taladrando primero un orificio en el cuer. ro delfunciona tornillo. ésta. que sea más pequeño que el diámetro del tomillo, y después, con una herramienta especial. Explique cómo 22.60 Si se usan insertos en una broca, ¿es importante el material del portainserto? ¿Puede ser de acero suave, o sigue 1 • niendo que ser ele gran dureza? Explique por qué. 0
PROBLEMAS CUANTITATIVOS 22.61 Calcule las mismas cantidades que en el ejemplo de la sección 22.2 para hierro colado de alla resistencia y a N = 600 rpm_
22.62 Estime el tiempo necesario ele maquinado para desbastar una barra redonda de 0.5 m ele longitud, de aleación de aluminio recocida. de 50 mm de diámetro, con una herramienta de acero rápido (véase la tabla 22.4). Estime e! tiempo
22.75 El dibujo adjunto muestra un cuerpo de válvula de acero fundido (izquierda) que se maquina a la fonna de la derecha. lden-tifique las superficies que se deben maquinar. ¿Qué clase de máquina herramienta sería adecuada para maquinar esta parte? ¿Qué operaciones de maquinado se emplearían y cuál debería ser su orden? Observe que no todas las superficies se deben maquinar.
de corle d = 0.050 pulg. El torno tiene un motor eléctrico de 10 hp y su eficiencia mecánica es 80%. La velocidad del husillo es 400 rpm_ ¿Cuál es el avance máximo que se puede usar para que el tomo no se comience a frenar? 22.64 Se usa una broca de 0.5 pulg ele diámeiro en un taladro vertical que trabaja a 200 rpm. Si el avance es 0.005 puJgirev, ¿cuál es la RRM? ¿Cuál es la RRM si se triplica el diámetro de la broca? 22.65 En el ejemplo de la sección 22. 73, suponga que el material de la pieza uno es aleación de cobre de alta rcsistcncL. y que el husillo funciona a N = 500 rpm. Estime el par ele torsión necesario para esta operación.
22.(i6 En una operación de taladrado de una pieza de acero al b
22.72 Hemos visto que las barras de mandrinar se pueden disei'iar con amortiguamiemo interno, para reducir o eliminar la vibración y el de !raquc!eo en eldemaquinildo. lles y diseños esas barras mandrinar. Consulte las publicaciones técnicas ele los fabricantes y describa los deta22. 73 Suponga que es usted un profesor de los temas que se describieron en este capítulo, y que va a poner un examen sosué!valos. bre Jos aspectos numéricos, para probru- la comprensión de los alumnos. Prepare varios problemas cuantitativos y rc22.74 ¿Sería difícil usar Jos procesos ele maquinado que se describieron en este capítulo en diversos materiales no metálicos o parecidos al hule? Explique sus ideas y comente la influencia de las propiedades físicas y mecánicas de diversos materiales de pieza, las füerzas de corte que intervienen, las geometrías de las partes, etcélera.
Pieza fundida
Después del maquinado
22.77 Sugiera remedios para Jos problemas que se encue1man en operaciones de torneado, como se ven en la tabla 22.9. Explique por qué hace estas sugerencias. 22.78 Explique por qué los problemas de taladrado de la tabla 22.13 tienen esas causas. Sugiera remedios y explique por
qué hace esas sugerencias. 22.79 Con esquemas adecuados, describa los principios de diversos métodos y aparatos de soporte que se puedan usar para los procesos que se describieron en este capítulo. Incluya la sujeción de tres puntos y la sujeción de pieza en tres
dimensiones, para taladrar y operaciones parecidas. 22.80 Haga una tabla detallada de !as posibilidades de los procesos de maquinado que se desc1ibieron en este capítulo. Use
varias columnas para describir las máquinas que intervienen, las clases y los materiales de herramientas usados, las formas de las piezas brutas y las partes producidas. los tamaños normales m;iximos y mínimos, el acabado superficial. las tolerancias dimensionales y !as tasas de producción.
22.81 Con base en elatos desarrollados en el problema anterior, describa sus ideas acerca del procedimiento a seguir para determinar qué tipo de máquina herramienta seleccionar para maquinar determinada pieza. 22.82 Se van a producir tornillos grandes a partir de barra hexagonal extruida, colocándola en un plato y maquinando el vástago por cilindrado. Haga una lista de las dificultades que se pueden presentar en esta operación. 22.83 La pieza ilustrada a continuación es un eje de transmisión; se va a producir en un torno. Haga una lista de las operaciones necesarias para fabricarla y estime el tiempo de maquinado.
fR~-:3:::-'""', ,
-----------------------------
22.71 Una lendcncia en el maquinado es el mayor uso de soportes flexibles. Haga una inves1igación en Internet acerca ele los soportes flexibles y presente un resumen de lo que encontró.
1-JOOmm-I
sobre su respuesta? ¿Seguiría usando operaciones de maquinado para terminar la parte, como se muestra en el lado derecho?
22.70 Calcule la potencia requerida con los datos del problema 22.69.
Y DISEÑO
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JOOri
22.76 ¿Podría fabricarse la parle de la izquierda, en el problema 22.75, con otros procesos que no sean de fundición? Explique cómo. ¿Cómo influye la cantidad de partes necesarias
necesario con una herramienta con inserto de carburo.
22.63 Una barra de !itanio de alta resistencia, de 4 pulgadas de diámetro, se está cilindrando en un tomo a una profündiciad
645
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Sección 13.2 /Operaciones de fresado
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Procesos de maquinado
(e)
para producir formas diversas 23. I
23 .2 23.3 2.3.4 23.S
23.6 23.7
23.il
23. 1
Introducción Operaciones de fri"Sado Máquinas fresadoras Cepillado y contorneado Brochado y brochadoras Aserrado Limado y acabado Fabricación de engranes por maquinado
FIGURA 23.1
23.2 OPERACIONES DE FRESADO -···-·
Además de producir perfiles redondos diversos. internos o cxlcmos, con operaciones de corte se pue·· den fabricar muchas otras piezas con formas más complicadas (fig. 23.1). Como s0 describe en este capítulo, varios procesos de corte y de múquínas herramientas pueden producir dichas frirmas usando herramientas de corte de uno y varios dientes (v
646
....._L ....,.
Piezas y forrnas que se producen con los proc,,sos de maquinado descritos en este capítulo.
En el fresado se incluyen varias operaciones de maquinado muy versátiles, capaces de producir una dtver sidad de configurnciones (fig. 23.2) usando una fresa (cortador de la máquina fresadora), que es una berrnmienta de varios dientes que produce varias virutas en una revolución. Las piezas como la que se ve en la fig. 23.3 se pueden fabric
FIGURA 23.2
Algunos de los tipos básicos de fresas y operaciones de fresado.
(a) Fresado plano
Árbol
(b) Fresado de careado
(e) Fresado frontal o de extremo
--· 648
Capítulo 23 /Procesos de maquinado para producir formas diversas
Sección 23.2 /Operaciones de fresado
Orificios taladrados y machuelados
,--r--__
Cavidad
649
en piezas delgadas. Sin embargo, debido a las grandes fuerzas de impacto que se producen cuando los dientes entran a la pieza, esta operación debe tener un soporte rígido y se debe eliminar el juego en el mecanismo
1
FIGURA 23.3 Pieza que se puede producir en una fresadora con controles computarizados. Estas piezas se pueden hacer con eficiencia y en forma repetitiva en máquinas con control numérico computarizado, sin necesidad de cambiar el soporte ni la sujeción de la pieza.
23.2.'I Fresado horizontal En el fresado plano, llamado también fresado periférico, el eje de rotación de Ja fresa es paralelo a la superficie de la pieza que se va a maquinar (fig. 23.2a). La fresa sueie ser de acero de alta velocidad, tiene vaiios dientes en su circunferencia, y cada uno trabaja como herramienta de corte; esta fresa se !!ama.fresa rectt;, Los cortadores para fresado periférico pueden tener dientes rectos o dientes helicoidales con Jos que se obtienen acciones respectivas de corte ortogonal o de corte oblicuo. Los dientes helicoidales de la fresa de ia fig. 23.2a se prefieren a los dientes rectos, porque la carga en el diente es menor y se obtiene una operación más uniforme que reduce las fuerzas sobre la herramienta y el traqueteo (véase también la fig. 20.9). Fresado convencional y fresado concurrente. En el fresado convencional, llamado también hacia arriba o contra el avance, el espesor máximo de la viruta está en el final del corte (figs. 23.4a y b). Sus ventajas son que el agaITe del cliente no es función de las características superficiales de la pieza, y que la contaminación y/o la cascarilla no afectan la vida de Ja herramienta. En el método normal de fresar, el proceso de corte es uniforme siempre que los dientes de la fresa estén afilados. Sin embargo, puede haber tendencia de la heITamienta sujeción adecuada.a traquetear, y la pieza tiene tendencia a ser arrancada hacia arriba, por lo que nece.';ita una En elfresadu concurrente, llamado también hacia abajo (ei giro de la fresa está en la misma dirección que el avance de la pieza), el corte comienza en la superficie de la pieza, y la viruta es allí más gruesa. L,1 ventaja es que la componente hacia abajo de lm; f'i.1erzas de corte mantiene a la pieza. en su posición, en especial
de engranes de avance de la mesa. El fresado ascendente (concurrente) no es adecuado para maquinar piezas con cascarilla, como son los metales trabajados en caliente, las piezas forjadas y las piezas fundidas. La cascarilla es dura y abrasiva, causa demasiado desgaste y daños a los dientes de la fresa, acortando Ja vida de ésta. En general, se recomienda el fresado concurrente para tener una duración máxima de fresa cuando se usan máquinas herramientas con control numérico computarizado (CNC) (capítulo 38). Parámetros del fresado.
La velocidad V de corte en el fresado es la velocidad periférica de la fresa:
V= 1TDN,
(23,1)
donde Des el diámetro de la fresa y N es su velocidad de rotación (fig. 23.4h). Nótese que el grosor de la viruta en el fresado plano o periférico varía en su longitud, debido al movimiento longitudinal relativo entre la fresa y la pieza. Para una fresa de dientes rectos se puede calcular el es· pe sor de viruta no d~formada aproximado (profundidad de corte de viruta), t" con la ecuación
2fd t =-,
'
D
(23.2)
donde fes el avance por diente de la fresa, medido a lo largo de la superficie de la fresa, esto es, !a distanci~1 que recorre la pieza por cada diente, en mm/diente o pulg/diente; des la profundidad de corte. Conforme t, aumenta, la fuerza sobre el diente de la fresa se incrementa. El avance por diente se calcula con la ecuación V
f
= Nn'
(23.3)
donde ves la velocidad de la pieza, y n es la cantidad de dientes en la periferia de la fresa. Se puede comprobar la validez dimensional de esta ecuación sustituyendo las unidades adecuadas en los términos individuales; por ejemplo, mm/diente= (m/min) (10 3 111111/rn)/(rev/min)(cantidad de dientcs/rev). El tiempo de corte t se calcula con la ecuación
(t +
zJ
t=--,
(23.4)
V
FIGURA 23.4 (a) Esquema del fresado convencional y fresado concurrente. (b) Fresado piano, con la profundidad de corte d, avance por dien1·e /, profundidad de corte de viruta t,., y velocid;id de la pieza v. (c) 1, de la fresa para obtener toda la profundidad del corte. (a)
donde les la longitud de la pieza (fig. 23.4c) y le es la extensión del primer contacto de la fresa con la pieza. Si se supone qne /cq l (que en general no es el caso), la rapidez de remoción del material (RRM) es
lwd RRM = = wdv, t
(b)
(23.5)
(e)
..l d
T Fresado convencional
¡
'"'Siléra""
J_ d
donde w es el ancho del corte (que para una pieza más angosta que la longitud de la fresa, es igual al ancho de la pieza). Como se dijo en la sección 22.2, la distancia que recorre la fresa en el ciclo sin corte de la operación de fresado es una consideración económica importante, y se debe reducir al mínimo. Aunque se puede calcular la potencia necesaria en el fresado plano, es difícil calcular las fuerzas que actúan sobre la fresa (tangencial, radial y axial; véase también la fig. 22.3b ), por las muchas variables que intervienen, en especial, de la geometría de la fresa. Estas fuerzas se pueden medir experimentalmente para va-
T
rias condiciones.
Fresado concurrente
N. de los R. T.: en algunas publicacione~ el fresado concurrente también es Uamado fresado paralelo.
"'"""'""""''""~'"'".
...........--65()
C..1pítuJo 2J /
Proc~sos de:> maquinado para producir formas
diversas Sección 23.2 /Operaciones de fresado
IABlA 23.1
N = Vctocidad de rotación de la fresa. rpm / = Avance, mm/diente o pulg/dicntc D = Di{irnetro de la fresu, mm o pulg 11 = Cantid;id de dienles en la fresa ·11
( 1 l hp).(33,000 lb-pie/min.hp)
------------·-e-------(100 rpm)(27r)
'7 578
El tiempo de corte se calcula con la ecuación (23.4), y se puede demostrar mediante relaciones geométrica:.; sencíHas y para D >> d, que ta cantidad /,.es aproximadari1ente
= Velocidad lineal de la pieza o ve!ocicl:.td
V = Velocidad superficial de la fresa, m/min o ¡)ic1->/rnin
= DN
f : -.: -
651
Resumen de parámetros y fórmulas para fresado
( =
Avance por diente, mm/diente ü putg/dicntc
= v/N n ! = longitud del corte, mm o puJg t = tiempo de corte, s o min
'vlod =
0.5 pulg.
Así, d liernpo de cu1i.c es
:::"' (! + !J/v, donde ( = longitud del primer contacto de !.a fresa con !a pieza RRM = Rapidez de remoción de material, mm 3/min o pu!g 3/Jnin = w d ·v, siendo 'W el ancho del corte y d :::: profundidad de corte
t =
12
+
= 0.625 min
37.5 s.
20
Par = N · m o pie · !b = (P,.) (D/2)
Potencia .:. .""' kW o hp
= (Par) (w), siendo úJ = 27rN rndianes/min
---------
Noto: Las unidades que .<:i:: mencionan son las que se usan con frccuenci.<1; sin embargo, en deben us.:tr unidades ccmsistc:ntes.
e.st<:1~: fórmulas se
Sin embargo, a partir de la potencia podcmm calcular el par sobre el husillo de la fresa (véase el ejemplo siguiente). Aunque el par es el producto de la fuerza tangencial en Ja fresa por el radio de la misma, la l'uc'rza tangencial por diente dependerá de cuántos dientes estén atacan.do durante ei corte. Las ecuaciones y la icrminologfa anteriores se rcsmncn en la tabla 23.1. •=<•=m•mJc
Rapidez de remoción de material, potencia requerída, par y tiempo de corte en e! fresado plano
Se hace una operación de fresado periférico en un bloque de i '.2 pulgada' de longitud y 4 de ancho. de de medio carbono recocido. con un avance def =O.O l pulg/diente. y una profundi<.fad de cork d '' pulg. La fres:1 tiene D 2 pulg de diúmctro, 20 clicnles rectos, gira a N 100 rprn y es más ancha que el hloquc que va a fresar. Calcule Ja rapidez de remoción de maleriaf m.RM), la potencia y el par que se reyuicrcn en es!a operación, y calcule e1 tiempo de fresado.
=
Solución: Uc acuerdo con ia información disponible, se puede calcular la velocidad 'V de la pie;::, con ccuaci611 (23.J):
u
= fNn = (0.0l)( 1001(20) =20 pulg/min.
Según la ecuación (23.5), la rapidez de remoción del material es
RRM = (4)(Á)(20) = 10 pulg 3 /~Jin. Como la pieza es de acero de 1medio carbono recocido. se puede calcular Ja potencia unitaria con datos de !a tabla '.20. l: l.! hp·min/pulg • Por consiguieúte, la pote~ciaJ1e~esaria: es Potencia=
(l.J){ló) .=-: .Hhp,
h~sill<;
También se puede calcular el par que actúa sobre el de la fresa, observando que la potencia es el producto del par por la velocidad de giro del husillo (en radianes por unidad de tiemi>o).·En consecuencia: : ','., . . . ·· .., ··'. ,'
Par =
Potencia ·.· .·. . Velocidad de totación
23.2.2 En cifrc.w1do de r~fi-cntado, de cara o de coreado, la fresa se mont:i en un husillo cuyo eje de rotación es perpendicular a la superficie de la pieza (fig. 23.2b). Remueve material en la forma que se ve en la fig. 23.Sa. La fresa gira a N rpm, y la pieza se mueve en una trayectoria recta a una velocidad v. Cuando la fresa gira como se ve en la fig. 23.Sb, la operación es de fresado ascendenle; cuando gira en dirección contraria (fig. 23.5c) la operación es ele.fresado convencional. Las herramientas se montan en el portafresas, como se ve en la fig. 23.6. A musa del müvimienlo relativo entre los dientes cortantes y la pieza, una fresa de careado deja marcas de avance en la superficie maquinada (figs. 23.7 y 23.14) parecidas a las que quedan en las operaciones de cilindrado (fig. 20.2). Nótese que la rugosidad superficial de la pieza depende de la geometría del filo del inserto y del av:rnce por diente. En la i·ig. 23.8 se ilustra la terminología para una fresa de carear o de rcfrentar. La vista lateral se muestra en la fig. 23.9. donde se nota que, al igual que en las operaciones de cilindrado, el ángulo de posición. o avance del inserto en.:,! rcfrenlado tiene una influencia directa sobre el espl'sor de viruta no deformada. A medida que aumenta el ángulo de posición (positivo como se muestra), disminuye el espesor de viruta no deformada (así como el espesor en general de la viruta), y aumenta la longitud de contacto. El intervalo de ángulos d,,, annce en la mayor parte de las fresas es de Oa 45º. Nótese que el úrea trans .. versal de la virula no deformada permanece constante. El ángulo de presión también influye sobre las foerz.as en el fresado. Se puede ver que a medida que disminuye el ángulo de avance hay un componente vertical de la fuerza cada vez más pequeño (fuerza axial sobre el husillo ele la fresa). Hay una gran variedad de fresas disponibles. Se debe escoger el diámetro de tal manera que no interfiera con soportes y demás componentes en el conjunto. En una operación típica de careado con fresadora, la relación del diámetro de la fresa D entre el ancho del corte w no debe ser menor que 3 : 2. Es importante Ja relación entre el diámetro de la fresa y los ángulos de los insertos, así como su posición en relación con la superficie que se va a fresar, porque determinará e1 ángulo con el cual el inserto entra y sale de la pieza. En la fig. 23.Sb de fresado concurrente nótese que si el inserto tiene ángulos de ataque axial y radial iguales a cero (véase la fig. 23.8), la superficie de ataque del inserto entra ele frente a la pieza. Sin embargo, como se ve en las figs. 23.JOa y b, el mismo inserto entra a la pieza en ángulos distintos que dependen de las posiciones relativas de la fresa y la pieza. En la ilustración a), la punta del inserto hace el primer contacto, por lo que hay la posibilidad de que se desportille el filo. Por otra parte, en la ilustración b) los primeros contaétos (entrada, reentrada y las dos salidas) estún en ángulo y alejados de la punta del inserto. En consecuencia hay menos tendencia del inserto a fallar, porque las fuerzas sobre él varían con más lentitud. Obsérvese en la fig. 23.8 que los ángulos de ataque radial y axial también tienen su efecto.
-652
Capítulo 23 /Procesos de maquinado para producir formas (a)
divers;:i~
Sección 23.2 /Operaciones de fresado
653
(b)
Inserto
(a) Radio de esquina
(el)
( 1)-~, ,
---···Fresa
1
Radío pequeño (e)
(b) Esquina p1ana
_..j
!
!--Ancho de la j superficie
1,
---T Ángulo de filo de (d)
) (e) Limpiador
\ Superficie maquinada
fHGURA 23.5 Operación de fresado de refrentado mostrando (a) la acción de un inserto, (b) fresado concurrente, (e) fresado convencional, (d) dimensiones en el fresado de refrentado. El ancho de corte, necesariamente es igual al radio de la fresa. Fuente: lngersoll Cutting Too/ Comp3ny.
w, no
l
1
1 !
g~r~~~~ ~/l
L___J
Radio
FIGURA 23.7 Esquema del efecto de la forma del inserto sobre las marcas de avance en una superficie careada con fresado: (a) pequeño diámetro de esquina, (b) esquina plana del inserto y (c) limpiador, formado por un radio pequeño seguido de uno grande, que deja marcas de avance más lisas. Fuente: Kennametal \ne. (d) Marcas de avance debidas a formas diversas.
Ángulo de filo de corle frontal Ángulo de esquina
-¡¡-
~-_J_
~
"" Ataque radial, -
-----f-~
I~Angulo de incidencia
Ataque axial,+
FIGURA 23.6 Fresa de carear con insertos indexables. Fuente: cortesía de lngersoll Cutting Too/ Company.
!i
;,j:
,.,,,,
,,., .. _ .
1
-EB
~1
1
frontal (ataque axial)
FIGURA
lk.
Incidencia periférica (incidencia radial)
23.8
Terminología para una fresa de refrentar o carear.
--
..... :s,54
C.lpítulo 2.3 / eroce'.'OS d!:' m.iquinJdo par;1 producir formas diversas
Sección 23 .2 / Oper3ciones de fresado
655
(a)
(b)
Ejemplo: Rapidez de remoción de material, potencia necesaria y tiempo de corte en el fresado de careado · En la fig. 23.:5. supongamos quü [) = 150 mm. ·w =60 n:nn. l = 500 mm. d = 3 1111n, 'V= 0.6 mhnin y N =
,.\nguJo de avance
100 rpm. La fresa tiene 10 iriscrtos y _el material de la pieza es í.nrn aleacíón de aluminio de alta resistencia. Calcule la rapidez de rcü1oción del material, el tienípo de corte y el avance .pür dicnt:e; estime la poProfundidad de corle, d
tencia requerida. Solución: La sección transvcr5'tl del corte es (W)(d) = (60)(3) 180 mm~. En virn1 de que la velocid;id vele la pieza es 0.6 m/mih 600 mm/min, Ja rapidez. de .remoción del material se calcula como sigue:
=
=
Avance por djcntc.f
RRM = (180)(600)
f
El tiempo de corte se determina con
flCURA 23.9 Efec10 del á11gulo de ilvance sobre el espesor no deformado de viru1a en el fre•,ado de careado. Nótese que cua11clo .wmenta el ángulo de presión disminuye el espesor ele la vinila, pero aumenta la longitud de contaclo («s decir, e! ancho de viruta). El inserto de a) debe ser suficientenwnle grande par0 que abarque el ;:.HmK.·nto en la longitud de contacto.
t
=
(1 +
108,000 rnnr'/min. 2ic}
= ----,··--. V
Vemos en la fig. 23.5 que para este problema l,. == ~ = 75 mm. En consecuencia, el tiempo de corte es t =
';¡¡
Píeza
(IJ)
(500 + 150) . ----:¡¡:)·---- = 65 s = 1.08 mrn.
El avance por diente se calcUla con la ecuación (23.3). Corno N = 100 rpm
f
10 __ )! . ( l.61 '10)
=l
rev/s, cnlonccs
= 0.6 mm/dícn!c.
Según la tabla 20.1. la potencia unitaria para este maleriai es 1. l W-s/mm'. Entonces, la potencia es Pot0nci<1
23.2.3
frontal
= (U)(.1800)
= 1980W = l.98kW.
extremo)*
Con e! .fresado fro111.al o de e~ttrenw se: pw~den producir superficies planas y lambién diversos p<~rfíles. La fresa en esle caso (fresa frontal) se ve en la fig. 23.2c. Tiene zancos rectos o cónicos, para las fmsas pequeñas y grandes, respectivamente. La fresa suele girar en !.orno a un eje perpendicular a la pieza, aunque se puede
e)
inclinar para maquinar las superficies oblicuas. También se consiguen fre:;as frontales con extremos hemisféricos (de nariz de bola) para producir superficies curvas, como en ciados y moldes. Las fresas huecas tienen dientes internos y se usan para maquinar la superficie cilíndrica de piezas redondas sólidas. Las fresas frentales son de aceros rápidos o tienen insertos de carburo. Deseable
Indeseable
FIGURA 23.10 (a) Posición relativa de la fresa y el inse110 al entrar por primera vez a la pieza en el careado; (b) posiciones del inserto al terminar el corte y (e) ejemplos de ángulos de salidil del inserto, mostrando las posiciones deseables (ángulo positivo y negativo) e indeseables (ángulo ceroi. En todas las figuras, ei husillo de ia fresa es perpendicular a la página.
La fig. 23- lüc muestra los ángulos de salida para diversas posiciones de la fresa. Nótese que en los dos primeros ejemplos, el inserto sale de la pieza formando un ángulo y hace que la fuerza sobre él se reduzca a cero con menor rapidez (es preferible) que en tercer ejemplo, donde el inserto sale bruscamente de la pieza (desfavorable).
Fresado de alfa velocidad. En la sección 22.4. l :;e describió el maquinado de alta velocidad con sus aplicaciones. Una de las aplicaciones más comunes es el fresado de alta velocidad con una fresa frontal, que se apega a las mismas descripciones generales acerca de Ja rigidez de las máquinas, dispositivos de sujeción, etc. Una aplicación característica es el fresado de piezas para usos aeroespaciales de aleación de aluminio, y de estructuras de panal (sección l6.14), con velocidades de husillo del orden de 20,000 rprn. En estas operaciones puede haber problemas de recolección y desecho de viruta (sección 22.3.13). La producción de cavidades en pequeños dados de forja (embutido profundo) para piezas como bielas, se hace hoy col1 fresado frontal con una fresa de nariz de bola, de 2 mm (0.040 pulg) de diúmetro, recubierta con Tí.AlN. El husillo tiene cojinetes de aire y puede girar a velocidades hasta de 50,000 rpm, con una precisión rotacíollal de 10 A'm.
*N. de !os R. T.: este tipo de fresado también
e~ conocido_bajo el nombre de fresado de calado o acabado.
.,,,....-
6.%
Capítulo 23 /Procesos de maquinado para producir formas diw:rsas
Sección 23.2 /Operaciones de fresado (a) Fresado compuesto
657
(b) Fre1mdo de forma
Zanco cónico
(e) Ranurado
(d) Cortado
qGJ
Supettkie portante del árbol para soporte externo
..,,::,\'\'i'-'.1
/• ¡;;•·,e·
FIGURA 23. n
Fresas para (a) fresado
compuesto, (b) fresado de forma, (e) ranurario y (d) tronzado.
23.2.4 Otras operaciones de fresado y sus fresas Para maquinar diversas superficies se usan otras operaciones de fresado y sns fresas. En el fresado compuesto (gemelo) se montan dos o más fresas en un eje y con ellas se maquinan dos o más superficies paralelas sobre la pieza (fig. 23. l la). El fresado de contorno (deslatonado o con fresas con despulla o retorneadas, que produce perfiles curvos, usa fresas con dientes de forma especial (fig. 23.11 b); esas fresas también se usan pa· ra Lallar dientes ele engranes (sección 23.8.J). Las fresas circulares para ranurar y cortar se ven en las figs.23.11 e y d, respectivamente. Los dientes pueden estar ligeramente trascados, como Jos de una segueta (sección 23.6) para proporcionar !a holgura a !a fresa cuando se co11an ranuras hondas. Las sierras de cortar son relativamente delgadas, por lo general de me· nos de 5 mm (ii; pulg). Las fresas para ranuras en T (fig. 23. J2a) son p
(a) Corte de una ranura en T con fresa. (b) Una fresa hueca.
(a) r-1
Primer Cürte /(ranurado)
~~:::il -
~üí? ,§'
,¡ ;:
~i
fi
"dtWWW"Zt?"rxw~· ,,
Ranura en T
f
<
Las ,fresas de cuñe ros o de chaveteros se usan para cortar los cuñeros redondos (Woodruff o media luna) en los ejes. Lasji·esas en ángulo (ángulo sencillo o doble) son para producir superficies oblicuas a diversos ángulos. Las fresas huecas (shell mill) se montan en un zanco; esto permite usar el mismo zanco con fresas de diversos tamaños. El empleo de las fresas huecas se parece al de las de calar. El fresado con un solo diente de corte montado en un husillo de alta velocidad se llama corte al vuelo; por lo general se usa en operaciones sencillas ele fresado de refrentado y de baiTenado. Se puede conformar la herramienta como si fuese de una punta, y se puede colocar en diversas posiciones radiales en el husillo.
23 .2 .5 Portaherramientas Las fresas se clasifican en fresas de árbol y fresas de zanco. Las fresas de árbol se montan en un árbol o eje (fig. 23.13) en operaciones como fresado plano, refrentado. compuesto y de contorno. En lasjresas de ~an eo, la fresa y el zanco son de una pieza. Los ejemplos más comunes de fresas de zanco son las de calado. Aunque las fresas pequeñas frontales tienen zancos rectos, las mayores tienen zancos cónicos para poder sujetar se mejor y resistir las mayores fuerzas y pares que se desarrollan. Las fresas con zancos rectos se montan en broqueros de pinzas (boquuillas) o en sujetadores especiales; las ele zancos cónicos se montan en portaherramientas cónicos. Además de los portaherramientas mednicos, se consiguen portaherramientas y árboles hidráulicos. La rigidez de las fresas y sus portaherramientas es importante en la calidad de la superficie, y para reducir la vibración y el traqueteo durante las operaciones ele fresado. Los portaherramientas cónicos convencionales tienen tendencia a desgastar y abocardarse, debido ah~ fuerzas radiales que se desarrollan en el fresado.
23.2.6 Posibilidades del proceso de fresado
i'-'~J Segundo corte
••
FIGURA 23.13 Montaje de una fresa de en un árbol de una fresadora horizontal.
(b)
c·l M
~
I
~
Cuña de
accionamiento
Además de las diversas características que se han mencionado para los procesos ele fresado, entre las posibilidades de ellos están parámetros como acabado superficial, tolerancias dimensionales, rapidez ele producción y costos. Esto se detalla en las tablas 22.1y22.7, así como en la fig. 40.8 (rapidez y tiempos de producción), la fig. 22.13 (acabado superficial), las figs. 22.14, 40.6 y 40.7 (tolerancias); en la tabla 23.2 (posibilidades) y la tabla 23.3 (costos de herramientas). Los intervalos convencionales de avances y velocidades de corte para el fresado se ven en la tabla 23.4. Los avances van normalmente desde 0.1 mm (0.004 pulg) a 0.5 mm (0.02 pulg) por diente. Las profundidades ele corte son de 1 a 8 mm (0.04 a 0.30 pulg). Las velocidades de corte varían dentro de amplios límites, dependiendo del material de la pieza, ele la herramienta de corte y ele los parámetros del proceso; normalmente
....
lfA:.
-6511
C:1p1lulo 23 / Pmcesos de maquin;1elo para producir fo1 mas diversas
Sección 23.2 /Operaciones de fresado
659
TA!ll.A 23.2
Capacidades normales y dimensiones móximas de pieza para algun2s .---·--..____ !_Y~áq~~~he1Tarn ientas ----------------·
---------~-----Dimensión müxima,
Máquinas herramiemas
Frc.'.adora::: (carrera de me.-:a)
20
4000 rprn
100 0.9MN
TA!ll.A 23.3
Her1:'.'.':"~
l.7
mí~
Tamaño (pulg)
.l.00--6.00 2.60-3.00 10-15 2.50-7.00
15--45 80-85 250 4
lJl'-HJ(J
950
Velocidad m/min (pie/mio)
Herramienta de corte Carburo no recubierto, carburo recubierto, cern.1cts
0.13-0.20 (0.005-0.008)
120-180 (400-600)
0.085-0.38 (0.003-0.015)
90-425 (300--l 400)
No rtcubierta, rccubit~rta, cermcts
0.10-0.18 (0.004-0.007)
90-170 (300-550)
0.08-0.30 (0 003-0.012)
60-370 (200-1200)
O.::rmds. BN
0.10-0.15 (0.004-0.006)
180-210 (600--700)
\1.08-0.25 (0.003-0.010)
75-460 (250-l500)
policristalino No recubierta, recubierta, cermets, SiN
0.10-10.20 (0.004--0.008)
120-760 (400-2500)
0.08-0.38 (0.003-0.015)
90-1370 (300--4500)
Cermcls, SiN, PCBN
O.J0-0.20 (0.004-0.008)
120-210 (400--700)
0.08-0.38 (0.003-0.015)
90-460 (300--1500)
No recubierta,
0.13-0.18 (0.005·-0.007)
12()--]70 (400--1200)
0.08-ü.JS !0.003-0.015)
90-500 (300-1800)
0.10-0.18 (0.004--0.007)
30-370 (100-1200)
0.08--0.38 (0.003-(J.015)
30-550 (90-1800)
Hierro fund¡Jo gris Suave Duro 'Acero inoxidable. austcnítico
recubicrt;.t, cermets
Aleaciones par~t alta tcfnperatura ~1 base Je níq1wl
No recubierta,
Alcw..:ione~
No recubicrt<.l, n::cubicrt
0.13--0.15 (0.005--0.006)
50--60 (175-200)
0.08-0.38 (0.003-0.015)
40-140 (125-450)
No n:cubicrl.a, rcct1bicrta,
o. i 3-0.2?1 (0.005--0.llO'll
610-900 (2000-3000)
0.08-0.46 (0.003-0.0l8)
300--3000 (1000-10,0llll)
O. i3
(0.flll5)
610 (2000)
0.()8--0.38 (1Hl03--0--ll15)
370-910 (1200--3000)
diamanle policrista1ino
o i:Hl.23 (0.00:'i-0.00'J)
300--760 ( 1000-2500)
0.08-0-46 (0.003-0.018)
90-1070 (300-3500)
Recubierta, no recubierta. diamante policristalino
0.13-0.23 (0.005-0.009)
270-4.60 (900-1500)
0.08-0.46 (0.003-0.018)
90-1370 (300-4500)
l0-·J5
De ma1idrinar
I0-15 5-JO
20-25 40-55
!'.·
Frc~<.;, ;1cero ;¡][;¡ vc;Jocidacl
I0-15 Punía de c;u huro
de
til~w!'l
Aleaciones de aluminio Libre trwquinado
rcL;ubierla. cermet..;. SiN, BN j)l)lic1·istalino
1.fo.ima11tc polic1·i:-.1alino
1:5-30
30.-15
C;1rbu1'()S{liicki
Diarnanti.; policri:>talino
Altn-.:ilício
:f5--60
30·-·70 Ma!arilos. cirburo
h·e.'>~!'; de (tnn%ar. ;1cero
Avance mm/diente (pulg/diente)
1.00-2.00
Zanco cónico
Rim:ts. <1cero alta veJocidad, de
Velocidad 111/min (pie/min)
_,_, ·ACcros de bajo carbono ''.;','.:'y".dc'libre maquinado
---~~
(TiN¡
eoquillas (5 pÍlllao)
______
Intervalo de condiciones
Avance mm/diente (pulg/diente)
·'.>\:~:' --"'-Material de la pieza ,,':
Costo aproximado de algunas herramientas de maquinado*
Brocas. acero alta velocidad, zanco recto Rccuhienas
Condiciones iniciales de propósito general
Potencia (kW __)______
Columna y coosol<1 (rodillo) B~uic
Recomendaciones generales para las operaciones de fresado
Ale;.ccionc:-, de t;obre
180
csre.<>or
o l
j
~·lo recubierta, rccubiurla.
!0--20 50--60
Termoplásricos
35 ...75
Fuentes: Basada en dato:; dé: Kcnnurnclal 1nc.1a8 mm (0.04 a 0.3 Now:
30--260 10-·20
Nota:
;, El ¿-;;¡;;d~¡~-;;;terial y ~¡;;;-,;;;;;;;;;:-;;;-;;,¡¡dad y Ja-;;;;;;¡i;"¡~;:¡;;-----·-------
PCBN: nltruro de boro cúbico policrislalino; PCD: diamante policrista\ino. corte para grupos de materiales de hem.unlcnrn.
23.2.7 Lineamientos de diseño y operación para el fresado Muchos de los lineamientos para cilindrar y mandrinar (capítulo 22) se aplican a las operaciones ele fresado. están entre 30 m/min (90 pies/min) a 3000 m/min ( W,000 pies/min). Véase Ja tabla 22.5 con las recomendaciones del fluido de corte. En Ja 1-abJa 23.5 presentamos una gBía general de localización de fallas para operaciones de fresado; los últimos cuatro defectos sefialados en esta tabla se ilustran en la fig. 23.14. El rebote produce dobles marcas de avance, hechas con ei borde posterior de la fresa (la mitad inferior de la fresa en la fig. 23.JOb). Nótese, en esta tabla, que algunas recomendaciones, como cambiar los parámetTos ele fresado o las fresas, son más fáciles de llevar a cabo que otras (como cambiar los ángulos de la fresa, su geometría y la rigidez de los husillos y los portaherramientas).
Entre los factores adicionales para el fresado están los siguientes: a. Se deben usar fresas bajo norma y evitar las fresas especiales y costosas. Entre las propiedades del diseño se incluyen forma, tamaño, profundidad, ancho y radios de esquina. b. Se deben usar chaflanes y no radios, por la dificultad ele hacer coincidir bien las diversas superficies que se intersecan. c. Se deben evitar cavidades y bolsas u oquedades con esquinas agudas, por la dificultad de fresarlas, ya que las fresas tienen un radio finito de filo. d. Las piezas deben tener la rigidez suficiente para reducir al mínimo la flexión producida por las fuerzas de sujeción y de corte.
Wifttt&WW'"'ftf"'t-'1? "? xrwwrn m
'-660
Capítulo 23 /Procesos de m<1quinado para producir formas diversas
TABLA 23.5
__
Sección 23.3 /Máquinas fresadoras
Guía general de localización de fallas para operaciones de fresado,
Problema
Causas
p~
---
Rotura de he1nunienra
MAQUINAS FRESADORAS ,,,
Por ser capaces de ejecutar diversas operaciones de corte, las fresadoras son una de las máquinas herramien· tas más versátiles y útiles, La máquina fresadora más antigua fue construida por Eli Whitney (1765-1825) en 1820, Hoy se dispone de una amplia variedad de máquinas fresadoras con numerosas funciones (tabla 23,2),
El material de la heirnmienta no tiene tenacidad; ángulos inadecuados de la herramienta; par:.ímetros
de corte muy allos. Demasiado dcsgasle de herrnmicnla
Parámetros de corte muy altos; material de herramicnt:::i inadecuado; ángulo:-.: de herramienta inadecuados; fluido de corte inadecuado.
Acabado superficial burdo
Máquinas de consola (columna y rodilla)
Demasiado i:ivance; velocidad de husillo muy baja; pocos dientes en la fresa; hemunienta desportillada o gastada; borde acumulado: vibrnción y traqueteo.
Se usan para operaciones de fresado de propósito general, y son las más comunes, El husillo sobre el que se monta la fresa puede ser horizontal (fig, 23,15) para fresado plano o vertical, para careado y contorneado, ta· ladrado y ba1Tenado (fig, 23J6), Las partes básicas de estas máquinas son las siguientes:
Tolerancias muy an1plias Falta rigidez en el husillo; aumento excesivo de temperatura; he1rnmienta desafilada; fresa atascada con virutas. Superficie brufiida de la pieza
Herramienta desafilada; muy poca profundidad de corte: ángulo de desahogo radial muy pequeño.
Rebote Marcas de trar¡ueteo
Herramientas
<>
de~afiladas; husillo de Ja fresa inclinado; ángulos Uc herramienta negativos.
Formación de rebaba Pifos desafilados o demasiado asentados; ángulo de entrada o de Rotura de pieza
y profundidad de corte; geometría incorrecta del inserto.
" Una consola o rodilla qne soporta la silla y comunica movimiento vertical a la mesa, para poder ajus·
~alida incorre1.:to: demasiado nvance
tar la profundidad de corte, " Un contrasoporte (camero) en las máquinas horizontales, ajustable para adaptarse a diferentes longitu·
Ángulo de avance demasiado bajo; geomctrfo ini.::01Tecta del filo; ángulo de entrada o de salldH incorrecto; demasiado avance y profundidad ele corte.
des de árboL s Un cabezal, que contiene el husillo y los sujetadores de fresas. En las máquinas verticales, el cabezal puede ser fijo o se puede ajustar verticalmente e inclinarse en un plano vertical, en la columna, para cor·
------------- -------
(a)
r;NM~1re1ficie Rcbolc
{e)
frc""ITT\N\.,
Una mesa, donde se sujeta la pieza con ranuras en T La mesa se mueve en dirección longitudinal con
respecto a la silla o el carro, • Una silla o carro (soporte de la mesa), que sostiene la mesa y puede moverse en dirección transversal.
Rigidez insuficiente del sistema; vibraciones externas; demasiado avance y profundidad Je corte; geometría incorrecta del inserto.
~'
661
tar superficies oblicuas, Fresa
r11W}'· - ·
~\b f(9.
Sin rebote
&,'\::,~ -<{----·
Dircccíón de Jvancc de la l)ie¡;a
,,, Jnserto
'l''-e baba
Co11trasop\)~C
:
(carnero)
l
1
(h)
(d)
J, .l.':;i,-\
'/Rotura grande
'
frJ
~-"
l i
Ranuras en T
Consola (soporte)
FIGURA 23.15 Esquema de una fresadora de husillo horizontal, del tipo de columna y consola, Fuente: C, BoothroycL
Cabezal
pequefü1
FIGURA 23.14 Marcas superficiales y defectos en aristas en operaciones de fresado de refrentado; véase también la fig, 23,7, Véase la descripción de las fallas en la tabla 23.5, Fuente: J
Columna
Los lineamientos para evitar la vibración y e! traqueteo en el fresado se parecen a los de! torneado (sección 22,3,12), Además se deben observar las siguientes prácticas: Pieza
a. Las fresas se deben montar tan cerca de la base del husillo como sea posible, para reducir las deflexio· nes de la he1Tamienta, b. Los portaherramientas (las boquillas) y los soportes deben ser tan ,r,ígidos como sea posible, '
c. En caso que haya vibración y traqueteo, se deben modificar !a forma de la herramienta y las condiciones del proceso; también, se deben usar fresas con menos dientes,..Q con espaciamiento aleatorios entre dientes.
FIGURA 23.16 Esquema de una fresadora de husillo vertical, del tipo de columna y consola (llamada también fresadora de rodilla), Fuente: C. Boothroyd,
.....-Sección 23.4 /Cepillado y contorneaJo 662
663
Capíiulo 23 / f)rocesos de maquinado pJra producir formas diversas
D=
de iluoillo -
.
.
·1¡~_:~:~'..iJLlu'::::::::=u_
1
Pil!;;:a Bancada,,
FIGURA 23.17 Esquema de una fresadora longitudinal. Nótense !as fresas única con husillo vertical, y dos fresas con husillo horizontal. Fuente: ASM lnternational.
Las fresadoras en plano tienen tres ejes de movimiento, las cuales se manejan man.uaímente o está motorizado. En las.fresadoras universales la mesa se puede hacer girar en un plano horizontal. De esta forma se pueden maquinar formas complicadas. por ejemplo, ranuras helicoidal.es en distintos ángulos, para producir piezao; como engranes. IJrocas, machuelos y cortadores.
FIGURA 23.13 Fresadora de husillo vertical con control numérico computarizado. Esta máquina es una de las máquinas herramientas más versátiles. Fuente: cortesía de Br'idgeport Machines Division,
Fre~.,;idoras
2 3.
Textron, lnc.
En Jas_fi-esudoras longitudinales, Ja mesa se monta directamente en la bancada, que reemplaza a fo conso!a <' rodiila y sólo se puede mover e11 sentido longitudinal (fig. 23.17). Estas fresadoras no son ta11 versátiles como fos de otros tipos, pefo tienen gran rigidez y se usan para trabajos de alta producción. Los husillos pueden ser hori;,ontales o vcrlica1es y dobles o triples, para rnaqu]nar en forn1a sirnultánea dos o tres :-1uperficjes de h1 pieza.
n
.3
fresadoras Huy oiros tipo,t; de frcsndoras (véase f;:imhién r:-enlros de maquinado y torneado, secci(1n 24.2). Las fresad(,ras de cepillo, n .íá"sadoros rdanas) que se parecen a !ias longitudinales, tienen varios e;-ibezales y fre~:as p:~;-;_:i corwr varias superficies. Se usan para piezas pesadas y son más eficientes que los cepillos (sección 23.4) c:uando üenen Ja misrna aplicación. Las fresadoras de carrusel o de rnesa rotatoria se parecen a las fresadoras verticales, y tienen uno o 1mis c.abewles para operaciones de refrentado. Hay diversos componentes de las fresadoras que se están reemplazando rápidamente por rnáqf!inas de con/ro! nuniérico porcomputadoro. Estas máquina:; herramientas son versátiles y capaces de fresar, 1.8.ladn:ir) mandrinar y machuelar con precisióri repetitiva (fig. 23.18). Entre otros desarrollos se incluyen lasfresadorm de contorno que tienen cinco ejes de movimiento (fig. 23.19). Nótense los tres movimientos lineales y los dos
Base
FIGURA :B:l 9 Esquema de una fresadora perfilado!"a con cinco ejes. Nótese que hay tres movimientos principales lineales y dos angulares, de los componentes
de la máquina.
anguhre:;, de los componentes ele la máquina.
23.3.4
ángulos específicos, entre Jos pasos de maquinado. Se ha usado para fresar piezas con superficies poligonales y para maquinar dientes de engranes. Hoy en día, Jos cabezales divisores sólo se usan para produccióo a escala de taller, de bajo volumen. Han sido sustituidos por controles numéricos y centros de maquinado.
y accesorios de sujeción de piezas La pieza que se va a fresar se ciebe sujetar con firmeza a la mesa, para resistir las fuerzas de corte y evitar ei deslizamiento durante ei fresado. Para este fin se usan varios aditamentos y prensas (véase también la sección 38.9, sobre soportes.flexibles.) Se montan y sujetan a la mesa con las ranuras en T, como se ve en las iigs. 23.l 6a y b. Las prens
23.4
CEPILLADO Y CONTORNEADO El cepillado es una operación relativamente sencilla de corte, mediante la cual se producen superficies planas y diversas formas transversales, con canales y muescas a lo largo de la pieza (fig. 23.20). El cepillado se suele hacer en grandes piezas, hasta de 25 m x 15 m (75 pies x 40 pies).
~
Sección 23.5 /Brochado y brochadoras 664
(a)º n
C01pítu!o 23 /Procesos de maquinado para producir formas diversas
(b)
(a)
~V
<~
( __']::>'
FIGURA 23.20
23.5 BROCHADO Y BROCHAOORAS La operación de brochado se parece a !a de contorneado con varios dientes, y es para maquinar superficies externas e internas, como orificios redondos, cuadrados o irregulares, cuñeros, dientes de engranes internos, orificios estriados y superficies planas (fig. 23.21). Una brocha es en efecto una herramienta de corte larga multidentada (fig. 23.22a); la profundidad total del material removido en un solo golpe es la suma de las profündidades de corte de cada diente de Ja herramienta para el brochado. Una herramienta larga para este tipo de operación puede remover material con una profondidad de hasta 38 mm (1.5 pnlg) de un solo golpe. El brochado es un proceso de producción muy importante y se pueden mannfactnrar piezas con un muy buen acabado superficial y una alta precisión dimensional. Este proceso compite favorablemente contra otros, tales como el mandrinado (perforado), fresado, contorneado, y el rimado, cuando son producidas piezas semejantes. A pesar de que el brochado puede ser costoso, éste se justifica por las corridas con gran cantidad de producción.
il.
~
V
(b)
Piezas que se pueden hacer en un cepillo.
En un cepillo la pieza se monta en una mesa que se niueve en línea recta. Un riel transversal horizontaL qLte se puede mover verticalmente por las guías en lil columna, tiene un() o más cabezales de herramienta. Las herramientas de corte se fijan a los cabezales y el maquinado se hace moviéndolas en línea recta. Por el movimiento de vaivén de la pieza, es apreciable el tiempo sin cortar, durante el viaje de regreso. En consecuencia, estas operaciones no son eficientes ni ecbnóniicas excepto para producciones b"\jas. Se puede mejorar la eficiencia de la operación poniendo po1taherramientas y herramientas que corten en ambas direcciones de movimiento de la mesa. Para evitar que los filos de la he1Tamienta se desportillan o mellan cuando frotan la pieza durante el viaje de regreso, las herramientas se inclinan o se elevan mecánica o hidráulicamente, para alejarse de la pieza. A causa de la longitud de la pieza, es esencial equipar a las herramientas con rompedores de viruta. De no ser asi, las virutas pueden ser muy largas, interfiriendo con la operación y constituyéndose en un riesgo de seguridad. En los cepiJJos, las velocidades de corte pueden llegar a 120 m/min (400 pies/mín) y las capacidades, a 110 kW (!50 hP). Las velocidades recomendadas son de 3 a 6 m/min (10 a 20 pies/min) para las fundicione:i de hierro y aceros inoxidables, y hasta 90 m/rnin (300 pies/min) para aleaciones de aluminio y magnesio. Los avances suelen estar entre 0-5 y 3 mm/pasada (0.02 a O. J 25 pulg/pasada)_ Los materiales más comunes de herramienta son los aceros para alta velocidad M2 y M3 y los carburos C-2 y C-6. El contorneado o fornzado se usa para maquinar piezas; se parece mucho al cepillado, pero las piezas son más pequeñas. El corte en el contorneado es básicamente igual que en el cepillado. En unaformadora horiwntal la herramienta sigue una trayectoria recta y la pieza es fija; esa herramienta está fija en el cabezal de Ja herramienta, que se monta en el ariete. El ariete tiene un movimiento de vaivén, y en la mayor parte de las máquinas el corte se hace dnraP!c el movimiento de ida del ariete (corte de empuje); en otras se hace durante la carrera de regreso (corte de tirón). Las formadoras verticales (ranuradoras) se usan para maquinar muescas, cuñeros y dados. Por las bajas velocidades de producción sólo se usan hoy formadoras de propósitos especiales, como por ejemplo, talladoras de engranes (sección 23.8.2).
665
FIGURA 23.21 (a) Piezas que se pueden hacer por brochado interno. (b) Partes fabricadas por brochado superficial. Las líneas gruesas indican las superficies brochadas. Fuente: General Broach and Eng"1neering Company.
Brochas. Herramientas para el brochado (Broaches). La terminología para una herranuenta de brochado se muestra en la fig. 23 .22b. El ángulo de ataque o de gaucho depende del material que se corta (como en el torneado y otras operaciones de corte), y suele ser de O a 20º. El ángulo de holgura suele ser de l a 4º;los dientes de acabado tienen ángulos menores. Sí el ángulo de holgura es demasiado pequeño, los dientes se friccionan contra la superficie brochada. El paso de los dientes depende de factores como la longitud de la pieza (longitud de corte), res',stencia del cliente y tamaño y forma de las virutas. La profundidad del cliente y el paso deben ser suficientemente grandes para que acomoden las virutas producidas en el brochado, en especial para piezas hirgas; siempre deben estar cuando menos dos dientes en contacto con la pieza. Se puede usar la siguiente fónnula para calcular el paso de una herramienta para el brochado que corta una superficie de longitud /:
Paso =
kVt
(23.6)
En esta ecuación k es Lma conslante igual a 1.76 cullildO l está en mm, y a 0.35 cuando 1está en pulgadas. Un paso promedio en las henamientas chicas para brochar es de 3 .2 a 6.4 mm (0.125 a 0.25 pulg) y para las grandes va de 12.7 a 25 mm (0.5 a l pulg)- El corte por diente depende del material de la pieza y del acabado superficial deseado; suele ser de 0.025 a 0.075 mm (0.001a0.003 pulg) para herramientas para brochar me-
t l'¡._
dianas, pero puede ser mayor que 0.25 mm (O.Ol pulg) para las mayores. Las he1Tamientas para el brochado se consiguen con varios perfiles, incluyendo algunos con rompedores de viruta (fig. 23.23). Se fabrican para producir diversas formas externas e internas. La diversidad de brochas de superficie abarca la plana, de ranura, de contorno, cola de milano, olla (para formas externas con precisión)Los y paralela. tipos internos de brocha incluyen el de or(ficio (para agujeros con tolerancias estrechas, formas redondas y otras formas m:ís, fig. 23.24), cuñero, engranaje interno y acanalado (para cañones de armas). Las formas irregulares internas se suelen brochar comenzando con un agujero redondo taladrado o barrenado en la pieza. FIGURA 23.22
(a) Acción de corte de una brocha, mostrando algunas características. (b) Terminología para
una brocha. (b) (a)
Ranura rornpeviruta
Corte por diente
_l
\
~
), Ángulo de ataque. \\\ 0 de gancho \
¡~Profundidad del diente
Paso
lit
Cara de desahogo Ángulo de holgura
j __
~-
----' "'-- Radio de curvatura
... L
'.i/''
r1 11'
• ""I
666
Sección 23.5 /Brochado y brochadoras
667
lpílulo 13 / Pmccsos ele rnaqui11ado p;ira pwduc1r íorm ..is divers,1s
(<1)
(e)
Rcmpcvirutas
Rompcvirutas
Rompevirutas
de nuiurus hondas
simples alternados
rnbustos escalonados. de doble corte
-~ V{!{!!/{ll/lUiJ~~l!IA' (b)
Dientl~s
Brochado de un cigüeñal con giro. El cigüeñal gira mientras las brochas pasan tangencialmente por las superficies de los muñones. Fuente: cortesía de lngersoll Cutting Tool Company.
FIGURA 23.25
flCUn:A 23.23 Funciones del rornpcvinii·as en (a) unJ. brocha plana y (b) una broch;1 redunda. (e) Brnch:Kiora ventea!. Fuente: Ty Miles, lnc
Guí:~
1.rascrn Longitud deJ Z
---·~--
Lafuerz.a necesaria para empujar o jalar la brocha depende de Ja resistencia del material de la pieza, la profundidad total y el ancho del corte, así como de la velocidad de corte. También influyen sobre esta füerza el perfil del cliente y el uso de fluidos de corte. Las fuerzas que desarrollan las brochacloras pueden llegar has-
ta a 0.9 MN (100 ton).
Estas máquinas son relativamente sencillas, sólo tienen movimientos lineales y suelen estar accionadas hidráulicamente, aunque algunas se mueven con manivela, tornillo o cremallera. Hay disponibles muchos estilos de brochadoras, algunas con varios cabezales, que permilen producir una diversidad de formas y piezas, como estrías helicoidales y rayado de cañones para armas rayadas. Sus tamaños van desde máquinas para fabricar partes ac1cuhll"eS (en forma de aguja) hasta cañones.
f':x.lrcmo
de uacción
Je rondo
1
I< ¡:¡GURA 23.24
Diúmetro gui;1do
Longitud iouil
Terrninologh de una brocha. interna del tipo de tracción, par
Brochado co11 giro. Un avance en la tecnología ele brochado e:; el brochado con giro de superficies de apoyo o ele cojinete (fig. IV.3) de cigüefiales y aplicaciones parecidas. El cigüeñal se gira entre puntos y la brocha, que tiene varios insertos de carburo, pasa rozando por las superficies de cojinete y saca material (fig. 23.25).
23.5.2 Parámetros
proceso de brochado
Las veiocidacles de corte en el brochado pueden ir de 1.5 m/min (5 pies/min) para aleaciones de alta resisten·· cía, hasta a l 5 m/min (50 pies/min) para aleaciones de aluminio y magnesio. Los materiales de brocha más comunes son aceros rápidos M2 y M7 e insertos de carburo. Hoy en día, Ja mayor pmte de las brochas ·>e recubren ele nitruro de titanio, para tener mayor duración de la herramienta y mejor acabado superficial. También se usan insertos de cerámica para operaciones de acabado en algunas aplicaciones. Las piezas troqueladas pequeñas de acero para alta velocidad para brochas se pueden fabricar por metalurgia de polvos (capítulo 17) para tener un mejor control de calidad. Aunque se pueden colocar insertos de carburo o de cerámica después de haberse gastado, Jos clientes de uua brocha de acero para alta velocidad se pueden afilar por esmer.ilado (lo cual, naturalmente, altera el tamaño de Ja brocha). En general, se recomien·· da usar fluidos de corte para el brochado.
Este proceso es una combinación de rasurado (para afilado de dientes de engnme) y adelgazado (sacar una capa delgada de material con he1rnmienta de corte ele forma especial). Se han usado bien herramientas para brochado con giro rectas y circuhrres. También se han construido máquinas que brochan varios cigüeñales a Ja vez.
23.5.1 Brochadoras
1, I¡
¡·
j
Las brochadoras jalan o empujan las brochas y son horizontales o verticales. Las brochas de empuje suelen ser más c011as, de 150 a 350 mm (6 a 14 pulg). Las brochas de tracción tienden a enderezar el agujero, mientras que el empuje permite a la brocha seguir cualquier irregularidad del agujero piloto. Las máquinas l10rizontnles tienen capacidad para mayores carreras .•.
23.5,3 Consideraciones de diseño para el brochado En el brochado, como en Jos demás procesos ele maquinado, se requiere seguir algunos lineamientos para obtener una producción económica y de alta calidad. Los principales requisitos son los siguientes: a. Se deben diseñar las piezas de modo que se puedan sujetar con firmeza en las brochadoras. Las partes deben tener la suficiente rigidez y resistencia estructurales para resistir las fuerzas de corte durante el brochado. b. Se deben evitar los agujeros ciegos, las aristas agudas, las estrías en cola de milano y las superficies pla-
nas grandes. c. Son preferibles los chafümes a las transiciones redondas.
668
CJpftulo 23 /Procesos de maquinado pnra producir formas diversas
Sección 23.6 /Aserrado
Ejemplo: Brochado de estrías internas
dientes y de 1.448 m (57 pulg) de longitud te fue 0.1 l 6 mm (0.00458 pulg). La entre afilados fue 400, y fo duradón
~
(b)
(a)
La parte de la fig. 23.26 fue fabricada con acero QOdular{ cada una de 50 mm (2 pulg) de longitud.Las estrías tiC!Jep paso de 63.52 mm (2.5009 pu!g.). Parapródtl(f ·
~
·
Corles en ángulo
Cortes internos
(f)
(e)
(d)
669
Oblea
que
iiJ "'"--
1::2
~e
rebana
-
.-/\¡
~":"" f.,,,1-'iS> /
Calado
Hojude lll ~icn
-~Avance
Corte de pilas
Ejemplos de vmias operaciones de aserrado. Fuente: OoALL Cornpany.
FIGURA 23.27
__ J __
(b) Orilla trasera
(a)
FIGURA.23,26
Triscado recto
···1··¡
··1 ·
Gspaciamienl.o
23.6 ASERRADO El aserrado es una operación de corte en que la herramienta de corte es Lma hoja con una serie de clientes pequeños (segueta); cada cliente guita una pequeña cantidad de matefial. Este proceso se usa en todos los materiales metálicos y no metálicos qLie sean rnaquinables por otros procesos de corte, y ptwde producir diversas formas (fig. 23.27). El aserrado es un proceso eficaz de remoción de material voluminoso y puede producir formas casi netas a partir de la materia prima. El ancho de corte en el aserrado suel.e ser pequeño, por io que en el proceso se desperdicia poco material. En la fig. 23.28 se muestran configuraciones normales de dientes y seguetas. La distm1cia entn: dientes es en general de 0.08 a 1.25 por mm (2 a 32 por pulgada). Se consigue una gran variedad de formas y pasos de diente, así como espesores, anchos y tamaños ele segueta. Las seguetas se fabrican con aceros aJ. carbón y de alta velocidad (M-2 y M-7). Las seguetas de dientes de carburo o de acero rápido se usan para aserrar los materiales más duros (fig. 23.29). El triscado de los dientes es importante, porque produce un ancho de corte suficiente para que la segueta se mueva libremente dentro de la pieza sin atorarse ni tener resistencia por fricción. También se reduce así el calor generado, que puede tener un efecto desfavorable sobre el corte, en especial cuando se cortan materiales termoplásticos. El triscado de los dientes permite también direccionar con precisión la segueta, siguiendo la trayectoria de corte sin desplazamientos. En la pieza siempre deben estar cortando cuando menos dos o tres dientes, para evitar el enganche (aprisionamiento del diente en la pieza). Es la razón por la que se puede dificultar el corte de materiales delgados. Mientras más delgada sea la pieza, los dientes de la segueta deben ser más finos, y mayor su cantidad por unidad de longitud. Las velocidades de corte en el aserrado llegan hasta 90 m/min (300 pies/min), y se usan velocidades menores para cortar metales de alta resistencia. Los fluidos de corte se usan en general para mejorar la calidad del corte y la vicia de la sien-a.
J:-y·:Tl!-.1\.'
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Triscado medio ondulado
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Co.ra de / ; diente Flanco de diente
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Triscado ondulado
f
FIGURA 23.28 (a) lerrninología para dientes de sierra. (b) Tipos de triscado en sierras, alternados para formar la holgura para la segueta, y evit:ir que se atore durante el aserrado.
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M-2 HSS 64-66 HRC
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aleado flexible
Punta de carburo de tungsteno
FIGURA 23.29 (a) Dientes de acero de alta velocidad soldados en la segueta. (b) Insertos de carburo latonadcs a los dientes de la segueta.
23,6, 1 Tipos de sierras Las sierras de arco tienen seguetas rectas y movimientos de vaivén. Se inventaron en los años de 1650, y se usan en general para cortar barras, varillas y perfiles estructurales. Pueden tener accionamiento manual o mecánico. Como el corte sólo se hace durante una de las dos carreras alternativas, las sierras mecánicas no son tan eficientes como la~ sierras de cinta, que se describirán después.
~,,,....--
C1pí1ulo 23 / Proc:es1>s de maquinado par,1 producir formas diversas
67()
~ecci6n 23.8 / Fabrkación de engranes por maquinado
Las seguetas para sierras de arco motorizadas suelen tener de 1.2 a 2.5 mm (0.05 a 0.10 pulg) de espe' sor, y hasta de 6 JO mm (24 pulg) de longitud. Los golpes por minuto van de 30, para aleaciones de alta resis.: lencia, hasta l 80 para aceros al carbón. El armazón en las sierras de arco motorizadas tiene varios mecanismos de contrapeso, que pueden aplicar fuerzas hasta de 1.3 kN (300 lb) a la pieza, para mejorar la velocidad de corte. Las seguetas para las sierras de arco manuales son más delgadas y cortas que !as anteriores, y tienen hasta l .2 dientes por mm (32 por pulg) para aserrar láminas metálicas y tubos de pared delgada. Las sierras circulares o sierras de disco se usan en general para aserrado de gran rapidez de producción para desprender (tronzar). Las operaciones de desprendimiento también se pueden hacer con discos abrasivos ddgados (sección 25.6). El aserrado con disco se usa mucho, en especial para ·áreas transversales masivas, como en los productos de laminadoras con diversas áreas transversales. fig. 13. J. Estas sierras se consiguen en una diversidad de perfiles y tamaños de diente, y pueden avanzar formando cualquier <íngu!o hacia Ja pieza. El desprendimiento con sierras circulares produce superficies relativamente lisas (fig. 22. JJ) con. buena precisión dimensional, debido a la rigidez de fas máquinas y de los discos. Las sierras de cinta tienen seguetas continuas, largas y flexibles que permiten una acción continua de corte. Las sierras de cinta verticaies (donde la dirección de movimiento de la segueta es vertical) se usan para cortes rectos y ele calado, en láminas planas y otras partes, soportadas en una mesa horizontal. 1ambién se consiguen sierras de cinta con control por computadora, que permiten guiar !a trayectoria de calado en forma automática. Las sierras de cinta horizontales tienen mayor productividad que las de arco motorizadas. Con seguetas de acero para alta velocidad, !as velocidades de corte en e[ aserrado son de unos 9 m/min (30 pies/min) para aleaciones de alta resistencia, y de 120 m/min (400 pies/min) para aceros al carbono. Coo seguetas de acero al alto carbono, las velocidades de corte llegan hasla Jos 400 rn/min ( 1300 pics/nün) con ias
aleaciones de aluminio y de magnesio.
Las seguetas y el alambre de alta resistencia se pueden recubrir con polvo de diamante (seguetas de fifo de diamante y seguetas de alambre de diamante) de tal modo que las partículas de diamante funcionen como dientes de corte (corle abrasivo); lambién se usan parlícuias de carbLrro para füte fin. E:;tas seguetas y alambres son adecuados para coitar materiales metálicos duros, materiales no metálicos y compositos (véase también la sección 34.3). Los diámetros de alambre van de 13 mm (0.5 pulg) para usar en corte de vaivén, hasta 0.08 mm (0.003 pulg) para cortes de precisión. Lo., materiales duros también se pueden aserrar con discos abrasivos delgados (sección 25.6) y con los procesos avanzados de maquinado (capítulo 26).
23 6.2 /\Serrado por EJ aserrado porfricóán es un proceso en el que una hoja o disco de acero su¡:ve se frota contraía piez:: con velocidades basta de 7600 rn/min (25,000 pies/min). La energía de fricción se convierte en ca.lor, cpc suaviza con rapidez una zona angosia de la pieza. La acci, jai;.1 y expulsa al material suavizado de la zona de corte.
El calor generado en !a pieza produce una zona afectada térmicamente sobre las superficies cortadas, y en consccuencic< las propiedactes de la piezil se pueden afectar en forma negativa con e.ste proceso. Como sólo pasm· mw pequeña parte ele la segueta entrn en la pieza en cualquier momento, esa segueta se enfría con rapidez a! por el aire. El proceso de aserrado por fricción es adc:cuado para los metales ferTOsos duros y los plásticos reforzados, pero no para los metaies no ferrosos, porque tienden a pegarse a 1a segueta. Los discos de corte por fricción pueden tener hasta l .8 m (6 pies) de diámetro, y son para cortar grandes secciones transversales de acero. También se US
---------··-· ,7
LIMADO Y ACABADO El lim11do consiste en quitar material en peqLier'ía escala a una supert1cie, esquina u orificio, e incluye Ja remoción de asperezas o rebabas. Las limas fueron inventadas alrededor de /. 000 a.C., y son en general de acero endurecido; se consiguen con una diversidad de secciones transversales, como las planas, redondas, medias caña, cuadradas y triangulares. Tienen muchas formas y tamaños de dientes.
(a) Matafilos de acero
de alla velocidad
(b)Matafi!os de carburo
671
(e) Lima
giratoria
t '
fHGURA 23.30
Matafilos. Fuente: The Cooper Group.
Aunque el limado se acostumbra hacerlo a mano, se consiguen diversas máquinas con funciones automáticas para obtener grandes capacidades de producción, donde las limas van y vienen hasta a 500 carreras por minuto. Las limas de cinta están formadas por segmentos, cada uno ele unos 75 mm (3 pulg) de longitud, remachados a una cinta flexible de acero, y se usan en forma parecida a las sierras de cinta. También se consiguen limas de disco. Las limas rotatorias y matamos rotatorios (fig. 23.30) son para aplicaciones especiales, como quitar material en matrices o dados, rebabeado, borrado de rayaduras, guitar cscarilla y producir chat1anes en ,las piezas. Estos cortadores suelen ser cónicos, cilíndricos o esféricos y tienen varios perfiles de diente. Su acción de corle, que se parece al de los escariadores, quita pequeñas cantidades de material. Las velocidades de rotación van de 1500 rpm para corte ele acero con limas grandes, hasta 45,000 rpm para magnesio, con limas pequeñas.
23.8 FAB
DE
ENGRA~~
POR MAQUINADO
En las partes ll y m se describieron varios procesos de fabricacióo o producción de dientes de engranes sobre diverso' componentes. Los engranes se pueden fabricar por fundición, forjado, extrusión, estirado, laminado, metalurgia de polvos y troquelado de láminas (para fabricar engranes delgados, como los de los relojes de pulso y otros pequeños). Los engranes no metálicos se pueden fabricar por moldeo por inyección y por fundición (capítulo l8). En ia fig. 23.31 se explica la nomenclatura establecida para los engranes rectos de evolvente. FoGURA 23.31
Nomenclatura para un engrane recto cie evolvente.
672
Capítulo 23 /Procesos de maquinado para producir fom1as diversos SecCión 23.8 /Fabricación de engranes por maquinado
Los engranes pueden ser tan pequeños como los de los relojes de pulso, o tan grandes como de 9 m (30 pies) de diámetro. La precisión dimensional y el acabado superticial necesario en los dientes dependen del uso pretendido. Una mala calidad del diente causa transmisión ineficiente de energía y ruido, y afecta en forma negativa las características de fricción y de desgaste del engrane. Por ejemplo, los engranes usados en los submarinos deben tener una calidad extremadamente alta, para reducir el ruido producido y contribuir a que un submarino pase inadvertido. Hay dos métodos básicos ele fabricación de engranes, que implican el maquinado de una pieza bruta forjada o fundida: corte de forma y generación.
23.8.l Corte de forma En el corte deforma, la he!Tamienta de corte se parece a una fresa (cortador empleado en la máquina fresadora) con la forma del espacio entre los dientes del engrane (fig. 23.32a). La forma del diente se reproduce cortando la pieza bruta ele! engrane en torno a sn periferia. La fresa viaja en dirección axial, por la longitud del diente, a Ja profundidad adecuada para producir el perfil del diente. Después de cortar cada diente se retira la fresa, la pieza bruta se gira (se indiza) y se corta otro diente con ella. El proceso sigue hasta que se hayan cortado todos los dientes. Cada fresa se diseña para cortar cierta cantidad de dientes. La precisión del tallado de forma de rlicme depende de la precisión de la fresa y de la máquina y su rigidez. Aunque es ineficiente, el corte de forma se puede hacer en fresadoras, con la fresa montada en un {u·bol, y la pieza bruta (mamelón) para fabricar el engrane montada en un cabezal divisor.
~·
673
Como la geometría de la fresa es fija, el tallado ele forma sólo se puede usar para producir dientes con ancho constante, esto es, en engranes rectos o helicoidales, pero no en cónicos. Los clientes de engranes internos y los que están sobre superficies rectas, como en las cremalleras, se cortan en forma con una fresa ele forma en una máquina parecida a nna formadora. También con brochado se pueden producir dientes de engranes, y se adapta en especial a clientes internos. El proceso es rápido y produce un acabado superficial fino, con gran precisión dimensional. Sin embargo, como las brochas son costosas y se requiere una brocha aparte para cada tamaño de engranes, este método es adecuado casi en forma exclusiva para producciones en gran escala. Los dientes de engranes se pueden cortar en máquinas especiales con una herramienta de una punta, guiada por una plantilla de la forma del perfil del diente. Como se puede hacer la plantilla ele tamaño mucho mayor que el cliente, mejora la precisión dimensional. El corte de forma es un proceso relativamente sencillo, y se puede usar para cortar dientes de engranes de diversos perfiles; sin embargo, es un proceso lento y en algunas máquinas se requiere de la mano de obra especializada. En consecuencia sólo es adecuado para producciones pequeñas. Se pueden usar en forma eco-· nómica máquinas con funciones semiautomáticas para corte ele forma, y con producciones limitadas.
23.8.2 Generación de engranes La henamienta de corte que se usa en la generación de engranes p11ecle ser una de las siguientes: " Un cortador en forma ele piñón. <> Un cortador recto, en forma ele cremallera.
FIGURA 23.32 (a) Producción de dientes de engrane en una pieza bruta mediante fresado de forma. (b) Esquema de generación de engranes con una fresa en forma de piñón. (c) Esquema de generación de engrane en una formadora con fresa en forma de piñón. Nótese que la fresa va y viene en dirección vertico1I. (d) Ceneración de engrane con una fresa en forma de cremallera. (") (e)
Fresa de fonna
,___ ~u~i.Ho de la fresa /
~- ~.:_
Pieza bruta
Distanciador
Diente"' . .~ de::! engr;1oc
" Una fresa generadora o generan-iz ("hob", en inglés). a. El cortador en forma de piñón se puede considerar como uno de los engranes ele un par. siendo ei otro la pieza bruta (fig. 23.32b); se usa en máquinas llamadas.fresadoras de dentar (fig. 23.32c). La fresa tiene su eje paralelo al ele la pieza bruta, y gira con lentitud con ella, a la misma velocidad que la del círculo de paso en un movimiento de vaivén axial. Un tren ele engranes suministra el movimiento relativo requerido entre el eje de la fresa y el ele la pieza bruta. El corte se puede hacer en la carrera de bajada o la de subida ele la máquina. Ya que la holgura necesaria para el movimieato de la fresa es pequeña, el corte de forma es adecuado para los engranes ubicados cerca ele superficies que estorban, como bridas (como en la pieza bruta de la fíg. 23.32c). Se puede usar el proceso para producciones en pequeña y en gran escala. b. En un cortador recto la herramienta generadora es un segmento de cremallera (fig. 23.32d) que va y viene en dirección paralela al eje ele Ja pieza. Como no es práctico que tenga más de 6 a 12 clientes esa cremallera, el cortador debe desengranar en ciertos intervalos y regresar al punto de partida; la pieza bruta queda fija.
par:1 l:":ngr::i.nc ··
(h)
Círculo de paso
(d)
c. Una fresa generadora ele engranes (fig. 23.33) es básicamente un gusano o tornillo transformado en herramienta de corte, maquinánclole una serie de ranuras o entalladura, para formar los dientes cortantes. Al tallar un engranaje recto, el áugu!o entre la cremallera y la pieza bruta es 90º menos el ángulo de avance de las roscas del gusano. Todos los movimientos en esta generación son rotatorios, y la fresa generadora y la pieza giran en forma continua, casi como dos engranes que van embonando hasta que se cortan todos los dientes. Se consiguen fresas generadoras con una, dos o tres roscas. Si la fresa tiene una sola rosca y el engrane debe tener, por ejemplo, 40 dientes, se deben embonar la fresa y el husillo ele tal modo que la fresa gire 40 revoluciones mientras que la pieza bruta gire una revolución. De igual modo, si se usa una generatriz ele doble rosca, debería dar 20 revoluciones por cada giro de la pieza bruta. Además, la fresa generadora debe avanzar en dirección paralela a la del eje del engrane, una distancia mayor que el ancho del diente (fig. 23.31) para producir los clientes de un engrane recto. Las
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674 Capítulo 2J /Procesos de rnaquinc1do P
divers~1s SeC(:ión 23.8 /Fabricación de engranes por maquinado
675
Visla
(a)
(b)
Fre._r.;a Pieza bruta para engrane
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Fresa generad?rn •.
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flGURA 23 ..13
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FIGURA 23.34 (a) Corte de una pieza bruta para engrane cónico recto con dos fresas. (b) Cort·e de un engrane cónico curvo con una sola fresa_ Fuente: ASM lntemational.
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Esquema de las tres vistas de talhdo de un e!lgrcine con una fresn generadora. Fuente: '.iegéin
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mismas fresas generadoras y las mismas nuíquinas se pueden usar para conar engranes "'""c-01oa1cs. rnclinando el eje del husillo ele la generadora. Corno puedo producir una diversidad de engranes en forma rápida y con buena precisión dimen-· sional, en la industria se usa mucho la generación con fresa_ Aunque d proceso es adecuado para produccione,s cortas, es müs económico para volúmenes de producción de inte1rncdios a grande,,. Las máquinas generadoras también pueden producir engranes cónicos en espiral e hipoides. Al igual que en la mayor parte de las máquinas herramientas, fas generadoras modernas de engranes están controladas por computadora. Las máquinas de valios e_jes con control computarizado son capaces de generar nrnd10s tipos y tamaños de engranes, con fresas indizables.
23.8.3 Corte de engranes cónicos Los engranes cónicos rectos se pueden desbastar en un corte con una fresa de forma, en rnáguinas con divisores automáticos. A continuación se le termina con la forma adecuada en nn generador_ El método de generación es análogo al de la cremallera que ya describimos. Los cortadores van y vienen cruzando la cara del engrane cónico, como la herramienta en nn formador (fig. 23.34a). Las máquinas para engranes cónicos con dientes curvos funcionan con prácticamente el mismo principio. El (fig. cortador curvo riferia 23.34b ). es una fresa de refrentar con varias cuchillas de lados rectos que sobresalen de su pe-
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1
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23.B.4 Procedimientos
acabado de engranes
Tal corno salen de cualesquiera de los procesos que se describieron. el acabado superficial y la precisión dimensional de los dientes de engrane pueden no ser suficientes para ciertas aplicaciones_ Además, los engranes pueden ser ruidosos y sus propiedades mecánicas, como la vida de fatiga, pueden ser deficientes. Se dispone de varios procesos de acabado para mejorar ia calidad superficial ele los engranes. La elección del proceso está determinada por el método de fabricación usado, y de si los engranes se han endurecido por tratamiento térmico. Como se describió en el capítulo 4, el tratamiento térmico puede causar distorsiones eE las partes. En consecuencia, para tener perfiles precisos de dientes, los engranes tratados térmicamente se deben someter a las operaciones adecuadas de acabado. Afüado de dientes de erograroe (rasurado). El proceso de rasunido implica una fresa con Ja forma exacta del perfil del fliente terminado, que qui ta pequeñas cantidades de metal del diente. Los dientes de corte están ranurados o entallados en varios puntos en su ancho, y el proceso se parece al de brochado fino. El movimiento del cortador es de vaivén. El rasurado y bruñido (que se describirán después) sólo se pueden hacer en engranes con dureza 40 HRC o menor. Aunque las herramientas son costosas y se necesitan máquinas especiales. el rasurado es rápido y es el proceso más frecuente para dar acabado a los engranes. Produce diemes con mejor acabado snpedícial y mayor precisión en el perfil. Los engranes rasurados se pueden someter después a un tratamiento, para luego rectificarse para lograr mejor dureza. resistencia al desgaste y un perfil de dienle exacto. Bruñido por rodadura. También se puede mejorar el acabado superficial de los dientes de engrane mediante el bnn1ido por rociadura. Se comenzó a usar en la década do 1960, y consiste principalmente en un proceso de deformación plástica superficial (sección 33-2) que usa l.llla matriz especial de bruñido, endurecida, que somete a las superficies del diente a una acción de rodadura. El trabajo en frío de las superficies de diente mejora su acabado e induce esfuerzos residuales de compresión en la superficie de los dientes, y con ello su vida de fatiga. Sin embargo, la rodadura no mejora mucho la precisión del perfil de los clientes. Rectificado, honeado y !apeado. Para obtener la máxima precisión dimensional, distancia entre dientes. forma y acabado superficial, los dientes de un engrane se pueden rectificar, honear y !apear después (capítulo 25). Para formar o generar superficies de_ dientes de engranaje se usan piedras abrasivas especiales y acondicionadas, y la que se consigue con más frecuencia es la de forma de una costilla, En el rectificado de forma, la piedra tiene forma idéntica a la del espacio entre dientes (fig_ 23-35a). En la generadora, la piedra funciona en forma parecida a la de la fresa generadora que se describió arriba (fig. 23.35b).
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676
Capítulo 2.J /Procesos de maquinado para producir formas diversas Tendencias
(a)
(b)
Piedras de rectific:lr
677
Número AGMA de calidad (16) 14
(6) (4)
(17) 15 131211l098(7) (5)
100
10
§?
~ rectificar de una costilla
~
rectificar con
Posición a 15º o a 20º
varia.s costil!.:L'>
Posición a Oº
FIGURA 23.35 Acabado de eng1·anes por rectificado: (a) Rectificado de forma con piedras conformadas; (b) rectificado por generación con dos ruedas.
La herramienta de lm11eado es un engrane de plástico impregnado con partfculas abrasivas finas. E! proceso es más rápido gue el rectificado, y se usa para mejorar el acabado superficial. Para mejorar toclavfa más este acabado, los dientes rectificados se !apean con compuestos abrasivos, con una herramienta /apeadora en forma de engrane (de fundición de hie1rn o bronce) o un par de engranes correspondientes que se hacen funcionar juntos. Aunque las capacidades de producción son menores y los costos son mayores, estas opera ciones acabado son bastante adecuadas para producir engranes endurecidos de muy alta calidad . Lu-ga duración ydefuncionamiento silencioso.
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1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011 12
1 1
Número DIN de calidad
FIGURA 23.36 Costo de fabricación de engranes en función de su calidad. Los números en las líneas verticales indican las tolerancias. Fuente: Society of Manufacturing Engineers.
RESUMEt'~
23.8.5 Consideraciones de diseño para maquinar engranes Se pueden rewmir como sigue las consideraciones de diseño en operaciones de tallacJo de engranes:
" Se pueden maquinar formas complejas diversas con operaciones de fresado plano, de careado y frontal, así como por brochado y aserrado. El fresado es uno de los procesos más comunes, porque puede producir muchas formas en las piezas brutas. <>
a . Es irnporu1nte el disefio de las piezas brutas, en especial cuando los dientes son complicados; se debe prevet· la sujeción firme de las piezas a la máquina. b. La precisión dimensional y el acabado &Ltperficial especificados para los dientes de los engranes deben tener un margen tan amplio como sea posible, para que la producción sea económica.
" Las máquinas herramientas para estas operaciones están, en la actualidad, controladas por computado· ra y tienen diversas funciones y flexibilidad en su operación. q,
c. Los engranes anchos (ancho ele cara) son más difíciles de maquinar que los angostos. d. Se deben maquinar los engranes antes de montarlos en sus ejes. e. Se debe dar la holgura suficiente entre los dientes y las bridas, escalones y otms detalles de Jos engranes, para gue la herramienta de corte pueda trabajar sin interferencia.
Aunque estos tres procesos se parecen a otros, como el torneado, taladrado y barrenado, en la mayor p
Además, con los diversos procesos de formado y conformado que se describieron en los capítulos anteriores, los engranes también se producen por maquinado (corte de forma o generación); este maquinado produce engranes con mejor acabado superficial y mayor precisión dimensional. El acabado superficial y la precisión del perfil de los dientes se mejoran después con procesos de acabado como rasurado o afilado, bruñido, rectificado, honeado y !apeado.
f. Se debe procurar el uso de cortadores normales siempre que sea posible.
23.8.6 Economía de la producción de engranes Como en todas las operaciones de corte, el costo de los engranes aumenta en forma rápida al mejorar el acabado superficial y la calidad del producto (véanse también la fig. 25.33 y el capítnlo 40). En la fig. 23.36 se muestra el costo relativo de manufactura de los engranes en funeión de la calidad, especificada por los números AGMA (American Gear Manufacturers Association) y DIN (Deutsches Institut für Normung). Mientras mayor sea el número, la tolerancia dimensional de los dientes de engrane es menor. Obsérvese que el costo puede variar en un orden de magnitud.
TENDENCIAS • Se están diseñando y construyendo máquinas herramientas para fresar, brochar, aserrar y tallar engranes con más funciones controladas por computadora, que mejoran la productividad y la consistencia de los prodnctos, y a la vez reducen la necesidad de mano de obra muy capacitada. • Cada vez se acepta más el fresado de alta velocidad, en especial el de refrentado, porque aumenta la productividad, la calidad del producto y el control dimensional.. Relacionado con esta tendencia está el diseño y desarrollo de hnsillos ligeros con gran rigidez. • Se están diseñando y construyendo fresadoras tales que en una máqnina se combinan husillos verticales y horizontales (centro de maqninado, capítulo 24).
.....-678 C1p(tulo 2.3 /Procesos de maquinado pJra producir (ormJs diversas
Problemas cualitativos
679
" Las máquinas herramientas son ya de mayor potencia, velocidad de corte y rigidez. 23.10 ¿Por qué algunas seguetas tienen dientes alternados? " Hoy, los cepillos se están reemplazando por fresadoras de cepillar o máquinas .semejantes, controladas por computadora.
23.ll ¿Por qué algunas seguelas tienen clientes de carburo o de acero para alta velocidad? 23.12 Explique las razones para el uso de las limas.
Se cstün desarrollando fluidos de corte dando mayor atención a los aspectos ambientales y biológicos.
23.13 Explique la diferencia entre rasurado y bruñido. 23.14 ¿Qué ventajas tienen las fret::adoras de bancada sobre las máquinas de columna y consola en las operaciones de producción? 23.15 ¿Por qué el eje de Ja fresa generadora está indinado con el de la pieza brut".1 para engranaje?
CLAVE
23.16 Describa la diferencia entre acabar por rectificado de forma y por generación. 23.17 ¿Cómo se maquinan las ranuras en T?
Árbol AsGrrado Aserrado por fricción Brocha de empuje Brocha de lracción Brochado Brochado con giro Bn1fiir
Cepillado Corte al vnclo
23.18 ¿Cuál es la di!"erencia enlrc el fresado gemelo y el de forma?
Corte de forma Embutido profundu Entalladura Formado
23.19 ¿Qué es una fresa hueca? ¿Por qué se usan con frecuencia?
Fresado piano Generaci(ni de engranes Generador· de cremallera Honeado Lapcado Limado Matafilos
Fresa generadora ("hob") Fresado Fresado concun-ente Fresado de aita ve!ocicla
23.20 ¿Por qué es dificil asen-ar espesores pequeños?
23.21 ¿Qué es aserrado por f'iicción? 23.22 Describa el movimi-ento de una l'resa generadora. 23.23 ¿Qué procesos de acabado se aplican a los engranes''
Rasurado o afilado de engranes Sujeción de pieza Triscado de dientes
PROBLEMAS CUALITATIVOS 23.24 Explique por qué el brochado de tos muñones de cigüeñal es una alternativa atractiva de otros procesos de maquinado. 23.25 En este capítulo se pre.sentaron varios Jjncamientos para las diversas operaciones de coite. Describa los motivo~ de estos lineamientos.
Arnone, ~v'i., f"fi¡.)1 Pe1:f(Jrmance Nlachining. Hanscr, 1998. AS'.l/tJ fhrndhook, vol. J6: 1!1achining. /\SM Yn!ernationai, 1'!89. Booíhroyd, V{A. Knigbi', mid Mac/!ine Tóols, (2a_ Ed.). Marce! Dckkcr, 1989. Brown, J., Advan.ccd Machining Technolof?y ffandboo/c McGrnw-Hili, 1998. Ewtit, R.H.. Chapman & Hall, 1997.
23.26 En las operaciones de fresado con máquinas de husiilo horizonlal y vertical, ¿.cuál de. ellas puede mantener mejor la precisión diluensiunal? ¿Por qué? Stephcnson, D.A. y J .S. Agapiou. Meial Cutting f'heo1}' wui Practice. Marccl l)ekker, 1996.
M(t
McGrnw-Hill. 199 J.
The Fundamentals.
!Vlachinery's ffandbook. h1dustrial Prc.ss, rcvised periodical!y. A1achining Dala Handhook. (3a. Ed.). 2 voJs. Machinability Da1:1 Cen1er, J 980.
Ed.J, voL l:
Englneers, i 083.
Townsend, D.P.. Dud!ey's Gcar Handbook: The [)e.\·i_s11, 1Vll111.1.11ac¡u.rm•;:, and /lpplicúfion (4· Ge<írs, ('la. f~d.). \VaJsh, R.A., McGraiv-l!ill !vfachinf12g and AfeíahwJrking Handbook. McGraw-HilJ, 1994.
·------·---.._
UNTAS
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23.27 ¿Qut semejanzas y diferencia::; hay en tronzar con una fresa y con Lma segueta?
23.28 ¿Por qué los engranes maquinados se deben sujetar a operaciones de acabado? ¿Cwíl de los procesos de acabado no es adecuado para dientes endurecidos ele engrane? ¿Por qué? 23.29 ¿,Cómo reducida t1stcd Ja rugosidad superficial de la fig. 23.7a?
23.36 ¡,Por qué son tan útiles las máquinas como la ele la fig. 23. 18? 23.31 Describa un producw que se pueda fabricar con eliciencia en' la máquina de la fig. 23.19. 23.32 ComenLe sus observaciones ao2:rca de los diseños de la fig. 23.21 y sobre la ulilldad de las operaciones de hrocbudo.
23.33 Explique cómo se puede iniciar el calado en una sierra de cinta como la de la fig. 23.27d. 23.34 En la fig. 23.29a, los dientes de acero rápido están soldados ~luna segueta de acero. ¿Recomendaría usted fabricar toda la segueta con acero de alta velocidad? Explique por qué. 23.35 Describa sus ob.o;crvacionc,<; acerca de las recomendaciones ele Ja tabla 23.4 y explique por qué se hicieron estas recomendaciones. 23..36 Describa los factores que contribuyen a la foerza de brochado, y explique por qué lo hacen.
23.J ¿Por qué el fresado es un proceso versátil de maquinado?
23.37 Describa las condiciones bajo las cuales el brochado se prefiere como método de maquinado.
23.2 Describa los distintos tipos de fresas, con una aplicación para cada uno.
23.38 Haga una lista de los factores que intervienen en el costo de producción de engranes mediante operaciones de maquinado, y explique esos factores. También tenga en cuenta la cantidad de engranes que se van a producir.
23.3 ¿Cuáles son las ventajas de los dientes helicoidales sobre los dientes rectos, en las herramientas para fresado plano'' 23.4 Describa las características relativas del fresado concurrente y el convencional.
23.39 Explique si las marcas de avance que quedaron en la pieza de la Fíg. 23. 15a al fresarla de careado son segmentos circulares reales. Describa los parámetros que tuvo en cuenta al contestar esta pregunta.
23.S ¿Cuáles son las diferencias en las operaciones de cepillado y fonnado, y de su aplicación?
23.40 Con esquemas adecuados, explique las diferencias y las semejanzas entre rasurado, brochado y brochado con giro.
23.6 Explique por qué el proceso se usa con frecuencia. Describa algunas de sus aplicaciones características.
23.41 ¿Considera usted que los procesos de maquinado que se describieron en este capítulo son procesos a forma neta'! Ex-
23. 7 Describa las características de una herramienta para el proceso de brochado y explique sus funciones. 23.8 ¿Por qué el aserrado se usa con frecuencia? ¿Tiene algunas limitaciones? Explíquelas. 23.9 Explique por qué las sierras de arco no son tan productivas como las de cinta.
23.42 ¿Por qué el fresado lateral es un proceso tan versátil? Explíquelo con ejemplos.
plique por qué, con ejemplos adecuados. 23.43 En el fresado y aserrado, podría ser benéfica una distancia variable entre los dientes ¿Por qué? 23.44 ¿Qué determina la selección de la cantidad de dientes en una fresa? Explique con detalles.
......-680
C1pHulo 2J /Procesos de maquinado par
Síntesis y diseño 23.45 Haga una lista, con explicaciones, de los factores que contribuyen al mal acabado superficial en los procesos que se: describieron en este capítulo. 23.46 Explique Jas razones probables por las que una navaja corta mejor cuando se le da un movimiento ele vaivén. Tengii
en cuenta factores como el material que se corta, Ja fricción y las dimensiones del corre. 23.47 Haga comentarios sobre el efecto de los ángulos de alague positivos y negativos del inseno sobre el consumo de po. tencia en operacÍone.s de fresado de refrentado.
23.48 Las emulsiones que se usan en las operaciones de fresado tienen una conccntrnción un poco mayor de aceite gue las que se usan en las operaciones de torneado. ¿Por qué?
681
23.69 Se hará una operación de fresado plano en una pieza de 250 mm de longitud y 50 mm de ancho, usando una fresa helicoidal de 75 mm de diámetro, con 10 dientes. Si el avance por diente es 0.2 mm, y la velocidad de cone es 0.75 mis. calcule el tiempo de maquinado y la rapidez de remoción de metal, para quitar 6 mm ele la superficie de esta pieza. 23.70 Se fresará una pieza de 10 pulg x 1.5 pulg con una fresa de 3 pulgadas de diámetro con cinco insertos de carburo cementado. Se usará una velocidad de husillo de 100 rpm, un avance de 0.01 pulg/diente y una profundidad de corte de 0.1 pulg. Calcule el tiempo de maquinado y la rapidez de remoción del material.
23.71 Con los datos del problema 23.70, calcule el avance por diente y la rapidez de remoción de material. si el tiempo deseado de maquinado es 1 minuto.
23.49 ¿Hay algún límite de tamaño de las piezas que se van a aserrar? Explique por qué. 23. 50 ¿Por qué es difícil usar aserrado por fricción en metales no ferrosos')
23.72 Calcule los intervalos de tiempos normales de maquinado para el fresado de refrentado de una pieza de 10 pulgadas de longitlld por dos pulgadas de ancho, con 0.1 pulg de profundidad de corle, hecha de los siguientes materiales: a) acero al bajo cm·bón. b) aleaciones de titanio. c) aleaciones de aluminio y d) termoplásticos.
23.51 ¿Cuáles son las ventajas y desventajas de las brochas de tracción y de empuje? 23.52 Explique por qué la herramienta de corte se puede desconchar o romper con facilidad durante el fresado concurrente. 2:3.53 ¿Recomendaría usted brochar un cuñero en un engrnnaje antes o después de maquinar los dientes? ¡,Por qué') 23.54 ¿Qué operaciones se pueden efectuar en un taladro vertical que no se puedan hacer en una fresadora? 23.55 ¿Qué recomendaría para maquinar colas de milano en álabes para compresor de aire''
PROBLEMAS CUANTITATIVOS
SÍNTESIS Y DISEÑO
------------
23.% Si usa una lima rotatoria cilíndrico para hacer un bisel a lo largo de la arista de una pieza recta de metal. ¿yué tipo de acabado superficial se producirá? Con esquemas adecuados describa los efectos del diámetro, rpm y cantidad de dientes de la hcmnnicnla, de la velocidad de la piela y cualqLLier o!ro parámetro que influya sobre el acabado supcrl]cial 23.57 extremo. Sugiera métodos para colocar insertos de carburo en fresas de diversos discíios, incluidas las de fresado frontal n d,o 23.58 Al describir las operaciones de brochado y el disefio de herramientas para el brochado no presentamos ecuaciones para avances, velocidades, rapidez de remoción de materiales, etc., como lo hicimos en las operaciones ele cilimlndo y Je fresado. fü!udie las figs. 23.21 a 23.24 y deduzca esas ecuaciones. 23.5? En las operacione:; de fresado, el !iempo lota] de corte se puede ver muy inlluido por a) la magnitud de la distancia i, sin corte, que se ve en las figs. 23.4 y 23.5, y b) por la relación del ancho de corte, w entre el diámetTo de la fwsa D. Trace esquemas de varias combinaciones ele estos parámctTos, indique dimensiones, seleccione avances, velocichdcs de corle, etc., y calcule el tiempo totai de corte. Haga comentarios sobre sus resultados. 23.1íll Una operación de fresado plano se hace a cicna velocidad de corte (la velociclac! superficial de la fresa) y a cienc av;wcc por dieme. Explique el procedimiento para calcular ia velocidad requeiida en Ja mesa. 23.61 Demuestre que la distancia ( en el fresado plano es
VDd para casos en donde D
23,62 dir::ntc? En el ejemplo de la sección 21.2. l, ¡,cuál o cuáles de las can!idades se afectarán al aumentar el avance a f
2~.63
>>
d.
23.73 Se debe maquinar la parte de la fig. 23.3 partiendo de una pieza rectangular. Sugiera la o las herramientas necesarias, los '.mportes requeridos y los tipos y orden de operacíones por ejecutar_ Comente su respuesta en términos de material de pieza, comparando, por ejemplo. aluminio con acero inoxidable. 23. 74 Con referencia a la fig. 23.3, ¿preferitía maquinm· esta parte de una piew bruta preformada a forma casi neta, y no de
una pleza bruta rectangular? En caso afirmativo, ¿cómo prepararía esa pieza bruta?, ¿cómo influiría la cantidad de partes por producir en su respuesta? 23.75 La parte de la fig. 23.3, ¿se podría maquinar con cualquiera de Jos procesos descritos en el capítulo 22? Explique por qué. 23.76 Suponga que es un profesor de la materia que se explicó en este capítulo, y que va a poner un examen sobre los aspectos numéricos, para evaluar la cornprensión de los alumnos. Prepare varios problemas c:uantitativos y calcule Jos
resultados. 23.77 En algunos manuales aparecen tablas de lo que hay que hacer y no hay que hacer en las operaciones de maquinado y el equlpo trnado. Consulte las publkaciones disponibles y prepare esa tabla para operaciones de fresado.
23.78 Con esquemas adecuados, describa los principios de diversos métodos y dispositivos de fijadón que se puedan usar en los procesos que se describieron en es!e capítulo. 23.79 Haga una tabla detallada de las posibilidades de los procesos descritos en este capítulo. Use varias columnas para en-
iistar las máquinas que se emplean, tipos y materiales de heITamientas, formas de ias piezas brutas y las partes producidas. tamaños máximos y mínimos típicos) acabado superficial, tolerancias dimensionales y velocidades de producción. 23.80 Con base en los datos obtenidos en el problema 23.79, describa sus ideas acerca del procedimiento a seguir para de-
·e
O.O: pulg/
Calcule la profündiclad de corle t,., y el par en el ejemplo de la sección 23.2. l.
terminar qué tipo de máquina herramienta se debe selcccíonar para maquinar una pieza determinada. 23.81 En eJ maquinado, una de las tendencias es el uso cada vez mayor de los soportes flexibles. Haga una investigación bibliográfica en Internet acerca de soportes flexibles (fiexiblefixturing) y resuma lo que encontró.
23.M fatime el tiempo necesario para fresar de careado un bloque de latón de 1O pulg de largo por 2 pulg de ancho. con una fresa de 6 pulg. de diámetro con 1O insertos de acero rápido.
23.82 En Internet obtenga especificaciones sobre las fresas más pequeñas y las más grandes disponibles. y compare sus resultados con In..:; obtenidos por sus compañeros de clase.
23.65 Una placa de 10 pulg de largo por J pulg de espesor se cona en una sien-a de cinta a 150 pies/min. La sien-a tiene 12 pies por pulg. Si el avance por cliente es 0.003 pulg, ¿cuánto tardará eJ corte de la placa a toda su longitud?
23.83 A veces, se hace la operación de desbaste con palanquillas fundidas, antes de laminarlas (capítulo 13). Investigue y describa las posibilidades y tamaños de las desbastadoras.
23.66 Se va a usar una fresa generadora de rosca sencilla para cortar 40 dientes de un engranaje recto. La velocidad de corte es 120 pies/min y la fresa tiene 3 pulg de diámetro. Calcule la velocidad de rotación del engranaje recto.
23.84 Si hubiera que maquinar tableros de panal desplegado (sección 16.14) en una operación de fresado de forma, ¿qué haría usted para evitar que se torciera el metal laminado? Imagine tantas soluciones como pueda.
23.67 Suponga que en la operación de fresado de careado de la fig. 23.5. las dimensiones de la pieza son 5 pulg x 10 puJg La fresa tiene 6 pulg. de diámetro, 8 dientes. y gira a 300 rpm. La profundidad de corte es 0.125 pulg, y el avm1ce es 0,005 pulg/diente. Suponga gue la energía específica requerida para este material es 2 hp-minlpulg2 y que sólo el 75% del diámetro de la fresa actúa durante el cone. Calcule a) la potencia requerida, y b) la rapidez de remoción del mate1ial. 23.68 Si la distancia de acercamiento es O. l pulg, tanto para en!rnda como para salida de la fresa en una pieza, calcule eJ tiempo de co11e necesario para fresar toda la superficie en el problema 23.67.
Sección 24.2 /Centros de maquinado y de torneado
24
683
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nt s de maquinado y torneado, estructuras de áquinas herramientas y onomía del maquinado introducción Centros de maquinado y de torneado Estructuras de m<íquinas herramienlas Vibración y traqueteo en ias oper;iciones de maquinado l:conomía
dei maquinado
24.'I En este capítulo seriín dcscrito.s los principales desarrollos en el diseño y posíbilidadcs ele: las rnm¡uinas !JerramienlJs controladas por computadon1. Estas rrdquinas se llaman centros de 1m1q11Ji.nacfo v ele iorm~ado, y tienen la flexibilidad y versatilidad que otras carecen; en consecuencia, ,,e han rnll-
vertido en la primera alternativa en !a sdección de rn;k¡uinas herramientas. También se describen en este capítulo los aspectos de materiales y diseño de las nüquinas como estructuras, y una reseña de nuevos desarrollos en el uso de diversos matericoJes simples y compuestos en su constrncción. Entre estos desarrollos está una mejor comprensión del desempeño de las máquinao; herramientas, en especial respecto a su~ caracteríf)ticas de rigidez, v~bración, traqueleo y amortiguanii!'nío. Son consideraciones importantes, no sólo para la precisión dimensional y la calidad de Jas superficies producidas, sino también por su influencia sobre la duración de !.as herramientas y Ja economía general del maquinado. La úWma sección ele este capítulo describe la economía de las operaciones de maquinado, y se identifican lo.> factores que contribuyen a los costos; también se describe un análisis sencillo de minimización de costos.
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FIGURA 24.1 Ejemplos de piezas que se pueden maquinar en centros de maquinado, con varios procesos, como c'ilindrado, careado o refrentado, fresado, taladrado, mandrinado, escariado y roscado. Estas partes requerirían una diversidad de máquinas herramientas convencionales. Fuente: Toyoda Machinery.
Por ejemplo, nótese que en las partes de Ja fig. 24. J hay una variedad de características, y que en todas sus superficies se requieren distintas clases de operaciones de macquinado, como fresado, careado, perforado, taladrado, escariado y roscado, con objeto ele obtener ciertas tolerancias dimensionales y acabado superficial especificados. Ninguna de las máquinas herramientas que se describieron en Jos capítulos 22 y 23 podría producir sola esas pmtes completas. En fom1a tradicional, las operaciones de maquinado se ejecutan pasando la pieza de una a otra máquina basta terminar todo el maquinado. Es un método viable de manufactura que se puede automatizar en gran parte; es la base ele las lfoeas de transferencia. Estas líneas de transferencia, que son frecuentes en la pIOducción ele grandes cantidades, o en masa, consisten en valias máquinas herramientas dispuestas en un orden (que se describirá en la sección 38.2). La pieza, que puede ser un bloque de motor de automóvil, pasa de estación a estación, y en cada estación se efectúa una operación específica de maquinado. A continuación, la pieza pasa a la siguiente máquina, para otra operación, y asi sucesivamente. Sin embargo hay productos y casos en donde no son posibles o económicas las líneas de transferencia, en especial cuando se cambian con frecuencia las clases de productos por maquinar. Un concepto importante, desmTollado a fme.s de la década de 1950, es el de los centros de maquinado. Un centro de m::u:quina1fo es una máquina herramienta controlada por computadora capaz de efectuar diversas operaciones de corte sobre diversas superficies y distintas direcciones en una pieza (fig. 24.2). En general, la pieza es estacionaria y las herramientas de corte giran, como en las operaciones de fresado y taladrado. FIGURA 24.2 Centro de maquinado con husillo horizontal y cambiador automático de herramientas. Los cargadmes de herramienta pueden guardar 200 herramientas. Fuente: cortesía de Cincinnati Milacron, \ne. Almacén Je herramienta.-.
Bra¿o cambiador
Hcrramientm, {cort
Soporte
del husillo
Tablero de control numérico con ,Computadora
24,2 CENTROS DE MAQUINADO Y DE TORNEADO Mesa
En las descripciones de los procesos individuales de maquinado y de las irníquinas herramientas en los capítulos anteriores, se hizo notar que cada máqr.ina, independientemente de lo mucho que esté automatizada, se diseña para efectuar básicamente un solo tipo ele operación. También se ha dicho que en la manufactura, casi todas las partes requieren varios maquinados distintos en sus superficies.
682
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684
Cilpítulo 24 /Centros ele maquinado y ele torneado, estructuros de máquinBs her·romientas y economio del moquinado
Sección 24.2 /Centros de maquinado y de 10rneado
(a)
(b)
Centro de \ mHquinado
IK/
Columna viajera
685
. Centro de maqumado
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Husillo-·-
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o.oi / " d ePortador "pallet"
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(oBBBJº y º~:Ln
Bancada
Zona de "pallels"
"Pallet''
de
~reparación
"Pallet"
FIGURA 24,4 (a) Esquema de vista superior de un centro de maquinado con husillo horizontal, donde se ven la zona de "pallets" (tarimas), la estación de preparación para un "pallet", el portador del "pallet" y un "pallet" activo, en operación (directamente abaio del husillo de la máquina). (b) Esquema de dos centros de maquinado con una zona común de "pallets". En estos sistemas son posibles varios arreglos, Fuente: Hitachi Seiki Co., Ltd. FIGURA 24.3 Esqucm;i de un centro de maquinado de cinco ej'2s. Nótese que además de los tres movimientos lineales, se: puede inclinar {girar) fa tarima respecto él dos ejes, permitiendo maquinar form¿1s complicadas, corno las que se ven en Ja flg. 24.1. Fuente: Toyoda /V1achine1·y.
El desa1Tol.lo ele los centros de maquinado se relaciona en forma íntima con lo:; progresos en el control comput.arizaclo de máquinas herramientas, que detallaremos en el capítulo 38. Recuérdese que como ejemplo de los avances en los tomos modernos, la fig. 22. !0 mostraba un torno con control numérico (centro de torneado) con dos toJTetas, con varias he1rnmientas de corte pHra cilindrar, carear, barrenar y roscar. La pie7;¡ en un centro d.e maquinado se coloca en un "pallet"(tarima) o módulo que se puede rn(lver e inclinm· (orientar) en varias direcciones (fig. 24.3). Después de haber tennirrndo determinada operación de corte, la pieza no liene que pasar a otra máquina, como se hacía tradicionalmente, para las siguientes operaciones, como taladrado, escariado o machuelado. En otras palabras, las herramientas y la máquina van a Ja piczn. Después de haber terminado todas las operaciones de corte, el "pallet" sale automáticamente con ia pieza terminada y se coloca a la entrada de otro módulo mediante cambiadores automáticos ele "palkt" (fig. 24.4). Todo,; los movimientos están controlados por computadora y Jos tiempos de cambio de "pallet" son del orden de 1O a 30 segundos. Las estaciones de mesas inclinables tienen varios módulos que dan servicio al centro de maquinado. Tarnbién, las máquinas pueden tener varias partes antomáticm;, como por ejemplo, dis .. positivos para cargarlas y descargarlas. Un centro ele maquinado tiene un cambiador automático de herramienta programable. Dependiendo del diseño, hasta 200 herramientas de corte pueden ser almacenadas en un cargador o carrusel, tambor o cadena (almacén de herramientas). En algunos centros especiales de maquinado se dispone de almacenamiento auxiliar ele herramientas, con capacidad para muchas herramientas más. Las herramientas de corte se seleccionan en forma automática con acceso aleatorio, para que su trayectoria al husillo ele Ja máquina sea el más corto posible. El brazo cambiador de herramienta que se ve eri la fig. 24.5 tiene un diseño que se usa con frecuencia (véase también la fig. 24.2). Gira y toma determi'nacla herramienta (cada heJTamienta tiene su portaherrnmienta) y la coloca en el husillo. Las herramientas se identifican con etiquetas en clave o con chips de memoria pegados directamente en los portaherramientas. Los tiempos de cambio de herramienta suélen ser de 5 a 10 segundos; pueden ser menores que un segundo para las hemunientas pequeñas, o hasta de 30 segundos, cuando las herramientas pesan 110 kg (250 lb). La tendencia en el empleo ele cambiadores de herramienta es hacia el uso de mecanismos más simples para tener menores tiempos de cambio ele herramienta.
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Los centros de maquinado pueden tener una estadóll de prueba de herramienta y/o de pieza que envía información al control numérico computarizado para compensar cualquier variación en las posiciones o en el desgaste ele la herramienta. Los palpadores (fig. 24.6) se pueden insta'lar en forma automática en un portaherramientas (que se describirá en las secciones 36. l l, 38.3 y 38.4) para determinar superficies de referencia de la pieza, seleccionar posiciones de heJTamienta e inspeccionar en línea las piezas que se maquinan. En la fig, 24.6, nótese que se pueden tocar varias superficies (véase también tecnología de sensores, sección 38.8), y que se pueden determinar sus posiciones relativas y almacenar en la base de datos del programa de cómputo. Después, los datos se Ltsan para programar las trayectorias de la herramienta, y compensar la longitud y diámetro de la herramienta, así como por desgaste de la misma, en máquinas más avanzadas
24.2,1 Tipos de centros de maquinado y torneado Aunque hay vaiios diseños de centros de maquinado, los dos tipos básicos son de husillo vertical y husillo horizontal; muchas máquinas pueden usar los dos ejes, Las dimensiones máximas que pueden estar al alcance de las herramientas en torno a una pieza, en un centro de maquinado, se llama volumen de trabajo o envol· vente de trabajo; este término se usó por primera vez en relación con los autómatas o robots industriales (sección 38.7).
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...--Sec'ción 24.2 /Centros de 636
!l'1aquin~do y de torneado
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Cctpítulo 24 /Centros de maquin;,1do y ele torne<·1do, estructuras de máquinas herramientas y economía del mJ.quinJdo
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(el) Variación de longitud de herramienta
(e) Compensación por di:ime1ro
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FIGURA 24.7
Centro de 111aqu"1nado con husillo vertical. El cargador de herr:1111íentas está a 10 izquierda {k la
máquina. El operador pu<'de girar ,.,1 tablero de control del lacio derecho. Fuente-. cortesía de Cincinnati lvlilacron, lnc.
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flGURA 24.{e Palpadores que se usan en centros de maquinado para determinar las posiciones y superfícies de piezas y hermrnientas, en relación con !a mesa o la columna de Ja máquina. (a) Palµador para determinar la posición X-Y (horizonlal de una picz.a. (b) Det"m1inación de la altura de una superficie. horizontal. (e) De1:er111inadón de la poo,ición de la superficie de una fresa en el plano (por eiemplo, paa compensar el di{imet.ro de la fresa). (d) Deterrninación de la longitud de una herramienta para. tener en fuenta su variación. Fuenle: Hitdchi Seiki Co., Ud.
Los cen!nls de maquinado de husillo vertical, o centros de maquinado vertical son adecuados para efectuar di versas operaciones de maquinado en superficies planas con cavidades hondas, por ejemplo, en Ja fabricación de moldes y matrices o dados. En la fig_ 24. 7 se muestra una de estas máquinas, que se parece a una fresa de hLtsillo vertical. El carrusel de herrnmientas está a la derecha de la figura, y todas las operaciones y movimientos se dirigen y modifican a través del tablero de control computarizado del lado derecho. Como en el maquinado vertical los empujes se dirigen hacia abajo, estas máquinas tienen gran rigidez y producen piezas con buena precisión dimensional. En general, son menos costosas que las de husiilo horizontal. Los centros de maquinado de husillo horizontal, o centros de maquinado horizontales, son adecuados para piezas grandes y altas, que requieren maquinarse en varias de sus superficies. El módulo se puede inclinar respecto a ejes diferentes (fig_ 24.3) y ocupar diferentes posiciones angulares. Otra categoría de máquinas de husillo horizontal es la de centros de torneado, que son tornos controlados por computadora con varias funciones. En la fig_ 24.8 se muestra un centro de torneado con tres torretas y un control numérico computarizado. Esta máquina tiene dos husillos horizontales y tres torretas equipa-das con una diversidad de buriles, para efectuar varias operaciones en la pieza.giratoria.
flGlJRA 24.!l
EsquernJ dre un centro de torne.ido con tres torretas (revólveres), dos husillos y con control
num(:rico por computador.¡_ Fuente: \--litachi Seiki Co., Ud. Cabezal de la torreta #2
~,_.--
681l
Capítulo 24 I Centros de maquinado y de torneado, estructuras de máquinas herramientas y economío del maquinado
Los centros universales de maquinado tienen husillo verticai y horizontal, a la vez. Tienen varias fon. ciones y son capaces de maquinar todas las superficies de una pieza: verticales, horizontales y diagonales.
Sección 24.2 i Centros de rnaquinado y de torneado
Cubierta total
689
Cubierta superior
I
\
Brazo automático cambiador de
24.2.2 Características y posibilidades de los centros de maquinado Las principales características de los centros de maquinado son las siguientes: " Pueden manejar una diversidad de tamaños y formas de pieza, con eficiencia, economía y gran precisión dimensional repetitiva; las tolerancias dimensionales son del orden de ±0.0025 mm (0.000J pulg). <>
Son versátiles y tienen hasta 6 ejes de movimiento lineal y angular, y pueden cambiar con rapidez de un tipo de producto a otro, por lo que se reduce niucho la necesidad de varias máquinas herramientas y la de espacio de piso. FIGURA 24.9 t.squema de un sislerna de recolección de viruta en un centro de maquinado con husillo horizontal. Las virutas que caen por gravedad se juntan en los dos transpmtadores horizontales, que corren en los canalones inferiores. Fuente: Okuma Madiinery Works Ltd.
" Se reduce el tiempo requerido para cargar y descargar las piezas, cambiar las herramientas, medir y iocalizar fallas, por lo que mejora la productividad, se reduce la mano de obra necesaria (en especial de la capacitada) y se minimizan los costos de producción. " Son muy automatizados y relativamente compactos, por lo que un operador puede atender a dos o rn~s máquinas al mismo tiempo.
de virnta
telescópica angular
·m Tienen dispositivos de vigilancia del estado de la herramienta (sección 20.7.5) para detectar una rotura
o desgaste en ella, así como sensores para compensar el desgaste de las herramientas y para posicionar éstas. " Hoy en día, las funciones de los centros de maquinado incluyen ias mediciones e inspecciones en el proceso, de las piezas que se maquinan. Los centros de maquinado se consiguen en una gran va11.edad de tamaños y con una gran variedad de f'unciones; sus costos en dólares van desde unos 50,000 hasta l millón de dólares o más. Sus capacidades nornw/cs van ha:;tn 75 kW (lOO hp) y las velocidades máximas de husillo están entre los límites de 4000 a 8000 rpm; algunas S"111 hasta de 75,000 rpm, en aplicaciones especiales que usan herramientas de pec¡uefi.o diüme1ro. Algwrns rnesas inclinables son capaces de soportar piezas que pesen basta 7000 kg (15,000 lb), aunque para aplicaciones cspecjales se consiguen 111ayores capacidades. En la actualidad se construyen muchas máquinas en forma modllllar, de tal modo gue se pueden insta .. lar y modificar diversos equipos y accesorios periféricos, según se necesite en los cambios de productos. Los cambios de producto son un aspecto principal en la manufactura integrada por computadora, como se clescribiní en !a parte vm. Por la gran productividad de los centros de maquinado, se producen en ellos grandes cantidades de viruta, gue se debe recolectar y desechar en forma adecuada (sección 22.3.13). Para la recolección de vimta hay varios diseños, y en la fig. 24.9 se ve un ejemplo. Nótense los dos bandas transportadoras de viruta en la parte inferior del corte transversal de un centro de maquinado con husillo horizontal. Estas bandas u·ansportadoras en especial son de tipo espiral (de gusano);juntan virutas a lo largo de dos canales y las entregan en un punto de recolección. En ou·os sistemas se pueden usar bandas transportadoras por cadena.
24,2.3 Selección de la máquina herramienta Los centros de maquinado pueden requerir grandes inversiones de capital, por lo que para ser económicos deben usarse, en general, cuando menos durante dos tumos diarios. En consecuencia debe haber demanda suficiente y continua de los productos que se elaboran en los centros de maquinado, para justificar su compra. Sin
embargo, por su versatilidad inherente, se puede producir en ellos una gran variedad de artículos, en especial en la manufactura justo a tiempo (sección 39.1 J). La selección del tipo y tamaño de los centros de maquinado depende de varios factores, entre los cuales están los siguientes:
" El tipo de productos, su tamaño y Ja complejidad de su forma. "' El tipo de operaciones ele maquinado gue se efectúen y la clase y cantidad de herramientas de corte neccsarjas.
" La precisión dimensional necesaria.
" El volumen de producción requerido. Aunque la versatilidad es el factor clave para seleccionar centros de maquinado, las consideraciones anteriores se deben ponderar contra la gran inversión de capital necesaria, y comparar los costos de fabricar los mismos productos con varias de las máquinas herramientas más u-adicionales.
Ejemplo: Maquinado de pistas exteriores .de rodamiento en un centro de torneado Las pistas exte~iores de ro~mí~rito (fig, 24~ .l 0) se maqui~an en un centro de tonwado, El roateríal de partida es tubo de acero 52100 ]amiríadoen .cafiepte.1e 91 )Jl!TI o,s92 pulg) d~ díá,metro exterior y 75 .5 mm
. (2,976¡Julg) .de. diá,\11~trqinterior. I,,aye!péídqdde corte.es.9;i.infmjn(3 BJ.Jiesl!JJin} en todas ias operacio• nes' odas la,s hetra)llientas so.n de carbu,rq,incluyendola de tr()hz¡¡r (la última ()pe.ración), qtie es de 3,1:8 nw1{~. pulg) !Ílg!ll' d~l s4.7ti,1Iµll.(~.~¡\l~# í,i~.¿<;~W ~J\'1Y~~ocjdadqu~sc; u,s~b~antes..... ...•. . ..
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. -691) Capítulo 24 /Centros de maquinado y dl' torneado, estructuras de máquinas herramientas y economía del maquinado
}-
1 Cilindrado de acabado del diárndro exterior
3 Ranurado interno con un
cortado/' de fon na rcdorida
4 Mnndríiwdo de ac;ihado de ranun.1 inleni:i y de Jr.:sba~te del cii:ímetro inlemo
5 R<:murado herr.1mient¡1 de y 'achaflanr,ido
6 Trnflzndo de fa pmie krl·nirmd,i; l;1 harr;¡ inclfoada rdcoge h pi:.;-ui dc:l rodamiento
f!GURA 24.IO
HERRAMIENTAS mercados ac!uales tienen rcquisilos cst,.jci.os de calidad y precisión en los productos manufacturados, qui' con frecuencia se fabrican con materiales diffciJes de maquinar y con especificaciones de precisión dimensional. acabado superficial e integridad de producto. En consecuencia, el disefio y la construcción de máquinas ht:1Tamientas son aspectos importantes de l:J ingeni<;rfo de manufactura. En esta sección se explican los aspectos de materialconvenientes. y diseño de las máquinas de herramientas, consideradas como estructuras que iienct1 ciertas caract¿rísticas
24.3.l Materiales El diseño de las estructuras de soporte o armazón de la bancada de las máquinas herramientas requiere de un conocimiento detallado de a) los materiales disponibles para su construcción, b) sus formas y propiedades, c) la dinámica del proceso de maquinado en particular, d) la magnitud y naturaleza de las fuerzas que intervienen, y e) la dilatación térmica de toda la máquina. Los materiales más comunes para estrncturas de soporte o armazón de la bancada son a) hierro colado o fundido gris, dúctil o nodular, b) acero forjado y c) concreto de polímero. Entre los desarrollos más recien· tes se incluye el uso de cerámicos y de compuestos de granito y epóxico. El hierro gris tiene las ventajas de bajo costo y buena capácidad de amortiguamiento, pero es pesado (sección 12.3). La mayor parte de las estructuras de máquinas herramientas se fabrican con fundición clase 40; algunas se fabrican con clase 50. Cada colada requiere un modelo (capítulo l !), cuyo costo aumenta mu· cho al aumentar el tamafio.
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Sección 24.3 /Estructuras de m.tiquinas herramientas
691
Los aceros snklados son la elección para obtener estructuras ligeras, por el bajo costo del acero, su disponibilidad en distintos tamaños y formas ele perfil (como canales, ángulos y tubos), sus buenas propiedades mecánicas y sus demás caracterfsticas favorables (como facilidad de deformación, de maquinado y de soldado). Por ejemplo, los tubos tienen una relación alta de rigidez a pew. Por otro lado, la mayor capacidad de amortiguamiento de las piezas fundidas y los materiales compuestos no se obtienen con los aceros. Sin en1bargo, una estructura bien diseñada y ensamblada de acero forjado, con todas sus juntas, puede tener una capacidad de amortiguamiento tm1 alta como las estructuras fundidas. Los concretos de polímero son mezclas de concreto triturado y plástico (polimelll-metacrilato, véase el capítulo 7). Se pueden moldear con facilidad a sus formas deseadas de bases y diversos componentes de máquinas. Se comenzaron a usar en la década de l 980, y se están desarrollando varias formulaciones nuevas. Aunque tienen buena capacidad de amortiguamiento, tienen baja rigidez, más 0 menos la tercera parte del hierro fundido clase 40, y b¡rja conductividad térmica. Sin embargo. se pueden usar estos materiales también en construcción en capas con hierros fundidos (colados), para combinar las ventajas de cada materia!. El concreto se ha usado para bases de máquinas herramientas desde principios ele 1970, en aplicaciones especializadas. Sin embargo, en comp¡u-ación con el hierro fundido, el concreto es menos costoso. su tiempo de curado es unas tres semanas (mucho menor que el necesario con las piezas coladas) y tiene buena capacidad de amortiguamiento. Sin embargo, el concreto tiene baja resistencia a la tensión y es frágil, por lo que no es adecuado en aplicaciones donde hayan cargas de impacto. También, el concreto se puede colar en estructuras con base de hierro fundido, para aumentar su masa y mejorar la capacidad de amortiguamiento ele la máquina herramienta. Un método eficaz de mejorar Ja capacidad de amortiguamiento es llenar las cavidades de las bases con arena suelta. Los componentes de cerámico se usan en máquinas herramientas avanzadas, por su resistencia, rigidez. resistencia a la corrosión, acabado superficial y buena estabilidad térmica (capítulo 8). Esos componentes se comenzaron a usar en Ja década ele 1980. Los husillos y los cojinetes se pueden fabricar hoy con nitruro ele si licio, con mejores características de fricción y desgaste que los materiales metálicos tradicionales. Además, la baja densidad de las cerámicas las hace adecuadas en los componentes de maquinaria de alta velocidad que sufren movimientos de vaivén rápidos, en los que se prefieren las bajas fuerzas inerciales, para mantener la estabilidad del sistema. Los materiales compuestos pueden estar formados por una mat1ü de polímero, metal o cerámica. con diversos materiales de refuerzo (capítulo 9). Se pueden adaptar las composiciones para obtener las propicd~, dcs mecánicas adecuadas, en !os ejes seleccionados de la máquina herramienta. Aunque son muy costosos y en la actualidad su uso es limitado, es probable que los materiales compuestos tienen importancia en maquinados ele gran precis.ión y alta velocidad. El gnmito-epóxico se ha desarrollado, con una formulación típica de 93% de granito triturado y 7'7o de aglomerante epóxico. Se usó por primern vez en rectificadoras ele precisión sin centros e internas (sección 25.6) a principios de 1980. Tiene varias propiedades favorables: a) buena facilidad de moldeo, que permite la versatilidad en el disefio de las máquinas herramientas; b) una relación alta de rigidez-peso; c) estabilidad térmica; d) resistencia al degradamiento por el ambiente, y e) buena capacidad de amortiguamiento (seccion 24.4.3). Es importante su compatibilidad con Jos petilles metálicos a los cuales se va a unir.
24.3.2 Diseño de las máquinas herramientas En general, las consideraciones importantes para las máquinas herramientas involucran los siguientes factores: diseño y construcción de la máquina. los materiales empleados, la construcción del husillo, la dilatación té1mica, el control ambiental y el control de movimiento. Entre otros parámetros adicionales están la selección de las herramientas de corte y las condiciones de procesamiento (como velocidades y avances), la vigilancia del estado de la herramienta y Ja compensación de errores. Rigidez y amortiguamiento. Entre los factores más importantes en las estructuras de máquinas herramientas están la rigidez y el amortiguamiento. La rigidez es una función ele las dimensi0nes y la geome-
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692 Capítulo 24 /Centros de maquinado y de tomeJdo, estructuras rfo rrniquinas hc,rramientas y economía del maquinado
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Sección 24.3 /Estructuras de máquinas herramientas
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FIGURA 24.11 Ejemplo de estructura de máquina herramienta. El diseño en forma de caja, de una sola pieza, con costillas diagonales internas, mejora bastante la rigidez de la máquina. Fuente: Okuma Machinery Works Ltd.
tría de !os cornponcntes estructurales, como el husiJJo, los cojinetes, el tren de accionamiento y las correderas, así como el módulo de elasticidad de los materiales empleados (tabla 2.2). Se puede aurnentw· 13 rigidez ele una máquina herramienta mediante mejoras en el diselio, como por ejemplo Ja estructura sólida de una sola pieza de caja que se ve en la fig. 24. 1J. Las costiilas interiores en diagonal contribuyen mucho a la tigidez de esta estructura en todas las direcciones, m.ojorando la precisión de movimiento. El amortiguamiemo depende de los materiales usados, así como de la cantidad y naturaleza ck las uniones (por ejemplo, soldadas o atornilladas) en la estructura (sección 24.4). Dilatación térmica. Un factor importante que contribuye a la precisión de una máquina herramicnt
gcnernclo en estas fuentes, así como la rápida eliminación de la viruta producida durante el maquinado. 2. Externas, de hornos o calen1adores cercanos, la luz solar y las fluctuaciones de temperatura mnbienle, incluyendo fuentes inesperadas, como las unidades de acondicionamiento de aire o de ventilación, o hasta que alguien abra una puerta. Tw11bién un factor importante es el uso de fluidos de corte, y es importante controlar la temperatura del fluido para mantener [a precisión dimensional. Estas consideraciones tienen especial importancia en el maquinado de precisión y en el ultrapreciso. incluyendo el torneado con diamante (que describimos en la sección 22.4), donde las tolerancias dimensionales y el acabado superlicial son, en la actualidad, del orden de los nm10metros ( 10-9 m). Las máquinas para estas operaciones de gran precisión cuentan con lo s.iguiente:
1. Diversas funciones de compensación de errores térmicos y geométricos en tiempo real, incluyendo el modelado del calentamiento y enf1iamiento, y la compensación electrónica para tener posiciones exactas de sinfines de bolas. 2. Cojinetes hidrostáticos de fluido para husillos. 3. Nuevos diseños para accionamientos de tracción o fücción, para movimiento lineal.
FIGURA 24.12 Correderas de acero fundidas en forma integral sobre la bancada de hierro gris, para un centro de maquinado. Por su mayor módulo de elasticidad, el acero produce mayor rigidez que la fundición de hierro. Fuente: Hitachi Seiki Co., Ltd.
4. Controles extremadamente finos de avance y posición, con uso de microactuadores. 5. Canales de circulación de fluido en la base de la máquina henamienta, para conservación de la estabilidad térmica. Los componentes estructurales de la máquina herramienta se pueden fabricar con materiales ele gran estabilidad dimensional y baja dilatación térmica, como Superlnvar, granito, cerámicas y materiales compuestos (sección 24.3.2). Tambi,3n, el reacondicionamiento de las máquinas herramientas antiguas es una opción viable pw·a mejorar su desempeño. Térnicas de ensamble. Entre los avances recientes en las técnicas de ensamble (parte V) están la fundición integral y el pegado con resina. En la fig. 24. l 2 se ve un ejemplo de la fundición integral. Se usa una tecnología híbrida de fundición en la que una guía de acero es vaciada en forma integral sobre una bancada de l1ierro gris. El acero proporciona mayor rigidez. porque su módulo ele elasticidad es mayor que el del hierro, y proporciona mayor durabilidad. El pegado con resina también es utilizado para ensamblar máquinas herramientas, donde en forma tradicional se usa sujeción mecánica y soldadura. Los adhesivos tienen características favorables para la construcción de máquinas herramientas, no requieren preparación especial y son adecuados para ensamblar los componentes no metálicos y metálicos de la máquina (véase también la sección 30.4). Correderas o guías. Para prepm·ar las correderas de una máquina henamienta se deben superar muchas dificultades. La corredera sencilla de hierro gris, que es la más común, requiere mucho desbaste manual para hacerla geométiicamente correcta y duradera. También se investigan diversos materiales, incluyendo los epóxicos moldeados, teflón y materiales a base de polímeros (capítulo 7). Los movimientos de diversos componerttes de una máquina herramienta a lo largo de varios ejes han incorporado, en forma convencional, tomillo sinfín de bolas, accionamientos de tomillo rotatorio y motores rotatorios. Sin embargo, este sistema de componentes mecánicos y eléctricos tiene varias desventajas, como limitaciones de velocidad, restricciones de longitud, efectos de inercia, juego libre y otros enores, desgaste de los componentes y baja eficiencia. La gran tendencia actual es hacia los accionamientos de motor lineal. Un motor lineal es como un motor eléctrico rotatorio físico que se ha desenrollado. Las superficies deslizantes en estos accionamientos están separadas por un espacio de aire, y la carga se soporta con fuerzas magnéticas; es el mismo principio que se aplica en algllllos sistemas de transporte terrestre de alta velocidad, en donde los vagones se sostienen por levitación magnética. En las máquinas herramientas, los accionamientos de motor lineal tienen las siguientes ventajas:
694
C1pÍlulo 24 / Cenlms de maquindclo y de torneado, estructuras de máquinas herramientas y
econo1nía del maquinado Secdón 24.4 / Vibra(·ión y traqueteo en las operaciones de maquinado
695
a. Simplicidad y mantenimiento mínimo; hay una parte en movimiento y no hay uniones por eslabones l\lecúnicos.
b. Mejor precisión y repetibilidad de posicionamiento, en cantidades menores que una micra; operación uniforme. c. Un amplio margen de velocidades lineales . desde 1 µ,mis hasta 5 mis. el. Aceleraciones hasta de 4 a lOg. e. Como no hay contacto entre metales de las superficies deslizantes, no hay desgaste. Cimientos de las máquinas. De igual importancia para la precisión de una máquina, son los cimientos, su masa y la manera en que se instalan en una planta. Por ejemplo, en una rectificadora especial para ta. llar cr.gran¡tjes de 2. 75 m (9 pies) para propulsión marina, con alta precisión, el cimiento de concreto tiene 6.7 m (22 pies) ele profundidad. La gran masa del concreto y la base de la máquina reducen la amplitud de las vibraciones y sus efectos adversos y aísla la base de las vibraciones externas. Se obtienen mejores resultados Cltando la máquina se instala en una losa de concreto independiente que, a su vez, está aislada del resto del piso de la planta con dispositivos amortiguadores.
F!GlJRA 24.13 Marcas de traqueteo (centro izquierda ele la fotografía) sobre la superficie de una parte cilindrada. Fuente: General Electric Company.
e Mal acabado superficial (como se ve en la parte central derecha de la fig. 24.13). e Pérdida de precisión dimensional en las dimensiones de la pieza.
recientes en el diseño de
" Desgaste, rebabeo y falla prematuros de la herramienta de coite, de primordial importancia con materiales frágiles de herramienta, como cerámicos, algunos carburos y diamante (capítulo 21 ).
herramientas
Han siclo desarrolladas máquinas hcrramienlas. importantes aplicaciones en el diseño y los materiales para bases y componentes de Son convenientes los diseiios ligeros, por la facilidad de transporte, mayores frecuencias naturaies y rnenorns fuerzas inerciales de las piezas en movimiento. Los diseños ligeros y su flexibilidad requieren pr<.. cesos de fabricación como a) fijación mecánica (tornillos y tuercas) de los componentes independientes, y b) soldadura. Sin embargo, este método de fabricación aumenta los costos de mano de obra y de materiales, las preparaciones necesarias. por Con el objelo de mejorar la rigidez de las rnáquirnls herramientas y así llegar a tolerancias dimensionales exlrernadamente finas en los componentes maquinados, se está desarrollando la primera estructura realmente innovadora de máquina herramienta, con un marco octaedrnl (de ocho lados). Las máquinas tienen dis· ilntos nombres, como hexápodos, de enlace cinemático paralelo o p1rismMicas, y se basan e11 un mecanismo llan1ado plataforma Stewart (invento para posicionar simuladores de cabina de avión). La pieza se soporta en una mesa fija. Para maniobrar una herramienta de corte rotatori:l se usan pares o piernas) con tomillos sinfines ele bolas. Durante el maquinado, el clor acortaalrededor alguno!: de lubos, mientras que otros se alargan, para que el cortador pueda seguir un contorno especificado la pieza. de tubos telescópicos
(ptmtale.~
~ontrola
fr.tds 1náqLtinas manejan 6 conjuntos de coordenadas: tres lineales y tres rotatorios. Cada movimiento del cortador, aunque sea uno lineal sencillo, se traduce en seis longitudes coordenadas de puntal, qLte se mueven en tiempo real. Los movimientos de los pttntales, cada uno con su propio motor, son rápidos y, en consecuencia, intervienen grandes aceleraciones y desaceleraciones, y las fuerzas de inercia son grandes. Estas máquinas se encuentran todavía en las etapas ele desarrollo, y su desempeño se está evaluando en forma continua en cuanto a rigidez, precisión dimensional, velocidad y dilatación térmica. Son Msicarnente portátiles, tienen gran rigidez y mucha flexibilidad en producción de piezas con diversas geometrías y tamaños, sin necesidad de modificar la sujeción de las piezas.
24.4 VIBRACIÓN Y TRAQUETEO EN LAS OPERACIONES DE MAQUINADO ''
1
Cuando se describieron los proceso de corte y las máquinas herramientas, se hizo notar que la rigidez de la máquina es tan importante como cualquier otro parámetro de maquinado. Una baja 1igidez afecta la magnitud de vibración y traqueteo en las herramientas y las máquinas, y puede tener efectos adversos sobre la calidad ele los productos. Si no se controlan la vibración y el traqueteo, pueden causar lo siguiente:
" Posible daño a las piezas de la máquina herramienta, debido a demasiada vibración. .. Ruido molesto, en especial si es de alta frecuencia, corno el chillido que se escucha cuando se maquina latón en un torno. La vibración y el traqueteo en el maquinado son fenómenos complejos. En las operaciones de corte hay dos tipos básicos de vibración: forzada y autoexcitada.
24.4.1 Vibración forzada La vibración forzada sude deberse a alguna fuerza periódica aplicada en la máquina herramienta, como por ejemplo, de los accionamientos con engranajes, desbalanceo de las piezas, dcsalineamiento, y por motores y bombas. En procesos como el fresado o el torneado de un eje estriado o con un cuñero, las vibraciones forza. das se deben a la entrada y salida de la herramienta de corte en la superficie de la pieza (véanse, por ejemplo, las figs. 23.10 y 23.14). Las soluciones básicas a la vibración forzada son aislar o quitar el elemento de fnerza. Si la frecuencia de impulsión es igual o cercana a la frecuencia natural de un componente de la máquina herramienta, una de las dos se puede aumentar o disminuir. Se puede reducir la amplitud de la vibración aumentando la rigidez., o amortiguando el sistema. Aunque en general el cambio ele los parámetros de corte no parezca influir mucho sobre la magnitud de las vibraciones forzadas, puede ayudar el cambio de la velocidad de corte y la geometría de la herramienta.
24.4.2 Vibración autoexcitada En general se llama traqueteo; la vibración autoexcitada se debe a la interacción de los procesos de remoción de viruta y la estructura de la máquina herramienta. En general, las vibraciones autoexcitadas tienen una amplitud muy grande. El traqueteo comienza normalmente con una perturbación en la zona de corte. Entre estas perturbaciones están a) falta de homogeneidad en el material de la pieza, o en la condición de su snperficie, b) cambios en la clase de virutas producidas, oc) cambios en las condiciones de fricción en el contacto entre herramienta y viruta, influidas por fluidos de coite y su eficacia. Traqueteo regenerativo. El tipo más importante de vibración autoexcitada es el traqueteo regeneraüvo. Se produce cuando una herramienta corta una superficie con rugosidad o perturbaciones dejadas en la
f;~
696 C.ipílulo 24 /Centros de maquinado y de lomeado, estrucluras de máquinas herramientas y economía del maquinado
pasada anterior (véase, por ejemplo, la fig. 20.23). La profundidad de corte varía, y las vibraciones que se pro. ducen en la fuerza de corte ponen a vibrar Ja herramienta; el proceso continúa repitiéndose y se hace "rege. nerativo". Este tipo de vibración se puede observar cuando se conduce un automóvil en un camino malo (el llamado efecto lavadero). Se pLieden controlar las vibraciones autoexcitadas, casi siempre a) aumentando la rigidez dinámica del sistema, y b) por amortiguamiento. La rigidez dinámicá se define como la relación de la amplitud de !a fuerza aplicada entre la amplitud de la vibración. Como una máquina herramienta tiene distintas rigideces a dis. tintas frecuencias, Jos cambios en los parámetros de corte pueden afectar al traqueteo.
24.4.3 Factores que influyen sobre el traqueteo La tendencia de una pieza det
Amortiguamiento El amortiguamiento se define como Ja rapidez con que disminuyen las vibraciones. Este efecto es como la prueba de los amortiguadores de un automóvil, empujando la parte delantera (o trasera) dei vehículo y observando lo rápido que se detiene el movimiento. El amortiguamiento es factor impoiiante en e! control ele la vibr;¡ción y el traqueteo en las máquinas herramientas. Amortigmamien!o interno de los materiales eslructmales. El amortiguarniento interno se debe a la pérdida de energía en los materiales durante la vibración. Por ejemplo, el acero tiene menos cap'"cidad de amortiguamiento que la fundición gris, y los materiales compuestos (véanse capítulo 9 y sección 24.3) tienen más capacidad amortiguadora que Ja fundición gris (fig. 24.14). Se puede observar la diferencia en la capacidad de amortiguamiento de los materiales golpeándolos con una maceta (mazo de mano) y escuchando el so-
Sección 24.4 / Vib.ración y lraqueteo en las operaciones de maquinado
697
nielo. Haga la prueba el lector, por ejemplo, golpeando piezas de acero, concreto, madera, etcétera, y escuche los sonidos.
Uniones en las estmcb..m1s de máquinas herramientas. Aunque son menos importantes que el amortiguamiento interno, las uniones atornilladas en la estructura de una máquina herramienta también son fuente de ::imortiguamiento; su eficacia depende del tamaño, posición y cantidad ele ellas. Como la fricción disipa energía, los movimientos relativos pequeños a lo largo de uniones secas (sin lubricar) disipan energía y ayudan a mejorar el amortiguamiento. En uniones donde hay aceite o polímeros adhesivos, la fricción interna en la unión disipa energía, lo cual también contribuye al amortiguamiento. Todas las máquinas herramientas están formadas por diversos componentes grandes y pequeños, fijos en una estructura por varios métodos. En consecuencia, este tipo de amortiguamiento es acumulaiivo, debido a la presencia de varias uniones en la máquina herramienta. Nótese en la fig. 24.15 que el amortiguamiento se incrementa al aumentar la cantidad de partes en un torno, y aumentar su área de contacto. Cuanto más uniones haya, entonces, la cantidad de energía disipada será mayor y el amortiguamiento será mayor. Sin embargo, la rigidez general del sistema se reduce normalmente al aumentar la cantidad de uniones. Otro método de amortiguamiento, para reducir o eliminar la vibración y el traqueteo, se consigue en las barras ele manelrimu-, como se describió e ilustró en la fig. 22.20b. Este amortiguamiento se logra con diversos métodos mecánicos que disipan energía por resistencia de los componentes a la fricción, dentro de la estructura de la barra. Amortiguamiento externo, El amortiguamiento externo se logra con dispositivos que se parecen a Jos amortiguadores de los automóviles. Se han desarrollado e instalado absorbedores especiales de vibración, en las máquinas herramientas, para este objeto. También. las máquinas se instalan en pisos con preparación especia!, para aislar las vibraciones forzadas (corno las que producen máquinas cercanas en el mismo piso) y para trawr de mejorar el amortiguanüento. De la descripción anterior se concluye que se debe llegar a un equilibrio entre mayor rigidez de una máquina herramienta, y la conveniencia de mayor amortiguamiento, en especial al construirla para alta precisión. Se ha sugerido en fecha reciente que se deben desacoplar las funciones de rigidez y de amortiguamiento en las máquinas herramientas. Aunque es difícil de lograrlo, se han inventado e implementado diseños innovadores en máquinas avanzadas, como en rectificadoras de alta precisión (sección 25.6).
,~rnortiguamiento de vibraciones en función de la cantidad de componentes en un tomo. Las uniones disipan energía; mientras más uniones haya, la capacidad de amortigu;irniento de la máquina es
FIGURA 24, 15
f-lGIJRA 24.14 Capacidad relativa de amortiguamienlo de (a) fundición de hierro gris y (bJ Material compuesto de epóxico y granito. Fuente: Cincinnati Milacron, /ne. La escala vertical es la amplitud de la vibración, y la horizontal es tiempo.
mayor. Fuente:). Peters.
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(b)
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c::;:::=J c=D=;J Sólo bancada
Bancada + carro
Bancada + cabezal
Bancada + carro
Máquina completa
+cabezal
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' .f ':f. ( '.¡',
;'J.',
698
Sección 24.5 /Economía del rnaquinado
699
Capítulo ?.4 / C;cntros de rnaquin
Al tornear una pLLrte, el coslo total C, de maquinado por pieza, consiste en
24.4.5 Lineamientos para reducir la vibración y el traqueteo en las máquinas hen-amientas
e
=
e, +
C2
+
(24.l)
C3 -1- C4,
donde En varias secciones de los capítulos 22 y 23 se han presentado lineamientos generales para reducir vibraciones y traqueteo en las operaciones de maquinado. Eslos lineamientos se pueden resumir como sigue: a. Reducir al mínimo los voladizos en las herramientas. h. Soportar la pieza en forma rígida.
C
= Costo no productivo: mano de obra, indirectos y costos de la máquina implicados en la prepara-
zar y retraer la herramienta de corte. C = Costo de maquinado: mano ele obra, indirectos y costos ele la máquina mientras está efectuándo2
se la operaciórr de corte. C = Costo de cambio de herramienta: mano de obra, indirectos y costos de la máquina durante el cam-
c. Modificar la geometi-ía de la herramienta y el cortador.
3
bio de herramienta. C = Costo ele la herramienta ele corte. Se ha observado que este costo sólo es un 5% del total de la ope·ración de corte. En consecuencia, no siempre es efectivo usar la herramienta menos costosa para re4
d. Cambiar los parámetros de proceso. como velocidad de corte, avance, profundidad de corle y fluidos de corte. e. Aumentar la rigidez de la máquina y sus componentes, mejorando el diseño, usando secciones transver· sales más robustas y materiales con mayor módulo de elasticidad.
f.. Mejorar la capacidad de arnortiguarniento de la máquina herramienta.
24.5
DEL MAQUINADO En la introducción de la parte IV se dijo que entre las limitaciones de los procesos de maquinado están él tiempo necesario para procesar una pieza y la cantidad de material desperdiciado. A pesar de eslos inconv<> nicntcs, el maquinado es indispensable en muchos casos, en especial para producir formas complicadas en h piew. y obtener buena precisión dimensiona! y acabado superfü:ial. También liemos visto que el maquinado implica algunas variables del material y parámetros de proceso; la elección adecuada de estos parámetros es importante para la productividad de las operaciones Je m:1quinado. Los capítulos anteriores de esta pm1e JV describieron ios parámetros ele material y proc"so que son importantes en las operaciones eficientes de maquinado. Sin embargo, al analizar la economía de! maquinado, hay que tener en cuenta algunos otros factores. Corno se describirá en el capitulo 40 con más detalle, entre estas consideraciones están los costos inw·rridos en a) máquinas herramientas, soportes y herramientas, b) mano de obra y gastos generaies. e) tiempo transcUJTido en preparar la máquina para de1erminada operación, d) manejo y movimiento de maicriales, corrw por ejemplo cargar la pieza bruta y descargar la parte maquinada, e) medición y f) liempos que invoJ.ucran el corte y no corte del material. El tiempo real de maquinado es una consideración importante. Recuérdese también la descripción, en la sección 22.4, la importancia del tiempo sin corte para evaluar la economía del maquinado de alta veloc.idacl. A menos que el tiempo sin corte sea una parte importante del tiempo de una operación a otra, se debe considerar el maquinado de alta velocidad. En la parte VIII describiremos el papel de diversos aspectos de lamanufactura con cómputo integrado, en estas operaciones.
ción para maquinar, montaje de la herramienta, preparación de los soportes y de la máquina y avan-
1
ducir los costos de maquinado. En la fig. 24.16 se muestra el resultado de uno de estos análisis, en forma cuantitativa. En una operación de maquinado es importante identificar todos los parámetros relevantes y determinar los diversos factores de costo, para obtener curvas de tiempo de vida de la hen-amienla ¡x1ra la oper'dción de que se trate, y medir en forma correcta los diversos intervalos de tiempo que forman toda la operación de maquinado. Nótese, en la figura, que segün la forma de las curvas que se obtengan, pequeños cambios en la velocidad de corte pueden tener un efecto importante sobre el costo mínimo o el tiempo mínimo por pieza.
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Minimización del costo de maquinado.
Como en todos los procesos y operaciones de manufactura, tocios los parámetros importantes del maquinado se pueden escoger y especificar de tal manera que se minimice el costo de maquinado por pieza y también el tiempo de maquinado por pieza. Se han desarrollado varios métodos para lograr este fin, y con el uso en aumento de programas y computadoras amigables al usuario, se ha facilitado este desarrollo. Sin embargo, para que los resultados sean de fiar, es esencial que los datos ingresados sean exactos y actualizados. A continuación describiremos uno de los métodos más sencillos y frecuentes de analizar los costos de maquinado en una operación de torneado.
·a 5o, & ~ ¡:::
Tiempo no productiv~
Velocidad de corle __,_
FIGURA 24.16 Gráficas de maquinado: (a) el costo por pieza y (b) el tiempo por pieza. Nótense las velocidades óptimas, tanto para el costo como para el tiempo. La zona entre ellas se llama intervalo de maquinado de alta eficiencia.
--
Preguntas de repaso 700
Capítulo 24 /Centros de mJc¡Llinddo y de torne;:¡do, estructura$ de rnjc¡uinJs herramientas y economía de! maquin
Tres de las cuatro variables de costo mencionadas dependen de la velocidad de corte. A medida que au. rnenla, el tiempo de maquinado para determinada pieza y el costo por pieza disminuyen. Sin emhargo, como. se indicó en la sección 20.7, la duración de la herramienta suele disminuir al aumentar la velocidad de cone· eu consecuencia, el costo total aumenta al igual que el de cambio de herramienta, porque se deben posicio'. nar o cambiar las herramientas con más frecuencia. Sin embargo. nótese que el costo no productivo C 1, no depende de la velocidad de corte. Cada uno de estos costos se puede describir con una ecuación matemática en función ele sus propios pa-. rámctros relevantes, y los cuatro se pueden sumar, como en Ja ecuación (24.l). A continuación se deriva esta 1.ocuación con respecto a la velocidad de corte V, para determinar la velocidad óptima de corte para tener un costo mínimo por pieza (fíg. 24. l 6a). De igual forma, el tiempo tolal necesario para maquinar la parte se calcula con una ecuación matemática, sumando los tiempos implicados en diversas fases de la operación total (como el de carga y descarga de la parte, maquinado real y cambio de herramienta). Esta ecuación se deriva entonces con respecto a la l'docidad de corte, para obtener el tiempo mínimo por pieza (fig. 24.l6b). Obsérvese en esta figura que hay una diferencia entre las dos velocidades óptimas de corte. El intervalo entre esas dos velocidades se llama a veces iutervalo de maquinado de alta eficiencia.
" Por ser versátiles y capaces de efectuar una diversidad de operaciones de corte en piezas pequeñas y grandes . los centros de maquinado y los de torneado est(m entre los desarroilos más in1por'tantes en rn:iquinas herramientas. Su selección depende de factores corno la complejidad de ia pieza, la caJJl"idad y el ti.pode operaciones de corle a ejecLttar, la cantidad de he1rnmientas requeridas y de la necesidad de precisión dimensional y velocidad de producción. La vibración y el traqueteo en el maquinado son consideraciones importantes para obtener precisión dimensional y acabado superficial de la pieza, y duración de las herramientas. La rigidez y la cap;,ódad de amortiguamiento de 1as :01{iquinas herranüentas son factores jmportantes para controlar ia vibr~1ción y d traqueteo. Se están desarrollando y usando continuamente nuevós nrntcrialcs, para construjr l~Sí"J ucturas de las máquinas. La economía de los procesos de maquinado depende de los costos no productivos, de maquinado, de cambio de herramienta y de he,-ramientas. Se pueden deteoni nar las velocidades óptimas de corte para obtener tanto el tiempo mínimo de maquinado por pieza, como el coslo mínimo por pieza..
701
"' Se investigan constantemente las características de las estructuras de máquinas herramientas y su construcción. para minimizar las distorsiones y desviaciones durante las operaciones de corte, y para mejorar el acabado superficial y la prechión dimensional. '" Se están desarrollando sensores y controladores para reconocer en forma antomática las condiciones de traqueteo, y modificar en consecuencia los parámetros de maquinado. e Se desarrollan. nuevos materiales de bases y componentes de máquinas herramientas. Entre estos materiales están los compuestos por epóxicos y granito, los cerámicos y diversas combinaciones de ellos.
---------TÉRMINOSclAVE
----Palpadores Recolección de virnta!>
Centro universal de maquinado
Accionamiento con motor Jtneal Amortiguamiento Brazo cambiador ele herramienta Camb1ador al1Lomáíico de "pallcL" (tarima) Carnbi<1dor automático cie herramic·nt<.1 (carrusel) Centro de maquinado Centro de torne~do
Construcción modular Envolvente o volumen de trabajo
Estación de comprobación de herramientas y piezas
Rigidez
Rigidez dinámiu:t Traqueteo Traqueteo regenerativo Vibración autocxcitada
Hcxápodos Intervalo de maquinado de a!ta
Vibración forzada
eficienc·ia
·'f'allet" (tarima)
BíBLIOGRAflA________ _ Sl~fji1ess and Damping ill Mechanical Design. Marccl Oeldrnr, 1999. Tool and l\dam1;fUcturing Engine
Rivin, E.l.,
A.SM T-fandbook, Vol. !6: /\liaclún.Jng. ASM [ntcrnational, 1989. Boothroycl, G., and '01.A. Knight, Fun.d.anu:ntaLs of Madúning and Machine Tools, (2d cd.). Murcel Dekker, 1989. Krar, S.F., and A.F Check, 7echno!og)' of lvladúne Toois (Sth ed.). Glencoe/MacMillan McGraw-Hill, !996. Reshetov, D.N., m1d VT. Portman, Accuracy ofMaciúne Tools. American Socicty of Mechanical Engineers, 1989.
Machining. Society of Manufacturing Engíneern, 19'63.
Weck. M., Hand/)l}Ok of Maclúne Tools, 4 vols. Wiley, 1984.
PREGUNTAS DE REPASO
TEN
24.1 Desc1iba las características distintivas de los centros de maquinado y de torneado. ¿Por qué son tan versátiles estas "' Los centros de maquinado y de torneado, así corno los controles computarizados de todos los tipos de máquinas herramientas han avanzado con rapidez y continúan haciéndolo. Se hacen progresos constantes en Ja potencia, velocidad y rigidez de esas máquinas. ,. Los centros de maquinado y de torneado se están construyendo con cabezales de vatias herramientas Y con funciones de travesía rápida en todos Jos ejes para reducir el tiempo inactivo. Por sus propiedades únicas, se estün implementando a ritmo acelerado los accionamientos con motores lineales. ., Se está reconsiderando y modificando el diseño de Jos centros de maquinado, incluyendo los modulares, para hacerlos encajar e integrarse bien al ponerlos en línea con otras máquinas en sistemas de manufactura con cómputo integrado (que también se llaman celdas o sistemas de manufactura flexible): Entre ellos están los centros de maquinado modular.
máquinas'? 24.2 ¿Por qué Jos cambiadores de módulo y los de hernunientas son paites integrales de los centros de maquinado?
24-3 Explique el sistema de herramientas en un centro de maquinado, y su forma de trabajar. 24A Describa las consideraciones económicas que intervienen para seleccionar los centros de maquinado. 24.S Describa los efectos adversos de la vibración y el traqueteo en el maquinado. 24.6 ¿Por qué es importante el amortiguamiento de las máquinas herramientas? ¿Cómo se consigue? 24.7 Explique las tendencias en el uso de materiales para estructuras de máquinas herramientas . 24.8 ¿Por qué es importante la dilatación térmica de tos componentes de la máquina herramienta?
24,9 ¿Qué factores contribuyen a los costos en las operaciones de maquinado?
lil
''-"1=
--··-·'
---Síntesis y diseño
Capítulo 24 /Centros de maquinado y de torneado, estructuras de máquinas herramientas y economía del maquinado
702
24.lll ¿Cuál es el íntervalo de maquinado de alta eficiencia? 24.1] ¿Qué es el traqueteo?
703
velocidad de avance de 0.02 pulg/rev y una velocidad de husiilo de 300 rpm ¿Cómo cree que cambie Ja curva si la he-
24.12 Explique la importancia de lo.s cüwicntos en Ja instalación de las máquinas herramientas. 24.13 ¿Cuáles soo los tiempos caracter(sticos de cambio de herramienta en un centro de maquinado? 24.14 ¿Cuál es la diferencia entre una torreta y un husillo? 24.ll.5 ¿De qué malerlale.s se hacen las bases de las máquinas herramjentas?
JTamienta de corte es de acero alta velocidad? 24.34 Haga el mismo análisis que en el problema 24.33, pero obtenga el tiempo de producción en función de la velocidad de corte.
SÍNTESIS Y DISEÑO 24.35 Si fuera usted ingeniero en jefe a cargo del diseño de centros de maquinado y de torneado ¿qué cambios y mejoras
---··-----·-··-
recomendaría en los modelos existentes?
CUALITATIVOS
24.36 Estudie las publicaciones técnicas y describa las tendencias en el diseí'ío de las máquinas herramientas modernas. 24.37 Haga una lista de componentes de máquinas heJTamientas que se podrían hacer con cerámicos, y explique por qué los
24.ii.6 Explique los requisitos técnicos que condujeron al desarrollo de los centros de maquinado. 24.17 ¿,Por qué varían las vefocídades de husillo en !os centros de maquinado entre márgenes lnn amplios? 24.18 ¿Por qué es importante la rígidcz de las m<:lquinas herramientas en las operacione:-i de maquinado'!
cerámicos serían adecuados. 24.38 Examine las publicaciones disponibles de diversos fabricantes de máquinas herramientas. y prepare una tabla detallada que indique las posibilidades, tamaños, costos, etc. de los centros de maquinado y de torneado. Haga comenta-
24J 9 ¿Hay operaciones de corte que no se puedan hacer en tos centros de maquinado? Por qué sf o porgué no? 24..20 ¿Es importante controlar la temperatura de1 fluido de corte? En caso afirmativo, ¿por qt.Jé'!
2439 Como puede usted ver, el costo de los centros de maquinado y de !.orneado es bastante mayor que el de las máquinas
24.21 Explique c6mo haría para reducir cada uno de Jos faclür-:s de costo en las operaciones de maquinado. ¿Qui.S diricuJ. 1ade0 podrían encontrarse? 24.22
2·~.23
s,, sabe que :;e pueden lxljar los costos de maquinaJo aumentando la velocidad de corte. Explique por qué y cómo es probable que cambien los costos n mcdiUa que aumenta la vcincidad. Además Je la cantidad de uniones en una máquina l;erramienta, ¿qué otros litctores influyen sobre la rnpidex. con que uumenta el amortiguamiento, corno si..: ve en la fiF. 24. J 5?
24.25 Además de que cada una tiene un mínimo, ¡,son importantes las formas generales de las curvas ele costo total y licmpo lolal de la fig. 24.16'1 Explique por qué.
E11 b secci(Jn 20.5. i ,'>e dijo que !a fuer;,;.:; de ernpuje en el corte puede ser negativa con ángulos a!los de alaque y/o baja fricción entre berrnmienla y virnla. Es!o puede !encr un efecto desfavorable sobre la estabilidad dci pruceso de: cor1e. f~x.pfiquc por qué.
¿,Cu~ílcs son Ja:-.
24.2:[; ;,Cwfles son las
vcn1a_ias y desve111aj;1s de las estrncturas, rnarcos de
soport~ o arrnazoncs
fundidos de máquina,-= hc-
ventaja:~ y dcsvcntk\jas de los armazones de acero soldado de máquinas herramicn!a.s? ¿De lo'.~ arma··
zones Jtornillados?
¿Qué papel descmpcfia el concreto en el control de la vibración en máquinas he1Tamientas de armazón de aci..:ro"? Dcsc;iba ejemplos de vibn.H.:l6n forzJda y vibración autoexcitada.
24.3~
herramientas convencionales. En vista de que muchas operaciones que se hacen en estos centros también se pueden hacer en máquinas convencionales ¿cómo haría para justificar el gran costo de esos centros? Explique con ejemplos adecuados. .24.40 Haga una búsqueda en Internet y examine las posibilidades y costos de los centros de maquinado.
24.41 ¿Sería posible diseñar y construir centros de maquinado y de torneado sin usar conlrolcs computarizados? Explique por qué.
¡,.~crían ;idccu;iJa,, las piezas de los problemas 22.52 y 23.54 para mayuinarse en un centro de maquinado'! Explique p1H" qué.
rnimic:nUts?
rios sobre sus observaciones.
¿Qué requisitos en Ja pieza harían que fucrn preferible un centro de maquinado sobre m
CUA1'\/TITATIVOS 24.32 Un husillo con .su herramienta, en un centro de maquinado, sobresalen 12 pulgadas del armazón. ¿Qué cambio de temperatura se puede admitir para mantener una tolerancia de 0.0001 pulg en maquinado? ¿Y 0.001 pulg de tolerancia'! Suponga que el husillo es de acero.
24.33 Aplique la ecuación de Taylor, de duración de heJTamienta, para calcular el coslo por pieza en función de la veloci·
---· Sección 2.S.'I /Introducción
705
1
·Operaciones de maquinado
y/ acabado con abrasivos 2S.1 25.2
25.3 25.4 2S.S 25.G 25 .7
2'i.il 25.9 ;?s:10 25.'l 1 JS.l 'J
Abrasivos Abrasivos aglomerados (piPdrds abrasivas) El proceso de rectificado Desgaste de las piedras abrasivas Métodos y rn;íquin0s de rectif!cado Fluidos de rectificado de disef'io par;¡ el rectificado Maquinado ultrasónico Operaciones de acJb;ido Desb;;rbado EconomíJ de las operaciones de rectificado y acabado
gran variedad de abrasivos
dad de geometrías en las piezas (tabla 25.1 y fig. 25.2) con acabado superficial muy fino y tolerancias dimensionales estrechas (véanse las llgs. 22.13, 22.14 y 26.4). Por ser duros, los abrasivos también se usan en procesos de acabado para partes muy duras o con trntamiento termico, por ejemplo, para dar forma a materiales no metálicos duros, como cerámicos y vidrios, para quitar cordones y salpicaduras de soldadura, cortar tramos de perfiles estructurales y barras, mamposterfa y concreto, y para limpiar superficies con chorros de aire o agua que contienen partículas abrasivas.
TABLA 2.5.1
Características
con abrasivos Dimensión
Proceso
Características
máxima
Rectificado plano
Superficies en !a mayor parte de Jo.:, materiales; el volumen
Mesa de movimicnlO a!Lernativo L: 6 Mesa rotatoria D :
En mucha¡; de las manufacturas, !os requisitos de acabado superficial y ex;1clií11d dimcnsionaí de las partes son demasiado finos. el material de la pjeza es demasiado duro o es dcmnsiado/i·ágil para po· derproducirlas sólo con cualesquiera de los procesos que describimos en los capítulos anteriores. Por ejemplo, los rodamientos de bolas y de rodillos, los pistones, válvulas, cilindros, levas, engrarntjcs, herramientas de corte y matrices, así como los componentes de precisión de los instrumentos suelen requerir una gran exactitud dimensional y acabado superficial. Uno de los rúcjores métodos de pro.· ducir esas partes es por maquinado abrasivo.
Rectificado cilíndricr)
Pieza:~ redonda:;; con difünelrns escalonados; bajlls producciones <.l la d,~streza de IJ. mano dt~ obra depende de la forma de la parte.
Pieza D: 0.8 Rectif. Je rodillos D: l .8 Rectif. universales D: 2.5
Re eti ficado
Piezas redonda:.;; gr::imks producciones:
También se usan Jos abrasivos para honear, !apear, lustrar y pulir las piezas. AJ usar máquinas controladas por computadora, los procesos abrasivos son capaces hoy en día de producir una gran varie-
,' ;.)K<'lf1V'«,i,··t·'@k'V.'¡¡:¡;J.:;¿Jú.~,,,,,,,.,h,,,,,,._,,,"''""''-"'~~-~---·-·
u1B
2s .1 1NTRcmucc1óf\.J-------·--·---..--------..-·--·-.. ·-
Un abrasivo es una partícula dura, pequeña y no metálica que tiene aristas agudas y forma irregular (a diferencia de las herramientas de corte que describimos antes). Los abrasivos son capaces de quitar pequeñas cantidades de material de una superficie, mediante un proceso de corte que produce virutas diminutas. La mayor parte de nosotros estamos familiarizados con el uso de abrasivos aglomerados (las piedras, o muelas de esmeril, fig. 25. !) para afilar cuchillos y herramientas, así como con el uso de lija para alisar superficies y aristas agudas.
704
FIGURA 2.5.1 En los procesos de maquinado con abrasivos se usa aglomerados. Fuente: cortesía de Norton Company.
lniroducción
dcstr~za
m~nos
que se automatice;
de personal de lntja a mediana.
Pieza D: 0.8
sin cenlros Rectificado
Orificios en la pieza; b:.1ja producción; deslreza del personal de baja a mediana
Agujero IJ: 2
Orificios y perforaciones en la pieza; bajas producciones; poca destreza de mano de obra.
HusilloD: 1.2
Superficies planas; grandes producciones; poca destreza de mano de obra.
MesaD: 3.7
interno
Maquinado últrasónico 1\: Se
Orificios y cavidades de diversas formas, en especial en materiales duros, frágiles y no conductores.
tienen disponibles capacidades mayores para aplicaciones especiales. L
longitud; D
diámetro.
...........706
C1pítu!o 25 /Operaciones de maquinado y acabJdo con abrasivos (a) Piedra abrasiva
(b)
-
(e)
(d)
i;
·--- 1--f- ':.:,:: ..
-
Pit.>za (e)
(f) (g)
Discos abrasivos delgados Piedra abrasiva
I
Pieza
f!GllRA 2S.2 Las piezas y ope1·aciones caracterlsticas del rectificado: (a) superficies cilíndricas, (b) superficies cónicas, (r) biseles en un eje, (d) perfiles hE'iicoidales, (e) concavidad, (j) corte y r;inurado con piedras delgadas y(¡;) rectificado interno. Vc',11ise también las ilustraciones de ia sección 25.6,
En este capítulo se explican las caracteristicas de los abrasivos y la fonna en que se usan en cesos de remoción de ms.terial. Como en las operaciones de corte, primero describiremos la mecánirn de esas operaciones, porque así podremos entender cómo se establecen las interrelaciones entre vaiiables de rnalerial y proceso, y cómo se pnxlucen la calidad y la exactitud dimensional de las superficies.
.2
~-------·-
Los siguientes abras1·vos se usan con frecuencia en los procesos de manufactura. Abrnsivos rnrrvendonaies a. de alnminfo b. Cari:mro de silicio (SiC)
c. Nitrnrn de born cúbico (cBN) d. Diamante
Vidrio común Pedernal, cuarzo Óxido de circonio Aceros endurecidos Carburo de tungsteno Óxido de aluminio
Durezas l
707
dos últimos ele los cuatro de la lista anterior son los dos materiales más duros que se conocen, se les llama "superabrasivos". Además de la dureza, una característica importante es la friabilidad, que es la facilidad con que los granos abrasivos se fracturan (se rompen) y fonnai1 piezas más pequeñas. Esta propiedad es la base de las caracte1isticas de autoaftlamiento de Jos abrasivos, esencial para mantener la abrasividad durante su nso. Una gran friabilidad indica baja resislencia mecánica o a Ja fractura del abrasivo, por lo que un gnmo de abrasivo muy friab'te (o deleznable) se fragmenta con mucha mayor rapidez bajo las fuerzas de rectificado qne uno con baja friabilidad. Por ejemplo, el óxido de aluminio tiene menor friabilidad que el carburo de silicio, y en consecuencia, menor tendencia a fragmentarse. Lafonna y el tamaño del grano abrasivo también afectan su friabilidad. Por ejemplo, los granos voluminosos, que se parecen a las herramientas de corle con ángulo negativo de ataque (véase la fig. 20.3) son menos friables que los granos laminares. También, como la probabilidad de tener defectos es menor en los granos pequeños (a causa del ~fecto del tamaño), son más fuertes y menos friables. En la seccíón 25.5 se describirá más la importancia de la friabilidad en Jos procesos abrasivos. Tipos de abrasivos. Los abrasivos que hay en la naturaleza son esmeril, corindón (alúmina), cuarzo, granate y diamante. Estos abrasivos naturales contienen en general cantidades desconocidas de impurezas y sus propiedades no son uniformes; en consecuencia, su funcionamiento no es consistente ni confiable. Por Jo anterior. hoy se hacen abrasivos en forma sintética. a. El óxido de aluminio sintético se preparó por primera vez en 1893, y se obtiene fundiendo bauxita, limaduras de hierro y coque. Los óxidos de aluminio se dividen en dos grupos: fundidos y no fundidos. Lor. óxidos de aluminio fonilido se clasifican en oscuros (menos friables), blancos (muy friables) y monocrislalinos. La alúmina no fundida (llamada también óxidos de aluminio cerámicos) pueden ser más duros que la aiúmina fundida, y su forma más pura (libre de imperfecciones) es el gel sembrado. E:;te gel sembrado se comenzó a usar en 1987, y tiene un tamaño de partícula del orden de 0.2 µ,m, mucho menor que los granos de abrasivos de uso común. Estas partículas se sinterizan para formar tamaños mayores. Por su dureza y friabilidad relativamente alta, los geles sembrados mantienen su filo y se usan para materiales difíciles de rectificar. b. El carbmro de silicio (descubierto en 189 \)se fabrica con arena de sílice, coque de petróleo y peque· ñas cantidades de cloruro de sodio (sal de mesa). Los carburos de silicio se dividen en negrns (menos friables) y verdes (más friables), y en general tienen mayor friabilidad que Jos óxidos de aluminio; por consiguiente tienen mayor tendr;ncia a fracturarse y mantenerse afilados. c. El nitruro de boro cúbico se desarrolló en la década de 1970; sus propiedades y características se describieron en los capítulos 8 y 21.
Estos abrasivos (que también se describieron en el capítulo 8) sor1 mucho más duros que los materiales convencionales de las herramientas de corte, como se puede ver comparando las tablas 25.2 y 21.l. Como los
TABLA 25.2
Sección 25.2 /Abrasivos
Nitruro de titanio Carburo de titanio Carburo de silicio Carburo de boro Nitruro de boro cúbico Diamante
2000 lS00-3200 2100-3000 2800 4000-5000 7000-8000
d. El diamante, que puede ser sintético, es decir, industrial, se usó por primera vez como abrasivo en 1955; sus propiedades y características se describieron en los capítulos 8 y 21. Tamaño de grano. Tal como se usan en los procesos de manufactura, los granos de abrasivo son en general muy pequeños en comparación del tamaño de las herramientas de corte y los insertos (que se describieron en los capítulos 20 y 21). También, tienen aristas agudas qne permiten la remoción de cantidades muy pequeñas de material de la superficie de la pieza. En consecuencia, se pueden obtener acabado superficial muy fino y gran exactitud dimensional. El tamaño de un grano abrasivo se identifica por su número de grano, qne es una función del tamaño de malla; mientras menor sea el tamaño de grano, mayor será el número de grano. Por ejemplo, se considera que el número 10 es muy grueso, el 100 es fino y el 500 es muy fino. También se identifican de esta forma las lijas de agua y las de esmeril, y el número de grano está impreso en la cara trasera de la lija.
~
sc'cción 2:).J
708
í Abras'1vos aglornerados
(piedrzis
abrasiva~;)
7()9
C·ipítu!o 2.'.i / Opcrr.iciortf''.> de ma(Juinado y cicabado con Jbrasivos (b)
2.5.3 ABRASIVOS AGLOMERADOS (PIEDRAS ABRASIVAS) Corno cada grano de abrasivo retira sólo una cantidad muy pequeña ele material cada vez, sólo se pueden alcanzar rapideces altas de remoción si trabajan juntos una gran cantidad de ellos. Esto se logra usando abrasivos ag!omcrndos, que en forma característica tienen la forma de una piedra abrasiva, piedra de rectifiC>lr, pied:ra de esmeril o muela. En la fig. 25.3 se ve un esquema sencillo de una piedrn abrasiva. Los granos abrasivos se mantienen unidos mediante un material agHomer:mte (que se describirá más adelante) que funciona como poste o liga de soporte entre los granos. En los abrasivos aglomerados es esencial !a porosidad, para tener huecos para las virutas que se producen, y para ayudar al enfriamiento; de otro modo, las virutas interferirían con el proceso de rectificado. Es imposible usar una piedra abrasiva que no tenga porosidad, que esté totalmente densa y maciza. Se puede observar la porosidad viendo la superficie de cualquier piedra abrasiva. (Otras características en Ja fig. 25.3 se describirán en las secciones 25.4 y 25.5.) Algunas de las piedrns abrasivas de uso más común se ven en la fig. 25.4, para abrasivos convencionales, y en la fig. 25.5 para los superabrasivos. Debido al costo elevado de éstos, sólo un volumen pequeño de estas piedras incluyen superabrasivos. En la actualidad se estima que se fabrican 250,000 tipos y tamru1os distintos de piedras abrasivas. Los abras] vos ag101nerados tienen una marca con sistema normalizado
Carn abfasiva
p
(a)
DI
Cara abrasiva
ry
L
'.
1
!
J]
D Tipo 2 - ciHnd.rica
Tipo l -recw - Cara abrnsiva 1
(e)
+
(d)
cr= .· • ,-
Tipo l 1 - copa cónica
Tí po 6 - copa 1·ecta
(e) C¡"rasttlorasi¿~-= L>-~
(g)
'
Tipo 27 - centro b:ijo (f\
Tipo
~8 ·-Centro b<üo
Monuda
FIGURA 2:5.4
Tipos normales de piedras ¿¡brasivas, con abrasivos convencionales. Nótese que cada piedra tiene una cara e5pecífica de rectificilr; es incorreclo y de poca seguridad usa1· las otras superficies. (e) (b)
~>-rr-L'4LXIJZ::C='-"-' ~)
(aJ
25.3."I 1
V.1
Los lipo~..; conuwes de aglornerante de abrasivo:.; son 1os vi1r{fi.cados. resinoides, hule y metálioJs. La mayor parte de cslos aglomerantes se usan tanto para abrasivos convencionales co1no para ~uperabras1vos.
1
wx===-~ i
IAIRSS (i)
Vitrñfü.:ados. Son esencialmente un vidrio, y también se llaman aglomerante cerámico, en r,'spccial fuera de Estados Unidos. Es el aglomerante más común y su uso está muy extendido. Las materias primas son feldespato (un mineral cristalino) y caolines. Se mezclan con los abrasivos, se humedecen y se moldean a
~'"'
presión, en la forma de las pieUr;:ts abrasivas.
(e)
[J=:D
4=Y DWSE
DW
FIGURA 25.5 Ejemplos de configuraciones de piedras con superabrasivos. Las regiones anulares (borde) son superficies superabrasivas y la piedra misma (núcleo) se suele fabricar con metales o materiales compositos. Los aglomerantes de los superabrasivos son: (a), (d) y (e) resinoides, metales o vitrificados,
Aglomernnte
Porosidad
(b) metal, (c) vitrificado y (f) resinoide.
\
/
',_/ Fractura del""- . . _ ag!ometante Microgrietas /
-~
(d)
-
Superficie de la piedra
.,
//~ _
de grano
/ Desgaste por rozamiento
Estos productos "verdes" (que se parecen a las partes fabricadas con metalurgia de polvos, capítulo l 7) se hornean gradualmente hasta una temperatura aproximada ele l250ºC (2300ºF) para fundir el vidrio y desarrollar resistencia estructural. A continuación se enfrían con lentitud para evitar roturas térmicas, terminadas al tamaño, se inspeccionan para comprobar su calidad y exactitud dimensional y se prueban para localizar poFIGURA 25.3 Esquema de un modelo físico de una piedra abrasiva, mostrando su estructura y modos de desgaste y fractura.
sibles Las defectos. piedras con aglomerantes vitrificados son resistentes, rígidas, porosas y resistentes a Jos aceites, ácidos y agua. Son frágiles y carecen de resistencia a los choques mecánico y térmico, pero también se con-
...
~
710
C1pítulo 25 / OperJciones de rnziquinado y acabado con abrasivos Sección 25.3 / AbrJ.sivos aglomerados (piedras abrasivas)
Prefijo
Tamai'io Tipo de de grano aglomerante abrasivo Estruclura /
1 r____J
Grado
.s~
/
d· __ _____/ . el fa.bríc- 1 mdica la el< nle que d a!
~:.:::/ C
Carburo c.tlu.minio Le silicio
!O
-
/ /
30 36
12
46
14
54 60
16
¡l
20 24
Flno 70 80
90 100 l20 ISO
180
~:~¡
220 240 280
Reg1slfo
1
320 400 500
600
6
J
i
B
B D
Resinoidc
8
V
Vitrificado
Sím.bolo del fabricante incllc:Jrd de diamante
y
14 Ab.tcrto i5
1 K
Duro
M N O P Q R S T U V W X Y Z de gntdo
í-.1GU1RA 25.6 aglorne1·vdos.
1
1
1
A (suave) 1
hasta
traci6n de diamante
Aglome- Modificación Profundidad de rante de aglomerante diamante (pulg.)
25(baja)
B Resinoidc
so
M Metal
l/8
75
V Vitrificado
1/4
1/16
La ausencia tld símbolo de prorundidad indica que es diamante macizo
100 (alta) 1
Z(duro)
100 120 !50 180 220 240 28()
320 400
1
u~tra
o combinación
numérica aquí indica
unu varü1ci6n del ng(ornel'ante
normal
500 600 800 1000
16
llCDEFGHl
1
90
ll 12 13
etc. (Uso opcional) Medio
1
Tamaño Grado de grano
Nltruro de boro cúbico 20 24 30 36 46 54 60 80
~F ~~1 : reforzado Silicato
1
Diamante
1
S
9 10
Tipo de abrasivo
Prefijo
BF Resinoídc E Goma faca O Oxicloruro
7
1
Conccn-
Denso~ id~~:~~;c:~~!~)dra
~
118 1
1
1
1
3 4 5
100 -- B 1
fabricante para
Medio
100 -P 1
"'lfb. ,~
~ A
D
~1ic
1 1
51 -
M
7-~ 1
FIGURA 25.7 y diamante.
Sistema normalizado de designación ¡:;ara abrasivos aglomerados de nitruro de boro cúbico
Sisl.,"md normalizado de designación para abrasivos de óxido de aluminio y carburo de silicio
calentarlos a presión, para Vlllcanizar el hule. De esta forma se pueden hacer piedras delgadas, para us::irias como sie1ns para operaciones de corte (hojas de corte).
siguen con pl
Aglomerantes metálicos. Mediante técnicas de metalurgia de polvos, Jos granos de abrasivo (por lo general diamante o nitruro de boro cúbico) se pegan a la periferia de una rueda metálica, a profundidades de 6 mm (0.25 pulg.) o menos (como en la fig. 25.5). La adhesión metálica se hace bajo alta presión y temperatura. La rueda misma (el núcleo) puede ser de aluminio, bronce, acero, cerámica o materiales compuestos, dependiendo de los requisitos como resistencia, rigidez y estabilidad dimensional. Otros aglomerantes, Además de los descritos arriba, hay otros aglomerantes como los de silicato, goma laca y oxicloruro. Sin embargo, sus usos son limitados y no se describirán más aquí. Un nuevo desarrollo es el uso de la poliimida (sección 7.7) como sustituto de la resina fenólica en las piedras resinoides. Es tenaz. y a la vez resistente a altas temperaturas. También, las piedras superabrasivas se pueden estratificar, de modo que se pegue una sola capa de abrasivo con plata o latón a una rueda metálica con determinada forma. Estas piedras son de menor costo y se usan para producciones pequeñas.
25.3.2 Grado y estructura de la piedra El grado de un abrasivo aglomerado es una medida de la resistencia del adhesivo; incluye tanto al tipo como a la cantidad del aglomerante en la piedra. Como la resistencia y la dureza se relacionan directamente (sección 2.6.2), el grado también se llama dureza del abrasivo aglomerado. Una piedra dura tiene un adhesivo más resistente y/o tma mayor proporción del mismo entre los granos, que uria piedra suave (véase también el ejemplo en la sección 25.5.5).
-712
c~1pítulo 2S / OpP.racioncs de m~.iquinado y acabado cr:>n ahrJsivos
Sección 25.4 /El proceso de-rectific1do
713
La estn•ctm:a ck un abrnsivo aglomerado es una medida de la porosidad (distancia entre los granos, en la fig. 25.3). Es esencial tener cierta porosidad para dar lugar a las virut
2.5.4 EL PROCESO DE RECTIFICADO El 1·ectificado es un proceso de remoción ele virutas que usa un grano abrasivo individual como herramienta de corte (fig. 25.8a). Las clifcrencias principales entre las acciones ele grano y ele herramienta de una punta son
FIGURA 25. "!O Esquema del proceso de rectificado plano, mostrando diversas variables de proceso. La figura representa el rectificado convencional (hacia arriba).
las siguientes:
a. Los granos abrasivos individuales tienen.forrnas irregulares y están a distancias aleatorias en la peri-
feria ele la piedra (fig. 25.9).
b. El ángulo promedio ele ataque ele los granos es muy negativo, como por ejemplo, -60º o aun menos. En consecuencia, las virutas del rectificado sufren una deformación mucho rnayor que las de otros procesos de corte (véase la sección 20.2).
Se pueden observar mejor el proceso ele rectificado y sus parámetros en la operación de rectificado pla· no, que muestra Ja fig. 25.10 en forma ele esquema. Una piedra abrasiva recta (fig. 25.4a) de diámetro D saca una capa de metal a la profuncliclacl d (profundidad de corte de la piedra). Un grano individual en la periferia ele la rueda se mueve a una velocidad tangencial V, mientras que la pieza se mueve a la velocidad v. Cada grano abrasivo saca una pequeña viruta con un espesor no de.formado (profundidad de corte del grano) igual a I, y de longitud no dejórrnado l.
c. Las posiciones radiales de los granos varían. d. Las velocidades de corte son muy altas, normalmente de 30 m/s (600 pies/min).
FIGURA 25.ll (a) Vi rula de rectificado producid,1 por un solo grano abrasivo. (A) virutd, (8) pieza, (C) g1·,rno abrasivo. Nótese el gran ángulo de ataque n
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1 ¡
EjempÍo: Dimensiones de viruta en rectificado plano Se puede clemos1rar, a partir
y el espesor 1, de viruta no cleformacla, con la ecuación
t=~VdJD,
(25.2)
siendo C la canticlacl ele puntas ele corte por únidad de área
Al aplicar las fórmnlas anteriores se ve que
f;
t
l = v'(200)(0.05) = 3.2mm = O.l3pulg,
Suponiendo que C = 2 por rnm 2 y que r = 15. se llega al resultadó
t ,,,·
FIGURA 25.9 Superficie de una piedra de rectificar (A46-J8V) mostrando los granos abrasivos, la porosidad de la piedra, caras de desgaste en los granos y virutas metálicas de la pieza, adheridas a Jos granos. Nótese la distribución y formas aleatorias de los granos abrasivos. Aumento;:SOX. Fuente: S. Kalpakjian.
(25.n
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... o.os
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(lSQO)(Z)(ls)fwo ='0.006rom = 0.00023ptilg:
Obsérvese que estas yirutas son mucho menores(jue la~ Obtenidas en op~raciones (\e (;ort\') de metal, en general ,Ad<';rnás, porla deformación plástica, la.viruta reªl será más corta y i:uás gruesa que 105 valo· res que é.álcufamos (véase Ja fig. 25.8\
25.4.1 Fuerzas en el rectificado Es necesario conocer las fuerzas en el rectificado, no sólo para estimar los requerimientos de potencia y para diseñar las rectificadoras, sino también para determinar las flexiones que pueden sufrir Ja pieza y la rectifica-
..........714
Capllu!o 25 /Operaciones de maquinado y acab;ido con abrasivos Sección 25.4 / Ei proceso de rectificado
71 S
Surco~
Virut8
pecífíca se puede calcular la fuerza de rectificado (tangencial a la piedra), F,, y Ja fuerza de empuje (normal a la superficie de la pieza), F,,, como se verá en el ejemplo siguiente.
Ejemplo: fúerzas en rectificado plano FIGURA 25.11 Formación de viruta y rayado en ia superficie de la pieza, por un grano abrasivo. Esta acción se parece a la ele desgaste abrasivo (véase la fig. 32.6)
dora: también es útil en el diseño de los soportes y sujetadores de pieza. A su vez, las llexiones afectan eo forma negativa la exactitud dimensional y son críticas en el rectificado de precisión. Si suponemos que la fuerza de corte en el grano es proporcional al área transversal de la viruta no deformada, se puede demostrar que la fuerza de! grano (fuerza tangencial de la piedra) es proporcional a las variables del proceso como sigue:
Fuerza de grano rx (
~ \j~) (resistencia de! material).
(25.3¡
Por las dimensiones pequefim que se manejan, las fuerzas en el rectificado suelen ser mucho menores que las de las operaciones ele corte (descritas en los capítulos 22 y 23 ). Las foerzas de rectificado deben mantenerse bajas para evitar distorsiones y 111antener Ja exactttud dimensional de Ja pieza.
lh1agine una operación de rectificado plano en una pieza de acero.al bajo carbón, con diámetro de piedra D :=JO pulg. girando a N =4000.rpm, con ancho de corte ·w = l pulg.Laprofündidaclde corte es d= 0.002 pulg y la velocidad v de avance de la pieza es 60 pulg/min. Calcule !a fuerza de corte (tange~1cial.a la piedra), F," y la fuerza de empuje (normal a la superfide), f~,. Solución:
Primero calcuhtremos la rapidez de re111ocí6n de material (RRM) corno sigue: RRM
dwv = (0.002)(1)(60) "= 0.12pulg'/min.
La potencia consumida es Potencia= (u)(RRM) donde u cs la energía específica, iibtenidü enla tabla25.3 (véase tam\)ién la sección 20.5.3). Supongamos que, para acero al bajo carbono. sea 15 hp·min/pulg 3. Pc1r tanto Potencia= (15)(0.12) = 1.8 hp. Teniendo en cuenta que l hp = 33.000 pie· lb/min, 396.000 pulg · lb/mín, se obtiene Potencia= (1.8)(396.000) = 712,SOOpuig ·lb/min.
La energía disipada al producir una viruta en rectificado está constituida por !a necesaria para:
Ya que la potencia se define como 1. Formación de virutas. Potencia= (T)(w), 2. Rayado'", con los levantamientos o surcos de material gue se ven cm la fig. 25. ! l.
=
siendo T el par. T (F,.)rD/2) y siendo w la velocidad de rotación de Ja píedrn en radianes por miúutn (w = 2rrN ), entonces
J. Fricción causada por frotamiento del gruno a lo largo de h1 superficie. Los granos desarroJJan una cara de desgaste (fig. 25.8b), paree.ida al desgaste dejlanm en ia:c; 1wrrn·· mientas de corte (fig. 20.15), resultado de la operación de rectificado. La cara de desgaste se frota con Lt ';u. perficie rectificada y, por la fricción, disipa energía. En la tabla 25.3 se ven requi;.itos normales de energía específica (energía por unidad de volumen de n1ateria! elimim1do) en el rectificado. Nótese que estos niveles de energía son mucho mayores que en las operaciones de maquinado (véase la tabla 20.2). Se puede atribuir esta diferencia a factores como la presencia ele caras planas y virutas producidas con üngulo de ataque negativo grande. A partir de los datos de energút es-
~25.3
Requisitos de energía especffica en el rectificado plano
----------Energía específica
Material de Ja pieza
Dureza
~-
hp · min/pulg
Aluminio f·Iierro colado (clase 40)
150 HB 215 HB
7-27
2.5-10
Acero al bajo carbono ( 1020)
1 1O HB
Aleación de titanio
300 HB
!2·-60 14-68 16-55 18-u•
Acero ele herramientas (T 15)
67 HRC
ºº
3
4.S-22 5-25 ""'6-20 , "-30
"N dea los T.: "Plowing": terial !os R. lados de la ranurarayado o rayo.o e! efecto de penetración de los granos arando la superlicie del material y fonnando surcos de
~Efleetwrt ·mvtW'mw
r
712.800 = (F,.)(JP)(2) (.,, )( 4000 ). de donde, F, = 5.7 lb. Se puede calcular Ja fuerza de empuje, f7,,, teniendo en cuenta que. según datos experimentales en las publicaciones técnicas, es un 30% mayor que la fuerza de corte. Fe En consecuencia,
F" = (l.3)(5.7) = 7.4 lb.
25.4.2 Temperatura En el rectificado, el aumento de temperatura es una consideración importante, porque puede afectar en forma adversa las propiedades de la superficie, y causar esfuerzos residuales en la pieza. Además, los gradientes de temperatura en la pieza causan distorsiones por diferencias en dilatación y contracción térmica. Cuando una parte del calor generado entra a la pieza, expande la parte que se esté rectificando, y se dificulta controlar la exactitud dimensional. El aumento de temperatura superficial en el rectificado se relaciona con las variables del proceso con la siguiente ecuación: Aumento de temperatura ex D 1i 4d 3i 4
111a·
v)1;2 (V .
(25.4)
Por consiguiente, la temperatura aumenta al incrementarse la profundidad de corte, el diámetro y la veloci" dad ele la piedra, y disminuye al aumentar la velocidad de la pieza. Nótese que d, la profundidad de corte, tiene la máxima influencia sobre la temperatura.
7'16
C:1pÍlulo 25 / Oper;iciones de ni.:1quin.:1do y acabado con abrasivos
Sección 25.5 / Desgaste de las piedras abrzisivzis
Las temperaturas máximas durante el rectificado pueden Uegar a J 600ºC (3000ºF). Sin embaigo, el tiempo que se tarda en formar una viruta es extremadamente corto, del orden de microsegundos, por lo que la viruta se podrá fundir o no. Corno las virutas se llevan gran pQrte del calor generado, como en el caso de los procesos de maquinado que usan herramientas de corte (fig. 20.14), sólo una fracción del calor producido por ei rectificado pasa a la pieza.
Chispas. Las chispas producidas al rectificar metales en realidad son virutas que se encienden, resuJ. taclo de la reacción exotérmica (generadora de calor) entre fas vimtás y el oxígeno ele la atmósfera. Las chispas no se observan cuando un metal cualquiera se rectifica en un ambiente sin oxígeno. El colo1; intensidad y forma de las chispas dependen de la composición del metal que se rectifica. Hay tablas que ayudan a tratar de identificar el tipo de metal que se rectifica a partir del aspecto de sus chispas. Si el calor generado debido a la reacción exotérmica es suficientemente grande, las virutas se pueclen fundir y, debido a la tensión superficial, adquirir una forma esférica y solidificarse en forma de partículas mekílicas. Revenido. Un aumento excesivo de temperatura en el rectificado puede producir el revenido y rchian. decimiento de la superficie de la pieza. En vista de ello, se deben seleccionar con cuiclaclo Jas variables del pro. ceso para evitar un aumento excesivo en la temperatura. Un método efectivo para controlar la temperatura es usar fluidos de rectificado. Quemado. Un aumento excesivo en la temperatura durante el rectificado (y en especial, durame el esmerilado) puede quemar la superficie que se trabaja. Una quemadura se caracteriza, en superficies rectificadas de acero, por un color azulado, indicación de que la alta temperatura causó oxidación, Se puede detectar por el ataque químico y otras técnicas metalúrgicas. Una quemadura no es perjudicial por sí misma. Sin embargo. las capas superticiales pueden sufrir rransformacioncs de fase (capítulo 4) con fonnación Je marte11sita en los aceros al alto carbono, debido al enfriamiento rápido (quemadura metalúrgica). Esta condición influirá sobre las propiedades supeit1ciales ele las partes rectificadas, reduciendo la ductiliclacl y la tenacidad superficial. Agi·ietamiento térmico. Las altas temperaturas durnnte el rectificado pueden hacer que la superficie de la pieza se agriete. A esro se le llama agnáwnienio térmico. Estas grietas suelen ser perpendiculares a la clirección del rectificado. Sin embargo, bajo condiciones severas ele rectificado también pueden aparecer gri'"las en dirección paralela. Esa superficie carece de tenacidad, y tiene b
25.4.3 Esfuerzos residuales Los g,-adientcs de temperatura en el interior de la pieza durnnte el rectificado son los principales responsables de los q/uerzos residuales. Los fluidos de corte y su método de apJicación, al igual que los parámetros del rectiGcaclo, corno son la profundidad y las velocidades ele corte, influyen mucho sobre la magnitud y el tipo de los esfuerzos residuales que se desarrollan (ele tensión o de compresión). Por el efecto adverso ele los esfuerzos residuales de tensión sobre la resistencia a la fatiga, se deben seleccionar con cuidado las variables del proceso. Normalmente, los esfuerzos residuales se pueden reducir aminorando la velocidad ele la piedra y aumentando la de la pieza (rectificado de bajo esfuerzo, o rectificado benigno). También se pueden usar piedras ele grado más suave, llamadas piedras de corte libre.
25.5
DESGASTE DE LAS PIEDRAS ABRASIVAS El desgaste de las piedras abrasivas es una consideración importante dacio sus efectos adversos en la forma Y precisión dimensional ele las superficies rectificadas, al igual que en el desgaste en las herramientas de corte. El desgaste ele la pioedra abrasiva es causado por tres diferentes mecanismos: desgaste por rozamiento. fractura de grano y fractura de aglomenmte.
717
Desgaste por rozamiento del grano En el desgaste por rozamiento o por atrición, los filos cortantes de un grano originalmente afilado se vuelven lisos por rozamiento, y desarrollan una cara de desgaste (fig. 25.Sb) parecida al desgaste de flanco en las herramientas de corte. El desgaste se debe a la interacción del grano con el material de la pieza, e implica reacciones físicas y químicas. Estas reacciones son complejas, y en ellas intervienen la difusión, el degraclamiento o descomposición química del grano, la fractura a escala microscópica, la deformación plástica y la fusión. El desgaste por rozamiento es bajo cuando los clos materiales (grano y pieza) son químicamente inertes entre sí, en forma muy parecida a la que explicamos para las herramientas de corte. Mientras más inertes sean los materiales, la tendencia de reacción y adhesión entre el grano y la pieza será menor. Por ejemplo, como el óxido de aluminio es relativamente inerte frente al hierro, su rapidez de desgaste por rozamiento al rectificar los aceros es mucho menor que el del carburo de silicio y el diamante. Por otra parte. el carburo de silicio se puede disolver en el hierro, por lo que no es muy adecuado para rectificar ace· ros. El nitruro de boro cúbico tiene mayor inercia con respecto
25.5.2 Fractura de grano Como los granos de abrnsivo son frágiles, son importantes sus características de fractura en el rectificado. Si es demasiad
25.5.3 Fractura del aglomerante La resistencia (grado) del aglomerante es un parámetro importante en el rectificado. Si el aglomerante es demasiado fuerte, los granos desafilados no se pueden desprender. Esto evita que otros granos afilados en la circunferencia ele la piedra toquen a la pieza y saquen virutas de ella, y que el proceso de rectificado se vuelva ineficiente. Por otra parte, si el aglomerante es demasiado débil, Jos granos se salen con facilidad y aumenta la rapidez ele desgaste de la piedra. En este caso se dificulta conservar la exactitud dimensional. En general, se recomiendan aglomerantes más suaves para los materiales más duros, y para reducir los esfuerzos residuales y daños térmicos a la pieza. Las piedras de grado alto son para materiales más suaves y para quitar graneles cantidades de material con gran rapidez.
!i.11,
"'111
.-~
Seccíón 25.5 /Desgaste de !as piedras abrasivas 7·g 3
719
Capítulo 25 /Operaciones de mJ.quinacio y acabado con abrasivos
25.5.4
ajuste y conformado de las piedras
Afilador de diamante
Ei afilado es el proceso de producir aristas filosas nuevas en los granos, acondicionar los granos gastados en la superficit de una piedra (acondicionamiento) y ajuste (producción de un círculo verdadero) de una piedra
sin redondez. El afilado es necesario cuando la piedra se pierde filo por desgaste excesivo por rozamiento, a lo que se le lJama vidriado, por el aspecto lustroso de la superficie de la piedra, o cuando la piedra se tapa. La piedrn tapada es cuando se llenan las porosidades de las superficies abrasivas de Ja piedra (fig. 25.9) con virutas. Las piedras se pueden tapar al rectificar materiales suaves, o por mala selección de piedras o de parámetros de proceso. Una piedra tapada corta en forma ineficiente, genera mucho calor por fricción y cau. sa daños superficiales y pérdida de exactitud dimensional. Se usan lres técnicas para afüar las piedras. En el primer método, una herramienta de punta de diamante. o una piiia de diamante de forma especial se mueve a través de la cara rectificadora de una piedra giratoria, y quita una pequeña capa de la superficie en cada paso. Este método puede hacerse en seco o en mojado, dependiendo de si la rueda se usará seca o mojada, respectivamente. Sin embargo, en la práctica, puede ser grande el desgaste del diamante con las piedras más duras, en cuyo caso se puede usar un disco o una copa de diamante. En e.I segundo método ele afilado, discos de estrellas de acero se inciden con fuerza contra la piedra. Ei matrería! es separado de la superficie de Ja piedra por aplastamiento de los granos. Como resultado, este mé· lodo produce una superficie gmecsa en ía piedra, y sólo se usa para operaciones gruesas de esmerilado, en esmeriles de banco o de pedestal. En el tercer método se pueden usar lápices de abrasivo para afilar, en especial con las piedras más <
FIGURA 25.12 Conformación de la cara abrasiva de una piedra, al afilarla con control computarizado. Nótese que el afilador de diamante está en dirección normal a la supe1ficie de l¡i piedra en el punto de contacto con ella.
Fuente: Okuma Machinery Works Ud.
Piedra abrasiva
forma automática, siguiendo una trayectoria predeterminada (fig. 25.12). Nótese, en esta figura, que el eje ele la herramiconta afiladora de diamante permanece normal a la cara de la piedra en el punto de contacto.
25.5.5 Relación de rectificado Se suele correlacionar el desgaste de una piedra con la cantidad de material de pieza eliminado, mediante un parámetro llamado relación de rectificado, G, que se define como
G=
~~
(Volumen de material eliminado)
.
(Volumen de desgaste de piedra)
En la práctica, las relaciones de rectificado varían mucho, de 2 a 200 o hasta más, dependiendo del tipo de piedra. material de pieza. fluido de rectificado y parámetros de proceso, como la profundidad del cor .. te y las velocidades de Ja piedra y de la pieza. Durante una operación de rectificado, determinada piedra funciona suave (es alto el desgaste) o fon· dona dura (el desgaste es bajo), independientemente de su grado. Nótese, por ejemplo, que un lápiz ordinario funciona suave cuando escribe sobre un papet áspero, y funciona duro cuando el papel es suave. El fun·· eionar duro o suave depende de la fuerza sobre el grano. Mientras mayor sea la fuerza, la tendencia de los granos a fracturarse o a ser despegados de la superficie de la piedra será mayor, y aumentará el desgaste de la piedra y bajará de rectificación. Selave,relación en Ja ecuación (25.1), que la fuerza sobre el grano aumenta con la resistencia del material de la pieza, la velocidad de la pieza y la profundidad de corte, y disminuye al aumentar la velocidad de la piedra y su diámetro. Por lo anterior, una piedra funciona suave cuando aumentan v y d, o cuando disminuyen Vy D. No siempre es aconsejable tratar de obtener tma relación de rectificado grande, porque las relaciones altas pueden indicar que hay granos desafilados y posibles daños en la superficie. Una relación menor se puede aceptar cuando la justifique un análisis económico general.
Ejemplo: Acción de una piedra abrasiva Se hace ún rectificado de superficie eón la piedra girando á velocidad constante del husillo. Esa piedra, ¿funcionará. súave o dura ál desafilarse durante cierto íntcrvalo? Suponga que la profundidad de corte d permanece constánte, y que la. piedra se afilará en fonna. periódica.
~eveque
Solución: De acuerdo con la ecuación (25,3), los PaJ:áll)etros que cai.nbian eon el tiempo en esoperación son el de. la piedra, D yV,'. Alhacerse D más pequeño, aumenta la fuerza relativa en el gnmo y la piédrafunciona más suave. reétíficadoras tienen motores de pa-
ta
díáme~
Alguri~s
ve!oCidadv~riable,
,-. ,,. :, .·:··, diámetros. .· ·, ·:·,",. ra compensar estos.cambios y ui;nblén.para compensar píe<:lras.de distintos '
'
~
720
Capi'tulo 25 / Operzicíones de maquinado y dczibado coñ abr;1sivos
-----
25.5.6 Selección de piedra y facilidad de rectificado de los materiales
25.6 METODOS Y MAQUINAS DE RECTIFICADO
El tipo de piedra abrasiva que se use para cierta aplicación puede influir mucho sobre Ja calidad de las superficies producidas, y también en la economía de la operación. En la selección de la piedra entra no sólo su forma con ¡·especto a la forma de la parle que se va a producir, sino también las características del material de Ja pieza. Con base en lo que hemos descrito, se puede ver que las propiedades físicas y mecánicas del material de la pieza son importantes para seleccionar una clase de abrasivo y un aglomerante. La facilidad de rectificado de los materiales, como la de maquinado o maquinabilidad (sección 20.9) es difícil de definir con precisión. Es un indicador general que comprende aspectos como la calidad de la superficie que se va a producir, el acabado superficial, integridad superficial, desgaste de la piedra, tiempo del ciclo y la economía en general. Como en la maquinabilidad, se puede aumentar mucho la facilidad de rectificado de un materia! con una selección correcta de los parámetros del proceso (labla 25.4), las piedras y los fluidos de rectificado, así como las características de la máquina y los métodos de sujeción de la pieza. Hoy están bien establecidas las prácticas de rectificado pm·a una gran variedad de materiales metálicos y no metálicos, incluyendo los materiales nuevos para aplicaciones aeroespaciales. En diversos manuales se pueden encontrar recomendaciones específicas para seleccionar piedras (labia 25.5) y los parámetros de proceso adecuados para los metales. En la actualidad se rectifican las cerámicas con relativa facilidad con ruedas de diamante y usando panírnetros de proceso sekccionados con cuidado. Por ejemplo, se ha demostrado que con pasadas ligeras y con máquinas de gran rigidez y capacidad de amortigm1rnicnto, es posible producir virutas continuas y buena integridad de superficie en el rectificado (fig. 25.J 1), gue se conoce como rectificado en régimen dúcli!. Co1110 las virutas de cerámica suelen tener tamaños de 1 a JO ,um (40 a 400 µpulg.), son más difíciles de eliminar de los fluidos de rectificado que las virutas metálicas: requieren filtros cerrados y métodos esp0ciaJes.
E_~~_!::_?SA__ Velocidades y avances normales para procesos ab1~asivos ~~~~~-~~~~JJro~-----
1500···30{)() 10--60 0.01-0.05
Velocidad de ta picdn1 (m/rnin) Velocidad de la pit:zo (111/min)
Avance
TAIBlA 25.5
Rectjficado
convencional
E~nterilado de
avance progre.siv{~ J500-3000 O. l-J
1500..'.2401)
/
/
Las operaciones de rectificado se efectúan en una diversidad de configuraciones de piedra y pieza. La selección del proceso de rectificado para una aplicación en particular depende ele la forma y el tamaño de la parte, facilidad de sujeción y la producción requerida. Los tipos básicos de operaciones ele rectificado son plano, cilíndrico, interno y sin centros, y se describirán en esta sección. El movimiento relativo de la piedra puede ser a lo largo de la superficie de la piedra (rectificado transversal, rectificado de paso completo, de avance transversal) o puede ser radial hacia la pieza (rectificado por penezración). Las rectificadoras de superficie constituyen el mayor porcentaje de rectificadoras que se usan en la industria, y les siguen las rectificadoras de banco (por lo general con dos piedras en cada ex.tremo del husillo), las cilíndricas y, aunque no sean rectificadoras propiamente dichas, los esmeriles para herramienta y pm·a fresas; las menos comunes son las rectificadoras internas. Se venden rectificadoras para diversas geometrías y tamaños. Las rectificadoras modernas están contro-· ladas por computadora y tienen funciones como la carga y descarga antomáticas de la pieza, y la sujeción, cambio, medición, afilado y conformación de la piedra. También, las rectificadoras pueden tener sensores y medidores para determinar la posición relativa de las superlicies de la piedra y la pieza (véase también la fig. 24.6) así corno palpadores con Jos que se puede descubrir con facilichtd roturas del afilador de diamante, si es que la hay, durante el ciclo de afilado.
25.6.1 Rectificado plano El rectificado plano implica rectificar superficies planas, y es una de las operaciones más comunes (fig. 25. l3). En forma característica, la pieza se asegura en un plazo magnético fijo a la mesa de la rectij]cadora (iíg. 25.14). Los materiales no magnéticos se sujetan, c11 general, con tornillos de banco, soportes especiales, platos al vacío o con cintas adhesivas de doble cara. Una piedra recta se monta en el husillo horizontal en la rectificadora. Se hace rectificado transversal cuando la mesa va y viene en sentido longitudinal, y avanza lateralmente después de cada viaje. En el rectificado de penetración la piedra avanza radialmente hacia la pieza, como cuando se rectifica una ranura (fig. 25.J 3b). El tamaño de una rectificadora plana se determina por las dimensiones superficiales que se pueden trnbajar en ella. Además de la rectificadora plana de !a fig. 25. 14, hay otros tipos, con husillos verticales y mesas giratorias (llamadas tipo Blanchard, fig. 25. l3c). Con estas configuraciones se pueden rectificar varias piezas en una sola preparación. En soportes especiales se rectifican los balines de acero para rodamientos de bolas, para producir graneles cantidades de ellos (fig. 25.15).
Aluminio
C46-K6V
FIGURA 25;·13 Esquemas de diversas operaciones de rectificado plano. (a) Rectificado longitudinal con rectificadora plana de husillo horizontal. (b) Rectificado de penetración con una rectificadora plana de husillo horizontal, para producir una ranura en la pieza. (e) Rectificador;i de mesa giratoria con husillo vertical
Latón
C46-K6V
(también llamada de Blancharc/).
Bronce
A54-K6V
Hierro colado
C60-L6V, A60-M6V
Tipo de piedra abrasiva
Carburos Cerámicos
C60-I9V, Dl50-R75B D l 50-NSOM
Cobre Aleaciones de nique!
C60-J8V B!50H!OOV
Nylon Aceros
A36-L8V A60-M6V
Titanio
Aceros de hen-amienta (>50 HRC) Nota: Estas recomendaciones v~rfon
A60-K8V B 120WB mn,-.h -
-----.. v, ut:peudienclo de la composición del material, la operactón específica de maquinado y los fluidos de rectificado que se usen .
..
1800-··3600
Recomendaciones para piedr·as de rectificar diversos materiales
Material
.:::-,=="'~-''''''"'~'' '"'"-~"'-"" '~~-~'-""
Lustrado Abrillanl;:do -------------
1--6
721
SecCión 25.6 /Operaciones y máquinas de rectificado
(b)
(a)
(e) Mesa rotatoria
-''"L~{l~.;/;\D. I_./
~
Pieza Rectificadora plana con husillo horizontal: rectificado longitudinal
/
Pieza Rectificadora plana con husillo horizonral: rectificado de penetración
Piedra
Mesa
•
-
S'ecóón 25.6 /Operaciones y máquinas de rectificado 722
723
Capítulo 25 /Operaciones de maquinado y acabado con abrasivos (al
Defensa ele !a piedra"·- ~------Cnbeza! de la picdr
Avance------~--
(e) (b)
+ flGURA 25.14
Esquema de una rectificadora plana con husillo horizontal.
(a)
Bolas con
(b)
esmerilado grueso '1
o
\
FIGURA 25.16 Ejemplos de diversas operaciones de rectificado cilíndr;co. (a) Rectificado longitudinal, (b) rectificado de penetración y (e) rectificado de perfilado. Fuente: Okuma Machim!rY Works Ud.
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y otras formas. Estas máquinas tienen controles computarizados que reducen la mano de obra y producen paf-
Piedra
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ma, como la que se ve en la figura.
o (]uía para fas bolas
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tes conCon ei~actitud y en fonna repetitiva. las funciones de control por computadora, se pueden rectificar partes no cilíndricas, como Jev
Bolas rectificad;ts lcrminad;:is
1=~GUf-{A. 25:~5
(a) Esmerilado grueso de boJ;is de acero en u11;1 rec1íficadora Je husillo vertícal; las bolas so:• guíocbs por un soporte giratorio especial. (b) Rectificado de acabado de las bolas, en un sopone de nwliiranuras.
LDs bolas son rectificadas a 0.013 mm (0.000.S pu\g) de su tamaño final. Fuente: Arnerican /'v1achinjst.
Piedra nbfí.lSiva
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flGURA 25.'17 Rectificado de pendración de una pieza en una rectificadora cilíndrica, con la piedra afilada en superficie escalonada.
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25.6.2
cilíndrico En el rectificado cilfndrico, llamado también con centros (fig. 25. l 6; véase tambicn la fig. 25.2), se rectifican las superficies y escalones cilíndricos externos de la pieza. Entre las aplicaciones características están los muñones de ciglieñales, husillos, pernos, pistas de rodamiento y rodillos para laminadora. La pieza cilíndrica giratoria va y viene a lo largo de su eje. En bs rectificadoras para piezas grandes, Ja piedra es Ja que va y viene, y se llama rectificadora de rodillos; puede rectificar rodillos hasta de !.8 m (72 pulg) de diámetro para laminadoras (véase la fig. 13. !J. En el rectificado cilínclrico, la pieza se sujeta entre los centros, o con mordazas, o en un plato; también se monta en un plato en el cabezal de la rectificadora. Para las superficies cilíndricas rectas, los ejes de rotación de la piedra y de la pieza son paralelos. Con motores separados se mueven la piedra y la pieza a distintas velocidades. Las piezas largas con dos o más diámetros también se procesan en rectificadoras cilíndricas. Con el rectificado cilíndrico se pueden producir formas (rectificado de forma y rectificado de penetración) en donde la piedra se afila con la forma que va a rectificar (fig. 25.17). Las rectificadoras cilíndricas se identifican por el diámetro y la longitud máximos de la pieza que pueden trabajar, en forma parecida a los tornos de motor. En las rectificadoras universales los ejes, tanto de la pieza como de la piedra, se pueden mover e inclinar respecto a un plano horizontal, permitiendo rectificar conos
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Pieza
FIGURA 25.18 Esquema del rectificado de una parte no cilíndrica en una rectificadora cilíndrica con controles computarizados para poder producir la forma. La rotación de la pieza y la distancia x entre centros se hacen variar, en forma sincronizada, para rectificar la forma de la pieza en especial.
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Véase también la fig. 25.12.
Piedra abrasiva
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Capítulo 2S /Operaciones de maquinado y acabado con abrasivos (a)
Sección 25 .6 /Operaciones y rnáquin
(b)
(b) Rectificado de penetración
(a) Rectifica
FIGURA 25:19 Rectifiodo de roscas por (a) rectificado longitudinal y (b) rectific
Pieza
FIGURA 25.21
El rectificado ele rnscas se hace en rectificadoras cilíndricas, con piedras afiladas especialmente, que coinciden con la forma de las roscas (fig. 25.19), y también con rectificadoras sin centros (sección 25.6.4). Aunque son costosas, las roscas producidas con rectificado son las más exactas de las obtenidas por cualquier proceso de mrumfactura, y su acabado superficial es muy fino. Se sincronizan Jos movimientos de Ja pieza y la piedra para producir el paso de la rosca, más o menos en seis pasadas (véase también la sección 25.6.4). li-«>•·nr>lo-
Cidos en el rectificado cilíndrico
725
(e) Rectificado de perfilado
j[]@e
Esquemas de operaciones de rectificado de interiores.
25.6.3 Rectificado interno En el rectificado interno (fig. 25.21 ), se rectifica el interior de la parte con una piedra pequeña, como en el caso de Jos bujes y pir,tas ele rodamiento. La pieza se sujeta en quijadas rotatorias y la piedra gira a 30.000 rpm o más. También se pueden rectificar perfiles internos con piedras afiladas en la forma correspondiente, que se mueven radialmente hacia la pieza. El cabezal de las rectificadoras de interiores se puede inclinar en un plano horizontal, para rectificar hLiecos cónicos.
Corno en b mayor parte de las operaciones de rectificado. e·n el rectificado cíiín~rico la picd,ra su.ele hace;· '•arias pasadas a lo largo de una trayectoria, p~fra prodücir 1a geomelrfn final de la pieza~ L~1 fig. 25.20 rnuc~ tr;i di1·ersas pautas de ciclo para producir diversas fonnas e1_1 una rectificaclora de precisión, de múltipb funcjones, controlada por computadora. i,as fledrns. hacia ab<üo,. con números, indican el ínicio del ciclo
de rccLíficaclo.
La dckrmirn1ci6n del patnin óptimo para obtener el tiempo mínimo de ciclo y con el C\>Sto mfnimo depende de ia cantidad de material que se va a clíminar, la.forma de J.a parte y Jos parámemis escogidos p<1ra el proceso. Estos patrones los genera, en forma"hutomiítica, elpí·ograma de íos eón troles computarizados de la rectificadora. Fuente: Toyod.a MaChinery.
25.6.4 Rectificado sin centros El rectificado sin centros es un proceso para producción en gran escala, donde se rectifican superficies cilindricas en forma continua. En este proceso, la piew no se sostiene entre puntos o centros, ni mediante mordazas, sino mediante una cuchilla o filo (figs. 25.22a y b). Las partes características que se producen con rectifo:ado sin centros son los rodamientos de rodillos. pernos de pistón, válvulas de motor, levas y componentes parecidos. En este proceso de producción continua se requiere poca destreza del operador. S·~ pueden rectificar partes con diámetros hasta de 0.1 mm (0.004 pulg). Hoy. las rectificadoras sin centros (Ji;;. 25.22c) son capaces de desarrollar velocidades superficiales en las piedras del orden de 10,000 mhnin (35,000 pies/min), con piedras de nitraro ele boro cúbico.
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(b) Rectificado de aproximación Piedra reguladora Pia,a ....¡ j Piedra a-1 ' r~gu laúora \ __ V
(a) Rectificado de pa';o completo
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Piedra abrasiva
Piedra abraslva
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FIGURA 25,22 Esquemas de rectificados sin centros: (a) rectificado de paso completo. (b) Rectificado de penetración. (e) Rectificadora cilíndrica con control numérico computarizado. Fuente: cortesía de Cincinnati Milacron, lnc .
.,... SecCÍón 25.6 /Operaciones y máquinas de rectificado 726
Capítulo 25 / Opern.ciones de maquinado y acabado con abrasívos
En el rectificado de paso completo, la pieza se sostiene en una cuchilla y se rectifica entre dos pi.edras. La piedra más grande es la que rectifica mientras que la menor regula el movimiento axíal de la pieza. La piedra regaladora, aglomerada con hule, está inclinada y funciona a una velocidad sólo de 1/20 de la de la piedra rectificadora. Con rectificado sin centros se pueden procesar piezas de diámetros variables, como tomillos, buzos de válvula y ejes de distribuidor. El proceso se llama rectificado de penetración o de avance (fig. 25.22b ); el proceso se parece al rectificado de penetración o de forma con rectificadora cilíndrica. Las piezas cónicas se rectifican sin centros mediante el rectificado de alimentación extrema. Se pueden alcanzar rectificados de roscas con altas producciones con rectificadoras sin centros, con piedras .afiladas especiales. En el rectificado interno sin centros la pieza se sostiene entre tres rodillos y se rectifica internamente. Entre sus aplicaciones normales están la producción de partes en forma de buje o canúsa, y de anillos.
25.6.5 Otras rectificadoras Hay disponibles otras rectificadoras para fines especiales. Las rectificadoras universales para herramientas y fi·esas se usan para afilar herramientas y fresas de una o varias puntas, incluyendo brocas. Tienen sujetadores especiales de pieza, para colocar con exactitud las herramiem.as por esmerilar. Hoy se consiguen diversas afiladoras ele herramienta con control numérico computarizado, que hacen que la operación sea más sencilla y rápida, y que los resultados sean consistentes. Sin embargo, es las rectificadoras pueden costar de 150,000 a 400,000 dólares. Las rectificadoras de torno, o aditamentos de rectificar son unidades autosuficientes que se sueien t~ar a la tmTeta ele herramientas de un torno (como en la fig. 22.2). La pieza se monta en el cabeza[ y se rectific¡i moviendo la torreta de herramienta. Estas rectificadoras son versátiles, pero se deben proteger las parres del torno contra el polvo abrasivo. Los esmeriles con bastidor pendular se usan en las fundiciones, para rectificar piezas coladas grandes. Al esmerilado burdo de las piezas coladas se le llama desbaste y se suele hacer en esmeriles de piso con piedra:; hasta de 0.9 m (36 pulg.) de diámetro. Los esmeriles portátiles se impulsan en forma neumática o eléctrica, o con un chicote (eje flexible) conectado a un motor eléctrico o de gasolina. Se usan en operaciones para esmerilar Jas gotas de soldadura y en operacjones de tronzado~ cizallado o secciunanúento, usando discos abrasivos delgados. Los esmeriles de banco son para afilar a mano las herramjentas o esmerilar paiies pequeñas. Sudeu tener dos piedras montadas en los dos extremos del eje de un motor eléctrico. Una piedra suele ser gruesa. para esmeriLido de desbaste, y Ja otra fina, para el acabado. Los esmeriles de pedestal o de pie se colocan en el piso y se usm1 casi como los esmeriles de banco.
25.6.6 Esmerilado de avance deslizante En forma tradicional, se ha asociado al rectificado con pequeñas velocidades de remoción de material (tabla 25 .4) y con operaciones de acabado. Sin embargo, el desgaste abrasivo también se puede usar para operaciones de remoción de metal a gran escala (o esmerilado), parecidas al maquinado, brochado y cepillado. En el esmerilado de avance deslizante, desarrollado a fines de la década de 1950, la profundidad de corte d de la piedra es hasta de 6 mm (0.25 pulg), y la velocidad de la pieza es baja (fig. 25.23a). Las piedras son casi siempre aglomeradas con resina, de grados suaves y con estructura abierta, para mantener bajas las temperaturas y mejorar el acabado superficial. Las máquinas para este esmerilado tienen características especiales, como la potencia hasta de 225 kW (300 hp ), gran rigidez (por las grandes fuerzas debidas a las grandes profundidades de remoción de material), capacidad de amortiguamiento elevada, velocidades variables de husillo y de mesa, y gran capacidad para fluidos de esmerilado. Hoy se dispone de rectificadoras con posibilidad de afilar en forma continua la piedra. con un rodillo de diamante.
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(b)
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(e)
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Velocidad de la pieza baja, v
.flGURA 25.23 (a) Esquema del proceso de esmerilado con avance progresivo. Nótese la gran profundidad de corte de la piedra, d. (b) Ranura perfilada producida en una superficie plana mediante esmerilado de avance progresivo en un paso. Las profundidades de ranura suelen ser de algunos mm. e) Ejemplo de esmerilado de avance progresivo con una rueda perfilada. Esta operación también se puede efectuar con algunos de los procesos que se describirán en el capítulo 26. Fuente: cortesía de Blohm, lnc. y de Manufacturing Engineering Magazine, Society of Manufacturing Engineers.
Su economía general y posición de competencia respecto a otros procesos de remoción de material indican que el esmerilado con avance deslizante puede compararse con otros procesos de maquinado, y ser económico en aplicaciones específicas, como por ejemplo esmerilar punzones formados, cuñeros, canales helicoidales de broca, raíces de álabes de turbina (fig. 25.23c) y diversas partes complicadas de superaleaciones. Como la piedra se afila en la forma de la pieza que va a producir, esa pieza no necesita haberse fresado, conformado ni brochado antes. Aunque por lo general una pasada es suficiente, puede ser necesaria una segunda pasada para un mejor acabado superficial. En consecuencia, las forjas y piezas coladas a casi 1't forma fi-
nal son partes adecuadas para el esmerilado con avance deslizante.
25.6.7 Remoción de gran cantidad de material por rectificado Si se aumentan los parámetros del proceso, se puede usar el rectificado para remover gran cm1tidad de material. El proceso puede ser económico en aplicaciones específicas, y competir bien con los procesos de maqui-· nado, en especial con el fresado, aunque también con el torneado y el brochado. En esta operación el acabado de la superficie tiene importancia secundaria, y la piedra (o banda) de esmeril se usa a toda su capacidad para obtener un costo mínimo por pieza. Las tolerancias dimensionales en este proceso son del mismo orden que las que se obtienen con otros procesos de maquinado.
25.6.8 Traqueteo en el rectificado El traqueteo tiene importancia especial en el rectificado porque afecta en forma negativa el acabado superficial y el desempeño de la piedra. Las vibraciones durante el rectificado se pueden deber a cojinetes, husillos y al uso de piedras desbalanceadas, y también a causas externas, como máquinas cercanas. También, el mismo proceso de rectificado puede producir traqueteo regenerativo. El análisis del traqueteo en el rectificado es parecido al de las operaciones de maquinado (sección 24.4). Así, las variables importantes son la rigidez de la máquina herranuenta, la rigidez de los soportes y sujetadores de pieza, y el amortiguamiento. Otros factores que son exclusivos del traqueteo en el rectificado son falta de uniformidad en la piedra, desgaste disparejo de la misma y las técnicas de afilado que se empleen. Dado que estas variables causan las marcas de traqueteo características en las superficies rectificadas, con frecuencia, al estudiar esas marcas se puede llegar a la fUente del problema. Se han establecido linea-
-728
Capítulo 2.5 / Oper,iciones cko maquinado y ae<1bado con almisivos
mientos generales para reducir la tendencia al Lraqueteo en el rectificado, como por ejemplo a) usar piedras de grado suave, b) afilarlas con frecuencia, e) carnbiar las técnicas de afilado, d) reducir la rapidez de rem .; ción del material, y e) soportar rígidamente la pieza. 0
Seguridad en las operaciones de rectificado Corno las piedras ele esrneijJ y de rectificado son frágiles y giran a graneles velocidades, se deben seguir con cuidado cie1tos procedimientos para manejarlas, almacenarlas y Ltsarlas. El no apegarse a ellos y a las ins. trucciones y avisos impresos en las etiquetas puede provocar graves lesiones o la muerte. Las piedras se deben almacenar en forma adecuada, y protegerse de los extremos en el ambiente (por ejemplo, alta temperatura o hLimedad). piedras se deben inspeccionar visualmente paca ver si tienen grietas y daños, antes de instalarla<.:; en lasEsas rectificadoras. Los clafios a una piedra pueden reducir mucho su velocidad de explosión, o de desintegración, que se define como la ve!ocidacl superficial a la cual se desintegra o explota una piedra en rotación libre. Naturalmente, la velocidad superficial se relaciona con el diáme!ro y la veloci.dacl ele rotación de una piedra, por lo que se puede definir en términos de l]Jm para determinada piedra. La velocidad de explosión depende del tipo ele piedra, su aglomerante, grado y estructma. En las ruedas de diamame y de cBN (tig. 25.5), que trabajan a grandes velocidades superficiales, el tipo de material de núcleo de clü" afecta Ja velocidad de explosión: como era de e;,perarse, los núcleos metálicos tienen la máxinw velocidad de explosión, del orden de unos 250 rn/s (800 pics/s). Las piedras se deben montar en husillos del tamaño COtTecto para que ni estén forzadas (con lo que >e podrían romper en su centro) ni flojas (lo que puede c:msar desbalancco). Las cejas deben tener el disciJo y dimensiones adecuadas. Las piedras deben estar porque si no la superficie producida quedará ondulada y Ja piedra causaní que posiblemente cau:
tiernm!o:
de reclifk«do contra tome«dó duw
En J;¡ sección '.?2.5 Jcscribimos d lomeado clurn. t;¡empio del cual es.el rnaqui'naclo de los aceros lraladn,, ic'rmic;imcntc (por io general arriba de 45 HHC) con una herrnn1it;1ita de corte monofilo, de nitruro debo .. '"'cúbico policristalino. En vista Je lo que hemos descrito hasta ahora;cs evidente· que el rectificadri el lomeado duro son competitivos en aplicaciones específicas. En coúsecuenciaha habido bastante conlrn· vcrsia acerca de los méritos respectivos de los dos procesó:<.· El torneado duro es cada vez más competitivo con el reétifü:ado, y las to!erancjas dimensionales y el acabado superficial comienzan a acercarse a !as.obtenidas conel rectificado. Como se ve en las tablas 20.2 y 25.3, en el torneado se requiere mucho menos energía que c1.1 ..el 'rectificado. También, es menos probable que se presenten dat'íos !érmii::osy de otro tipo en la de la pieza; podrán no ser necesarios Jos fluidos de corte: y las m<íquinas herra1hientas son .ª1 acaf¡ar la pieza mientras estfi todavía montada en el tomo se elimina la necesidad de nían.ejodejÍ¡atefial yde colocar la parteen la rec-
su,p~¡-fi~ie me~os cosfosa~ ~más;
grande~ esJ.j~Jta~dtÍní.iÚe us¡¡~ pµed~ ser~n,$'olJ'J~a1Jph\cfabI~;,~i¡c9n1paración evidenté'é¡u~ §~''i:fu!le'evaJÜ¡:¡f ~n.f<'lnna
;r.;
tificadora. . . .. ·. · . .. . • •· " > •······• Sin embargo. los sujetadores de piezas y el t?ipeadoduro puedcm presentar ,swrm&ore's que las de reétificadi:J¡ Adeimpo11antes problemas. potque las fuerzas de corte que $e con el más. el desgaste de la hemimienta y su control afüadó automático de las piedras de rectificado, Es individual laposición competitiva del torneado duro en comparación con el réctificado, para cada aplicación y en témunos del acabado superficial e integridad de la superficie del producto, su•calidad y la economía en general.
Sección 25.8 /Consideraciones de diseflo para el rectificado
729
ÍS.7 FLUIDOS DE RECTIFICADO Las funciones de los fluidos ele rectificado son parecidas a las de 1.os fluidos de corte (sección 2l.13). Aunque el rectificado y otros procedimientos ele eliminación abrasiva se pueden efectuar en seco, es importante usar un fluido. Evita el aumento ele temperatura en la pieza y mejora su acabado superficial y exactitud dimensional. También mejoran la eficiencia ele la operación porque reducen el desgaste y la carga en la piedra, y bajan el consumo de potencia. Los fluidos de rectificado son normalmente emulsiones acuosas para el rectificado general, y aceites para el rectificaclo de roscas (tabla 25.6). Pueden aplicarse como un chorro o como niebla, que es una mezcla de fluido y aire. Por las grandes velocidades superficiales que existen, una corriente ele aire (cortina de aire) en torno a la periferia de la piedra evita en muchos casos que el fluido llegue a la interfase entre piedra y pieza. Se han diseñado boquillas o !Obera.s especiales que se adaptan a la forma de Ja superficie de corte ele la piedra, en las qlle el fluido de rect'tficaclo se aplica con eficacia bajo alta presión. La temperatura de los fluidos ele rectificado a base de agua puede aumentm· mucho al sacar el calor de la zona ele trabajo. En consecuencia, la pieza se puede dilatar y hacer difícil el control ele las tolerancias dimensionales. El método común para mantener temperaturas uniformes en la pieza es usar sistemas de refrigeración a través de los cuales se hace circular el fluido. Como se describió en la sección 21.13, acerca de t1uidos de corte, entre las consideraciones más importantes para seleccionar y usar los de rectificado están los aspectos biológicos y ecológicos, el desecho, tratamiento y reciclado. Las prácticas que se adopten deben cumplir con los reglamentos y leyes federales, estatales y locales (sección 37.4).
25.8 CONSIDERACIONES DE DISEÑO PARA EL RECTIFICADO Las consideraciones de diseño para e! rectificado se parecen a las del maquinado. Además, se debe dar atención especial a los siguientes puntos: a. Las parte;; a rectificar deben diseífarse. en tal fonna que se puedan sujetar con firmeza, sea entre qui ia·· das, mesas magnéticas o soportes y sujetadores adecuados. Si no es así, las piezas delgadas. rectas o tubulares, se pueden flexionar durante esta operación. b. Si se requiere gran exactitud Jirnensional, se deben evitm· las superficies interrumpidas, corno orificios y cuñerns, porque pueden causar vibraciones. c. En el rectificado cilíndrico, las partes deben estar balanceadas y se deben eviLar los disefios largos y .;;sbeltos, para reducir las flexiones al mínimo. Los biseles y radios ele transición deben ser tan grandes como sea posible, o se debe suministrar desahogo antes de maquinarlos.
TABLA 25.6 Material
Recomendaciones generales para fluidos de rectificado Fluido ele rectificado
Aluminio
E, EP
Cobre
CSN, E, MO D,MO CSN,EP EP CSN,E CSN,E
Magnesio Níquel Metales refractarios Aceros Titanio
+ FO
~ ...... F'' -·"":síón c:xtrcma: CSN: ~Listancias químicas D: seco; E: emulsión; e,1~; y materiales sintéticos: MO: aceites minerales; FO: aceites grasos.
~-----------------
.ari
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Sección 25.10/0peraciones de acabado 73()
Capítulo 25 /Operaciones de 111ziquínado y ~icabado con abrasivos
d. En el rectificado sin centro se puede dificultar el trabajo exacto con piezas cortas, por falta de soporte en la cuchilla. En el rectificado de paso completo sólo se puede tallar el diámetro máximo. e. Se deben simplificar los diseños que requieran rectificado exac;o de forma, para evitar afilados frecuentes de piedra.
731
do de careado (fig. 23.6) donde se sustituyen los insertos por abrasivos. Las virutas producid.as se lavan con un refrigerante bombeado a través del núcleo de la herramienta rotatoria. El proceso de maquinado ultrasónico rotatorio tiene eficacia especial para producir orificios hondos y en remociones rápidas de material en partes de cerámica. Consideraciones de diseño.
Los lineamientos de diseño para el maquinado ultrasónico comprenden
f. Se deben evitar los orificios profundos y pequeños, y los orificios ciegos que requieran rectificado inlos siguientes: a. Evitar perfiles agudos, esquinas y radios pequeños, porque el lodo abrasivo los erosiona.
terno. o bien deben tener un desahogo. En general, el diseño debe requerir la remoción de una cantidad mínima de material en el rectificado, excepto en el esmerilado se avance deslizante. Además, para mantener una buena exactitud dimensional, los diseños deben permitir, de preferencia, que todo el rectificado se haga sin cambiar la posición de la pieza. Este lineamiento también se aplica a todos los procesos y operaciones de manufactura.
2s.9-
ULTRASÓNICO
Maquinado oilrasóroico rnlatorio (RUM, rotary ultrasonic machining).
En este proceso el lodo abrasivo se sustituye por una herramienta con abrasivos d.e diamante aglutinados con metal, impregnadf! o electrodepositada en la wperficie de la herramienta. Esta herramienta se hace girar y vibrar ultrasónicamente. y contra e!Ja se recarga la pieza con una presión constante; el proceso se parece a una operación de fresa
FIGURA 25.24 (a) Esquema del proceso de maquinado ultrasónico (b) y (e) Tipos de. piezas fabricadas con este proceso. Nótese e! tamaño pequeño de los orificios producidos (a)
(b) d~
corrienle
soportar el fondo ele las partes con una placa ele respaldo.
25.10 OPERACIOt'.IES DE ACABADO
En el maquinado ulírasónico (UM, de ultrasonic nwchining), se quila material de una superficie por microclesportillado y erosión con granos abrasivos finos en un lodo o pulpa (fig. 25.24a). La puntad.e la herrnmienta (sonotrodo), vibra a una frecuencia de 20 kHz y b
Fuente
b. Esperar que en los orificios este proceso producirá algo de conicidad. c. Para evitar el áesportillamiento de materiales frágiles en el lado ele salida, al producir orificios pasad.os,
Epóxico reforzado con vidrio y grafito
¡ O mm (2 pulg) de diámetro ¡ Ranuras de 0.64 x 1.5 mm (Ü.025 X 0.060 pulg)
Además ele los descritos hasta ahora, también se usan varios procesos como operaciones de acabado de pieza. Estos procesos usan granos abrasivos. Las operaciones de acabado pueden constituir una parte importante del tiempo de producción y el costo del producto. Por consiguiente, se deben espedficar con la debida consideración a sus costos y ventajas.
25 .1 O.1 Abrasivos recubiertos Como ejemplos característicos de los abrasivos recubiertos están los papeles de lija y de esmeril, con granos más puntiagudos que los que tienen las piedras abrasivas. La mayor parte de los abrasivos recubiertos son de óxido de aluminio, y el resto son ele carburo de silicio y ele zirconia y alúmina. Suelen tener una estmctura mucho más los abrasivos en las piedras. sobre los materiales ficxibles de respaldo, como papel. alLosabierta granosque se depositan electwstáticarnente godón, poliéster rayón, poli.nylon y diversas combinaciones de estos materiales (fig. 25.25), con sus ejes .longitudinales perpendiculares al plano del respaldo. La matri;, (recubrimiento) es d.e resinas. Entre los desarrollos recientes está el empleo de varias capas de abrasivos, en especial para bandas (que se describirán en el siguiente Losejemplo). abrasivns recubiertos se consiguen en forma de bojas, bandas y discos. Se usan mucho para dar acabado a superficies planas o curvas de partes metálicas y no metálicas, para los especímenes metalográficos y en el trabajo de maderas. La precisión del acabado superficial obtenido depende principalmente del tamaño de grano. lijado con banda. También, los abrasivos recubiertos se usan en forma de bandas para remoción rápida de material con buen acabado superficial. El lijado con bmula ha llegado a ser un proceso importante de producción, y en algunos casos sustituye al rectificado convencional. Se usan números de grano del 16 al J500. Las velocidades ele banda están normalmente entre 700 y l 800 m/Jnin (2500 a 6000 pies/rnin). Las má-
(e) Vidrio Granos de abras'1vo
1.2mm (0.048 pulg)
l 1
Orificios de 0.4 mm
(0.016 pulg.) de diámetro
@tJ~~~~" l
R~~spaldo
\__capa adhesiva
FIGURA 25.25 Esquema de la estructura de un abrasivo recubierto. La lija de agua, inventada en el siglo XVI y la de esmeril son ejemplos comunes de abrasivos recubiertos.
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732
CJpítu!o 25 /Operaciones de rndc¡uin;ido y acabado con abrdsivos
Sección 25.1 O/ Opera.e iones de acabado
quinas parn operaciones con banda abrasiva requieren un respaldo adecuado de la banda y tienen construcción rígida para minin1izar las vibraciones. Los abrasivos recubiertos convencionales tienen en su superficie granos en colocación aleatoria. Un desarrollo reciente es la micrnrréplica, en donde Jos abrasivos, en forma de diminutas pirámides de óxido de aluminio, se colocan en un orden predeterminado sobre la superficie de la banda. Se us;m en aceros inoxidables y superaleacioncs, su desempeño es más consistente, y las temperaturas que se desarrollan son menores. Entre las aplicacionec; normales están el esmerilado en banda de implantes quirúrgicos, palos ele goif, armas de fuego, álabes de turbina e instrumentos médicos y dentales.
Ejemplo: Pulido con banda de paletas reguladoras de turbina
pieza. Cada álabe pesó 21.65 g antes y 20.25 g después dd pulido. Fuente: ASM fnternational. 'PaieJ:i
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la pieza
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FIGURA 25.26
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Esquemas del proceso de superacabado de una parte cilíndrica. (a) IV\icroasent;ido cilíndrico, FIGURA 25.28 (b) IV\icroacabado sin centros.
tamaños de orificios. El asentado también se efectúa en superficies cilíndricas externas o ¡ilanas, para eEminar filos agudos en las herramientas de corle e insertos (véase fig. 21 .5 ). La finura del acabado superficial se puede controlar con el tipo y tamaño de abrasivo usado, la presión aplicada y la velocidad. Las velocidades superficiales van desde unos 45 m/min hasta 90 m/min (J 50 a 300 pies/min). Se usa un fluido para eliminar las virutas y mantener bajas las temperaturas. Si no se hace bien, d asentado puede producir orificios que ni son rectos ni cilíndricos, sino con formas abocardadas, onciula
Banda abr~1<>i\·;,1
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Pieza.,
/
La paleta reguladora de turbina que se ve en la fig. 25.26 füéfundícla a la cera perdida (sección 1 l ,8) a partir de una superalcación a base de cobúlto. Para quitar una delgada capa de difusión de la falda de la raíz y la falda de la punta do la palcla, se pulió en trna banda abrasiva con respaldo de lela (de óxido de aluminio. tamaño de grano 60). Las paletas se montaron en un soporte y se pulieron con Lma vel.ocídad debanda de 1800 m/min (6000 pics/min) .sin fluido de rectificado. La rapidez de producción fue 93 segundos por
Sujeta~or
(b) (a)
{long.·1t•U•..d.i1·l·d·[·, Sl CS·
733
terno de una pieza n;doncla.
25.10.4 Lapeado
de
En e! proceso de cepillado de alambre, la pieza se recarga contra un cepillo de al:.unbre redondo, que gira a alta velocidad. Las velocidades normales son de 1750 rpm para los cepillos chicos y 3500 rpm p
El [apeado es una operación de acabado de superficies planas o ci"Jíndricas. La plancha de lapear (fig. 25.2):\) suele ser de hierro colado, cobre, cuero o tela. Las partículas abrasivas est
25.! 0.3 Honeado FIGURA 25.29
El honeado o asentado, como también se le conoce, es una operación gue se usa principalmente para dar a los orificios un acabado superficial fino (como en la fig. 22. 13). La herramienta de asentar, o huna, consis!c en un coqjunto de abrasivos aglomerados de óxido de aluminio o carburo de silicio llan1ados piedras (fig. 25.27). Emín montados en un mandril que gira en el agujero y aplica una foerza radial con movimiento axial de vaivén. Esta acción produce un rayado cruzado. Las piedras se pueden ajustar radia!mente para distintos
(a) E-;quema del proceso de !apeado o lapidado. (b) Lapeado de producción en superficies
planas. (e) Lapeado de producción en superficies cilíndricas. (a)
(b)
Abrasivo
1d
Posición y control __ de presión de Ja
piedra de !apeado____-
.._
Piedra
Husillo
__
(e)
Piedra de !apeado. ____,.,,
·mperior
·
\
Gufo. no abrasiva de bronce __ _,
FIGURA 25.27 Esquema de una herramienta para honeado o asentado, para mejorar el acabado superficial de los orificios taladr
Riel de guía
Pic:r.,a
Bandeja de
Piedra de ]apeado
-
Capítulo 25 /Operaciones de n1aquinado y acabado con abrasivos
734
Sección 25.11
El !apeado de producción en piezas planas o cilíndricas se hace en máquinas como las de las figs. 2.5.29b y c. También se hace sobre superficies curvas, como por ejemplo objetos esféricos y lentes de vidrio con planchas de formas especiales. El asentado de los engranes compañeros se puede hacer por !apeado (véase también la sección 32.6).
I Desbarbado
735
(b)
Eje de impulsión
Pieza PoloN
25_·10.5 Pulido El pulido es un proceso que produce un acabado se superficie liso y lustroso. En este proceso intervienen dos mecanismos básicos: a) remoción abrasiva a escala fina y b) suavizado y extendido de capas superficiales por calentamiento de fricción durante el pulido. La apariencia brillante de las superficies pulidas se debe a la acción de extendido.
Fluido magnético y granos de
abrasivo
1
\
fi
1
/
Anillo de guía
'"
Bolas de
El pulido se hace con discos o bandas de tela, cuero o fieltro, recubiertos con polvo fino de óxido de aluminio o diamante. En el pulido de dos caras se fijan colchonetas en las caras de platos que giran horizontalmente y en direcciones opuestas. Las partes con forma irregular, esquinas agudas, oquedades hondas y proyecciones agudas son difíciles de pulir.
25.10.6 Pulido químico mecánico
Flotador
Fluido magnético
Imanes permanentes
El pulido químico mecánico es un proceso en el que una superficie químicamente reactiva se pute con lodo de cerámica en una solución de hidróxido de sodio. Una aplicación importante de este proceso es el pulido de obleas de silicio (sección 34.3).
FIGURA 25.30 Esquema del pulido de bolas y rodillos usando campos magnéticos. (a) Pulido de bolas de ce1·ámica con flotador magnético. (b) Pulido de rodillos asistido por campo magnético. Fuente: R. Komanduri, M. Doc y M. Fox.
25.10.7 Electropulido Se pueden obtener superficies especulm-es (como de espejo) en metales por electropulido proceso inverso a la electrodeposición (sección 33.8). Como no hay contacto mecánico con la pieza, este proceso se adapta en especial para formas irregulares. El elecrrolíto ataca las panes y picos sobresalientes de la pieza, con mayor rapidez que el resto de la superficie, y se produce la superficie lisa. También se w;a el electropulido para operaciones de dcsbarbaclo (sec·· ción 25.11).
2.s.-10.a
25.10.9 Abrillantado El abrillantado se parece al pulido, con la excepción que se usan abrasivos muy finos sobre discos suaves de tela o ele piel. El abrasivo se suministra externamente con un lápiz de compuesto abrasivo. Las paites pulidas se pueden lustrar después, para obtener un acabado superficial todavía más fino.
con campos
25."l 1 DESBARBADO Un d1osanollo más reciente en el pulido consiste en usar campos magnéticos para sostener lodos abrasivos en el pufülo de bolas de cerámica y de rodillos para rodamientos. El pulido magnético en flotación de bolas de cerámica se ilustra en fonna esquemática en In lig. 25.30a. Un fluido magnético, conteniendo granos abrasivos y partículas ferromagnéticas extremadamente en un medio portante como agua o qucrosina, llena una cámara dentro de un anillo de guía. bolas de cerámica están entre un C:'.ie de impulsión y un t1otador. Los granos abrasivos, las bolas de cerámica y el flotador (hecho ele un material no magnético) están suspendidos todos por fuerzas magnéticas. Las bolas se oprimen contra el eje de impulsión giratorio, y son pulidas por la acción abrasiva.
L~•~
Laf. fuerzas que aplican las partículas abrasivas sobre las bolas son extremadamente pequeñas y controlables, por lo que la acción de pulido es muy fina. Como los tiempos de pulido son mucho menores que en olros métodos de pulido, el proceso es muy económico y las superficies producidas tienen pocos (si es que los tienen) defectos importantes. El pulido asistido con campo magnético de los rodillos de cerámica se ve en la lig. 25.30b. Un rodillo de cerámica o de acero (la pieza) se sujeta en un husillo y se hace girar. Los polos magnéticos se hacen oscilar y se introduce un movimiento vibratorio en el conglomerado magnético-abrasivo. Esta acción pule la superficie cilíndrica del rodillo. Con este proceso se han acabado a espejo rodillos de rodamientos de 63 HRC en 30 segundos.
Las rebabas o barbas son montículos delgados, por lo general de forma triangular, que se forman en los bordes de una pieza debido al maquinado, al cizallado de láminas (como en las figs. 16.2 y 16.3) y en el recorte de forjas y piezas fnndidas. Las rebabas pueden interferir con el ensamble de las partes y pueden ocasionar atascamientos de las mismas, desalinearnientos y cortocircnitos en componentes eléctricos. Además, las rebabas pueden reducir la vida de los componentes a la fatiga. Como suelen ser filosas, pueden constituir riesgos de seguridad para el personal. Por otra parte, las rebabas en los componentes delgados, taladrados o machuelaclos, como en las diminutas piezas de los relojes, pueden aumentar su espesor y en consecuencia, mejorar el par ele sujeción de los tornillos. Hasta hoy no hay normas aceptadas para definir las rebabas. Estas se pueden detectar con medios tan sencillos como con el dedo, un palillo o un limpiador de tubo. Las inspecciones visuales pueden incluir el uso de lupas y microscopios. En forma tradicional, las rebabas se han quitado manualmente, proceso que puede ocupar hasta el 10% del costo de manufactura de la parte. Se puede reducir la necesidad del desbarbado o eliminación de rebabas, si se agregan biseles a las aristas agudas de las piezas, y si se controlan los parámetros de procesamiento. La economía de las operaciones de desbarbado depende de factores como el grado de desbarbado requerido, la complejidad de la parte y el lugar de las barbas, así como Ja cantidad de partes, espacio de piso disponible, y las consideraciones de seguridad y ambientales.
Sección 25 .11 / Desbarbado 736
737
Capítulo 25 / Ope1·acíones de maquinJdo y cJCabado con abrasivos
Placa superior de
Se dispone de varios procesos de desbarbado:
Pieza
Ja máquina
1. Desbarbado manual, con limas y rasquetas.
2. Desbarbado mecánico. cortando piezas como por ejemplo partes mecánicc.s en un husillo rotatorio. 3. Cepillado de ~~ambre o con cepillos rotatorios de nylon, con f:ilamentos incrustados de granos abrasivos.
4. Bandas abrasivas. S. Maquinado ultrasónico.
Herramientas
superiores
Pbc"
Hem::lffiienlas infe.rlore.s
inferior de\
Ja rn~í.quina \
(¡, Electropulido.
7. Maquinado electroquímico. 8. Acabado abrasivo magnético.
Flujo
9. Acabado vibratorio.
de medios abrasivos
Esquema de maquinado con flujo abrasivo para desbarbar un rodete de turbina. Las flechas indican el movimiento de los medios abrasivos. Nótese el soporte especial, que suele ser distinto para cada diseño de parte. Fuente: Extrude Hone Corp.
FIGURA 25,3·1
10. Chorro o soplado con abrasivos. U. Maquinado con flujo abrasivo, por ejemplo, extrnir medios abrasivos semisólidos sobre las aristas de la p
Este proceso es elicaz en diversas aplicaciones sobre piezas no combustibles. Sin embargo, tiene sus rn'convenientes: las rebabas más grandes tienden a formar bolas después de fundirse; el proceso puede distorsionar partes delgadas y esbeltas. y no pule ni lustra las superficies de la pieza como otros procesos
!2. Energía térmica, como láseres o plasma. de desbarbado.
A continuación describiremos los últimos cuatro procesos; los demás se describen en otras partes del texto.
Desbarbado robotizado. El desbarbado y rebabe<1do de productos terminados se hacen cada vez mús
con robots programables (sección 38.7) con un siste1m1 de retroalimentación forzada en el control. Con esLc
a. Los procesos de acabado vibratorio y lmnborado son para mejorar e! acabado superficial y quitar las rebabas de grandes cantidades de piezas relativamente pequeñas. En esta operación intermitenrt;, secolocan pastillas ahrasivas de forma especial en un recipiente, junto con las partes por desbarbar. El recipiente se vibra o se gira. El impacto de los abrasivos individuales y las partículas metálicas quita las aristas aguda.> y las rebabas ck las piezas. Dependiendo de la aplicación, el proceso es en seco o en húmedo, y se pueden agregar compuestos para fines especiales, co1no desengrasar e I:mparl:ir resistencia a la corros~ón de J~, parte c¡Lie se desbarba.
método se elimina la tediosa mano de obra y da como resultado un desbarbado más consistente. Un ejemplo del desbarbado robótico de una parte fundida a presión para una caja de motor fuera ele borda se ve en Ja fig. 25.32. En otra aplicación, el desbarbado maoual de un engranaje helicoidal doble para wrn caja de velocidades de un helicóptero necesitó de 150 minutos, mientras que con el desbarbado robótico, el tiempo necesario se redujo a 15 minutos.
h. En el chorro de abrasivos, las partícula> abrasivas, que generalmerrle son arena, se impulsan con un chorro de aire a alta velocidad, o con una rueda giratoria, sobre \a superficie de la pieza. El chorro ele abrasivos se usa en especial para desbarbar materiales metálicos y no metálicos y en la eliminación o limpieza de óxidos superficiales. La superficie producida tiene un acabado mate. También se puede hace,· pulido y ataqtie en pequeña escala con este proceso, en unidades de banco (chorro de microabrasivns\ c. En el maquinado con flujo abrasivo, los granos abrasivos como carburo de silicio o diamante se mezclan con una matriz como de mastique, que a continuación se impulsa en vaivén a través de las aberturas y venas en la pieza. El movimiento de la matriz abrasiva a presión erosiona y quita tanto rebabas como esquinas agudas, y lustra la parte. Este proceso se adapta en especial para piezas con cavidades internas que son inaccesibles con 01rns medios. Las presiones aplicadas van de O. 7 a 22 MPa (l 00 a 3200 psi). Las superficies externas también se pueden desbarbar con este método, confinando Ja pieza dentro de un soporte que dirige los medios abrasivos a las aristas y áreas por desbarbar. En la fig. 25.31 se ve el desbarbado de un impulsor de turbina mediante maquinado con flujo abrasivos.
d. El método de energía térmica para desbarbar consiste en colocar Ja parte en una cámara donde a continuación se inyecta una mezcla de gas natural y oxígeno. Cuando esta mezcla se enciende se produce una onda de calor de temperatura de 3300ºC (6000ºF). Las rebabas se calientan en forma instantúnea, se funden y se retiran, mientras que la temperatura de la parte sólo alcanza unos 150ºC (300ºF).
FIGURA 25.32
Operación de desbarbado en una parte fundida a presión para una caja de motor fuera de borda; un robot sostiene la parte. Para estas operaciones también se pueden usar bandas abrasivas (fig. 25.26) o cepillos de rueda de avance radial. Fuente: cortesía de Acme Manufacturing Company y de Manufacturing engineering magazine, Sociey of Manufacturing Engineers.
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738 Capítulo 25 /Operaciones de maquinado y acabado con abra.Sivos
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Tendencias
739
25.12 ECONOMIA DE LAS OPERACIONES DE RECTIFICADO Y ACABADO
Hemos visto que se puede usar la abrasión como una operación de acabado y como una operación de remoción en gran escala (como el esmerilado con avance deslizante). Con frecuencia se necesita el uso del rectificado como una operación de acabado, porque los procesos de conformado y maquinado solos en general producen partes con la exactitud dimensional y el acabado superficial necesarios. 110
Como es una operación adicional, el rectificado aumenta bastante el costo del producto. Por otra parte, el esmerilado con avance deslizante ha demostrado ser una alternativa económica de operaciones de maquinado como fresado, aunque el desgaste de la piedra es grande. También, el rectificado y el torneado duro se han vuelto competitivos para ciertas aplicaciones específicas. Todas las operaciones de acabado aumentan el costo del producto. Con base en la descripción que se ha presentado, se puede ver que a medida que aumentan los requisitos de acabado superficial son necesarias más operaciones, por lo que aumenta el costo. Nótese, en la fig. 25.33, lo rápido que a11111enta el costo a medida que el acabado superficial mejora con procesos adicionales, como el rectificado y el honeado. Se ha avanzado mucho en la automatización del equipo de las operaciones de acabado, y se han computarizado SUB controles. En consecuencia, se han reducido los costos de mano de obra y los tiempos de producción, aunque esa maquinaria necesita de inversiones importantes de capital. Si observa Ja probabilidad de que el acabado sea un factor importante en la manufactura de determinado producto, las etapas conceptuales y de diseño deben abarcar un análisis del grado de acahado de la superficie y de la exactitud dimensional requerida. Además, todos los pmcesos que mueceden a las operaciones de acabado se deben analizar en cuanto a su posibilidad de producir acabado superficial y exactitud dimensional más aceptables. Esto se puede hacer de herramientas y parámetros de proceso, y ele las características de las mf:mediante una selección quinas herrmnientas queadecuada intervienen.
f!GllRA 25.33
Aumento del costo de maquinado y acabado de una parte en función del acabado super(icial
1·equerido.para Es laque razón principal de que el acabildo superficial especificado parci las partes no sea mayor qué' d necesario la palie funcione bien. µ.m 5()
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" El desgaste de las piedras es una consideración importante en la calidad superficial e integridad del producto. El afilado y ajuste de las piedras son procesos importantes, y se efectúan con diversas técnicas. " Se dispone de vatios procesos y maquinaria para rectificados rectos, externos e internos. El maquinado abrasivo también se usa en procesos de remoción de material en gran escala, como por ejemplo, el esmerilado con alimentación progresiva. y es competitivo con procesos como el fresado y el torneado.
"' La selección de abrasivos y variables de proceso, incluyendo los fluidos de rectificado, son importantes para obtener el acabado superficial y la exactitud dimensional previstos. De no ser así se pueden desarrollar daños a las superficies, como quemado, agrietamiento térmico, esfuerzos residuales perjudiciales y traqueteo. " Varias operaciones de acabado se pueden usar para mejorar la superficie ohtenida. Corno puede aumentar bastm1te el costo del producto, son importantes la selección e implementación adecuad.as de esas operaciones. "' El desbarbado se puede necesitar para ciertos componentes terminados. Los métodos de uso común son ei acabado vibratorio y el tamborado, así como el chorro de abrasivo, aunque también se dispone del uso de energía térmica y de otros métodos.
o 125
TENDENCIAS " Como con otras máquinas herramientas, la tendencia en las operaciones con abrasivos es hacia la mayor automatización y hacia el contrnl computai"izado.
• La tendencia en el diseño de máquinas rectificadoras es hacia mayores rigideces de la máquina y el husillo, estructuras sin vibración, velocidades mayores y más estables de piedra, afilado continuo, mayores tasas de remoción de material y menores tiempos de ciclo.
Acabado
de desbaste
"' Las piedras abrasivas consisten de una combinación de granos de abrasivo y agentes aglomerantes. Las características importantes de las piedras son los tipos de grano abrasivo y de aglomerante, el grado y la dureza. También, se pueden reforzar las piedras para mantener su integridad cuaodo se presenta una grieta en ellas.
" Hoy. los controles avanzados en las rectificadores pueden calcular cuándo y en qué intervalos se debe afilar la piedra; también pueden compensar la reducción del diámetro de la piedra, los avances y las velocidades superficiales de la misma, en forma automática y continua.
/
100
Torneado
.. Los abrasivos convencionales son óxido de aluminio y carburo de silicio; los superabrasivos son nitruro de boro cúbico y diamante. La friabilidad de los granos abrasivos es un factor importante en su funcionamiento, y también lo son la forma y el tamaño de los granos.
·-o
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250
e Con frecuencia el maquinado con abrasivos es necesario y económico cuando la dureza de la pieza es alta, los materiales son frágiles y Jos requisitos de acahado superficial y tolerancia dimensional son altos.
16
fI o
::r:
• El enfriado de la pieza en algunas operaciones de rectificado, como el esmerilado de avance deslizante, ahora requiere el reunir el vapor (de los fluidos) y de sistemas de extinción de fuego automáticos. • El esmerilado es capaz de competir con algunas operaciones de maquinado, y de efectuar operaciones de desbaste y acabado en una sola preparación de la pieza. Hoy, el esmerilado con avance progresivo compite con los procesos de fresado y brochado.
740 Capítulo 25 / Oper<1cíones de niaquinado y acabado con abrasivos
., Entre los desarrollos de piedras de rectificado están el mejor control de Jos paráme1ros de fabrbtción y,' la mayor unifoimidad de sus propiedades. Se están aumentando las velocidades de operación de las piedras tener mayor productividad. sivas es para una consideración importante. El diseño, protección y operación segura de las piedras abra.
Problemas cualitativo:;
741
PREGUNTAS DE REPASO 25.1 ¿Qué es un abrasivo? ¿Qué son íos superabrasivos? 25.2 ¿Cómo se relaciona el tamaño de un grano de abrasivo con su número?
TÉRMINOS CLAVE Abrasivos Abrasivos aglomerados Abrasivos recubierto~ Abrillantado AbriJJantado asistido con campo magnético Abrillantado con flotador magnético Acabado Acabado vibratorio Afilado Agiomerndo Aglomerante metálico Aglomerante resinoide Agrietamiento térmico /...._juste Cara de
Chisp11s Chorro de abrn.<.;ivos Desbarbado D(~sbarbado robo¡ izado ffrt.::sbaste
Desgaste por rozamiento Diamante Dureza de la piedra Electropulido Energía específica Esmerilado de avance deslizante Estructura de la piedra Facilidad de rectificado Friabilidad Gel sembrada Grado Honcado o asentado Lapeado Lijado con banda Maquinado con rlujo .abrasivo Maquinado ultrasónico Maqt1inado u1trasóníco rotatorio .l\tfarcas de traqueteo Microrrcplicadón Nítrnro de: boro cúbico Nüruro de silicio Número de grano Óxido de aluminio
Piedra abrasiva Piedra tapada Piedras de conc libre Piedras reforzadas Proti.mdidad de corte de grano Profundidad de corte de la piedra Pulido asistido con campo magnético Pulido magnético en fiotacjón Quemado Quemadura metalúrgica Rebaba Rectificado Rectificado con bajos est'u~rzos Relación de rectificado Revenido Sonotrodo Superabrasivos Supcracabado Tamafi.o de grano Tarnborado Vidriado
25.3 25.4 25.5 25.6 25. 7 25.8 25.9 25.10 25.ll
¿Por qué la mayor parte de los abrasivos se hacen hoy sintéticamente? Describa la estructura de una piedra abrasiva. Explique las características de cada tipo de aglomerante que se usa en los abrasivos aglomerados. Describa a) el grado y b) la estructura de los abrasivos aglomerados. ¿Qué produce las chispas en el rectificado? Defina la quemadura metalúrgica. Explique los mecanismos por lo que se desgastan las piedras abrasivas. Defina a) friabilidad, b) cara de desgaste, c) relación de rectificado, d) ajuste de piedra y e) afilado de piedra. Explique qué quiere decir que una piedra abrasiva funcione suave o funcione dura.
25.12 ¿Qué es el esmerilado
necesarias'~
25.15 ¿Cuáles son las diferencias entre !apeado, pulido y abrillantado? 25,16 Escriba los nombres de las principales operaciones de desbarbado y describa en forma breve sus principios. 25,17 ¿Cuáles son las funciooes de los fluidos de rectificado? 25.18 ¿En qué difiere el rectificado sin centros del rectificado plano? 25.19 ¿Por qué s6lo se debe rectificar en las caras recomendadas de las piedras abrasivas? 25.20 ¿Qné es el honeado? ¿Cuáles son sus semejanzas con el rectificado?
25.21 ¿Cm\lcs son las diferencias entre los abrasivos recubiertos y aglomerados?
25..22 Describa los métodos que se usan para rectificar roscas. 25.23 ¿Qué es agrietamiento térmico? ;,Cuál es su importancia?
VitrificacIG
PROBLEMAS CUALITATIVOS B!BUOG Andrew, C., T.D. Howe" y T.RA. Pearce, Creep Peed Grinding. Industrial Press, l 985.
ASNJ Handhook, vol. 16: Machining. ASM lnternattonal, 1989. Borkowski, J. y A. Szymanski, Uses ofAbrasives andAbrasive 1bols. Ellis Horwood, 1992. Farago, F.T.. Ab.rasive Methods Engineering, vol. 1, 1976; vol. 2, 1980. Industrial Press. Gillespie, L.K., Dehurring and Edge Finishing Handbook. Society of Manufacturing Engineers, 1999. King, R.!. y R.S. Halm, Handbook of Modern Grinding Technology. Chapman & Hall/Methuen, 1987. Krar, S. y E. Rattennan, Superabrasives: Grinding and Machining with CBN and Diamond. McGraw-HiJl, 1990.
25.24 ¿Por qué son necesarias las operaciones de rectificado en componentes que antes se han maquinado con los proccso.s descritos en los capítulos 22 y 23?
25.25 Explique por qué hay tantos tipos y tamaños distintos de piedras abrasivas. Machinery 's Handbook, revised periodica!ly. lnduslrial Prcss. Machining Data Handbook, (Ja. Ed.), 2 vols. Machinabilily Data Center, l 980. Malkin, S., Grinding Technology: Theory and Applications of Machining withAbrasives. Wiley, 1989. Maroney, M. L., A Cuide to Metal and P/astic Finishing. Industrial Press, 1991. Metzger, J.L., Superabrasive Grinding. Butterworths, 1986.
Shaw, M.C., .Principies ofAbrasive Processing. Oxford, ! 996. Too! and Manufacturing Engineers Handbook, (4th ed.), vol. l: Machining. Society of Manufacturing Engineers, 1983. Webster, J.A., I.D. Marinescu and T.D. Trevor, Abrasive Processes. Marcel Dekker, l 999.
25.26 Explique 1as razones de la gran diferencia entre las energías específicas que intervienen en el maquinado (tabla 20.2) y en el rectificado (tabla 25.3). 25.27 Describa la selección de piedras abrasivas para las aplicaciones de la tabla 25.5. 25.28 ¿Qué precauciones se deben tomar al rectificar con alta precisión? Haga comentarios sobre las máquinas, los parámetros del proceso, las piedras y los fluidos de rectificar. 25.29 ;,Qué factores pueden contribuir al traqueteo en el rectificado?
25.30 La relación de rectificado G depende de lo siguiente: el tipo de piedra de esmeril, la dureza de la pieza, la profundidad de corte de la piedra, las velocidades de la piedra y de la pieza y el tiempo de fluido de rectificar. Explique por qué. 25.31 Se recomienda en general que cuando se rectifiquen aceros endurecidos, la piedra tenga un grado relativamente suave. Explique la razón.
25.32 En la fig. 25.4 se ven las superficies de rectificado adecuadas con una t1echa para cada tipo de piedra. Explique por qué las demás superficies de las piedras no se deben usar en el rectificado. 25.33 Explique los factores que intervienen en la selección del abrasivo adecuado p'u-a determinada operación de rectificado.
'~
111
Síntesis y diseño 7 42
7 43
Capítulo 25 /Operaciones de maquinado y acabado con abrasivos
25.56 ¿Cuáles serían las respuestas en el ejemplo de la sección 25 .4.1, sobre las fuerzas de rectificado, si la pieza fuera de titanio de alta resistencia y el ancho w de corte fuera 0.75 pulg? Exprese sus resultados en newtons.
25.34 ¿Cuáles son los efectos de la cara de desgaste sobre el proceso de rectifrcado?
25.57 Se sabe que en el rectificado se presenta agrietamiento térmico cuando se trabaja con una velocidad de husillo de 4000 rpm,.diámetro de piedra 10 pulg y prolímdidad de corte 0.0015 pulg, para un avance de 50 pies/min. Por esta razón, el procedimiento normalizado de operación es mantener la velocidad del husillo en 3500 rpm. Si se usa una piedra nueva de 8: pulgadas de diámetro ¿qué velocidad de husillo se puede usar para que no se presente el agrietamiento térmico? ¿Qué velocidad de husillo se debe usar para mantener las mismas temperaturas de rectificado que
25.35 ¿Encontraría usted dificultad para rectificar termoplásticos? ¿Termofrjos? Eu caso afümativo, ¿qué precauciones tomaría?
25.36 ¿Es importante la relación de rectificado para evaluar la economía de una operación de rectificado? Explique por qué. 25.37 Sabemos que el rectificado puede producir una superficie de acabado muy fino en una pieza. ¿Es eso una indicación necesana de la calidad de una parte'' Explique por qué.
las- que se produ1cen con las condiciones actuales? 25.58 Se desea rectificar una aleación dura de aluminio, para aplicación aeroespacial. Se debe eliminar una capa de 0.003 ptilg de una parte cilíndrica de 10 pulg de longitud y 4 pulg de diámetro. Si cada parte se debe rectificar en un minnto como máximo, ¿cuál es la potencia requerida por la rectificadora? ¿Y si el material se cambia a una aleación dura
25.38 ¿Cuáles son las consecuencias de dejar que suba la temperatura durante el rectificado? 25.39 ¿Qué costos estarían asociados al afilado de una piedra abrasiva? Explique por qué. 25.40 Si no se hace bien, el honeado puede producir orificios abocardados, ondulados, abarrilados o cónicos. Explique por qué lo anterior sí es posible.
de titanio? 25.59 Una operación de rectificado se efectúa con una piedra de 10 pulgadas de diámetro y velocidad de husillo 3000 rpm. El avance de la pieza es 60 pies/min, y la profundidad de corte es 0.002 pulg. Los termómetros de contacto indican una temperatura máxima aproximada de 1800 ºF. Si la pieza es de acero, ¿cuál es la temperatura si se aumenta Ja ve-
25.41 Enliste y explique los factores que contribuyen a un acabado superficial deficiente en los procesos descritos en este capítulo. 25.42 ¿Cuáles son las implicaciones de usar menor tamaño de grano abrasivo (mayor número de grano) en una piedra abrasiva aglomerada?
locidad a 4000 rpm? ¿Y si la velocidad es l 0,000 rpm?
25.43 En las aplicaciones en joyería se requiere el tallado de diamantes en las formas deseadas. ¿Cómo se hace, porque el diamante es el material más duro que se conoce?
SÍNTESIS Y DISEÑO
25.44 ¿Cuál o cuales de los procesos que se describieron en este capitulo son muy adecuados para piezas hechas de a) ce+ rámicas, b) terrnoplásticos, e) termofijos? ¿Por qué? 25.45 Un nuevo desarrollo en corte de metales es el corte asi.stído con láser, donde un rayo láser calienta una zona localizada donde se hará el corle. ¿Es viable el rectificado ayudado por láser? Explique por qué. 25.46 Los tipos frecuentes de piedras que se usan con dlversos materiales aparecen en ]a tabla 25.5. Aparte de su costo, ¿hay alguna rn.z,ón por la que una piedra para una pieza dura no se pueda usar para una más blanda? 25.47 ¿Por qué las velocidades son mucho más altas en el rectificado que en el maquinado? 25.48 ¿Por qué la temperatura de rectificado disminuye al aumentar Ja velocidad de la piedra (ecuación 25.2)? ¿Quiere decir eso que para una velocidad de picz.a cero la temperatura es infinita? ¿Por qué la velocidad de avance de la pieza no es infinita?
25.49 Cakule las dimensiones de viruta en el problema de ejemplo de la secci6n 25.4, con ias siguientes variables de proceso: D 8 pulg, d 0.001 pulg, 'V= 100 pies/min, V= 6000 pies/min, C = 500 por pulg2 y r = 20.
=
=
25.50 Sl se duplica la resistencia del material de la pieza, ¿cuál debe ser la disminución porcentual en la profundidad de corte d de la piedra para mantener la misma fuerza sobre el grano, en igualdad de las demás variables? 25.5] Suponga que se hace una operación de rectificado plano bajo las siguientes condiciones: D = 200 mm, d 0.1 mm, v = 40 m/min y V= 3000 m/min. Estas condiciones se cambian después a las siguientes: D = 150 mm, d =O. J mm, v = 30 m/rnin y V= 2500 m/min. ¿Qué diferencia de incremento en temperatura hay con respecto a las condiciones iniciales? 25.52 Estime el aumento porcentual de costo del rectificado si se cambia la especificación del acabado superfrcial de una parte de 63 ,upulg a 16 ,upulg. 25.53 Suponga que el costo de energía para rectificar una parte de aluminio con energía específica necesaria de 8 W · s/mm3 es 0.90 dólares por pieza. ¿Cuál sería el costo de Ja energía por hacer el mismo rectificado si el material de la pieza es acero de herramientas T15? 25.54 Con base en la información presentada en los capítulos 22 y 25, comente la factibilidad de producir un agujero de 1O mm de diámetro por 100 mm de profundidad en una aleación de cobre a) por taladrado convencional y b) por rectificado interno. 25.55 Al describir el proceso de rectificado no presentamos las ecuaciones de avances, velocidades, rapideces de remoción de matedal, tiempo total de rectificado, etc., como lo hicimos en las operaciones de torneado y fresado en los capítulos 22 y 23. Estudie las relaciones cuantitativas anteriores y deduzca esas ecuaciones para las operaciones de rectificado.
1
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25.60 Suponga que usted es profesor de los temas que describirnos en este capítulo, y va a hacer un examen sobre los as-· pectos numéricos, para determinar el aprovechamiento de los alumnos. Prepare varios problemas cuantitativos y cal-· cule las respuestas. 25.61 Con esquemas adecuados, describa los principios de diversos métodos y dispositivos de fijación de piezas, que se puedan usar con los procesos que se describieron en este capítulo. 25.62 Explique los principales lineamientos de diseño para el rectificado. 25.63 Haga una tabla detallada de las posibilidades de los procesos de maquinado con abrasivos. Use varias columnas para describir las máquinas que se usan, las clases de herramientas abrasivas, las forrnas de las piezas brutas y de las partes producidas, los t.amafios caracterísücos máximos y mínimos, los acabados .superficiales, tolerancias y capacidades de producci(m.
7.5.64 Con base en los datos del problema anterior, describa lo que piense del procedimiento a seguir para determinar qué tipo de máquina herramienta seleccion8r para determinada pieza que se vaya a maquinar con métodos abrasivos. 25.65 Las piedras abrasivas vitrificadas, o piedras de cerámica, usan w1 aglomerante vítreo para mantener unidos los granos de abrasivo. De acuerdo con lo que aprendió sobre la manufactura de piezas de cerúnüca en e1 capítulo !7, haga una lista de maneras de producir piedras vitrificadas. 25.66 Un tema algo controvertido en el rectificado es el efecto del Lamaño~ esto es, que hay un aumento aparente ele la resistencia de una pieza cuando se reduce la profundidad ele penetración en el rectificado. Diseñe un experimento en el que se pueda determinar este tamaño de efecto. 25.67 Describa todos los parámetros que pueda, que pudieran afectar el acabado superficial en el rectificado. incluya los parámetros de proceso y también los efectos de la preparación y del equipo.
Sección 26.2 /Maquinado químico
1
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Cabello humano
7 45
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Ejemplos de partes hechas con procesos avanzados de maquinado. Estas partes han sido hechas por medio de procesos de maquinado y sería difícil o no económico fabricarlas con procesos convencionales. (a) corte de lámina con un rayo láser. Cortesía de Rofin-Sinar, /ne., y
FIGURA 26.1
!vlanufactur;ng Engineering Magazine Society of Manufacturing Engineers. (b) Engranaje 1
microscópico con diámetro del orden de 100 µ,m, hecho con un proceso especial de ataque. Cortesía
Procesos avan.zados de maquinado y nanofabricación 26.1 26.2
26.3 26.4 26.5
26.6 26.7 26.8 26.9 26.1 () 26.11 26.12 26.13
Introducción Maquinado qufmico Maquinado electroquírnicu Rectificado electroquímico Maquinado con descarga eléctrica (electroerosionadora de penetración) Maquinado con descarga eléctrica de alambre (electroerosionadora de hilo) Maquinado con rayo láser Maquinado con haz de electrones y corte con arco de plasma .M0quinado con chorro de
26. l INTRODUCCIÓN Los procesos de maquinado desc1itos en los capítulos anteriores quitan material formando virutas. o por abrasión o microdespasti!lado. Sin embargo, hay casos en que estos proce.~os no son satisfactorios, económicos o ni siquiera posibles, por las siguientes razones: La dureza y resistencia del material es muy alta (comúnmente, m•ís de 400 HB), o el material es demasiado frágil. '" La pieza es demasiado flexible, esbelta o delicada como para resistir las fuerzas de corte o de abrasión, o resLilta difícil sujetar las partes, esto es, prensarlas en un po11apiezas. <>
'" La forma de la parte es compleja (figs. 26.la y b), e incluye características como perfiles internos y externos, y orificios de diámetro pequeño en las boquillas de inyección de combustible. .. El acabado superficial y la tolerancia dimensional necesarios son más rigurosos que los que se obtienen con otros procesos. '" El aumento de temperatura y los esfuerzos residuales en la pieza no son deseables ni acep·· tables.
de Wisconsin Center far Applied Microe/ectronics, University of Wisconsin-Madison.
Estos requisitos condujeron al desarrollo de métodos qnímicos, eléctricos, con láser y otros medios, para quitar material. A partir de la década de 1940 se comenzaron a usar estos métodos avanzados, a los que se les llamaba maquinado no tradicional o no convencional, y se describen en la tabla 26.1. en el orden que
se describirán en este capítulo.
Debido que quedan más allá de los medios tradicionales de maquinado, algunos de los procesos descritos en el capítulo 25 podrían haberse inc!uído en este capítulo, como lo hacen algunos textos; los ejemplos incluyen el maquinado ultrasónico y algunas de las operaciones de desbordado, como el maquinado con flujo abrasivo y los métodos de energía térmica (termoguímica). Las diferencias no son particularmente importantes. El seleccionar los procesos avanzados aplicados debidmnenle ofrece mayores ventajas técnicas y económicas que los métodos de maquinado tradicionales. Este capítulo describe dichos procesos, incluyendo sus aplicaciones típicas, limitaciones y consideraciones ele calidad, precisión dimensional, características de las superficies producidas y la economía.
26.2 MAQUINADO QUÍMICO El maquinado químico se desarrolló con base en la observación que algunas sustancias atacan a los metales y los corroen, guitando pequeñas cantidades ele material de la superficie. Este proceso se efectúa por disolución química, usando sustancias reactivas y ataque, y pueden ser soluciones ácidas o alcalinas. El maquinado químico es el más antiguo de los procesos no tradicionales, y se ha usado para grabar metales y piedras, en el decapado y desbm·bado y, más recientemente, en la producción de tarjetas ele circuito impreso y chips de microprocesadores.
Fresado químico En e/fresado químico se producen cavidades someras sobre placas, láminas, piezas forjadas y extrusiones, en general para reducir el peso total (fig. 26.2). Este proceso se ha aplicado a una gran variedad de metales, con profundidades de remoción de metal hasta de 12 mm (0.5 pulg). El ataque selectivo del reactivo químico sobre diferentes áreas de las superficies de la pieza se controla mediante capas removibles de material, en lo que se llama enmascaramiento (fig. 26.3a), o por inmersión parcial en el reactivo.
744 111
Sección 26.2 /Maquinado químico 7 46
747
Capítulo 26 / Procesos.. avanzados de maquinado y nanofobricJción (b)
TABLA 26, 1
Características generales de los procesos avanzados de maquinado
(a) --....:_,
Proceso
Parámetros del proceso y rapidct normal de remoción de material, o velocidad de coite
Características
Maquinado químico
Remoción superficial (hasta 12 mm) en sttperficies grandes, planas o curvas; troquelado de láminas delgadas; bajo costo de herramientas y equipo; adecuado pare., corridas cortas de producción.
0.0025-0.1 nim/min.
Maquinado c!eciroquímico
Formas complicadas con cavidades profundas; máxima rapidez de remoción ele material entre !os procesos no rra
V: 5 a25 cd:A: l.5 a RA/mm'; 2.2 a 12 mm/min, dependiendo de la densidad de corriente.
Rectificado electroyu!mico
Scccionamiento y aguzado de materiales duros, como hcLTamienta.<: de carburo de tungsteno; tarnbién se usa como proceso de asentado; mayor rapidez de remoción que en el rectificado.
A: 1 a 3 A/mrn 2 ; normalmente 25 rnm 3/s por lOOO A.
Eleclroerosión
Formado y corte de partes complicadas hechas con materiales duros: puede producirse algo de daños en la superficie; también se usa como proceso de rectificado y corte; herramienta.:. y equipo costosos.
V: 50 a 380: A. O. 1 a 500; normalmente 300 mm 3/min.
Elcctroerosión con alambre
Calado de superficies p!ana;> o curvas; equipo costoso.
Varía con el material y el espesor.
Maquinado con rayo Jfü;e1
Corte y agujcfado de materiales delgados; deja zonas afecL:1das por el calor; no rcqrlierc vacío; equipo co~toso, con.~mnc mucha
0.50~.7.5
Jvfoquinado con ha;: de electrones
Corte y fabricación de orificios de materiales delgados; orili•..:íos y ranuras muy pequeños~ deja zona afectada por el calor: requiere vncío; equipo co<:>loso.
t -:2 mmJ /min.
Maquinado con chorro de agua
Corte de. loda clase- de materiales no mct{ifü;os hm.1D 25 01111 o 1mís de espesor: adecuado parn G
Varía mucho con e! materia:
Maqu!nado con chorro de agw.i abrasivo
Corle de ma!efiale,<: rnetáiicns y no inctíl icos, eu ¡¡na y capas.
l-hsla7.)m/min
f,/[aq11im1do con chorrn abr;1.<.:.iv11
Corle. r~'dlllw.dn, Jcshurbado, rebabe:tUo, :llaqi.lc y limpieza d1~ materiales metálicos y no rnctülír:os; se controla manual111cnt(';
4!1101
2 mrn (después rnaquinado)
Cor\ e
f!GlJRA 262 m:'1nin.
crn.>:rgía.
c1i
varias
(a) Sección de L1 ct.:bicrt:> de "n misi! perfilada con frcqdo químico para mejorar la relación de a peso de la parle. (b) Reducción de peso de vehículos espcici<.iles fresando químicamente plc1cas de rl.e aluminio, después de haberlos confom1ado primero a su forma con procesos corno rolado o form::ido por estirado. El disefio de los pat:rones de refuerzos quírn·1c:amenlc maquinados se puede modificar con í;:icilidacl a un costo mínimo. Fuenlc: Advancecl and pnxesses, diciembre de·¡ 990, ASM lnternaliona!.
m~1teriaís
6. Después dd maquinado, las partes se deben lavar por completo para evitar más reacciones con cualquier
Varf
ti..::ndc a rcd(mdcar aristas ag,uda:;;: es peligroso.
El procedimiento de maquinado químico consiste en los siguientes pasos:
l. Si :a parte por maquinar tiene esfuerzos residuales antes de procesarla, se deben relevar pnmcro C'iüS csfoerzos (véanse las secciones 2.1 l y 4.11) para evitar que se distorsionen dcspHés del fresado químico. 2, Las supei-ficies se desengrasa.n y limpian en forma escrupulosa (véase la sección 33. 16) para asegurar
buena adhesión del material de la mascarilla, y una remoción uniforme del material de la pieza. Tllmbién se debe quitar la costra del tratamiento térmico. 3. Se aplica la mascarilla. Un procedimienlo común es enmascarar con cintas o pinturas (enmascaradores), aunque también se usan elastórneros (hule y neopreno) y plásticos (clornro de polivinilo, polietileno y poliesl.ireno). El material enmascarador no debe reaccionar con el reactivo químico.
residuo de la sustancia de ataque. Se quila d resto del material ele la mascarilla y la parte se \irnpia y se inspecciona. se p1.1ed.e11 hacer operaciones adicionales de acabado. Esre orden de operaciones se puede repetir para proctucir cavidades escalonadas y diversos contornos
3. Eü fas parLe.s fn:sadas
(fig. 26.:lb).
!'osibilidades del proceso, El maquinado químico se aplica en la industsia aeroespacial para eliminar capas someras de material en partes grandes de avio1ws, cubiertas de misiles y partes extruidas para armazones de aviones. Las capacidades de los tanqL1es de reactivos llegan hasta ele 3.7 111 x 15 m (12 pies por 50 pies). El proceso también se usa para fabricar dispositivos microelectrónicos (capítulo 34). La gama de ac'1baclo superficial y tolerancias que se obtienen con el maquinado químico y otros procesos se pueden ver en la fig. 26.4 FIGURA 26.3 (a) Esquema del proceso de maquinado químico. Nótese que no intervienen fuerzas ni herramientas en este proceso. (b) Etapas para producir una cavidad perfilada por maquinado químico. Nótese el socavamiento.
Orilla de la máscara (b)
Pasos
4, La mascarilla que cubre diversas regiones que se van a atacar se desprende con la técnica del escribo Y dec;prender. 5, Las superficies expuestas se atacan con reactivos corno hidróxido de sodio (para el aluminio), soluciones de ácidos clorhídrico y nítrico (para Jos aceros) o de cloruro de hierro (para Jos aceros inoxidables). Es importante controlar la temperatura y la agitación durante el fresado químico, para obtener una profundidad uniforme de material eliminado.
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Serpentines de enfriamiento
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LMaterial eliminado
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Píeza
748
C1pl1ulo L6 / Procr:.•sos
,lVdJlZddos de nuqumddo y n,rnofabricaci()n St::~cción
26.2 / M8quinado químico
749
Hugos1d;1d supcrficrn! (Ra. /.lpt1lg)
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50()
1000
125
250
32
63
2
8
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26.2.3 Troquelado fotoquímico de materia! en bruto
0.5
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Fresado ckc1mqnfn11co (frontal) Fresado electroquímico (de pared lateral) Maquinado clccJrolflico de tubos pcrfibdos TÉRMICOS
QlJÍMfCOS
Maquinado dcctroquímicu Maquinado iotoquúnico
H.cc1ific;1do rL-clo
Torneado i'.~5
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RugosidrnJ ,;upcrficial l\1'01ns: (H) (b)
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2. La lámina se recubre con un material fotosensible (fotorresist) por inmersión, atomización o recubrimiento con rodillo, y se seca en una estufa. A esta capa se le llama con frecuencia emulsión.
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iniciaL ~ Aplicación promedio (v.alorcs mHicipa
lso (vr\isc iambic'n j;¡ '.'2:! 31. Fuente: /\1achininr; d<1!a handhuok, J;1 Ed., Dcred10 de .11.1101 <'" 1')ilO. Sr• ur;;i con autor!zacion Meicut l
l':il fresado químico puede causar cienos daílcs superficiales debido al ataque preferencial y al ataque inlergrwutlo,, que aí'ectan las propiedades superficiales en forma adversa. El maquinado químico de las ,;strnctw·1.1s soldadas y la!rnrndas (parte V) pllede causar remoción dispareja ele material. El fresado qu{inico ele piezas colada., puede producir superficies no uniformes debido a porosidades y a la falla ele uniformidad del r:natcrial.
26.2 ,2
1, Se prepara la figura de la parle por preparar con un aumento hasta ele lOOX. A continuación se prepara
1- . .ii3 I",·. ·: ·. ·. - ={··· .·.·• -~r:::---1.. fLr :
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El 1roqueladofotoquímico de material en bruto, llamado también fotograbado, es una modificación del fresado químico. El material se elimina, normalmente ele una lámina plana y delgada, mediante técnicas fotográficas. Se pueden troquelar formas complicadas, sin rebabas (fig. 26.5) en láminas metálicas que pueden ser de sólo 0.0025 mm (0.0001 pulg). Este proceso, que a veces se le llama maquinado fotoquímico, también se usa para grabar. El proccdimienlo de preparación fotoquírnica consiste en las siguientes etapas (véanse también tas secciones 34.6 y 34.7): un negativo fotográfico, y se reduce a1 tamaño de la parte terminada. El negativo reducido de ia figura .se llama arte final. El dibujo original (ampliado) permite redl!cir los errores inherentes en él en una cantidad igual a la reducción (como por ejemplo l OOX) en la imagen del arle final.
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Dc._o.;bJrbndo electroquímico
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Rectificado clcctroquÍJnico
Maquin~:do con haz de electrones Rcctific~Hlo con dcscnrga c!ér..::rica Elcclrocrosión (acabado) Elcctroerosión (cfosbastc)
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MECÁNlCOS
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3. El negativo se coloca sobre la pieza bruta y se expone a la luz ultravioleta, que endurece ias áreas expuestas.
4. La pien1 se desarrolla, hi cual disuelve las áreas expuestas. 5. La pieza se sumerge a continuación en un baí'io de reactivo (corno en el maquinado químico) o se rocía con ésle, que ataca y etimi na las áreas expueslas. 6. Se qu]1a e! material de la n1ascarl!la y se lava escrupulosamenle .la parte, para quitar todos los residuos químicos.
!'osibifü:lao:les de! proceso, Entre !as aplicaciones normales del troquelado fotoquímico están las pantallas finas, ta1jetas ele circuito impreso. laminaciones de motores eléctricos, muelles planos y mascarillas panr televisión a color. Aunque se requiere de la mano ele obra capacitada, los costos ele la herramienta son b;.ijos; c1 proceso se puede automatizar y es económico para los volún1encs de producción de medianos a altos. Con la prepm·ación foloquímic:t se pueden fabricar partes muy pequeñas. donde los troqueles conv.;1;.cionales de recor1e (sección 16.2) son difíciles de obte11er. También, el proceso puede preparar piezas y 1m1 feriales frágiles. En e! manejo de los rcaclivos químicos se requieren precauciones y consideraciones especiales de seguridad, para proteger a los trabajadores contra la exposición. tanto a las sustancias líquidas corno a las sustan-· cias volátiles. Además, el desecho de los subproductos qL•imicos de este proceso es uno de sus inconvenientes principales, si bien algunos de esos subproductos se pueden reciclar.
(blanking)* químico de material en bruto
El lmquelado químico de nuuerial en bruto se parece al recorte ele la lámina que se va a usar como pie.za bruia par:i obtener piezas en que se penetra el espesor del material (como en la fig. 16.4), pero el. material se elimina por disolución química y no por cizallamiento. Entre las aplicaciones normales de esta preparación química están el ataque de piezas para tarjetas de circuitos impresos libres de rebabas, tableros decorativos y eslampados en lámi.na metálica delgada, así como la producción ele formas complicadas o pequeñas.
'''N. de los R. T: "blanking" es una operación de corte por cizallamiento de discos y formas diversos para su procesamiento posterior. Como se ejecutan en matrices se les asume como una operación de troquelado.
FIGURA 26,5 Diversas partes obtenidas con troquelado químico. Nótese el detalle fino. Fuente: cortesía de Buckbee-Mears St. Paul
Sección 26.~\ / Ma4u"1nado electroquímico
751
Lapírulo 2(, / 1'roce:;o.s <1vnni.'..:tdos de rn,.1quinado y nanofabr1cación
.4
Cubicr'ta
(u)
diseño para el superficie~ expuestas en fornrn continua, se deben evitar los diseños que impliquen aristas agudas, cavidades profündas y angostas, inclinaciones grnndes, uniones dobladas o materiales porosos.
Cmno d reactivo ataca todas las
'h. Como el reactivo ataca al material en direcciones vertical y horizontal al mismo tiempo, se pueden desan-oHar socavamientos (como se ve en bs zonas bajo las orillas de la m.ascarilla en la fig. 26.3).
65
Para mejorar !a rapidez de la producción, la pieza en general debe conformarse con otros procesos (por ejemplo, maqui nado), antes del maquinado químico. Pueden presentarse variación en las dimensiones. debido a cambios en el arle final, a la humedad y a la temperatura. Esta variación se puede reducir al mínimo con una selección correcta de los medios y con~ tro.iando d ambiente de la generación de mte final y del área de producción de la planta.
Electrodo de cobre
Pieza maquinada
_ 0
86 mm
(b)
,,.11
Muchos diseños de producto se hacen hoy en dfo con sistemas asistidos por computadora (capítulo .18). Sin embargo, los dibujos del prnduclo deben trad<.icirse a un protocolo que sea compatible con el equipo de generación fotoqufmica del
i·
.
c!GURA 26.7 F«utes hechas con maquinado electroquímico. (a) Álab,; de turbina hecha de aleación de níquel de 360 HB; nótese la rorrna del electrodo a Id derecha. Fuente: ASM lnternational. (b) Ranuras delgadas de una jaula de rodamiento de rodillo hech,1 de acr:ro 4.l40. (e) Paletas inte3ra\es de un disco de compresor.
El maqrúnado eicczroquÍ!nico es b8sicamcnt~ electrodeposición (sección 33.X) invertida. Un elled.ro~Hte runc-iona corno portado; de corriente (fig. 26.6) y la gr~1n n.ipidez de n1i..:wllniento del. ek~ctroiito en d espacie· 1::nLre l:.t hcrr~nn¡ent
grandc:s f.J.ujns ror Jas ven.as en la herramjcrrizi. Una fuente de poder de .5 a 25 V rn~mticnc dcn;.,id:1dcs !Je que, para la mayor pwi.c de las ~tplicacioncs, :-ion de J .5 a 8 A/mm~: ( ¡ 000 a 5000 ficie aOiva de maq1ünado.
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t.
~%!e
-------¡-----¡ Pieza
Electrolito
en masa ele álabes ele turbina, partes de motor ele reacción y toberas (fig. 26.7). También se usa para maquinm: cavidades de 1m1trices de forja de matrias) y para producir orificios pequeños. El proceso de maquinado electroquímico deja una superficie sin rebabas; ele hecho, también se plledc usar como proceso de desbarbado. No causa daño térmico alguno a Ja parle, y como no hay fuerzas en la herramienta, se evita la distorsión de la parle. Además no hay desgaste de herramienta, y se pueden producir for··
·
Consideraciones de diseño para el maquinado electroquímico a. Debido a la tendencia que tiene el electrolito a erosionar y quitar perfiles agudos, el maquinado electroquímico no es conveniente para producir esquinas agudas ni fondos planos. b, Puede ser difícil el control del electrolito, por lo que Jas cavidades irregulares podrán no tener la forma
¡ .· .. :
fLJ___J!uw . . . ~ """"' ·-~--
1"osi!Ji!ida1k; del piroceso- El maquinado electroquímico se usa en complicadas en materiales de ali.a resistencia, en especial para Lt industria
mensionales.
( ~mL../......._ ~~'.~:~~r..J-······~L..... 111¡-(---~ de cd l · Rc·cub11.:~ r·-¡ rmento 2i'ilan1l'
de intercambio iónico, no se afecta por la resistencia, dureza o la ü~nacidad de !a ¡i1eza.
mas complicadas y maquinar materiales duros. Sin embargo, se deben comparar con cuidado las propiedades mecánicas de las partes procesadas con maquinado electroquímico con las obtenidas por medio de otros métodos. En la actualidad se consiguen sistemas de maquinado electroquímico con el nombre de centros di' maquinado controlado numéricamente. con la posibilidad de lograr una alta producción, gran flexibilidad y el mantenimiento de estrictas tolerancias di-
Bomba de circulación del de.ctrnlito
t-.
de super-
S1: venden fuentes de poder desde 5 A hasta 40,000 A. La rapidez de penetración de la herramienta es proporciomll a la densidad de corriente. Como la rapidez de remoción ele metal sólo es función de la rapidez
FIGURA 26.6 Esquema del proceso de maquinado electroquímico. Este proceso es el inverso de la electrodeposición, que se describe en la sección .33.8.
deseada con la exactitud dimensional aceptable. c. Los diseños deben tener en cuenta que las cavidades y orificios que se maquinen tendrán una ligera conicidad.
752
1
Sección 2b.4 / Rectiíic.1do electroquírnko
C1pÍlu!o 26 / f ror:l'so-; av.rn?.arlos de maquinado y n;1no(u.hric.\Kió11
de un
biomédico
,;.\lema de reposición lotai de una rodilla consiste en un implante de fémur y de libí.a, combinado in:,c:r:o de polictiicnu de peso molecular (PPMU;, gue :;e rnoeslran en ia fig. 26.8a. EJ polic. 11iL·no icapf:¡¡Jo 7) tiene m".jor resisrencia cksgasie y una fricción·mús baiaquc el implante de :Jic;;di\n de cobalto y cromo. El inserto de PPMU se por compresión (sección l 8.7) y el nit'Uílico fundt: y ;-;e rectJfica en sus sup.r:rficics de unión. 1
A !os ciisc11adonéc, de implantes, ingenieros de rnanufocturn y médicos les ha preocupado en espec-i:1I ta superficie de conracto en la cavidad del implante metálico que coincide con una saliente dd inscno de po. Jic:.iieno. Al mtirnlar laJ"odilla durante el movímiem.o normal. el polieüleno se desliza recargando comra ia pa:'k metálica. y se convierte en un sitio de potencialmente grave. Eslü geometría es necesaria pa. ra ¿:.segurar ia c.
L:on. ,íJer<11..:iún paL1 c.-.:l
i'ig. 2vo1.a e! maquin11do c·icuroquf;nicu Toc11l de Jos puntos al:o1 de Ja rnpcrficie dd impiame, y produce u;: ~1cnhado hrilLmtc. r·u111u indi1c:.1 '"romr v '"·crc:1r
Para rnaximizar !;.1 cniidad de la supcrfick se puede volumen del J1ujo ck eicctrolii
1
753
26.3.1 Maquinado electroquímico pulsado (MEQP) Este proceso es un refinamiento del maquinado electroquímico; usa clensiclacles de corriente muy altas, del or· den ele 100 A/cm 2 , pero la corriente es pulsada y no directa. El objetivo de pulsar es eliminar Ja necesidad ck grandes flujos de electrolito, que limitan la Ltlilid.ad del maquinado electroquímico en la producción de matrices y moldes (ahuecamiento de matrices). Las investigaciones han demostrado que el MEQP mejora la duración por faliga y se ba propuesto el proceso como un posible método para eliminar la capa de refundición que queda en las superficies de matrices y moldes en el maquinado por descarga eléctrica o electroerosión (véa-
se la sección 26.5).
Sin embargo, parece que es limitada la utilidad del MEQP en el 11huecamiento de matrices, debido a a) el proceso deja residuos metálicos flotando en agua (rnuy perjudiciales al ambiente) y b) es difícil rnant'> ner una alineación precisa de la herramienta y la pieza, cuando se cambia de maquinad.o electroquímico a MEQP. Si se desalinean, aunque sea algunas micras, todo el pulido se obtendrá donde el espacio enlre electrodo y pieza sea menor, y donde es mayor se presentará la pasivación o pasivamiento. Se ha inventad.o una máquina para el maquinado electroquímico sin y con pulsado; de esta forma se elimina el cambio de herramienta y de piczección 26.12) son mny pequeñas, lo cual se adapta bien al proceso, y b) la falla total de desgaste de herramienta (porque sólo se ge .. nera hidrógeno en el cátodo), lo que implica que el proceso se puede usar para 1rnbajos de gran precisión, aun· que habrá que resolver el problema de la erosión debida a las corrientes parásitas.
26.4 RECTIFICADO ELECTROQU En eJ recf,!ffcado electroqufrnico se combina el inaquinado eiectroquímico con el rectificado normal. El equipo que se emplea es parecido a una rectificadora convencional, pero la piedra es un cátodo giratorio einhcbiüo en partículas abrasivas (fig. 26.9a). La piedra tiene abrasivos de diamante aglomerado con metal, o de óxickl ele aluminio, y gira amia velocidad superficial de 1200 a 2000 m/min (4000 11 7000 pies/rnin). Los abrasivos tienen dos funcione~;: a) servir corno aislantes entre la piedra y la pieza, y b) quitar nY> cánicrnnenlc los produc1os de Ja electrólisis en el área de trabajo. Se produce un flujo de solución de elcccm· lit.o (que suele ser nitrato de sodío) b fase de maquinado electroquímico de Ja operación. Las cknsid.;.1dcs de corriente van de J a 3 (500 a 2000 La mayot· parte de Ja rernuci611 dd metal en el rectificado electroquírnico es por acción e!ectrolftic:1. :,; en e·¡ caso normal se quita menos de Yfo del metal por 1a :Jcción abrasiva de la piedra; en consecuencia, el ;k:~ gasle de la piedra es rnuy bajo. Los cortes de acabo.do se hacen normalmente por la acción abrasiva, pero 'lo para producir una superficie de buen acabado y con exactitud dimensional. El rectificado electroquímico es adecuado en aplicaciones parecidas a las del fresado, rectificado y aserrado (fig. 26.9b). No se adapta a operaciones de horadación ele cavidades. Este proceso se ha aplicado bien en carburos y aleaciones de alta resistencia. Tiene una ventaja distintiva sobre el rectificado con piedrn de FIGURA 26.9
(a) Esquema del proceso de rectificado eleclroquímico. (b) Ranura eslrecha producida en un
tubo redondo de aleación de nique! con este proceso. (b)
Electrolito de la bomba
(a)
81 pulg (3. ! mm)
~lectrodo (piedra abrasiva)
-
FIGURA 26.8 (a) Dos sistemas de reemplazo total de rodilla mostr.ando. losim¡;;jantes de mepJ (piezai superiores; con un in.serto de polietileno de peso m(llecular ultra-alto/piezas de abaj(,J. (bJ Cort~ deiproi:eso de electroerosión aplicado al implante metálico. Fuente: Biomet, lnc. · ' ·· · "· ·
Partículas aislantes de abrasivo
Mesa-->-
1
,-==~·· _¡_
Husillo
_J \J
.
Inconel
.
- Conexión elécLnca
1
T
64 pulg (0.4 mm)
~--~
-
Sección 26.5
C2pítulo :?.b / f';·nccsos :Na1v~H~o<, ck~ 111,1q1.1i11ddo y nanot.;bric,tcir'!ll
í lv\,1quínado
düimanle. ;:.il J1·ab;ijar materiales muy duros, cuando el tksgastc la piedra pued~ ser a!l:o. Aclualmeme se consignen n1áquina:) dé rectificado eicctroquírni.co con controles numéricos. con la;.; que se rncjoran la ,_::x~x:t.iLud diffi0nsio11al, la rcpetibi!idad y la productividad. En d honead.o o asentado ded.roquin.1ko se combinan !a acción abras~va fina del honeado con ia ac-
] . acwar corno aisiaole hr~st.a que el
;.:ión eleclroquímica. Aunque el equipo es costo.so, el proceso es hasta cú2co veces más nípido que el horneado convenc¡onal y la herramien1a dura hasta diez veces más. Se usa principaimenl.c para acabar supeifícies cillndricas internas.
3~ servir
2,., actuar corrlo medio de Invado
l 1
l¡
1
l
l í
sislenw
de ¡.i
búsicn consi:;te en una hcrrarnienUi de formado una f1_¡c1d.c. de poder de cd y culocadas en un ilu¡do (fo:-;~édxkn (no conductor de clif"t~rcncia de po1cncinJ cntrr~~ la hen-amienla la piez.a qt:e d fruido c~mtidF.lci muy
:500
1legue al valor SLlficiente,
y retirar !os desechos en el espacio entre electrodos, y
to.nte en forma auto1nJ.t1ca.
Si se ban de produór superficies p!arn:is, la superficie rectificada electroquí1nicamente debe ser m{ls an-
por elc~,'lrocrosión ha. llegndu n sC;r urni de las técn.ica ..:; ck producc~ón más impon.antes"';/ acl~ptacü.1s t:u [~1 in-
755
La píeza se sostíene dentro del tanque que contiene al fluido dieléctrico y se controlan sus movimiento:; con sistemas ele control numérico. Ei hueco entre la herramienta y la pieza (so/Jrecurte) es critico: así, el avance de \;J herramienrn hacia abajo se conlroh1 con un servo1necanisrno, que rnantiene un sobrecone com~-
:a~ En !os d!sefios se dehen cvilar los radios inledores pequefios.
El pr.irn:ini.o de! 1noquinado con descargu eft5c.trü:a (ED~/L del inglés e!ec:rir:cf-dischargc machining), qne tnrnbic~n J!ama nuzquirwdo 1:on t'Ít:'c!rodesca;ga. o por electroerosián. se basa en !a ernsión de io~, mel~.'.ks 11ic.dian1e chispas de descargas cléctricac). Se s::.ibe que cunndo .se deja que se toquen entre ll(1s ~d;i.rnbrc:-; conducr.orcs de (:orrientc. st; produce wi ~1rco. Si se exarnina con detalle e! punto de contacto entre los .:::lo.e, condncse. nota que u11a porci.ón pcquctia deJ meLal ha erosionado desaparecido, dejando umJ pequeña oquechH.1si:.~ ha conocido i.~sle L;nómeno desde dcscuhrirnic11to de !.:::i clectricübd, no fue sino In ;kc;ich de 1940 que se desarrcdió proceso maquinado basado Gll este principiu. E1 p;-oc0so m:.iqui11a-
dcsu1r~~.l eleclric.:i (elect:-o~~m~:iorh1dma de penct.raciónl
Las funciones del fhlido dieléctrico son
Cons~dera.dones de d~sefi((fl parad i·e·:.:t~ficadif> i\dernüs de fas que ya se incncionan:m par~~ el maquinado eiectroquímü:.o, en el rectificado eiectroquírnjco se requieren dos adicionale~-::
gosta que el ancho de ia pit--:dra abrasiva.
con
¡ ¡ 1
¡ ;
Los fluidos dieléctricos más comunes son íos aceites minerales, aunque también se usan !a querosina y el agua destilada 1 desionizada en aigunas aplicaciones especiales. Entre las tendencias recielltes está el uso de fluidos transparentes y de baja viscosidad, y aunque son más costosos, facilitnn !a limpieza. Las máquinas tienen un sisterna de brnnbeo y ffltrado par:-~ el fluido dlc1éctr~co. El proceso EDM se puede usar en cualquier 111~1terial que conduzca la electricidad. Ei pLmlo de l"usión w:or larenle de fusión son las propiedades físicas importantes en la determinación del volumen ele mela! c!i1nim1do por descarga. AJ uumentar esas can1.idaclcs disminuye la rapidez de remoción ele material. El vo\ua1cn dci mci,tcr!al eliminado por desc;_,_rga tiene !us valores normaies del() s a¡¡¡---' mnr; a lO--s Corno en el proceso nG interviene en.ergía rnecánic:1, la dureza, tcnacic!acl y resistencia del materiai de la pieza no necesariamente influyen sobre la rapidez de remoción. Se acostumbra variar ia frecuencia de la desc,1rga, la energía por dcsc,1rgu, parn controlar b rapidez ele remoción, y tambi6n d voltaje y la corricqtc. L1 rnl)idcz de rcrnociún y la rug<:>sklad superficial aumentan al i.ncrernentarsc Ja densidad de cor:-ienlc y dis1r,inuú
frecuencia de Í.it"JS
chispas.
electrodos para el I:Dí-Vf suelen ser de grafito, aunque
tarnbi(~n s~~
usan de L.i.lón., co--
brt; o aleaciones de cobre y tungsteno. Las hernrn1icntas se conform::1n con técnicm~ de pn.~nsado. colado, rnet:durgia poivl>S o rn:,tquinaclo- Se l\:m usado electrndos con ciiimclrcs tan pequeños c::rno 0.1 mm (O_()()'.i
h1~; n::~lac~onc~:; de nrofrn1didari. a diúmetro d.e orificio s11hi.r hust~;- 40C: \ i'c:! rksgostc de hermn11>n1u (;S un !':.1ctor importante, porque afecta e,xaclil\Ki, dimensional y \<1 !"c:nm prnducichL desgaste se relaciona con los rmntos de fusión de los rnatcriaics que :;e manejan: rnicntn1•
puig)
mcn.<'r es el ptmto de fusión. mayor es la rapidez ele desgaste. Por lo anterior. i,os dectroóos de grafito la rncix.irnu resistencia al desgaste. Esle desgaste se puede reducir al mínirno invirlü~ndo la polaridad y u::,;11;-do herrnniicntas de cobre: a esto se ie llam
-1 O
(<.ti Fsquerna dci proceso de macpiinLldo con descarga tdéUric.i. o c:lectroerosión. h uno de
kx·: pnx:csos ck"' rn;.1quin.Jclo que rnós se erripJe;:rn, en especial pai-c¡ operaciones de ahu-:::cado de 111'1!1 ices (!)) tjcrnpiu'.; de
(JU-.:5~¡
cavidadt:~s producidas por !a eleclroerosión, con electrodos formados. Dos partes i-edo11das
conjunto e.le matrices para E:xlruir la pieza de ciiuminio que se ve a.i frentP (véase tarnbién la fig. '! i;_~Jh}. Fuenie: <.orfesh de A.ClE: US/\ Ud. (e) CJvidc:id en espiral producida con elecl"roerosión, con un e!ectroc.Jo ('rl r0taci(J1: lenta. p,:1J"ecid0 a una rosca de tornillo. Fuente: Americvn Machírúst. 'iO!l
{")
(el
Servocontrol
-Tanqnc
l'osibifülades dd proceso. El maquinado por elec1roerosión tiene uu,,11ctv'"'" producción de cavidades de mutriccs para componentes grnndes de carrocería de quinado para !wradadón de matrices), orificios profundos con diámetro pequeño, con alambre ele tungsteno como electrodo, ranuras angostas en las partes, paletas de turbina y diversas formas intrincadas (fig~~26.lOb y e). Se pueden producir cavidades escalonadas controlando los movimientos relativos de la pieza y del electrodo (fig. 26.ll). Las cavidades internas se pueden formar usando un electrodo rotatoria con punta móvil. El electrodo se hace girar mecánicamente durante el maquinado (fig. 26,12). 3 Las rapideces de remoción de materiales suelen ser de 2 a 400 rnm /min_ Como la estructura superficial es de metal fundido y resolidificado (recolado), las rapideces altas producen un acabado superficial muy áspero, con poca integridad y bajas propiedades de fatiga, En consecuencia, los cortes de acabado se hacen con rapideces bajas de remociórl, o bien se quita la capa recolada después, con operaciones de acabado. Entre las técnicas recientes se incluyen el uso de electrodo oscilante, con el que se obtiene un acabado superficial muy fino que requiere basrnnte men~s trabajo de banco para obtener cavidades brillosas.
Capi'tulo 26 /Procesos ,wanz;idos de maquin,1do y n,1nok1b11caciór1
Sección 26.6 / 1\A.aquinado con descJr¡y1 elécl; ica de rtlarnbre (el<'cnnerosion¡:¡c\oízi de hilo)
75 7
En el aserrndo por maquinado por electroerosión se nsa un conjunto parecido a una sierra de cinla o
sierra ¡jrc1ibr, pero sln dientes, con el mismo circuito eléct[jco que en el EDM. Se pueden hacer cortes üngostrn; con graneles tasas de remoción de maleriaL Como las fuerzas ele corte son mínimas, se puede usar el proceso también para componentes delgados y esbeltos.
26.6)\/\AQU! DESCARGA ELtCTRIC/\ Y (ELECTROEROSlOl'~ADORA DE HI Una variación del EDM es el EDM con alambre o de alambre (figs. 26 . .l 3a y b). o corte con descu1~~a ef,,,._ trica de hilo. En este proceso, que se parece al calado con una sierra de cinta (fig. 23.27). w1 alambre que rnuevc con lentitud describe una trayectoda predeterminada y corla la pleza; 1as chispa~ de dcsca(gu funcionan corno dientes de corte. Este proceso se usa para cortar placas hasta de 300 mm ( l 2 pulg). y para fabricei punzonec;, herramientas y matrices de metales duros. También puede corlar componentes intrincados par:1 )a
flGURA 26.1·¡ Cavidades escalonada:; producidas con un eieclrodo cuadrado por efectroerosió1J. LJ. pieza Lllxad.:i se mueve en las dos direcciones horizontales principales (x-y) y su movín1i('11!0 se sin(:i-onjz;1 con (·'i n1ovi111i(~11to h.Kia abajo dd electrodo, fXi1·a producir es,1s cavidZ1des. Tarnbié11 se: 111u<.:~:il.ra un e!ectn_Jdo redondo Cclp,iz di-: producir c..tvida(Íí.!') redondas o elípticJs. Fuente: cortesía de ACJE USA Ltd.
(<11
industria electrónica.
Ei alambre suele ser de latón, cobre o tungsteno: también se usan recubiertos de zlnc, de latón y de vctri:\:.. capas. El diámetro del alambre es nonnaímenlc 0.30 mm (O.O 12 pulg) para cortes ele desbaste, y de 0.20 mm (0.ül)b pulg) para corles de acabado. El alambre debe tener la resistencia rensil y la tenacidad a Ja frac::ura suficiente:;. asf corno gra.n conductividad eléctrica y capacidad d.~ arrastrar los desechos producidos durante el corte. En el caso normal, el ab_u1tbre ;.;;ó1o se usa una vez, y e~~ re!aLi va1nente poco costoso. Se mueve J. vcioc~
(bl
tbdes con~tantes de O. J 5 a 9 ;n/rnin (6 a 3ó0 pulg/min) y durante ;_;1 corte se mantiene un espacio constuw:: entre 61 y la pieza (saque). La Lendcncia en !os fluidos dleléctricos es h::icia el empleo
~ ~
tes y de bJja viscosidad. (l'.)
Esquen1r.1 dei JT•
1
di..: chic.p;.i
(~<-1quc)
c,,_hni
dt~her: disefbr i;;s r;·trfrs cv );·1t; m i.camen re.
Ud rna:1cra que 1os ckctnxius requerido:.; :~e pu,~d~rn fonn;u-
evilar r<1nurn~: prorundas
/
;dx~r!uras angostas.
Para lcrn.:r una producción e,~onórn.1e:1, e·J acabado .c;upcrficial c:spccifica
¡;1uy
iinn.
(e)
(b)
í\m:1 ohLcncr un;J gran cap;JcidaJ de producción. la rnayor remoción de matcríal :-,e debe hacec co.n pruccsos convencionales (cortes de desbaste).
26.s.-¡
por La piedra en el reclificado por electmerosión o descarga eléctrica (EDG, de electricaL-disdwrge grinding) es de grafito o de latón, y no contiene abrasivos. El material es quitado de la pieza por medio de chispas de clescarga repetidas entre la piedra giratoria y la pieza. El proceso EDG se puede combinar con el rectificado electroquímico, y en ese caso, el proceso se llama rectificado electroquímico con descarga (ECDG). El material se saca con acción química, con las descargas eléctricas de la piedra de grafito que rompen !a capa de óxido, y es arrastrado por el flujo de electrolito. El proceso se usa principalmente para rectificar he·· rramientas y matrices de carburo, pero también se puede usar con pai1es frágiles, como agujas quirúrgicas, tubos de pared delgada y estructuras de panal. Ei proceso ECDG es más rápido que el EDG, y el consumo de polencia es mayor.
FIGURA 26,13 (a) Esquema del proceso de electroerosión con alambre. Se pueden maquinar hasta 50 horas con un rollo de alambre, que a continuación se desecha. (b) Corte de una placa gruesa con electroerosión con alambre. (e) LJn,1 m,iquina de electroerosión con alamb;e y control computarizado. Fuente: cortesía de AGiE
USA Ltcl.
Sección 26.7 /Maquinado con r<.iyo láser
758
759
Capítulo 26 / Pmcesos avanz.::idos de maquinJdo y nanofabricación
La velocidad de corle se suele expresar en área transversal cortada por unidad de tiempo. Los ejemplos 2 carncterísticos son 18,000 rnm /h (28 pulg2/h) para acero de herramienta D2 de 50 mm (2 pulg) de espesor, y 2 2 ele 45.000 mm /h (70 pulg /hr) para aluminio de 150 mm (6 pulg) de espesor. Estas tasas de remoción se tr~ ducen en velocidades lineales de corte de \8,000/50 = 360 mm/h = 6 mm/min, y de 45,000/15(; = 300 lllm/h = 5 inrn/min, respectivamente. Las máquinas de electroerosión de alambre modernas (centrns de maq1.1inado pm: electroernsión de :i!ambn.; multieje) tienen las siguientes características:
TABLA 26.2
Aplicaciones generales de los láseres en la
Aplicación ___ Corte Metales Plásticos Cerámicas Taladrado
Metal°'
]. Conlroles computarizados para regular la trayectoria de corte del alambre (fig. 26.13c). 2. Varios cabezales para cortar dos partes a la vez.
Cerámic~s
4. Funciones de ensartado-conclucción automática del alambre en caso que se rompa.
Tratamiento superficial, metales Soldadura, metales
5. Estrategias programadas de maquinado para optimizar el funcionamiento.
Las máquinas de dos ejes con control comput:iriz.ado pueden producir formas cilíndricas en l'orma pJrecida al cilindrado o al rectificado cilíndrico. Muchas rn<íquinas EDM de alambre modernas permilen controlar el avance y enhebran el a!an1hre para que se mueva en forma independiente en dos direcciones principaks, y de csle modo se pueden fabricar partes c6n]cas. Dependiendo de su tamaño, posibilidades y calidad, d co'*' de las máquinas de eleclroerosión de alambre va de 150,000 a 300,000 d6lmes.
vn
l
1
c:i=o
e! nu:1.quinado con rayo üfaer, la fucni.e de energía es un Aáser (acróninto de Light Ampl({icalion /;y Stimu··
qf" Radiationj amplificación de luz por emisión estimulada de radiación), que CPncentra encr· gía lurninosa sobre la supGrficie de la ¡Tieza (fig. 26. i4a). La energía. que está muy conceotnicb y es de de;i-· sid,'1d a11a., funde y evapora partes de la pieza en forma controlada. Este proceS<\ que no requiere vacío, se 11¿:a i11atJuinar diversos n1ateriales a1clálicos y no metüiicos. varios Upos de i3sere::; q1~c ;-;G usan en operaciones de manufactura (tabla 26.2): /oted Enússion
CQ) (undu puf.wuJa
cwco, PC0 2
PC02 , Nd:YAG, Nd: vidrio, ruhí
PC02 , Nd:YAG Excímero Excímero
cwco, PC02 , CWC02 , Nd: YAG, Nd: vidrio, rubí
Nota: P = puisado, CVv':::: onda conLinua.
Los parámetros importantes en el maquinado con rayo láser son la la conductividod térmica de la superficie de la pieza, y también sus calores específicos y latentes de füsión y evaporación. Mientras menores sean estas cantidades el proceso será más eficiente. La superficie obtenida con este rnélodo suc. le ser áspera, y tiene una zona calor (como se describirá en la sección 29.2) que, en aplicaciones críticas, habrá que quitar o tratar térmicamente. El ancho del saque es una propiedad impoiiante, como en ntrns procesos de corle, como el aserrado, la e\ectroerosión con alambre y el maquinado con haz ele electronGs. Los rayos láser se pueden usar combinados con una corriente de gas, como oxígeno, nitrógeno o argón (soplete i:le rayo láser) para cortar materiales laminados delgados. Para el acero inoxidable y el aluminio se usa corte con láser ayudado por gas inerte a presión; deja un borde libre de óxido que puede mejorar la faci· lielad para soldar. También, los chorros de gas tienen la importante función de arrastrar el material fundido y vaporizado de la superficie de la pieza.
O \.'O!iÚ!l!1{{).
{\fd:YaG (neodimio: gnwatc de itrio y alunTinio).
L;hcres de cxcín1cros (de excitado y dfrnero, o dímero excitado, dos útrnnos o inokcula~ unrdos electrones en un solo nivel excit1do de energía). 2id4 (
Cri~t
PC02 , CWC02 , Nd:YAG, rubí
Excí.mcro
Plc.í.sticos Marcado Melales Plásticos
3. Funciones, por ejemplo de control para evitar la ruptura del alambre.
~anufactura
Tipo ele láser
c.011
rayo láse1. (b) y (e) Ljclllplos de mifrrins
(b) Hule
3.4 mm de diámetro -·I 1~--
de
J T.3.l mm
'-''-------~
;1
sus
!'osibifüfades del proceso. El maquinado con láser se usa mucho parn taladrar y cortar metales, muLcriales no metálicos, cerámicas y materiales compuestos (figs. 26. l 4b y c). La naturaleza abrasiva de los materiales compositos, y la limpieza de la operación, han hecho que el maquinado con rayo láser sea una alternativa atractiva con relación a los métodos tradicionales de maquinado. En diversos materiales se pueden producir orificios tan pequeños corno de 0.005 mm (0.0002 pul~;). con relaciones de profundidad a diámetro ele 50: 1, aunque un mínimo más práctico es 0.025 mm (0.001 pulg). Con los rayos láser se pueden cortar placas de acero hasta ele 32 mm (1.25 pulgJ. El maquinado con rayo láser se usa cada vez más en las industrias electrónica y automotriz. Por ejemplo, con láser se perforan orificios de desahogo para tapas ele bomba de gasolina y orificios ele lubricación en cubos de transmisión. Los orificios de enfriamiento en los álabes de primera etapa de los motores del Boeing 747 también se hacen con láser. Se han logrado importantes ahorros en costos con el maquinado con rayo lá·· ser, proceso que está compitiendo con el maquinado por electroerosión. También, los rayos láser se usan para lo siguiente:
Extremo
parcialmente reflector
~---~-
(e) Plú,tico
ficar sus propiedades mecánicas y tribológicas (ele fricción) de su superficie.
Fuente de poder
~~
l. Soldar (sección 27.8). 2. Tratamiento térmico en pequeña escala y localizado (capítulo 4), de metales y cerámicos, para modi· 3; Marcar paites, con letras, números, claves, etc. El marcado también se puede hacer con proceso como: a) entintado, b) mecánicamente, con punzones, pernos, rayadores, rodillos o estampado, y c) grabado o
T
- 760
Capnulo 26 /Procesos :w,111/.ados (fo 111ac¡uin,1do y ncinofobrn:;ición Sección 26.9 / MJquin<1clo con chorro de -agua
ataque. Aunque el equipo ele láser es más costoso que los otros, se ha difünclido el 1narcado con láseres debido a su exactitud, rcproclucibilidacl, flexibilidad, facilidad de amomatizar y de aplicaciones en línea
Cable de aleo vDltajc (30 kV, CD)
en la manufactura.
La.flexibilidad inherente del proceso ele corte con lúser, con su conductor de haz de fibra óptica. supor1es sencillos y bajos tiempos de; preparación, así como la disponibilidad de máquinas potentes de varios kW y de sistemas de corte en 2 y en 3 dimensiones, controlados ror computadora, son cualidades atractivas. En consecuencia, el corte con láser puede competir muy bien con el corle de láminas metálicas con los procesos tradicionales de troquelado que se describieron en el capítulo ló. Actualmente se trata de combinar los dos procesos para lograr una mayor eficiencia general (véase el siguiente r.::iemplo ).
761
,,_
Rejilla del cátodo "__,
Haz de electrones
Sistema >-I
visor óplico
Mirilla
Con el láser se deben extremar ciertas precauciones. Aun los láseres de baja potencia pueden ciafiar h reiina, si no se siguen ciertas n1cdidas de precaución.
~
Lente rnagnélico Bobinas deflectorns
_,._
ü:msideradones de diseflo para el maquinado con rayo láser
FIGURA 26.15
Esquema del proceso ele
111aquin~1do con haz electrónico. A diferencia
del maquinado con rayo láse1~ este p1·oceso requiere vacío, por lo que el tamaño ele la pieza está limitado ror el ele la cámara cJe
vacío.
a, Una consideración importante en el maquinado con rayo l
ccm inclinaciones o conicidades.
e, Se deben investigar lüdos los electos adversos causados por ias altas l.emr'ernturas locales sobre las rirnpíedadcs de !os materiales maquinados, asi como sobre la wna afectada por el calor.
Combinación de corte con láser y ¡mnzonado de metal laminado Crnno :•''' vimos. hs pn>ccso.s ele corte con .iúser y de pwwmado tienen sus nospcctivas ventaja:\ y cin11'éS, en cuan10 a asp";ctos técnicüs y económicos. Las ventajas gcnei-alcs dci corte con láser ·,on a) lntc,, 1 ¡-·cquefüi-". b} lkxibdidac de ia operación. e¡ una gran amplil"ud de espesores, di po.sibílidad de modelar con iotipu, "'í :na'cri:i/c.s: cnn1¡X>.'.ito.s que ·se cortarfan con dificultad por otros métodos; y f) f'-'OnJc!ría.s co111
p!ica{ia:-i gr:imar.
L11' vcn1111m. e inrn11venicntl"' cki punzonado incluyen <•i i
C\'itknie yuc ios do,, procesos cubren áreas &;tintas. pero com¡:iicmemarias. No Gs difícil visnali-w10 de los procesos. y otras t¡ilc
panc-' con 1ligunas carncten\(Ícas que se pueden producir mejor con pueden producir mejor con el otro.
Se han discrfado y constrnido máquinas en tal ümna que los procesos y soportes se puedan Lcsar en c·on_jumo Iras ta su posibilidad total. sin interferir entre sus fronteras operativas. El propósito de la combinación es ;1urncntar !a eficiencia y produc1ividad general dci proceso de manufactura que están clemro de las po'ibilidades de cada uno de los dos procesos, parecidas al conceplo cle!9s centros de maquinado que se describieron en la sección 24.2. Por ejemplo, las prensas revólver de.punzón se han equipado con un cabezal integrado de láser; la máquina puede punzonar o cortar con kísyr, pero no puede hacer.ambas cosas en forma si111u1tánea. ,
Se deben tener en cuenta varios factores en es
combinacíó~, C()n respecto a las .características de
cada combinación: a) los intervalos de tamaños, .espesóres y for.mas por producir y cómo s.é cúrnbinarán; b) los tiempos de procesamiento y preparación, induyendó Ja.carga, sóporte y clescargá de las partes; c) programación para el co11e y d) las posibilidades de cada l116todo,incluyendó lascar
d~l proe~so aislarriit.~1to)
26,8 MAQUINADO CON HAZ DE ELECTRONES Y CORTE CON ARCO DE PLASMA La fuente de energía en el maquinado con haz de electrones está fonnada por e\c.ctronc.;s de alta energía que chocan con ia superficie de la pieza y generan calor (fig. 26.15), Las máquinas usan voltajes del orden de 50 a 200 kV, para acelerar los electrones a velocidades de 50 a 80% de la velocidad de la luz. Sus aplicaciones son parecidas a las del maquinado con rnyo láser, con la excepción de que el haz de electrones requiere de un vacúJ. En consecuencia, se usa mucho menos que el maquinado con rayo láser. El m<1quinado con haz ele electrones se puede usar para cortes muy exactos en una gran variedad de me-tales. El acabado superficial y el ancho del corte es más angosto que para otros procesos térmicos de corte (véase también la sección 27.7 sobre soldadura con haz de electrones). La interacción del haz de electrones cor. la superficie de ia pieza produce rayos X peijuclicia.les; en consecuencia, al equipo sólo lo debe usar personal muy capacitado. En el corte C(m llr'CO de plasma se usan chorros de plasma (gas ionizado) para cortar con rapidez bminm y p!acas de metales ferrosos y no fenosos (sección 27.5.3). Las temperaturas generadas son muy altas, de 9400ºC, 17,000 ºF, en el soplete con oxígeno como gas de plasma. En consecuencia el proceso es rá[liclo, ancho del saque es pequeño y el acabado superticial es bueno. Se pueden cortar pcu1es de 150 mm (6 pulg) de espesor. La rapidez de remoción de materiales es mucho mayor que las asociadas con los procesos ele electroerosión y láser, y se rueden maquinar partes con buena reproducibiliclad. Hoy en día, el corte con arco de pbsma está muy automatizado y usa controladores programables.
Consideraciones de diseño a. En general, ios lineamientos para el coite con rayo láser se aplican también al corte con arco ele plasm
2_6.9 MAQUINADO CON CHORRO DE AGUA Cuando se coloca la mano en un chorro de agua o de aire, se siente una fuerza concentrada apreciable en ella. Esta fuerza se debe al cambio ele la cantidad de movimiento del chorro y, ele hecho, es el principio del funcionamiento de las turbinas de agua o de gas. En el maquinado con chorro de agua, llamado también maquina-
M
762
(¿ipíttrlo 26 / Pmcc:sv:t ;Jv,1n;r.Jdcs (fo 111aq11inado y n,1nofabricación
Sección 26. l O/ Maquinado con chorro abrasivo
763
Maquinado con chorro de agua y abrasivos En el maquinado con chorro de agua abrasivo. el chorro de agua contiene partículas abrasivas, como el carburo de silicio o el óxido de aluminio, que aumentan la rapidez de remoción del material con respecto al uso de chorro de agua sola. Se pueden cortar materiales metálicos, no metálicos y compuestos de distintos espe· sores de una o varias capas, Este proceso es adecuado en especial con los materiales sensibles al calor que no se pueden maquinar con los procesos que generen caloL Las velocidades de corte pueden llegar hasta 7 .5 m/min (25 pies/min) para Jos plásticos reforzados, pero en los metales es mucho menor; en consecuencia, pnede ser que este proceso no sea aceptable para los casos qne requieran grandes velocidades ele producción, Hasta la fecha, el diámetro mínimo de orificio que se pnede producir en forrna satisfactoria es más o menos de 3 mm (0.12 pulg); la profundidad máxima de orificio es del orden de 25 mm (2 pulg), Coll máquinas de varios ejes y con control robótico, se pueden maquinar partes tridimensionales complejas hasta sus dimensiones de acabado, La cantidad óptima de abrasivos en el chorro se controla en forma automática en los sistemas modernos de maquinado con chorro abrasivo, Se ha mejorado la vida ele Ja boquilla usando rubí, zafi-
{b)
ro y materiales cornpositos a base de carburos,
26,10 MAQUll'~ADO COl'l CHORRO ABRASIVO
f!GURA 2(i.'16
(a)
maquínado cop chorro
del
cortadora con chorro de agua 1 coi1iroi.1
do ]!aUlCUtUUkHTí!]CfP. se usa esta frii:rza en opcracicmes de corte y deslxubado (fig. 26. 16); véase lambi(Sn gmnallado con chorro de agua) ~ccción 33.2.2).
El chorro de agua funciona corno una sierra y corta una ranura angosla en el matcriaL Para lograr una operación eficiente se suele usar una presión de unos 400 MPa (60 ksi), aunque se pueden generar pre,,iones hasta de 1400 MPa (200 ksi). Los diúmetros de la boquilJa van de 0/)5 a l mm (OJJ02 a 0.040 pulg), En la fig, 26, J6b se ve una máquina de corte con chorro de agua, y su funcionamiento, Se pueden corlar diversos materiales, incluyendo plásticos, telas, hule, madera, papel, cuero, materiales aislantes, ladrillos y materiales compositos (fig, 26, l6c),
En el maqiánado con chorro abrasivo se dirige un chorro de alta velocidad de aire seco, nitrógeno o dióxido de carbono con partículas abrasivas, hacia la superficie de Ja pieza. bajo condiciones controladas (fíg, 26, 17), El impacto de las partículas desarrolla una fuerza suficientemente concentrada (véase también la sección 25,9) como para efectuar operaciones corno a) cortar pequeños orificios, ranuras o figuras intrincadas en materiales metálicos y no metálicos muy duros o frágiles, b) desbarbar o eliminar pequeñas esquirlas de las partes, e) recortar y biselar. d) quitar óxiclus y otras películas superficiales, y el) limpieza genera! ele componentes con superficies irregulares. La presión de abastecimie11to del gas es cld orden ele 850 kPa ( 125 psi) y la velocidad del chorro abrasivo puede tlegar hasta 300 mis (l 00 pies/s), y se controla con una váJvuhL Las boquilfos manuales se fabrican de carburo de tungsteno o de zafiro, El tamaño del abrasivo está entre 10 y 50 ¡J,m (400 a 2000 µ,pulg), Como el i1ujo de las partículas libre:; tiende a redondear las esquinas, en los diseños para maquinado con chorro abrasivo se deben evitax las esqLiinas agudas; también, los orificios en partes metálicas tienden a ser cón.icos, Hay cierto riesgo al usar este proceso debido a las partículas suspendidas en el aire, Este problema se puede evitar usando el proceso ele maquinado con chon-o de agua con abrasivos.
FIGURA 26.17
Según los materiales, los espesores pueden llegar hasta 25 mm ( l pulg) o más, Las cubiertas de vinilo y espuma para tableros de instrumentos en automóviles, y también algunas láminas de carrocería, se cortan con equipo de varios ejes, de chorro de agua guiado por un robot Como es una operación eficiente y limpia en comparación con otros procesos de corte, también se usa en la industria de alimentos para cortar y rebanar productos alimenticios, Las ventajas de este proceso son que a) se pueden iniciar los coites en cualquier lugar sin necesidad de orificios ya taladrados; b) no se produce calor, c) no se producen flexiones en el resto de la pieza (por lo que el proceso es adecuado para materiales flexibles), d) se humedece poco la pieza, y e) las rebabas producidas son mínimas. También es un proceso de mam1factura seguro parn el ambiente,
Esquema del proceso de maquin;ido con chorro abrasivo,
):~~ "-- "-
'~~ ":~'..:""~',,:;:;ce ~
de gas
de control
1
"---
-
Escape
Campana
Boquilb
p;~ '\i¡,gl~ii,;111¡~
1
Sección 2.6.·! 2 / Mic:romaquinüdO
C1pítu!o 26 /Procesos av;;¡n:.-:c1dos ele maquinado y n~rnofobricación
764
26.11
765
(a)
La nmu~/flbricoción implica la generación y manipulación de estrucluras con dimensiones características menores de l µ,m (40 µ,pulg); nano quiere decir I0- 9. Si bien se han producido durante décadas dispositivos del orden de micrómetros, lo;; procesos a nanoescala prometen proporcionar graneles mejoras y revolucionar dispositivos en pequeña escala. Entre las aplicaciones potenciales de esos materiales y dispositivos incluyen la electrónica, dosificación de medicamentos, dispositivos mecánicos revolucionarios, sensores y sistemas ele
diagnóstico médico. Se debe distinguir entre a) la producción de materiales o partículas a nanoescala (nanosíntesis, véase la sección 6.15) y b) los procesos que manipulan las partículas o sus geometrías en nanocscala (nanofabricación). Cada área tiene métodos y limitaciones muy distintas.
~
(a) Imagen de microscopio electrónico de barrido ele· un voladizo con punta de diamante (pieza triangular de la derecha) usado con el microscopio de fuerza atómica. La punta de diamante se fiia al extremo del voladizo con un ,1dhesivo. (b) Rayaduras producidas en una superficie por la punta de diamante bajo distintas fuerzas. Nótese el tamaño extremadamente pequeño de las rayadur as
FIGURA 26,18
Muchos de los procesos de nanofabricación son versiones más exactas y precisas de los que se usan en la manufactura de circuitos integrados (capitulo 34), corno la fotolítrografía, litografía y procedimic·ntos relacionados. Se puede hacer litografía limitada en un microscopio de fuerza atómica (IVIFA; en inglés AFM. de atomicforce microscopc; véase la sección 31.5.3 ), que permite manipular hasta átomos individuales. Con las dimensiones extremadamente pequeñas y las tolerancias di mensionalcs estrechas asociarl
pueda generar grabados de muy alta calidad, con relaciones muy alta de profundidad a ancho. Ei grabado con el ion reactivo promete mucho como método ele nanofabricación, pero socava lus parcclec; vcrticale.,. Entre los desarrollos recientes se incluyen cubrir las paredes laternle:; con una capa de pnlfo1,> ro, ele una o dos moléculas de e;:;pcsor, para cli1ninar el socavan) lento. Se debe tener cuidado especial para ellminar ios esfucr7.os _residuales en la pieza: y corno se quita material, e~ probable qnt, haya distorsiones si c~;tán
presentes esos csfl1e:·zos. En la lilografía a nanoescala se han usado n1icroscopios de· fuerza atómica, y hay gran potencial ¡x:rn ataque de superficies en pequeña escala. Esos microscopios ~;e usan princüpalmenlc como herrarnientas de \1isuaiización de superficie (capítulo 31 ). Sin embargo, cuando tienen el voladizo adecuado, pueden hacer lilografía con resolución atómica, y hasta se han usado para manipular moléculas y ::lton1os individuales en las
superficies_ La fig. 26. I 8a muestra Irna imagen de .mlcroscopio de fuerz;:i atómica de un:1 herramienta de acero inoxidable con punta de diamante en voladizo, de las que ;,e usan en !a nanolitografía, y la fig. 26. i gb muc.,tra la rayadura hecha con el voladizo de la parte a. Nótese que ta profundidad de corte es nwnor qt1e l 00 nm, y que la resolución es extremadamente fina. La nanofabricación tiene el potencial para revolucionar muchas industrias, incluyendo el almacenamiento de información, manufactura de circuitos integrados y sistemas de dosificación de n1edicinas. Por ejemplo, se ha estimado que si un bit de información se plldicra guardar en 100 átomos, entonces todos los libros que se ban escrito a la fecha se podrían guardar en un cubo de 0.5 mm. Los científicos imaginan los días en que robots microscópicos se inyecten en el organismo y entreguen las medicinas en el lugar exacto en que
26.12 MICROMAQU!Ni\DO
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Un área importante de investigación continua es d desarrollo de los sistemas micromecánkos, en ios que \as dimensiones características de los componentes son del orden ele micrómetros. Como ejemplos de esos sistemas son los microactuadores electrornagnéticm. de las unidades de disco duro, microcardanes, microfoelks y diversos sen:,orcs y dispositivos ele meclició11. Las operaciones de micromaquinado para fabricar estos com· ponentes suelen implicar los procesos de utaque químico en una escala muy pequeña, que se describirán en este capítulo y en d 34. Por cjc,mplo, !a fig. 26. l 9a muestra un engranaje para accionar y orientar en microescala. El diminuto rotor tic;ne 55 µ,rn de diúmctro, y ha sicio girado a velocidades hasta de 300,000 rpm, en sentido coatrario a las manecillas del reloj. En la fig. l6.19b se ve un detalle del conjunto del rotor donde, como referencia, st: han colocados un fiGURA 26.1 'l conjunto de accion,1miento
:.~rano de sal
y grupos de glóbulos rojos bum.anos cerca del rotor.
Un ejemplo de un sistema microelectromecánico de micromaquinaclo; nótese la escala de dimensiones. El impulsado por ,¡ccionamientos de peines 1·cson,rntes (motor electrostático, llamado también pei1w). (a) Vistr1 del conjunto completo. (b) Odallr-: de p;irte del conjunto. Fuente: R. Müller, University of
California, Berkeley.
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se necesitan. El obstáculo mayor a la nanofabricación, hasta ahora, l1a sido la posibilidad limitada de sus procesos. Por ejemplo, un microscopio de fuerza atómica sólo puede procesar una parte con superficie aproximada de 2 O.O l mm cada vez, y las velocidades normales en la litografía son del orden de 10 µ,m por segundo. Son varios órdenes de magnitud por debajo de las aplicaciones indust1iales que no sean investigación fundamental, aunque se investigan en forma constante nuevos métodos para aumentar la capacidad.
----------....1.1
rr----766 Capitulo 26 / Pr0cesos
~wanzJdos d\" mctquinaclo y na.nofobricación Términos clave
767
RESUMEN <> Los procesos avanzados de maquinado tienen posibilidades únicas y usan fuentes de energía químicas,
electroquímicas, eléctricas, ele láser y de haz de electrones. Las propiedades mecánicas del material de la pieza no importan, porgue estos procesos se basan en mecanismos que no tienen que ver con la resistencia, dureza, ductilidad o tenacidad del material; más bien implican las propiedades flsicas, química y eléctricas. " Los métodos químicos y eléctricos de maquinado se adaptan en especial para materiales duros y formas complicadas. No producen fuerzas (y en consecuencia se pueden usar en piezas delgadas, esbeltas y flexibles), ni temperaturas elevadas o esfuerzos residuales. Sin embargo. se deben investigar los efectos de estos procesos sobre la integridad superficial, porque pueden dañar mucho las superficies y reducir la vida de fatiga del producto. " Los procesos de maquinado con haz ck alta energía usan rayos láser, haz de electrones y arco de plasma, Tienen aplicaciones industriales import<:ntes, poseen gran flexibilidad de operncicín y compilen ec!)nómicamente con otros procesos.
r~óic'se
f-lGURA 26.20 Microespejo h<'cho de poiisilicio doblado en posición vertka!. L,1 superficie cid espejo cloradii. la escala de dinwnsiones Fuente: R. Mulier, Univer•,ily oi California, lk1-k0!ey.
"' Se pueden usar procesos de maquinado con chorro de agua. con chmTo de agua con abrasivos y con chorro de abrasivos para operaciones de corte y ele desbarbado. Como no us
TENDENCIAS Para producir esle rntor se :itacrm quírnit:cllllc,nte los c:ornponentec, en una depresión de una obíc<:.: a continuación se pule In superficie quimico y mecünicamcnte (vóase la sección 25.10.6). Por úl1inw. se fabrica el circuito electrónico asociado en un procceso de manufactura continuo-inr'ermitente de semiconduct0rcs de ;ne!n.1-cí:·:icio co1nplcrncnt;1rio (véanse los deialle.1 en el capítulo J4;.
de inlerés parn lo:; sis1e111as rncdici6n, '"incluyen apJicacioncs aernespaci:ib:
es su empleo corno sensores y dispositivos de ele Dujo el<: fluidos, Su incoqioraci<íri en sistemas de fibra !Íp-
puede presenlensrir C}Ut: si 1a luz es paralela tl süperficit~, es má~) dificd de mcci!r. maquin<1.do en una ohlea sii!cio_ chapc:1dn con superficie flc:ctorci de oro y clc.spuó; doblado pr·r¡iendicui:inneme para poder usarlo en un El acciorrn111i1:11io electr<1stá1i('o pcr111iic manipnlar el c.spcjo c1 escalas de micr6melros.
La necesidacl de mélodos económicos de remoción de mateiial aument.~rá más, por el desarrollo de nuevos materiales, cenúnicos y cornposüos, así con-10
La tendencia en d uso de maquinaria de procesos avanzados de tnaqulnado, es hacia los controk:.;; computarizados, uso de robots de ejes rnúlti.ples y también explorar ias posibilidades de combinar distintos procesos, para obtener flcJ
"' Se está imp!ementanclo aceleradamente el maquinado de partes automotrices y para otros fines, con rnyo i:.íser y con eiectroeros[ó11.
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Lo' procesos de maquinado tienen aplicaciones linicas, en especial para materiales difíciles de maquinar y parn partes con perfiles internos y externos complicaclos. La corrida económica de producción para determin
TÉRMINOS CLAVE Ahuecado de matriz Asentado electroquímico Corte con arco de plasma Dieléctrico Electrodo Electroerosión de alambre Electrolito Enmascaramiento Fotograbado Fotorresist Fresado químico Haces de plasma Láser
Maquinado con chorro abrasivo Maquinado con chorro de agua Maquinado con chorro de agua abrasivo Maquinado con descarga eléctrica (electroerosióo) Maquinado coo haz de electrones Maquinado con rayo láser Maquinado EDM sin desgaste Maquinado electroquímico Maquinado electroquímico pulsado Maquinado fotoquímico Maquinado hidrodinámico Maquinado químico
Micromaquinado Nano fabricación Preparación foloquímica Preparación química Reactivo Rectificado con descarga elécttica (electroerosión) Rectificado electroquímico Rectificado electroqufmico con descarga eléctrica Sistemas inicromecánicos Sustancia de ataque
Problemas cuantitalivos
768
769
C:¡pítu!o 26 / Proce::;os J.VC'lllZJdos do rnaqui11él:do y 11a1101.nbricació11
26.20 ¿En cuáles de las actividades manufactureras en la industria se aplica más la electroerosión con alambre? 26.21 ¿Por qué afectan distin~Js procesos Je remoción de material a ia resistencia de los materiales a Ja fatiga, en niveks
ilSM Ha11d/Jook, Vol. 16: Machining. ASM lnternational. 1989. Brovvn. J.. /idvanced fl;f(lc!úning Techno!ogy Handbook. McGrow-Hiil. 1998. Crarer. R.C., and P.J. Oakicy, Loscr Pmcessing in illfwu.4'ru:iuring. Chapman & Hall, 1993. Edclstcin, A.S. ancl Cammarata. R.C .. Nanommerials: Synthesis, Properries and Applications. lnstitut~ of Pbysics Publishing, Bristol, 1996. Cille:.;pie. L., Deburring mu/ Edge Finis!úng Hcmdbook. Society
of IV1anufacturíng Engineers, 1999. Guitrau. E.B .. T11e E.Di\!! l-landbook. Soho Prcss, 1997. Jain, V.K,, and P.C. Pandey, Theory and Practíce of Electrochemical Machining. Wiley, 1993. Kalpakjian. S. (ecL), Too/ and Die Failures: Source Book. ASM lntcrnational, 1982. Lang1.~: K. (cd.), Handhook q/'Melnl F'orming {Chaptcr 32, D·k Manufac!ure). McGraw-Hill, 1985. Machi11ery 's l!u11Jhook. r:::vised periodically, InJuslrinJ Pres:-,_ 1
!vfllchining Dnta Handbook (3d ed.), 2 vols. Machinability Data Ccnlcr, li)80.
Madou, M.J ., Fundrmu:11tn!s of /'4ir:ro/u.hrication. Press. 1997. McGeough, J.A., Advanced 1Wethod::: of"lvfachining. Chapm¡¡11
& Hall, 1988. l\!figJiore, L.. Laser lv/ateriais Processing. fvfarcel Dekkcr, !996. Momber, A.'il\.' .. and R. Kovacevíc, Principies oj'Ahrasfrc ~\iuer Jet JVfachin.ing. Springer, 1998. Powcll, J., C0 2 Laser Cutting (2d ed.). Springer. 1998. Raichoudhury, P. (ed.), Hnndbook of Mir·rolitlw.zraph;; Micromachining, muí A-ficrr~j"abricurion. Society of Pholo-optica! lnstrurnenurtion Enginecrs, l 997. Sommer, C., and S. Sommer, Wil1? EDM Handbook. Tcch111cal Advanced Puh!ishing Co., l 902. 7óo/ and Man.ufacturing Fngin.eers Hmulbook (41.h cd.), Vol. J: lt1achining. Socicty or Mamifacturing Eng1n,::-ers. 1983.
DE Haga una lista de !a.s rti:1,oncs del dc~;;lrmHo dl'. 10.s proceso~ avanzados de rnaquinadu. 26.2 Diga el nombre de los procesos que intervienen 0n e! maquinado químico. Describo. .sus priílcipios en forma ¡,C)ué prnpiedudcs deben tener los emna.scarndores':'
Dc.<-;crib;1 el rroquelacio químico de; rieza:; y compúrelo con el cnnvcncionai que troq1tcle.s. 26.5 Explique la diferencia enlre el maquinado químico y :::~i maquinado eleclroqufmico. i.Cu;il c.s el principio del !-ecLifícado eleclroqufmico? /,Pl)r qu~~ el maquinado por e]t;c¡n;,_:rnsi1.)11 ~e ha Uifund1do tanto?
26.d Explique cómo el proceso de clcctrocrosión puede producir fnrnrns cornplicadas.
tan distintos'?
26.22 Explique por qué es diffcii producir perfiles y esquinas agudas con algunos de los procesos que se describen en eslc capitulo. 26,23 ¿Cuál de los procesos avanzados de maquinado causa daños térmicos'? ¿Cuál es la consecuencia de esos daños en !e>:·
piezas'?
26.24 En el maquinado con cborro de agua y abrasivo, ¿en qué etapa se introduce el abrasivo en el chorro de agua·) !Dvos: tigue las publicaciones y a continuación trace un esquema del equipo que se usa. 26.25 Describa sus ideas respecto al maquinado con rayo láser de materiales no metúlicos. Cite algunas aplicaciones posibles, incluyendo sus ventajas en comparación con otros procesos.
26.1.6 Haga comentarios wbre Ja profundidad de matc1ial removido de una superficie metálica mediante maquinado con chorro abrasivo. 26.27 ¿Se necesitan operaciones de desbarbado en las partes producidas por procesos avanzados de maquinado? Explique por qué y describa algunos ejemplos. 26.28 1.Cree usted que sea posible producir engranajes rectos con procesos avanzados de maquinado, comenzando con unci pie1.a bruta redonda? Explique por qué y cómo. 26.29 Haga una lista y explique los factores que contribuyen a un mal acabado superficial en los procesos descritos te <..:i1píLulo. 26.30 lnwsliguc las publicaciones técnicas que pueda y describa los tipos de superficies que se obtienen en el corle con
de electrones, con arco de plasma y con láser. 26.3'1 Se dijo que el material preferido en las herramientas de electroerosión es el grafito. ¿Sería adecuarlo el grafito Pª"' elcctroerosiün con alambre? 26.32 ¿Afecta la ekctroerosión la resistencia a Ja ratiga de los metales trabajados en frío? Explique por qué. 26.33 ¿Cuál es el objeto de los abrasivos en el rectificado electroquímico? 26.34 ¿Po·, qué se nsan cada vez más 1os láseres para murcar las partes? 26.35 ¿Cu:des de los voccsos descritos son adecuados para producir orificios muy pequeños y prnl'undos'? ¿Por qué" 26.36 ¡,Es importante el saque· en fa clectroerosión etJn alambre? Explique por qué. 26.37 ¿,l-l
26.'0 «,Ct1á!cs son las posihilidac!e,c.; de la ctecr.rocrosiún cnn alambre'? ¿PueJc nsar.''.iC e;.,!c prnccso para ;;_¡iJri,:ar pjcz;is co·· nicas? Explique cómo. 2ÍY.k0 Describ;i las ventajas del maquinado con chorro de ngua.
2Ai. i
.:,Por qué a veces es deseable pn:confnrmar o prcrnaquinar las partes para los proceso:; que se dcsc1 ih1l'.E11J cu cslc i..:
26.12 ¿Por qu6 es peligroso el maquinado con haz de electrones? 26.13 ¡,Cuúl es la dif'erencia entre la preparación foloquímica y la química? 26.14 ¿Se pueden maquinar químicamente cavidades perfiladas?
26.]5 ¿Qué clase Je piezas no soJJ adecuadas parad maquinado con rayo láser? 26.16 ¿Qw~ c.s un socavamienlo y por qué se debe tener en cuenta en el maquinado quí1nico? 26.17 Describa lo que conozca de las posibilidades y el potencial de !a nanofabric.1ción.
PROBLEMAS CUALITATIVOS
'
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.
26.18 Presente posibles razones técnicai-:1 y económicas para que sean preferibles o hasta nccesario.s los procesos descritos en este capítulo en comparación con los de lo.s capítulos anteriores.
26.19 Explique por qué las propiedades de los materiales de Ja pieza no importan en la mayor parte de los procesos que se describieron en este capítulo.
PROBLE/v\/\S 26.39 Se va a producir un orificio de 100 mm de profundidad y 20 mm de diámetro, con maquinado electroquímico. rnús importante una gran capacidad de producción que la calidad de la superficie maquinada. Estime la corriente mú;;i; ·;a
y el tiempo mínimo requerido para esta operación. 26.40 Si se efectuara la operación del problema 26.39 en una máquina de dectroerosión. ¿cuál sería el tiempo estime\\;; maquinado? 26.41 Se va a hacer una operación de corte con rayo láser. La pieza a cortar tiene 3/4 de pulg de espesor y 8 pulg de '•W"itud. Si el saque es de 3132 pulg de ancho, estime el tiempo necesario para terminar esta operación.
26.42 Se ha determinado, en estudios, que es posible establecer relaciones cuantitativas entre las propiedades del mc;;er:c;~ y los parámetros de procesamiento con láser. que conducen a recomendaciones para las velocidades óptimas de te. Haga un estudio de las publicaciones técnicas disponibles acerca de este asunto. y describa lo que encontró.
26.43 Se va a maquinar una placa de cobre de 1.0 pulg de espesor mediante electroerosión con alambre. El alambre se mueve a una velocidad de 5 piesfmin y el ancho del saque es de 1/16 pulg. ¿Cuál es la potencia necesaria? Tenga en cuenta que se necesitan 1550 J (2100 pies-libra) para fundir un gramo de cobre. 26.44 Las impresoras láser convencionales tienen una resolución de 300 puntosfpulg. Si se usara ese mecanismo para rar la mascarilla en la preparación fotoquímica áe piezas brutas, ¿cuál es la mejor tolerancia que se .ruede alca1w1/'
------------lflllr.~F'
770
Cdpi'tu/o 26 /Procesos avanzados de rnaquinacio y
n~1nofabricación
Y DlSEÑO
Parte V
26.45 ¡,Consideraría usted diseñar una máquina herramienta donde se combinaran dos o más ele los procesos esteella. capÍlulo" Explique por qué. ¿Para qué tipos de partes se podrfa usar esa máquina') Haga un esquema prelirnina" ",Ji! de 26.46 Repita el problema 26.45 combinando procesos desc1ilos en a) Jos capítulos l 3 a 16, b) los capítulos 22 y 23 y capítulos 25 y 26. Trace un esquema preliminar de cada una de las máquinas. ¿Cómo convencería usted a un posible ciiente acerca de Jos méritos de esas nníqu~nas? 26.47 Haga una lista de Jos procesos de maquinado que puedan ser adecuados para cada uno de los siguientes muteriales: a) cerámicas, b) hieffo colado. e) tennoplásticos, d) termofijos, e) diamante y t) cobre recocido.
26.48 cia ¡,Cómo fabricaría un disco delgado, ele gran diámetro y cónico, con un espesor que disminuyera desde el centro haafuera? 26.49 Describa las scmejan7.as y diferencias entre los diversos lineamientos de diseño que presentamos en este
ca¡~ítulo,
26.50 Hemos visw que hay varios métodos para hacer orificios. Con base en los temas descritos en las partes m y fV. haga una tabla detallada de los procesos parn hacer orificios. Describa las ventajas y limitaciones de cada uno,icomc • 11 te la calidad y la integridad superficial ele los orificios producidos y describa ejemplos ele las aplicaciones
esp~cíficas. la~ninado.
26.5] En la sección 26. 7 se describe un ejemplo de la combinación de corte con láser y el punzonado de metal Teniendo en cuenta los parámetros importantes que intervienen, diseñe t1n sistema en el que se puedan usa\ ambos procesos combinado:-;. parn producir partes a partir de metal laminado. 26.52 El marcado ele superficies con números y letras para iincs de identificación de partes no sólo se puede hacer quetas, sino con diversos métodos mecánicos y no mecünicos. Con base en los procesos descritos en este
caicucc~'""'"'·
ahora, haga una lista ele esos métodos. donde se expliquen sus ventajas, limüaciones y aplicaciones 26.53 El término ingeniería de precisión se usa para describir Ja manufactura de partes de gran calidad con mensionalcs estrechas y buen acabado superficial. Con base en sus posibilidades de proceso, haga una lista da de los procesos de m¡¡quinado, en orden decrccienle de la calidad de las partes que producen. Incluya un breve para cada método.
26.54 Describa, con e"Juemas adecuados. los principios de diversos métodos y dispositivos de fijación y so¡x,rle ele piezas q"e se puedan usar en los procesos que se describieron en este capítulo. ! z,á.55 Haga una tabla detallada de las posibilidades de los procesos avanzados de maquinado que describimos en esttj c<1pÍ· Lulo. Use varias columnas para describir las müc¡uinas, el tipo de herramientas y sus materiales, las formas de·; hfs pie;. zas brutas y las parles producidas. los tamaños característicos m:íximos y mínimos. los acabados supcrliciai1's, las tolerancias y las rapideces de producción. ! 26,,Sói Una de !as preocupaciones generales acerca de los procesos avanzados de maquinado es que, a pesar de ws m[:chas ! ventajas, en general son más lentos que los de maquinado convencional. Haga una investigación ele las velocidades, tiempos de maquinado y rapideces de produccióu c¡ue se manejen y prepare una tabla de comparación de las p•hibilidadcs de los procesos rc.spectivos. 1
Procesos y equipos para unir Algunos productos se hacen sólo con un componente, corno tornillos, clavos, balines de acero, grapas y broches para papel. Sin embargo, casi todos los productos se ensamblan con componentes que fueron fabricados como piezas individuales. Aun los productos relativamente sencillos consisten en al menos dos piezas distintas unidas por medio de varios métodos. Por ejemplo, algunos cuchillos de cocina tienen mangos ele madera que están fijos a la hoja con remaches metálicos. Las ollas y las sartenes tienen mangos y manijas de plástico o de madera fijos empleando diversos métodos. Lagoma de borrar de un lápiz ordinario está fijada por medio de un casquillo de latón. Obsérvense, por ejemplo, las motocicletas, computadoras, lavadoras, herramientas motorizadas y aviones, y cómo se ensamblan y unen sus numerosos componentes para que el conjunto pueda funcionar de manera confiable. Un automóvil nomial tiene 15,000 componentes, algunos de los cuales se ven en la fig. V. l: todos ellos se deben armar mediante varios métodos de unión. Un avión Boeing 74-400 tiene más de 6 millones de partes. La unión es un término genérico que cubre procesos como soldadura, latonado (soldadura fuerte), estañado (soldadura suave) y fijación mecánica. Estos procesos son un aspecto importante y necesarie de las operaciones de ma1rnfactura por las siguientes razones: " Es imposible manufacturar el producto de una sola pieza. Por ejemplo, imaginemos la estructura tubular de Ia fig. V.2. Supongamos que cada una de las ramas de este producto tiene 5 m (15 pies) de longitud, que los tubos son de 100 mm (4 pulg) de diámetro y que el espesor de sus paredes es de J mm (0.04 pulg). Después de repasar todos los procesos de manufactura des,. criLos en los capítulos anteriores, llegaríamos pronto a la conclusión ele que sería imposible o
no económica la fabricación de este producto como una sola pieza.
Es más económico fabricar productos en partes, como por ejemplo, una olla de cocí na con un mango, y un ti· después las piezas.
FIGURA V:I
Diversas partes de un automóvil característico unidas con los procesos que se
describen en la parte V.
26,,57 Hemos visto que se pueden empJcarvQrios de los procesos descritos en la parte IV de csle libro, solos o cOJnbinjtdos. Sujetadores
para fabricar o acabar matrices para trabajos con metales. Escriba un artículo técnico breve sobre ems métodos,¡ describiendo sus ventajas, limitaciones y aplicaciones caracteríslicas. ! 26.58 ¿Sería difícil efectuar los procesos que desciibimos en este capítulo con diversos materiales no metálicos o hule'j fo:· plique sus ideas y comente Ja influencia de las diversas propiedades füicas y mec:ínicas de los materiales de pjeza, las geometrías de las piezas, cte.
Pegado del parahri.sas a la carrocerla
Carrocería soldado COll
1
rnoLor
·---~
1
electroerosionado~a de disp~ni-
26.59 En Internet obtenga una lista de proveedores de equipo de maquinado por descarga eléctiica o hilo y repase las capacidades de esas máquinas. También compare los materiales del alambre de electrodo bles, en función de sus tamaños y costos.
'¡
26.60 La resí,stencia a la abrasión es muy importante en los alambres que se llsan en Ja electroerosión con alambre. rjaga una investigación bibliográfica y escriba un resumen acerca de los métodos para mejorar la resistencia a Ja abrn.jión de los alambres.
--.. Componentes dcca!'focc:ría
1
na~10-
26.61 Investigue las últimas publicaciones técnicas y haga una lista de partes que se puedan obtener con técnicas de fabricación, :incluyendo su tamaño y complejidad de forma. ¿Qué aplicaciones prácticas tendrían esos componentrs?
soldados
1
1
de emisiones
con uniones selladas
771
772
PARTE V / Procesos y equipos para unir
PARTE V / ~Pmcesos y equipos para. unir
flGURA V.2 Estructura tubular fabricada uniendo componentes individuales. [ste producto no se puede fabricar en una pieza mediante cualquiera de los métodos rl(~Scíilos en los capítulos anteriores, si consiste de brazos tubulares de gran diámetro y paredes delgadas.
TABLA V.1
Comparación de diversos métodos de unión ·----Características
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Método
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"' Se puede facilitar. y ser menos costoso, el transporte del producto en componen les individuales, y en:;amblarlrn; en casa o en la fábrica del cliente, que transportar el conjunto completo. Algunas bicicletas, juguetes grandes, estantes n1etálicos o de madera, y la mayor parte de las máquinas hen-amientas y prensas se arman después de haber lrnnsporuido al sitio adecuado sus componentes o subensambles.
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2
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2
3
Soldadura de re~islencia
" Pueden necesitarse distintas propiedades para los fines funcionales del producto. Por ejemplo, las supe1ficies sometidas a fricción, desgaste. corrosión o hasta ataque del ambiente, requieren en general distintas características a las dei resto ele los componentes. Como ejemplos tenemos las puntas de corte de carburo, latonadas al zanco de un taladro (véase la fig. 22.22f) y las zapatas ele frenos de automóvil o las piedras abrasivas pegadas a un respaldo metálico (véase la fig. 25. l ).
"
-o •O -o ' ..g "8 o .Gu -
] t;::1 "e
Soldadura de arco
" Los productos como los motores de automóvil. secadoras de cabello e impresoras, necesitan diseñarse de tal forma que se puedan desarmar para facilitar el mantenimiento o la reparación.
773
2
Latonado Tornillos y luerca:o..
2 1
Remachado
Sujetadores Sellado. fruncido
2
2
2
Adhesión Nota: l, muy bueno; 2, bueno: 3, 1wlln.
Aunque pueden existir distintas formas ele clasificar Ja amplia variedad de procesos ele unión disponibles. en este libro se sigue la última clasificación de la Sociedad Americana de Soldadura (AWS). Según eihl, los procesos de unión caen en t;-es categorías principales (fig. V.3): a) soldadura, b) unión adhesiva y e) sujeción n1ecúnica. A su vez. los procesos de soldadura se dividen en tres categorías básicas: a) soldadura ele fusión, b) soldadura en estado sólido y e) soldadura fuerte y blanda. Algunos procesos de soldadura pueden entrar en las
Proceso.s y equipo de unión
categoría.-, de fusi6n y de estado sólido. Los grnpos individuales del.os procesos de unión que se describen con brevedad abajo tienen varias c:<1Consicieracioncs de seguridad y ambic:n1alcs ~
y sc!ecci6n de proceso
(Capítulos '?.7 a 30)
(Capfru!l) 29)
Solcfodura
Sujeción
mcc<'mic.:1 (Capitulo 30)
Sujeción SCl!ado
Plegado Cosido
----~---...,
Soldadura fuerte
Fusión
y
Estado sólido
blanda
(Capítulo 30) (Capítulo 30) Químic~
Eléctrica 1
Oxígeno
Arco Resistencia Haz de electrones Rayo láser
Tt:rmita
[
Eléctrica
1 /
1
Resistencia
(Capítulo 27)
FIGURAV.3
Quf~ica
l1
Mecánica
1
Esquema de los temas que se describen en la parte V.
Difusión Explosión
En frío Fricción
Ultrasónica
(Capítulo 28)
racterfsticas, presentadas en la tabla V. l como guía de selección de proceso. Soldaihffa por f1J1sió11 se define como el fundir juntamente y coalescer materiales mediante el calor (que se sttde sui.ninistrnr por medios químicos o eléctricos); se pueden nsar o no metales ele relleno. Este prnceso constituye una parte princip2;l de la soldadura; abarca la soldadura de arco con electrodos consumible:' o no consumibles y los procesos de soldadura con haz de alta energía. La unión soldada sufre cambios metalúrgicos y físicos importantes que, a su vez, tienen un gran efecto sobre las propiedades y funcionamiento del componente o la estructura soldados. En la soldadura en estado sólido la unión se hace ;;in fundir; en consecuencia no hay fase líquida (fundida) en Ja unión. Las categorías básicas son unidas por difusión y soldadura en frío, ultrasónica. por fricción, por resistencia y por explosión. La unión por difusión, combinado con el formado superplástico, se ha convertido en un proceso importante en la manufactura de formas complicadas. El latonado y el estañado usan metaks de relleno e implican menores temperaturas que en la soldadura por fusión; el calor requerido se suministra externamente. La adhesión se ha vuelto tecnología de importancia por sus diversas ventajas; tiene aplicaciones únicas que requieren resistencia, hermeticidad, aislamiento. amortiguamiento de vibraciones y resistencia a la corrosi0n entre metales distintos. Se incluyen en esta categoría los adhesivos conductores eléctricos para tecnologías ele montaje superficial. La sujeción mecánica implica métodos tradicionales que usan diversos sujetadores, tornillos, tuercas y remaches. Se pueden unir plásticos con adhesivos, fusión con diversas fuentes de calor internas o internas, y con sujeción mecánica. La elección de un proceso de unión depende de varios factores: a) la aplicación, b) el diseño de la unión, c) los materiales que intervienen y el) las formas de los componentes que se van a unir, sus espesores y sus tamaños (fig. V.4). Entre otras operaciones están la colocación de la unión en el producto, la cantidad de componentes individuales que se manejan, la destreza requerida del operador y los costos de equipo y mano de obra.
-----~ ~~
IJil
77q,
PARTI: V / Procesos y equipos p;:ira uni1·
(a)
(b)
Soldadura de ranura de un su!o bise!
Soldadura de ranura
Soldadura en bi~el aca1npanack>
Procesos de soldadura r fusió
Soldadura en V acampanada
simple.: en V
Unión en te
Soldmlura en doble V
Soldadura de doble bisel acampanado
I5nión. traslapad¡\
Soldadura di.: ranura :mnptc en V (con respaldo) Soldadura en doble V acampanada
Uolón de c
f-MCU!RA V.4 Ejernpfos de uniones y junL:is que se puecl:::-;n hacer con diversos procesos que dc.'~criben en b pctrtc V
l •
n.1 27.2 27.3 27.4 27.5 27.6
.27.7 27.i.l 27.'J 27.10
Introducción
Soidadura con Procesos de
con arco:'°"'''"'"''"
Eiectrodos
Procesos de soldadura con arco: electrodo no consumible Soidadura con termita Soldadura con haz de electrones Soldadura con rnyo láser Corte en !a sold¡¡dura
27.1 Los procesos de soldadura que se describen •ón este capítulo implican la fusión parcial de la unió11 entre dos miembros. En este contexto, se define a la soldadura por fusión como la fusión y coaksccncia mutmis ele los materiales mediante el calor. La energía t6rmica requerida en t:stas oper~LCÍ
27.2 SOLDADURA CON OXÍGENO Y COMBUSTIBLE GASEOSOS La soldadura con oxigeno y combustible gaseosos, o soldadura de oxicombustible, es un término general para describir cualquier proceso ele soldadura que i:se un gas combustible con oxígeno para pro-
775
S;:;......-
776
Caprtu!o 27 /Procesos de soldadura por fusión Seccíón 27.2 / SoldJ.dura con oxígeno y combustible gaseosos
IA8lA 27.-¡
Características generales ele los procesos ele soldadura por fusión
Proceso de unión
Ventaja
Manual
Portátil
Dcpoúcíón
Arco, 111eL:1l y gas 1ung;;tc11u
y gas Arco con núdl..'.\)
de llmdcnte ()xicornhustihlc
Posición de soldar
requerida
y nexihle
Arco ,c;umcrgidD
Arco tk
Capacitación
Operación
Arco y metal protegido
automütica
Medio Jito
Scmiau10mCtllc;1 o a.utom:ttica
i\!Iayor parle de metales
Manual o
:v1ay0r parte
Jftscr
todas
ac,, ele
la 2
Bajo a
Plana y
horizo11ta!
ac, de
la2
horiz.ontal
Medio
füljo a
todas
2 ¡¡ 3
Medio
de
alto
a alto
de metales
Bajo:. alto
totbs
ac, de
2 ¿¡::;
Medio
Gran
Bajo a
todas
de
la3
Medio
Se1niautomútica
o automática
dcpo,~ición
alto
Manual
Port.:.ítií
Allo
todas
2a4
Bajo
Medio a
todas
3a 5
High
Se:niautomálica o autormilica
Mayor parte de metales
u lío
=
ducir tu1a Jlama. Esta llama es ia fuente de calor para fundir los metales en la unión. 131 proceso más co1min de soldadura con gas emplea ei combustible acerileno; se conoce como soldadura con oxiacetileno y se us
·+
0 2 --> 2CO
+ H2 + calor.
(27.l)
!:'.sia rcCJcción Jisoci;.i el ace1.ilcno y fornJ;1 monóxic!o de cnrbono e hidrógeno: prndncc aprnximadamentc h :.crccra parte dd calor generado en lh1ma. EJ proceso de combusi:ión .secundaria es HGURA 27.1 Tres tipos lxisicos de llan1as de oxiacel"ileno usad
l.50 2
--7
2C0 2
+
H20
+ calor.
(27.2)
produce vapor de agua.
automútica
-·------·--·--------
-1 J, 111á:.; t1!io; ."l, más bajo
Distors.ión*
+
Esta reacción es el quemado posterior del hidrógeno y el monóxido de carbono. y produce aproximadamente las dos terceras partes del calor lotal. Las temperaturas que se desarrollan en la llama, como resultado de esas reacciones, pueden llegar a los 3300ºC (6000ºF). Nótese que la reacción dei hidrógeno con el oxígeno
Alto
y !foxrble
Haz ck electrones,
2CO -t- H,
Tipo de corriente
777
Tipos de llamas Un factor importante en la soldadura con oxiacetilcno es las proporciones del acetileno y oxígeno en la mezcla Je gas. A una reJa.ción ck l: l, esto es, cuando no hay exceso ele oxigeno, se considera que se produce una llama nentrn. Con mayor suministro de oxígeno se transforma en una llama oxidante. Esta llama es pe1judicial. en especial para los aceros, porque los oxida. Sólo es preferible Ja llama oxidante en la soldadura de cobre y sw; aleaciones, porque en estos casos forma una capa protectora delgada ele escoria sobre el metal fundido. Si la reíación ele oxígeno ef, cleticiente, la llama es reductora o carburante. La temperatura ele una llama recluclora, que contiene exceso de acetileno, es menor, por lo que es adecuada para aplicaciones que requieran poco calor, como por ejemplo en la soldadura fuerte y blanda, y endurecimiento a la llama. En la soldadura con oxígeno y combustible gaseosos se pueden usar otros gases, como hidrógeno y metilacetileno o propadieno. Las temperaturas obtenidas con estos gases son bajas, y en consecuencia se usan parn soldar a) metales con bajos puntos ele fusión, como plomo, y b) piezas delgadas y pequefias. La llam;1 con gas hidrógeno puro es incolora, así que es difícil ajustarla a simple vista. La mayor parte Je otros gases, cerno el gas naturai, el propano y el but;mo, no son adecuados para la soldadura con oxicombustible, porque Sl! producción de calor es baja, ya que la llama es oxidante.
27.2,2 Metales de Los metales de arorte se usan para suministrar n1aterial adicional a la zona de soldadura durante la operación. Se consiguen en varillas o alambres de metales compatibles con !os que se va a soldar. Estas varillas d~ aporte consumibles pueden ser desnudas o estar cubiertas con un fundente. El objeto del fondente es retardar la oxidación ele las superficies de las piezas que se sueldan, generando una prolección gaseosa en torno a la zona ele soldadura. También el fundente ayuda a disolver y elimin:'r óxidos y otras sustancias en la pieza, por lo que contribuye a la formación de una unión más resistente. La escoria que se forma protege al régulo o gota de metal runclido contra la oxidación, al enfriarse.
(a) LL.1ma nemra (b) Llama oxidante
2100 "C (3800 "F) 1 !260 "C (2300 ºF)
[~-~~:-~~-,
y
Envolvente externa (pcquefia y delgada)
-L::r-
Cono interno
Envolvente
3040 a 3300"C (5500 a 60ü0ºF)
externa
·----------~ L__::~-'--;r
---
Cono interno
Se puede usar la soldadura con oxígeno y combustible gaseoso en la mayor parte de los metales ferrosos y"º ferrosos, para casi cualquier espesor o pieza, pero la producción relativamente b
(en punta)
1. Preparar los bordes que se van a unir y establecer y mantener su posición correcta usando prensas y so-
(e) Lfo.ma carhutizante o reductora Pluma de acetileno 1
¡~---~;~~~
ol.•J~,""-~-""">~».>.'
27.2.3 Práctica y equipo de soldadura
~-_,_.;;?-' r====-~---
t
1
1
Cono interior brillante. y luminoso
Envolvente azul
portes. 2. Abrir la válvula del acetileno y encender el gas en la punta del soplete. Abrir la válvula del oxígeno y ajustar la llama para la operación de que se trate (fig. 27 .2). 3. Sostener el soplete a unos 45º respecto al plano de la pieza, con la llama interior cerca de la pieza y la varilla de aporte a unos 30 o 40º.
fi 773
Sección 27 .3 / PmceSos de soldadurZl con arco: electrodo consumible
Capítulo 27 /Procesos de soldJdur
(b)
{a)
(a)
Boquilh1
779
---· Se retira el soplete
Mez.cLt de CJl2 + Ü2 Válvuluc, ,' Soplete -----,
+
(i>) Abrazadera
Fuerza de recalcado /'.\cctilcno
C<1bc:1.ul
del "ºPkit~
FIGURA 27.3 Oxígeno Tuerca unión l\lki'.cbdor
(el
Esquema del proceso de soldadura a presión con gas.
B\K¡l1il!a
mecarü.wr, ,~sta es esencialmente manual, y por consiguiente lenta; se usa mucho para trabajos de fabricación y reparación. Tiene las ventajas de ser portátil, versátil y económica para hacer trabajos sencillos y en pequdías cantidades. Son esenciales la capacitación y la deslreza adecuadcts del operador.
27.2A Cilindro
de mjge;¡o Cilindro de g~1:.: comb1g;t¡b]c
Boquilla Llama
27.'.J: (a) Vista y (b) sección íongiludinal dt: un scpiete ¡xir.:1 soldadura con oxiacctikno. Se primero la vr11vula ;icei·ilc:no; el ;;ib encic~nde con un chispero!} una !L1n1a pilo!o. cnntinuzi. ._:1011 zijus1;J L1 v;)JvuL·1 ciei o par,~1 ';oldar con oxígeno y ce; nJJt!;,¡-ii'ic
,~brc
con gas a Este método de soldar dos componentes comienza calentando la interfase mediante un wpkte, comúnmente de o;üacetileno (fig. 27.3a). Al comenzar a fundirse la interfase se retira el soplete y se aplica una fuerza para prensar juntas sí las dos partes (fig. 27 .3b). La fuerza se mantiene has la que se solidifica la interfase. Nó-tesc la formación de una rebaba debido al rechazado de ios extremos unidos de Jos dos componentes (véase también la fig. 28.3).
1
Pc1r·c; 0scglirdr que las co1H::xioncs sean corrt'ClJS, 1or!.:.ts ltiS ro~t.:~":;S para el ;ic-::Ji!eno f~QJH-;r;:il 1 ios lf.',l.2tli~1dor(::s oxf,5(-?no se pin!dn dCdiJc::o rojo. rn:en!td;, qt1e p<1r<:
dr
Ut ::iuLunuuRf\
ELECTRODO
r¡ bcar ia unión con la varilia de apo1te y cnnLrofar :-;u rnovimicnto a lo largo de la uníón observando !a rac)idez de fusión y de llcrwclo de la unión. Las uníones pequeñas pueden consístir en un solo cordón de soldadura, corno se ve .;n la fig.
27.J
las
:~oídaduras profundas en V :.;e terminan en varios pasos. Es importante limpiar ia superCicle de cada cordún anü:.s de deposiLar una segunda capa, para 1.cner resistencia en ln unión y e.vitar defectos (véase d capi'tulo :29): para este fin se pueden usar cepillos de alambre, manuales o electricos. El equipo parn soldadura con oxígeno y combustible gaseoso consta bás·icamente ele un soplete (disponible en varios tamaños y formas) conectado con mangueras a cilindros ele gas de alta presión, qllc tienen manómetros y reguíador (fig. 27.2c). Es esencial usar equipo de seguridad, como gafas con lentes "de solfi· bm'', caretas) guanles y ropa de protección. "fambién es factor iinportante en la seguridad la conexión correcta de las 1nangueras a tos cilindros. Los
cilindros ele oxígeno y de acetileno tienen roscas distintas, por !o que las mangueras no se pueden conectar a los cilindros que no les corresponden. Los cilindros de gas deben anclarse con firmeza y no se deben dejar caer ni manejarlos con descuido. Posibilidades dd proceso. El bajo costo del equipo, que suele ser menos que 500 dólares para h; unidades pequeñas, es una característica atractiva de la soldadura con oxígeno y combustible. Aunque se pueck.
BLE
En la soldadura con arco, desarrollada a mediados de 1800, el calor que se requiere se obticlle de la energía eléctrica. El proceso puede implicar un electrodo conswni!Jle o uno no conswni/Jle (varilla o alambre). Se produc~ un arco entre la punta del dectrodo y de la pieza que se va a soldar. mediante una füente de poder de CA o de CD. Este arco produce temperaturas de unos 30,000 ºC (54,000 ºF), mucho mayores que \as que se desmTollan en la soldadura con oxígeno y combustible gaseoso. En la categor.fo. de "soldadura con arco" se incluyen varios procesos, que describiremos a continuación.
27-3.1 Soldadura con arco y metal pmtegido La soldadura con arco y metal protegido (SMAW, shieided metal-are welding) es uno de los procesos de unión más antiguos, sencillos y versátiles. Hoy en día, un 50% de toda la soldadura"º la indusLria y el mantenimiento se hace por medio de este proceso. El arco eléctrico se genera tocando la pieza con la punta de un electrodo recubierto y retirándola con rapidez a la distancia suficiente para mantener el arco (ftg. 27.4). Los electrodos tienen la forma de una varilla delgada y larga, por lo que este proceso se conoce también corno soldadura con varilla (véase la sección 27.4). El calor generado funde una parte ele la punta de su electrodo, su recubrimiento, y el metal base en la zona inmediata del arci;). Se forma una soldadura cuando se solidifican el metal fundido, una mezcla del metal de base (el de la pieza), el metal del electrodo y las sustancias del recubrimiento del electrodo, solidifican
78()
Sección 27 3 / Proces.os de soldadura con arco: electrodo consumible
781
CzipÍ!u)o 27 / Pn.'Xesos de soldadura por fusión
E~coria
FIGURA 27.6 Una soldadura profunda mostrando la secuencia del tendido de los cordones individuales de soldadura.
Gas de protección
flGURA 27.4 Esquem.i del proceso de soidadura con arco y metal protegido. En de las operaciones industri;iles de soldadura en gran escala sce usa este proceso.
1.111
50%
en la área de la soldadura. El recubrimiento dei electrodo desoxida la zona de la :soldadura y produce gas r.íe panlaI!a que fa protege del oxígeno del ambiente. Una parte desnuda en el extremo del electrodo se sujeta a una terminal de la fuente de poder, mientras qrie la 01.ra terminal se conecta con la pieza q¡¡e se suelda (fig. 27.5). La corriente suele estar entre 50 y 30f) A; en general, los requeri m.ienl.os de corriente son menores que l O kW. La corriente puede ser directa o allerna. Para soldar lámina se prefiere la co porque ci arco que produce es eslahle. Puede ser importante la polaridad de la CD, esto es, la dirección del flujo de l.a corriente; su selección depende de factores como el tipo del electrodo, los metales que se van a soldar y la profundidad de Ja zona calentada. En la polaridad directa la pieza es positiva y el electrodo es negativo; se prefiere para los metales laminados porque produce poca penetración, y en uniones con huecos o espacios muy amplios. En la pol:lriel electrodo es positivo y es posible una mayor profundi.c!acl ele penetración. En la soldadura con aiterna el arco pulsa rápidamente; est~ 1nétodo es adecuado para soldar partes gruesas y para lJSar :.;lecLrodos de gran diá1ne1ro en corrienles rnüxím.as.
í'osibifüJades del proceso, El proceso d.e arco y metal protegidos tiene Ja ventaja de ser relmivamen·· \e sencillo y versátil, y de requerir menor variedad de electrodos. El equipo consiste en una fuente de poder, cables ele corriente y un portaelectrodo; ei costo !otal del equipo suele ser menor a 1.500 dólares. Es esencial l!Sar equipo de seguridad, que es parecido al que se emplea con la soldadura de oxicnmbustib!e. El proceso ele arco y metal protegidos se usa con frecuencia en la construcción en general, en astilleros, oleoductos y en trabajos de mantenimiento, porque el equipo es portátil y se puede reparar con facilidad. Es muy útil en zonas re111otas, donde puede llevar un generador con motor de combustión como fuente de electricidad.
El proceso se adapta más para espesores de pieza de 3 a 19 mm (0.12 a 0.75 pulg), aunque se puede ampliar con facilidad este intervalo si Jos operadores son diestros y usan técnicas de múltiples pasos (fig. 27.6). En el proceso de múltiples pasos es necesario limpiar ia escoria después de cada cordón de soldadura. A menos c¡rJe se quite por completo, la escoria solidificada puede causar gran corrosión en la zona de la unión. y conducir a Ja falla de la soldadura. Se debe quitar por completo con cepillos de alambre, antes de aplicar otro cordón en la soldadura de múltiples pasos. En consecuencia, los costos de mano de obra y material son altos.
27 .3 ,2 Soldadura con arco sumergido En Ja soldadura con arco sum.ergido (SAW, del inglés subm.erged are welding), d arco es protegido con un fundente formado por cal, sílice, óxido de manganeso, fü1oruro ele calcio y otros compuestos. Esie l'undcnte se alimenta por gravedad a la zona de soldadura, a través de una boquilla (fig. 27 .7). La capa gruesa de fundente cubre totalmrnte el metal fundido; evita las salpicaduras y las chispas, suprime la intensa re\·· diación ulcravio\eta y los humos característicos del proceso ele arco y metal protegidos. También el fundente actúa como aislante térmico, facilitando la penetración profunda del calor en Ja pieza. El electrodo comumibk es un rollo de alambre redondo desnudo de l.5 a 10 mm (1116 a 3/8 ele puig) de diámetro; se alimenta en forma automática por un tubo (pistola de soldar). Las corrientes eléctricas sm:len sel de 300 a 2000 A. Las hJentes de poder se conectan con cables monofásicos o trifásicos co11 tensioncé:·:
FIGURA 27.7 Esquema dd proe
Control d~ vo!L;.~je
1-0
/
~corne11lc
Máquina de soldar con fuente de poder /
de CA o CD y controles
~'~'-",
~-·--·-·---,_.-
,,, Cable de la pieza
'-.. -- Cable del e1ectrodo
FIGURA 27,5 Esquema de la operación de soldadura con arco y metal protegido (también se llama soldadura con varilla, porque el electrodo tiene forma de varilla).
Terminales (opcionales) de toma de voltaje
~--------mr>'$,~!:
782
Capitulo 27 /Procesos de soldaciur¡¡ por fusión Sección 27.3 /Procesos ele soldo dura con arco: electrodo consumible
783
h1Lsi;¡ de con 440 vidrio V. El soldador debe usar gl1antes. pero en general no son necesaria.<; las caretas; sólo gafas de se. gw·iclacl entintado. FuenLe de
Conlrol de alimentación Sistema de control
lf'osilbiiidades de! proceso. Corno el fundente llega por gravedad. el proceso ele arco sumergido queda
Salida de
limitado principalmente a soldaduras en posición plana u horizontal, con una pieza de respaldo. Se pueden hacer soidaduras circulares en tubos, que se hagan girar durante el proceso. Como se ve en la fig. puede recuperar, tratar- y reusar el fundente.
íljº~;i s~:la 1
fr~
El proceso de arco sumergido permite una produci-ividacl muy ali a en el soldado, porque deposita de 4 a l O veces Ja cantidad de metal de aporte por hora en compmación con el proceso ele arco y metal protegido.s. Entre las aplicaciones caracterís!icas esLin la soldadura ele placas gruesas para barcos y para recipientes a presión. El costo total de un electrodos. sistema de estos va de 2000 ;1 J 0,000 dólares, pero puede ser bastante mayor en sistemas mayores con varíos
~J
e
VieLa
Este proceso se desarrolló en la década de .1940, y se puede automatizar para lograr mayor economía. Se emplea para soldar diversos aceros al carbón y aleados. y aceros inoxidables, en liíminas o placas, con cuencia conductiliclacl velocidades hasta je 5 m/min (16 pies/min). La caliclacl de la soldadura es muy alta. con buena tenacidad, y uniformidad.
\__/
~-
Motor de impulsión alimenlador de alambre
Fuente de 11ov Control,,__./ de contacto
de soki<1r
f!GURA 27.9 Equipo básico para operaciones de soldadura con arco, metal y gas. Fuente: f\rnerican Welding Society.
de arco, metal y gas soldadura de arco, metal y gas (GMAW. Jci inglés gas me1al-arc welding) dcsarmilada 'ºº la década de 19.50, !iamada antes soldadura de mela/ en {rn inerte de argón, helio, dióxido de carbono o varias otras mezclas de gases (fig. 27.8). Bl alambre
E:n b in·,msforencia ,ll!ff aspersión o afomizaciór.1, pequeñas gotas de mcud fundido del r:kcrrndo pnsan al :írea de so!ciiidura, con una frect1encia de varios cientos por segundo. La transferencia no tiene salpicaduras y ;nuy es(ablc. Se usan altas corrientes, voltajes clireclos. y clccirnclos de gran diámetro; el ga:, de soldadura con eren. mcrnl y g;ó, que an1,,,, se i1·1gl1~s mela/ inert gDs,ck metal en gas ine1ieJ.
e1;quen ¡;3 del proceso
11,Hnabil MiC ide!
Elcclrndo de
Condunor de corrlemc
Gas de- rwotc:cción
Avance
Gufo del r:.lmnbre
protección es argón o una mezcla iica en argón. Se puede reduc.ir ia corriente promedio necesa1ia para este proceso usando un arco pulsado, que sobrepone impulsos de gran amplitud a una corriente baja y contimia, y se puede usar el proceso en todas las posiciones de soldar. En la trnnsforencia gfol:nJJ!m:, se usan gases ricos en dióxido de carbono, y .\os glóbulo:; se impL1lsan n1ediantc las fuerzas del arco eléctiico; se producen bastantes salpicaduras. Se usan altas corrientes que posibilitan mayor penetración de la soldadura, y mayor velocidad que las que se alcanzan con la transferencia por atomizaci.ó11. Las piezas más pesadas se suelen unir por medio de este método. En eI cortocircuito. el metal se transfiere en forma de gotitas individuales, más de 50 por segundo. cuando b punta del electrodo toca al metal fundido de soldadura y hace cortocircuito. Se usan eorrient:es y voltajes bajos, los gases son ricos en dióxido de carbono y los electrodos son de alambre de diámetro pequefio. La potencia rcq Lierida es de unos 2 k W. L:is temperaturas generadas son relativamente bajas; en consecuencia, este método sólo es adecuado para 1ámi@s y secciones delgadas (menores ele 6 mm, 0.25 puig), porque de otro modo se puede presentar fo .. sión incompleta. Este proceso es fácil de usar. y está muy difundido para rnetales ferrosos en seccioni.:«'· delgadas. Sin embargo. los sistemas de arco pulsado están ganando más adepto:; para soldar metales delg,l· dos ferrosos y no terrosos. Posibfüdades de! proceso. El proceso de soldadura ele arco, metal y gas. es adecuado pma soldar dtversos metales ferrosos y no ferrosos. y se usa en fonna extensa en la incluslria de fabricación metálica. Por la naturaleza relativamente sencilla del proceso. es fácil capacitar a los operadores. El proceso es versálil, ré.pido y económico, y la productividad es el doble que la del arco y metal protegidos. El proceso de arco. n1e· tal y ga.s se puede automatizar con facilidad y se presta con facilidad a incorporarse a los sistemas robótica y de manufactura t1exible (capítulos 38 y 39). El costo del equipo sude ser de 1000 a 3000 dólares.
y tubo de contacto
Boauilb ------ -~--
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Ga.s de prot.ec.:..:·ión ---------~T;;
Arco --·-- ..-,,e{~-.
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r·---- Metal de solcltdura
l-;., -
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Metal de soldadura fundido
27.3.4 Soldadura con arco y núcleo de fundente
soJiditicado
El proceso de soldadura con arco y núcleo de fundente (FCAW, del inglésflux-cored are welding, fig. 27.1 O) se parece al de la soldadura con arco y metal en gas, con la excepción que el electrodo tiene forma tubular y estú relleno con fundente (de aquí lo de núcleo de .fundente). Los electrodos con núcleo producen un meo más estable, mejoran el contorno del cordón y producen mejores propiedades mecánicas del metal de soldadura. En testos electrodos el fundente es mucho más ílexible que el frágil recubrimiento que se usa en los elec· trodos de arco y metal en gas, por lo que estos electrodos se pueden proporcionar en tramos largos y enrollados. Los electrodos tienen en general diámetros pequeños, de 0.5 a 4 mm (0.020 a 0.15 pulg), y la potencia requerida es de unos 20 lcW.
-
Sección 27.3 /Procesos de soldadura con arco: electrodo consumible
784
785
CJpítulo 27 /Procesos dc. soldadura por fusión
Alambre
Conducto Jd electrodo
. Rodillos
de .soldadura
e~;/ de impulsión
\~ -<)-~!-------
Protección de! arco con compuestos vaporizados y formadores de c::scoria, que transferencia de! por el arco.
--
fiasJ
.. - Punw aislada de extensión
de
Metal pulveri7.,a
n-<-·-· ---·-----·-·---·-··--· ---- fnnnaclorc¡, de gus o Escori~i
solidificadü
desoxidantes y
~~raA:~~ Caja-:i~ºª' de gas -<1.-Qas
Alambre ..__ de ;.;olU.adur3--~----
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Salida de agua
Escori<1 fundida - Arco base
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/ Gas piimario
Salida de agua Zapata móvil . '
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\ Gas suplementario de protección
(k protcc.dón
mct<Ílicas cubiernu; con cap:J.
Metal de soldadura solidificado
f-!GURA 27. rn
de escoria. que forrnan fundidos
Esquema del pmceso de soldadura con arco
opert.lción se parece a
y núcleo de fundente.
Esto
la de soldadura con arco mera! y g(1s de la fig. 27.B. 1
También se consiguen elcclTOdos con núcleo y protección propia. que no requieren protección externJ con gas, porque contienen fundentes que desprenden gases y protegen !a zona de soldadura contra la atmósfera. Los avances en la manufactura de l:leclrndos para soldadura con núcleo y en la química de los fu:1dcntes han pcrmi6do qne este proceso sea d de crecimiento más rápido en el (irea de la soldadura. Los electrodos de dián1etro requeño han hecho que Ja soldadura de materiales m.ás delgados con t':J.e pmceso no sólo sea posible. sino con frecuencia preferible. También facilitan relativamente soldar panc;: GJJ dislint;is posiciones, y con fundente de composición química adecuada se pueden soldar muchos m,:taks. Posibilidades del proceso. El proceso de arco y núcleo ele fundente combina !a versa1iiidacl de la :,oidadura con cu-coy metal protegldo con la característica de alimentación continua y automática del electrodo del proceso de arco, metal y gas. Es económico y versátil, por lo que se Lisa para soldar una diversidad de uniones, principaimente en los aceros, aceros inoxidables y aleaciones de níquel. La mayor rnpidez ele de.posición de metal en el proceso con arco y núcleo de fundente, en comparación con el de arco, metal y gas, ha permilid1¡ su aplicación para unir secciones de todos espesores. El desarrollo reciente de los electrodos tubulares con cMmetros muy pequeños ha ampliado Ja aplicación de este proceso a piezas con sección de menor tamaño. Una de las ventajas principales del proceso de arco con núcleo protegido es la facilidad con i
27.3.5 Soldadura con electrogas La soldadura con electro gas (EGW, del inglés electrogas welding) se usa principalmente para soldar Jos bordes de secciones en sentido vertical y en un paso, con las piezas colocadas borde con borde (unión a tope). Se considera un proceso de soldadura con máquina, porque requiere equipo especial (fig. 27.11). El metal de apo.r-
FIGURA 27 .11 Esquema del proceso de soldadura electrogas. Fuente: American \Nelding
Socie!y.
te se deposita en una cavidad de Ja unión entre las dos piezas por unir. El espacio se encierra entre dos labios de cobre enfriados por agua (zapatas) para evitar que escurra la escoria fundida. Con accionamientos mecá· nicrn; se van subiendo las zapatas. También es posible hacer soldaduras circunferenciales. por ejemplo en tu-
bos, cuando hace electrodos girar la pieza. Uno o se varios se alimentan por un conduelo y se mantiene un arco continuo con electrodos de núcleo de ;fundente, hasta de 750 A, o electrodos sólidos a 400 A. La potencia requerida es unos 20 kW. t.:1 se hace cornm gas inerte. corno dióxido de carbono, argón o helio, que depende del material que se sueid>l. El gas pueck ouministrarse c:on una fuente externa o se puede producir en un electrodo con núck:. de rundente, o con ambo::; métodos.
?osibifülades del proc!CSO. El equipo de soldadura con electrogas es confiable, y es relativamcoi'·' sencillo capacitar a los operarios. Los espesores de soldadura van de 12 a 75 mll1 (0.5 a 3 pulg) en aceros, ti·· tanio y aleaciones de aluminio. Las aplicaciones características son la construcción de puentes, recipiente" '1 presión, tubos de pared gruesa y diámetro grande, tanques de almacenamiento y bm·cos. El costo normal dcé bs máquinas va de 15,000 a 25,000 dólares, aunque las máquinas portátiles de menos potencia llegan a cm> tar sólo 5000 dólares.
27.3 .6 Soldadura por electroescoria Este proceso se desarrol'ló en la década de 1950; la soldadura eléctrica par escoria (ESW. del electros lag welding en inglés) y sus aplicaciones se parecen a la soldadura con electrogas (fig. 27 .12). La principal diferencia es que el arco se inicia entre la punta del electrodo y el fondo ele la pieza por soldar. Se agrega fundente, el cual se funde por el calor del arco. Después de que la escoria fundida llega a Ja punta del electrodo, se extingue el arco. En adelante el calor se produce en forma continua por la resistencia eléctrica de la escoria fundida. Como se extingue el arco, la soldadura por electroescoria no es estrictamente un proceso de soldadura con arco. Se pueden usar uno o varios electrodos, y también electrodos con núcleo de fundente. La guía puede ser no consumible (método convencional) o consumible. Posibilidades del proceso. La soldadnra por electroescoria es capaz de soldar placas de espesores entre 50 y más de 900 mm (de 2 a 36 pulg). La soldadura se hace en un paso. La corriente requerida es unos 600
!O'
786 Capílulo 27 / Proce:.os de soldack11·"1 por fusjón
Sección 27 .S /Procesos de soldadurJ con ;uco: e!ectrodo no consumible
787
Fuente de corriente.
TABLA 27.2
Designaciones de electrodos de acero suave recubiertos
El prefijo '·ff' indica electrodo para soldar con arco. Lm: dos primeros dígito,-; de números de cuatro dígitos, y !os tres
prim~ros
dígitos de mí-
mcros con cinco dígitos, indican la resistencia mínima a la tern:;ión:
E60XX E70XX El \OXX
60,000 psi, resistencia a la tensión mínima 70,000 psi, resistencia a la tensión mínirna 11 (tOOO psi. resistencio a la tensión mlnima
Los dos díg!tos sigulentes indican la posición:
EXXlX EXX2X
Todas las po::;iciones
Posición plana y biseles horizontales
Los dos últimos dígitos juntos indican el tipo de recubrimiento y la corriente que se usa.
El sufijo (ejemplo: EXXXX~Al) indica la aleación aproximada en el cordón depositado:
Salida de aglia
flGUí?.A 27.12 Equipo par;, operaciones de soldadura eiéctrica con escoria Welding Sncicty.
A il 40 o 50 V, aunque con placas gruesas se usa más. La velocidad de avance del electrodo va de l'.2 a 36 mm. l .5 La calidad de Ja soldadura es buena el proceso se usa para secdoncs cstrucfür:i·· les gruc:sa,; de acero. crnno por ejemplo, en ia maquinaria pesada y los recipientes de reactores nucfoau.·s. El cm:io de un rodos. .sislc1112 normal de va de 15,000 a 25,000 dólares, y es mayor para las unidades di' .~;k:c! lmin (0.5
elcctroes~ori<1
-Al
O.scyr¡ M.o
-·-Bl -132 -B3
0.5% Cr, 0.5% Mo 1.:25% Cr, 0.5C:i1 Mo
--B4
2'ifJ Cr, 0.5% Mo
--B5 --Ci --C2 --C3
0.5% Cr, !{}é Mo 2.59áNi 3.25%, Ni
--DI y D'.'
0.25-0.45% Mo. l .75% Mn
--G
0.5% mín. Ni, 0.3% rnín. Cr, 0.2% mío. Mo. 0.1 % mín. V, 1S'(:, min. Mn (sólo se un elemento)
2.25% Cr, l.% Mo
1%Nl,0.35% Mo. ll."!5% Cr
Renil:wimieritos de eiectrndo. Los electrodos están recubiertos con materiales arcillosos que inc1u. yen aglutinante de silicato y materlales en polvo corno óxidos, carbonatos, f1uoruros, aleaciones li1Ctálicns y celulosa (,:elulos<:1 de algodón y harina de rnadc1a). El recubr1n1iento, qne es frágH y participa en interaccio~ n1~s cornplejas durante h~ ::;okladura, tiene las siguientes funcjoncs básicas: a. Estabilizar el arco. l;. Genera gases que formen una pantal.la contra !a atmósfera circundante; los gases producidos son dió;ü-
do de carbono y vapor de agua (así como monóxido de carbono e hidrógeno en cantidades pequeñas). Los electrodos para los proceso.s ele sddadura con arco y electrodos consumibles ll"" hemos descnto se clasifican según la resistencia del metal la con-icnte (CA o± co), y el lipo de recubrimiento. Los elec·· lrodos .se identifican con números y letras (tabla 27.2) o con clave c!e colores. ·en particular si son dem:lsiado pequeiíos para grabarics su identificación. Las dimensiones normales de los electrodos recubiertos son de l 50 a 460 mm (6 a 18 pulg) de longitud y de l.5 a 8 mm (!116 a 5116 pulg) de diámetro. Al disminuir el grosor de ias piezas por soldar, también disminuyen la corriente necesaria y el diámetro del electrodo. Las especificaciones para electrodos y metales de aporte, incluyendo toierancüls dimensionales, procedimientos de control de calidad y procesos, son emitidas por la Sociedad Americana de Soldadura (AWS) y el Instituto Nacional Americano de Normas (ANSI); algunas de ellas aparecen en las Especificaciones de Materiales Aeroespaciales (AMS) establecidas por la Sociedad de Ingenieros Automotrices (SAE). Entre otros requerimientos, las especificaciones establecen que a) el diámetro del alambre no debe variar más de 0.05 mm (0.002 pu!g) de su tamaño nominal, y b) que los fundentes deben ser concéntticos con el alambre. Los electrodos se venden por peso, y se consiguen en una gran variedad de tamaños y especificaciones. En las publicaciones de ios fabricantes se pueden encontrar recomendaciones y selección de electrodoseste de pm-acapítulo. determinado metal y aplicación, así como en los diversos manuales y referencias que aparecen al final
c. Controlar la velocidad con qL1e se fonde el electrodo. d. Operar como fundente para l) proteger la soldadura contrn formación de óxidos. nitruros y demás inclusiones, y 2) con la escoria que resulte, proteger el estanque de metal fundido. e. Agregar eicmentos de aleación en la zona de soldadura, par:i mejorar las propiedndes de la unión: cnu·e estos elementos están los desoxidantes para evitar que la soldadura se vuelva frágil. El recubrimiento del electrodo o la escoria deben eliminarse después de cada pasada, para asegurar que la soldadura sea buena. Para esto se puede usar un cepillo de alambre, manual o motorizado. También se consiguen los electrodos y el alambre desnudos, hechos con aceros inoxidables y aleaciones de aluminio. Se usan como metales de aporte en diversas operaciones de soldadura.
27.5 PROCESOS DE SOLDADURA CON ARCO: ELECTRODO NO CONSUMIBLE A diferencia de los procesos de soldadura con arco que usan electrodos consumibles, que describimos en la sección 27.3, en la soldadura con arco y electrodo no consumible se usa, en forma característica, un electro-
¡·,--------------788
Sección 27.5 /Procesos de soldadura con arco: elec\rodo no consumible
(;::ipítulo 27 /Procesos de soldadura por fusión
do de t1.mgsteno. Sienelo uno ele Jos polos del arco. genera e! cJ.lor n'~cesario en la soldadura. De U11a tuente exr
789
adecuado para los metales delgados. El costo del gas inerte hace que este proceso sea más costoso que el de arco y metal protegido, pero produce soldaduras y acabados superficiales de muy alta calidad. Se usa en varias aplicaciones críticas, con amplios rangos de espesores y formas de pieza. El equipo es portátil y su costo normal es de J000 a 5000 dólares.
27.5.
con arco de tungsteno y gas
27.5.2 Soldadura con hidrógeno atómico En la soldadura co1111rco de tungsteno y gas (GTAW, del inglés gas tungsten-arc welding), que antes o:c llamaba TJG (de tungsten inert gas), de tungsteno en gas inerte, el metal de aporte ec; L!ll aJ.aml:me de aporte (fig. 27.13). Corno no se consume el electrodo de tungsteno en esta operación, se mantiene una aberfura de orco constante y estable en un nivel constante de corriente. Los metales de aporte son pm·ecidos a los que se van a soldar y nos~ usa fundente. El gas de protección suele ser argón o helio, o una mezcla ele los dos. La soldadura con arco de tungsteno y gas se puede hacer sin metal de aporte, por ejemplo, cuando se sueldan uniones que nniaci·o del electrodo con el charco de rrk:tal fundido.
r'os~hiU~fo1ades de~ prooeso. E1 proce:-10 de arco de tungsteno y gas se usa par::1 una gran variedad de nK~~ ialc.s
aplicaciones, en espccüll con aluminio, magnesio . 111.anio y ios metaies refractarios. Es especiairnenle
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de
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Arco
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_ l~Bast -·---.-.. ·"'·---~ me 1~ui•• ~..,•~~-.-. . .. . L __
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En la soldudura con arco de plasma (PAW, del inglés plasma-are welding), desarrollada en la década de 1960. se produce un arco concentrado de plasma que se dirige hacia el área de la soldadura. El arco es estable y sus temperaturas llegan a 33,000ºC (60,000ºF). 1Jn plasma es un gas caliente ionizado, formado por cantidades casi iguales de electrones e iones positivos. El plasma se inicia entre el electrodo de tungsteno y el orificio, mediante un arco piloto de baja corriente. A diferencia de otros procesos, el arco de plasma es concentrado. porque se hace pasar por un orificin reiativamente pequeño. Las corrientes ele operación suelen ser menores que l 00 A, pero pueden ser mayorcc. en aplicaciones especiales. Cuando se usa un metal de aporte se alimenta al arco, como se hace en la solda-· dura de arco de tungsteno en gas. La protección del arco y la zona de soldadura se obtie.ne mediante un arü-
Posibilidades del proceso. En comparación con otros proccosos ele soldadura con arco, el de arce plasma tiene mayor concentración de energía (por lo que permite hacer soldaduras más profundas y mús gostas), mejor estabilidad de! urco. menos distorsión térmica y mayores velocidades de soldadura, ele 120 i 1000 mm/min (5 a 40 pulg/min). Se pueden soldar diversos metales, y en general con espesores menores qc~
Gas Je prntccciop
~--l~,~"~' ·-._,~ 1'\''f,
27.5.3 Soldadura con arco de plasma
de la llama de oxicornbusribl.e (véase la sección 27.2). EJ¡_:ctrodo di: Lungskno
. .-·1,~~ .,· . . -
/r'
hidrógeno gaseoso también enfría los electrodos.
Jlo protector externo, y usando gases como argón, helio o mezclas de ellos. Hay dos métodos de soldar con arco de plasma. En el método de arco transferido (fig. 27.JSa). la pieza que se suelda es parte de un circLiito eléctrico. El arco se transfiere del electrodo a ia pieza (de aquí lo \le "transferido.'). En el método no transferido (fig. 27. J5b), el arco se produce entre el electrodo y Ja boquilla. y el calor es arrastrado a la pieza por el gas de plasma. Es\e mecanismo de transferencia térmica se pclrect
l ~- ----~=~ -
11--:::-~
/.\.\·anee
En la soldadura con hidrógeno atómicn (AHW, del inglés atomic hydrogen welding) se usa un arco en una almósfera protectora de hidrógeno. El arco se produce entre dos electrodos de tungsteno o de carbón. Por consiguiente. la pieza no es parte del circuito eléctrico, como en la soldadurn con arco de tungsteno y gas. El
.
de soldadura
,solidificado
flGURA 27.13 El proceso de soldadura con arco de tungsteno
en gas, que antes se llamaba TIG (del inglés tungsten inert gas, tungsteno en gas inerte).
Metal de soldadura fundido
6 mm (0.25 pulg). FIGURA 27,15
Dos tipos de procesos de soldadura con arco de plasma: (a) tra11sferido, (b) no transferido. Con este proceso se pueden hacer soldaduras delgadas y profundas, con gran velocidad de avance. (o)
(b)
Suministro
de gas inerte
Pieza Interruptor de pedal (opcional)
ñu
FIGURA 27.14 Equipo para operaciones de soldadura con arco de tungsteno en gas. Fúente: American Welding Society
--l Jt~YF~\ 1:\\\ ¡'l
Ir
,,11,
r1
~ 79()
Capítulo 27 / P1·ocesos de soldadura por fusión
'
La gran concentración de calor puede atravesar por completo la unión (técnica de ojo ¡fo c
'f
Sección 27 .8 / SoldJ.ciura con rayo láser
vencionales. Si se usan servocontroles, se pueden controlar Jos parámetros con exactitud y a velocidades basta de 1.2 m/min (40 Con este proceso se puede soldar casi cualquier metal, a tope o al traslape, con espesores hasta de 150 mm (6 pulg). Son mínimas la distorsión y contracción en el área de la soldadura. La calidad de la soldadura es buena, y de muy alta pureza. Entre las aplicaciones típicas están las soldaduras de componentes ele aviones, misiles, nucleares y electrótücos, y de engranajes y ejes para Ja industria automotriz. E\ equipo de soldadura con haz de electrones genera rayos X, y en consecuencia son esenciales la vigilancia adecuada y el mantenimiento periódico. Según la capacidad, el costo del equipo va de 75.000 a más ele
TERMITA
La soldudura con termita o aluminotérmica (TW, de! inglés thermit welding), toma su nombre ele formu-
laciones llamad11s termita o thermit nombre derivado de therm, que significa calor. La palabra Thermit es una marca registrada. Este proceso implica reacciones exOEérmicas (productoras de calor) entre óxidos metálicos y agentes reductore~. metál¡cos. El calor de esa reacción se usa para soldar. Este proceso data de los fffiJT!eros '.li1os de\ 1.iglo XX. mezcla más común de materiales para soldar acero y hierro fundido es de partículas finamemc di vi didas ele óxido ele hierro (fe 1 (J,), óxido de
_________________, . . - - - - - - - · - - - - - -
1 millón de dólares.
27J3SOLDADURA
RA
27.6
co~~
RAYO LÁSER
La soldadura con rayo láser (LBW, de !aser-beam we!ding, en inglés) usa un rayo láser de alto poder como fuente de calor, y produce una soldadura por ftóón (véanse la fig. 26. J4. la tabla 26. I y la sección 26.7). Como el rayo se puede enfocar en un área muy pequeña, tiene gran densidad ele energía y, por consiguiente, capacidad penetración profunda. El de rayo se puede dirigir, conformar y enfocar con precisión sobre la pieza. Por lo anleri.or, este proceso es é1decuado especialmente para soldar uniones profundas y delgadas (fig. 27.16), con relaciones normales ck profundidad--ancho 4 y lO. la soldadura de componentes de transmisiones es su aplicación más difunEn la industriaentre automotriz, dida. En1re muchas otras aplicaciones está la soldadura de piezas delgadas para componentes electrónicos. puntos El rayo láser se puede pulsar (en milisegundos) para tener aplicaciones corno en soldadura de materiales delgados, con potencias hasta de l 00 lcW. Los sistemas de láser cm1tinm:o de varios se Uo'an para soldaduras profundas en secciones gruesas. Posibifüfa.Jes del prnceso. Los procedimientos de soldadun1 con rayo láser producen soldaduras de buena calidad, con contracción y distorsión mínimas. Estas soldaduras tienen buena resistencia y en son dúctiles y libres de porosidades. El proceso se puede automatizar, de tal modo que se use en diversos rna·· tcriales con grosores hasta ele 25 mm ( l pulg); es especialmente eficaz en piews delgadas. En los metal'"" y
1
RA
H/\Z DE
En la soldadura con haz de electrones (EB\i\f, del inglés elecmm-beam welding), desarrollada en ia décacb de 960, se genera calor mediante los electrones de un haz fino y de alta velocidad. La energía cinética de los dccrwnes se convierte en calor al d1ocar con la pieza. Este proceso requiere equipo especial para enfocar el haz de electrones en la pieza, en el vacío; mientras mayor sea el vacío el haz penetra más y la relación de profundidad-ancho será mayor. Casi todos los metales pueden ser soldados con haz de electrones, y los grosores de pieza pueden ir desde la membrana hasta la placa. Intensa energía también puede producir agujeros en la pieza (ojo de cerraduir:a, sección 27.5.3). En general no se requiere gas ni fundente protector, ni metal de aporte. Las capaciclalies de los cañones de electrones pueden !legar hasta 100 kW. Posibilidades del proceso. El proceso ele soldadura con haz ele electrones tiene la capacidad de hacer soldaduras de alta calidad que tengan lados casi paralelos, sean profundas y delgadas, y cuya zona afectada por el calor sea pequeña (véase la sección 29.2). Las relaciones de profundidad-ancho van de 10 a 30. Los ta· maños de las soldaduras hechas con haz de electrones son mucho menores que las hecbas con procesos con·
791
f!GURA 27.16 Comp
Fuente: American Welding Sodety, Welding Handbooi< (b) (a)
(8"' edición), 1991.
~
Sección 27.9 /Corte
792
C1pítulo 27 /Procesos de soldadura por fusión
aleaciones que normalmente se sueldan están el aluminio, titanio, metales ferrosos, cobre, superaleaciones y los metales refractarios. Las velocidades ele soldado van de 2.5 m/min hasta 80 m/min (8 a 250 pies/min), para metales delgados. Por la naturaleza del proceso, Ja soldadura puede efectuarse en lugares inaccesibles por otros medios. En la soldadura con rayo láser tiene especial importancia Ja seguridad, por los riesgos extremos a Jos ojos y a la piel; los láseres de estado sólido (YAG) son especialmente peligrosos. Las principales ventajas del rayo láser sobre el haz de electrones son las siguientes:
a, No se requiere un vacío, así que el rayo se puede transmitir por el aire. b. Los rayos láser se pueden conformar, manipular y enfocar ópticamente, usando fibrns ópticas. por lo que el proceso se puede mttomatizar con facilidad.
c. Los rayos no generan rayos X (y sí se generan con el haz de electrones).
793
-----
27. 9 CORTE Además de los métodos mecánicos, una pieza de meial se puede seccionar en dos o más piezas, o en distintos contornos, usando una fuente de calor que funda y elimine una zona delgada en la pieza. Las Cuentes de calor pueden ser sopletes. arcos eléctricos o láseres.
Corte con oxígeno y combustible gaseosos El corte con oxicomu.stible (OFC), u oxicorte, se parece a la soldadura con oxicombustihle, pero en este caso la li.tente ele calor es para quitar una zona delgada ele una placa o lámina metálica (fig. 27. l 8a). Este proceso es bastante adecuado para los aceros. Las reacciones básicas con el acero son Fe + O _,. FeO 3Fe
el, Es mejor la calidad de la soldadura y tiene menor tendencia a fnsión incrnnpleta, salpicadLtras y poro-
+ 20 2
_,.
+
Fe 30 4
(27.3) calor,
(27A)
+ calor,
sidades, y produce menos distorsión. y
Como en otros sistemas análogos de soldadura automatizat.la, es mínima la destreza q1.te se requiere en el operador. El costo ele los equipos de soldadura l.áser va ele 40,000 a l millón de clólnxes.
Ejemplo: Soldadura de navajas de rasurar con rayo !áser En la fig. 27. l 7, se ve el acercamiento de un cartucho de Gílíette Sensor. Cada una de las dos navaja:< delgadas, de alta resistencia. tiene 13 puntos de soldadura, de los cuales se pueden ver l l (son manchas 1rnis oscuras, de 0.5 mm de diámetro, aproximaclarnente) en cada nav!lia de la fotografía. Usted puede ver las wlt.laduras en realidad con una lupa ó un microscopio. Estas soldaduras se hicieron con un láser Córporiltion. ~-ndustr~Ji Prr1 dcc1.~ DlYi:;ion.
4Fe
+ 30 3
--+ 2Fep 3
(27.5)
+ calor.
La mayor cantidad ele calor se genera con la segunda reacción y puede producir un aumento aproximüdo de temperatura hasta unos 870ºC (1600ºF). Sin embargo, esta temperatura no es suficiente para cortar '.o:s aceros, por lo que la pieza se precalienta con un gas combustible y el oxígeno se introduce después (vé:lse d corte transversal ele la boquilla en el fig. 27. lSa). Mientras mayor sea el contenido de carbono en el acero !·,e temperatura ele precalientamiento debe ser mayor. El corte se produce principalmente por la oxidación (quemado) del acero; también se obtiene alguna sión. Con este método se pueden cortar también hierros fundidos y piezas de acero colado. El proceso ge1h>· ra una rm:lllra. parecido al que se produce al aserrar (sección 23.6) o con electroerosión con alambre (vbst" fíg. 26.J 3).
Posibilidades :dd prnceso. El espesor máximo que se puede cmiar con el oxicorte depende mente de los gases gue se usen. Co11 oxiacetileno, el espesor máximo es de unos 300 a 350 mm (l2 a 14 pu:g:: con soplete oxhídrico, unos 600 mm (24 pulg). Los anchos ele saque van desde 1.5 a 10 mm (ü.06 a üA fh ':'-' más o menos, con un control de wíerancias razonablemente bueno. La llama deja líneas de arrnstre en ia flGlJRA 27.18 (a) Corte a la llama de placa de acero con soplete oxiacetilénico, y un corte transversal de la boquilla del soplete. (b) Sección de una placa cortada con soplete,
mostrando las líneas de arrastre. (b) Soplete
(a) Oxígeno
Pieza " '
fo~{ºo
Líneas
~"'~j,JI)
\ºo io o
Llamas de precalentamicnto (oxiacctileno)
Ranura --j
(kerl)
~;;-_~--Soplete
.•
EspesoJ
·
-
i
Hfo !¡\\\
1
?scoria (hien·o y óxido de hierro)
--1
I··- Arrastre
dll\il:~(
r111.\1;1;~1
·1¡·¡\i\\~ .1.'\ll
··~t:~
Tendencias 791.~
79.5
Capítulo J.7 / Proce~os de sok!ri.dur;i por fusión
perficie corlada (fig. 27.!Sb), que termina siendo más áspera que ias superficies que se obtienen por ascr,.ado. troquelado n con otras operaciones con herrafflienlas de corte n1ccá.n1co. En el oxicorte, b distorsión causada por distribución no unifonne de temperatura puede ser un problema serio. Aungae se ha usado desde hace mucho en trabajos de chatarra y reparación, ei oxícorte se puede usar !a manufactura. Se pueden guiar los sopletes en diversas trayectorias en forma manual, mecánica o con rnü. quina~ al1tomáticas con controladores progran1ables y autómatas. E1 corte bc{jO el aguo se hace con soplete:;
de dif:.cño er.peciai que producen un.a cubierta de aire comprimido entre ta llan1a y el agua que Ja rodea.
antes de soldar.
RESUMEN
Los procesos de corte con arco se basan en los mismos principios de la soldadura con arco. Con ellos se pueden cortar diversos materiales a grandes veiocidaclcs. Como en la soldadura. los procesos de corte con arco dejan también una zona afectada por el calor, gue se debe tener en cuenta, en especial en aplicaciones crílicas. En el corte con arco de cmrborw en 21ire (arcair) se usa un electrodo de c;trhono y el metal fundido se sopla con un chorro de aire a gran velocidad. Así. el metal que se corta no tiene que oxidarse. Este proceso se u.~a en especia! para acanalar y biselar (quitar metal de Ltna superficie). Sin embargo, el proceso es ruidoso y el metal fundido puede salir lkspedido a grandes disLancias y ocasionar riesgos de segurídad. El corte e.mi llli"CO y plasma (PAC) produce ías máximas temperaturas. Se usa para cortes rápidos ,Je plac;.ts de metal no ferroso y de acero inoxidable. La productlvldad de este proceso es mayor que la de \os pni· :.:esos de oxtgcno y g<.~!-. combustibk. Produce buen ~¡cabado superficial y saque::; angrJs!cs, y es el que mús :~e u:Ja de lo~ que usan contro!es programables en la ma1mfactura de hoy. Los rayfJ1s Rásc~~ y los haces Je dectJPílnes se usan para cortar con rnucha exacti¡ud una gran varledcid mclales, corno se describió en Ja sección 26.7 y 2ó.8. El acabado superficial es mejor que el de otros pro-
térmico;-; de corte, y e] saque es más angosto. Es importante apegarse a las precaucione::-:
adt~cuadas
de
seguridad.
URIDA.D EN LA
p:iración de
------·-------------
2 .9.2 Corte con arco
Ct~sos
consecLienci(•, hay a;:pcc1os wniJientales involucntdos al usar procesos de soldadura. A continuación mencionaremos algLrnos de los facLore:·: importantes que se deben considerar: \a naturaleza de los humos y gases que se desprenden durante la soidadllra, el desecho adecuado de los electrodos y fundentes usados, y de ia esco·· ria, y el rnanejo y desecho adecuados de algunas Ciclas sustancias químicas más tóxicas que se usan en la pre-
"' Las de unión que se usan con más frecuencia son la soldadura con oxigeno y gas cornbustible, con arco. y con haz de alta energía. En la sold,1dura con gases se us:1 la energía química: para suministrar el calor necesario se puede us<1r, en su lugar. la energía eléctrica en la soldadura con arco, o con haz de tüta energía" En todos estos procesos se usa calor para llevar al estado liquido la unión que se va a solclm-. Se usan gases de para aislar el charco de metal fundido y ia zona de soldadura contra la oxidación. Se pueden usar o n.o varillas de meta! de apmte en la soldadura con oxicombustible y con arco, He-
p~ua
nar ia zona de la soldadura.. La selección de 1.m proceso de soldadura para determinada depende del material de la pieza. de su espesor y su lamafío, de la compkjiclacl de su forma, del tipo de unión, de la resistencia reque.rida y del cambio en h1
del producto causado por ía soldadura.
<> Se dispone de una variedad de equipo de soldadura, gran parte del cual es controlado hoy por compu·
tadora y li0nc funciones progrmnabks. E1 corle de metales también >;e puede hacer con procesos cuyos nr·111<'.1ll'"" durn con y con arco en gas. El corte de Jos se hace por oxidación Las temperaLuras m{uci mas parn cortar se obtienen en el con e con arco de plasma.
~tceros
RA
corren ciertos riesgos al soldar y cortar, cornu en todas las operaciones de rnanufaci-ura. /\.Lmqw:: semeni'ionan ra~-; ~-~onsidcraciones de segJJridad en varios iug:.:res ele los capítulos ~~7 y 28, esta sección resume io~; prin~
cipa1cs riesgos que hay cuando se suelda, a:-;f como Ja;) prr.icticas seguras para contrarrestados. Algunos de Jos pdigros s. .~ reiac1onan con la mac¡uinaria y el equipo que se usan, y otros con los misn1os prnceS!)S ele solda·
en soldadura es la automatización de los procesos, para controlar con exactit>_!
dura {véase también la sección J7.J). Afrededores. Debido u que en la soldadura y operaciones afines se usan fuentes de calor como llanws sin control, arcos, chispas y metal caliente, siempre hay riesgo de expfr)sión e incendio en la zona de trabajo. Por lo anterior, los procesos de soldadura o;c deben efectuar lejos de todo material combustible, incluyendo fluidos, vapores y gases inflamables, combustibles, madera y textiíes. Los pisos, canceles, plataformas y !echos también podrían esrnr hechos de materiales inflamables. y presentar, por consiguiente, riesgos de seguridad.
!'e!igro al persona!. Los incendios y explosiones pueden causar le:;iones graves y hasta muertes. Es esencial proteger los ojos, la cara y el cuerpo del operador contra las chispas, salpicadmas y la radiación infrarroja y ultravioleta. Hay disponibles diversos equipos y ropa de seguridad que se deben usar. Ruido y descargas eléctricas, El mielo, cuando es excesivo y prolongado, generado por las operacio·· nes de soldadura o de corte, puede causar pérdida temporal o permanente del oído. Se deben usar protecciones en las orejas. En los métodos de soldadura y otros complementarios se usa eiectricidad como fuente de em:rgía, que también tiene sus riesgos. Son esenciales la instalación y el mantenimiento adecuados del equipo, Yla capacitación del personal. Humos. Durante las operaciones de soldar se usan varios gases protectores; muchos otros procesos de soldadura emiten lmmos y gases. Algunos de esos gases son tóxicos y pueden ser peligrosos para la salud. En
re1JcL:i01.Lw1aCl las variables del proceso, y para reducir la necesidad de mano ele obra calificada. " Hoy se usan mucho los conLroles compularizados y robots programables en muchas operaciones de soldadura. Estos desarrollos se refuerzan con el uso de los sensores adecuados (en especial los infr:irro· jos) para rastrear L1 unión ·soldada. Vigilan las condiciones dunmte la soldadura y, co11 controles co11 retroalimentación, hacen los ajustes necesarios para mantener altas la calidad e integridad ele la solda<> dura. El proceso de soki
y
gas, y está reemplazando el de soldadura con arco y metal protegido. "' La soldadura de arco, metal y gas está ganando gran aceptaciót1 para metales ferrosos y no ferrosos delgados . ., Ya se encuentra en escala de producción la soldadura con rayo láser de láminas planas para carrocerías aLttomotrices (soldadura a tope) antes ele estamparlas. <> Está aumentando la capacidad en espesores ele la soldadura con rayo láser, por el uso de metales de
aporte; esta práctica amplía sus aplicaciones a la fabricación pesada de acero, oleoductos, astilleros y componentes de reactores nucleares
Problemas cuantitativos
7%
- 797
C·1pítulo 7.7 /Procesos de solcfodui
27,12 Explique cómo se hace el corte cuando se usa un soplete con oxígeno y gas combustible. ¿Cómo se hace el corte ba-
TER~lll------
jo el agua? 27.13 ¿Cuál es la finalidad del fundente'' 27,14 ¿,Por qué el tungsteno es el material preferido para electrodos no consumibles?
Corte con arco Electrodo Electrodo consumible
Oxicortc Pistola de soldar Polaridad
Soldadura con haz de electrones
Electrodo no consurnih!e
Ranura
Electrodo recubierto
Soldadura con arco Soldadura con arco de plasma
Escoria Fundente Líneas de arrastre
Soldadura con arco de tungsteno en gas Soldadura con arco sumergido Soldadura con arco y metal protegido Soldadura con arco y núcleo de fundente Soldadura con electrogas
Llama c;;irburizm1te Llama neutra Llama oxidante Llarna reductora lVIctnies de apone
Soldadura con hidrógeno at6mico
27.15 ¿Qué es la soldadura con termita (a\uminoténnica)'? 27.16 ¿Cuál es \a ventaja de la soldadura con haz de electrones y con rayo láser, en comparación con la soldadura con arco''
Soldadura con oxígeno y combustible gaseosos
27.17 ¿Cuáles de los procesos que se describieron en este capítulo son portátiles?
Soldadura con rayo láser
27.18 ¿Por qué no se necesita fundente en la soldadura con arco de tungsteno?
Soldadura con termita (alunünotérrnica) SolJadura con varilla Soldadura de arco, metal y gas Soldadura eléctrica por escoria
----
PROBLEMAS CUALITATIVOS
Soldadura por fusión Soplete de soldar
27.19 Explique por qué se han desarrollado tantos procesos distimos de soldadura_ 27.20 ¿Cuál es el efecto de la conductividad térrnica Je la pieza sobre el ancho del saque en el oxicorte')
Técnica de ojo de Ceffadura Unión
27.21 Describa las diferencias entre el corte con oxígeno y gas de las aleaciones ferrosas y no fl!rrosas. 27.22 ¿Se puede usar corte con oxígeno y gas en una pila de láminas metálicas (corte en pila: véase la fig. 23.27e)'' Expli-
que por qué. 27-.23 Describa la necesidad y e1 papel de los soportes para sujetar las piezas en las operaciones ele soldadura que se expíi-
B!B,,,j,~,"
caron en este capüulo. 27,24 ¿Podría usarse corte con arco y plasma para materiales no metálicos? En caso afirmativo, ¿,seleccionaría un tipo AS!Vl líandbci0k, Vol. 6: Vilelding, Bruzing. alU/ Soldering. ASM lntcrnalionaL i 993. Bowdih.:h, 'N.A., and K.E. Bov1di1d1, Welding Tech.nolof!,y Fundamr:níals. Goodhearl-\Villcox, l 997. C.iry, H.B .. Modern Weldin.g Techn.ology (4th ccl.). Prcnlice Hall, 1997. JJ¡1vles. A.C., 'l71e Scicnce and Proctice of Wdding ( lOth ~;d.), vols. Cambridge L:niversity Press, !993. n~llycn. (;_ Sear, and C. Tuüle, \Veldinp,: Funrlamcntals and
Pmcedures. Wilcy., l 984. L.F.. Weld!t1g: Prin~·iples und !lpplicaJions (4th ed.). f);.,;!rnar Publi.sher.s., í997. Jelhson, R., '0/dding P11ndamentuls. Prcntice Hall, ! 995.
Me.ss!er, R."\V.. Jr., Joining (~fAdvanced Matcriols. BuHcrwortbHcinemann, ! 993. ------.Gas TungstenArc WeLdíng Handbook, 1995, ------,Flux Cored Are Welding Hcmdhook, 1998. Minnick, W_H._ Gas Metal Are Welding !!andhoek.
arco transferido o no transferido) Expliqu0 por qué. 27,25 ¿Qué factores influyen sobre el tamaño de los dos cordones de soldadura en la fig_ 27.16? 27 .26 Describa sus observaciones .sobre el contenido de la tabla 27 .1. 27.27 ¡,Cuánto acercarla u:-;led una llama de oxiacetileno a las superficies por soldar? Explique por qué
Goodheart-Wlllcox, 1999. PowcJl, J.. C0 2 Laser C'uttinf{. Spii11ger, 1992. St:cen. VV.M., Laser Material Processing (2d ed.), Springer. 1991?. 7(ml cmd iYfon.ufacturing Engineers Hcmdhook, Vol. 4: Cuuíúy
27.28 Comente sus observaciones acerca de la fig. 27.6. 27.29 ¿Qué detmnina si se puede usar cierLo proceso ele soldadura con piezas en posiciones horizontal, vertical o sobre e~··
Cmuro! aml Assemh!y. Society of ~\1an!ii""acfnring l 986. Welding fíundbook. (8Lh ed.), J vols. Arnl~rican \Vi:.:iding
27.31 En ld. Labia '27.1 hay una columna sobre la distorsión de 1os componentes soldados. de menor a mayor distorsión.
Engine~r~,
beza (o cualquier otra)? Explique su respuesta y describa ejernplos adecuados. 27.30 Explique Jos factores que intervienen en la selección de electrodos para procesos de soidaclura con u.reo. pllque por qué varía el grado de dlstorsü:•n entre los distintos procesos de soldadura. 27.32 En la ::.oldadura ele arco es obvio que interviene una gran cantidad de energía. Describa los aspectos de seguridad
Socie1y, 1987. ra esa operación. 27.33 ¿Cuáles son los requerimientos de material de pieza para la soldadura con arco?
DE REPi\SO
27.34 ¿Por qué se limita la soldadura con oxiacetileno a partes bastante delgadas? 27.35 Clasifique los procesos de este capítulo por orden de a) costo y b) calidad ele soldadura.
27.l Explique cómo se relaciona la fusión con las operaciones
27.36 ¿Cuáles son las fuentes de salpicadura en soldadura? ¿Cómo se puede controlar la salpicadura?
27.2 Describa las relaciones que se efectúan en un soplete de oxígeno y combustible gaseosos. ¿Cuáles son los nivdes de temperaturas que se generan? 27.3 Explique las propiedades de las llamas neutra, reductora y oxidante. ¿Por qué se llama así a las llamas reductoras'' 27.4 ¿Por qué es preferible una llama oxidante para soldar aleaciones de cobre? 27 ..5 Describa el procedimiento a seguir en una operación de soldadura con oxígeno y gas combustible. 27.6 Explique Jos principios básicos de los procesos de soldadura con arco. 27.7 ¿Por que es común emplear el proceso de soldadura con arco y metal protegidos" ¿Por qué se llama también soldadura con variIIa?
PROBLEMAS CUANTITATIVOS 27.37 Se va a soldar aleación de aluminio. Consiste en soldar un tubo de 2.5 pulgadas de diámetro con espesor de pamó de 0.20 pulg y longitud de 2 pulgadas, a tope, sobre una sección de hieITo ángulo de 6 pulg X 6 pulg X 0.25 pulg. El LicITO (o "fieITo"') ángulo tiene forma de L y su longitud es de un pie_ Si la zona de soldadura en un proceso con arce úc tungsteno en gas es más o menos de media pulgada de ancho, ¿cuál sería el aumento de temperatura de toda la esrnJc~ tura debido sólo al calor de la soldadura?¿ Y si el proceso fuera de soldadura con haz de electrones y un cordón de O.OS pulg? Suponga que el electrodo requiere 1500 J y que la aleación de aluminio requiere 1200 J para fundir un gromo.
27,8 ¿Por qué la calidad de la soldadura con arco sumergido es muy buena?
27.38 Se soldará acero al carbón_ La velocidad deseada de soldadura es más o menos l pulg/s_ Si se usa una máquina Je sol-
27,9 Describa las propiedades de lres tipos de arco en la soldadura de arco, metal y gas_ ¿Por qué se le llamó soldadura MJG'I
dar con 10 V, ¿qué corriente se necesita si el ancho de la soldadura debe ser 0.25 pulg? 27.39 En el corte con oxiacetileno, con arco y con rayo láser, el proceso básico implica la fusión ele la pieza_ Si se debe cortar un orifico de 100 mm de diámetro en una placa de 200 mm de diámetro y lO mm de espesor, grafique el aumento promedio de temperatura en la pieza bruta en función de la ranura_ Suponga que la mitad de la energía pasa a la pieza bruta.
27.10 Describa las funciones y características de los electrodos. ¿Qué funciones tienen los recubrimientos? ¿Cómo se cla-
sifican los electrodos? 27.11 ¿Cuáles son las semejanzas y las diferencias entre electrodos consumible~:Y no consumibles?
~~~~------------!11!!!~ ~Á
798
Capítulo 27 / F1roc<;sos ele ;;nlckrdur;1 por fusión
27.40 Cnmcnlt' la;:, limiLaciones sobre ci tamaño y Ja forma de la pieza, si ~;s que las hay, JXtra caJa uno de los procesos descritns en este capítulo.
Hag;:~ una tabla resumen q uc contenga las bc.ises de Jos procesos que se de~;cribieron en este capítulo, junlo con ejemplos de sus aplicaciones. Prepare una tabla de !os procesos que ,';e describieron en este capftu!o y ponga los límites de veloc!cbdcs de -.;old
\.'::-ile
capí-
En la sección 27. JO se describen los lineamientos geneniles de seguridad en operaciones de soldadura. Para cada un:i ele las operaciones que se describieron tn este capítulo haga un cartel (póster) que rnnesrre en f'orrna efectiva y con. cba las instrucciones de [as prácticas de seguridad en süldadura y en GOrte. Consulte las referencias del fürn! dd ·~a pítuln 'J7 y diversas publicaciones del Na1ional Scr/'ety Coun.ci/. 27"45 Un problema grave en componentes estructurnJes de acero e~ la fragilización de los aceros por el hidrógeno. ínvc:-~¡¡ .. guc h~: fuentes de argón y helio y recomiende cuál de esos gase~; es preferible como protector para soldar nccrns En b construcción de grandes barco.s se necesita soldar grandes esresores de acZ:~ro parn fabricar el casco. Pi;lrn csla .1pi1cac¡ón, considere cada uno de lc•s procesos de soldaduru qu·~ se describieron en este capitulo y haga una hs~n (k vcnt<:jas e inconveniente~; de ellos para csic prnducto. (.(?ué procedimiento de .'lo1da
Haga una investigación (~n Internet y/o híhiiog.nificn acerca de la:~ vientajas relativas de los !{[:)ere:·; Ue CO:, y de Nd · Y,~\G.
Proces
introducción
28.2
Soldadura
283 28.4 28.5
Soldadurn ultrasónica Soldadura por fricción Soldadura por resistencia Sold.:idura por explosión Liga (soldadura) por difusión Liga por difusión Y forrnadO c¡:rV·'rr>iOC
:rn.6 28.7 28.8
2B.'I l En eslc capítulo se describen procesos en los que la unión se Ueva a cabo sin fusión (clcrretimknto) de hrs piezas. A diferencia de los procesos de soldadura por fusión que s<.~ describieron en el capítulo 27, en la unión no está presente la fase líquida (fundida). El principio tk la soldadura en estado sólido se demuestra mejor con el siguiente ejemplo. Si se ponen dos superficies limpias en conucto atómico entre sí bajo la presión suficiente (y sin peiícL1las de óxido u otros contaminantes l. forman ligas y producen una unión fuerte (véase la sección 31.2). Al aplicar calor externo, la liga mejora por difusión. Los pequeños movimientos interfociaies en las superficies que se tocan, de las dos piezas que se unen (las superficies de unión) pertcrrban las superficies. rompen las capas ele óxido y generan superficies nuevas y limpias. Este mecanismo mejora la resistencia de la unión. El calor se puede gen<0rar también por fricción, efecto que se usa en la soldadura por.fricción. El calentamiento por resistencia eléctrica se usa mucho en los procc· sos ele soldadura por resistencia. En la soldadura por explosión se desarrollan presiones de contacto muy altas y causan el soldado ele la interfase.
28.2 SOLDADURA EN FRÍO En la soldadura enfrío se aplica presión a las piezas a través de dados o rodillos. Como interviene la deformación plástica, es necesai.io que al menos una, pero de preferencia ambas ele las partes correspon-
799
800
Capítulo 28 / P1ocesos de soldadura. en estado sólido
Sección ZB.4 /Soldadura por fi·icción
80-1
Fuerza
l
L-M~
Mela! ba~:e
f!GURA 28.1 Esquema del proceso de colaminación o revestimiento laminado.
Transduc.tor
Sistcmade
dientes sean dúciiles. Antes de soldar. se desengrasa la interfase, se cepilla con alambre y se limpia para guitar suciedad de óxido. Con la soldadura en frío se pueden unir piezas pequeñas hechas de metales suaves y dúcriies. Durante la unión de dos melales diferentes, o disimilares, que son mutuamente soluhles, se pueden formar compuestos intetmetálicos frágiles (sección 4.2.2), que causan que la unión sea débil y frágil. Un ejemplo se presenta en la liga de aluminio con acero, cuando se forma un compuesto intermetMico frágil en Ja interfase. La óplirn11 resistencia de la liga se obtiene cuando los dos materiales son afines. Colaminadó11. La presión necesaria para la soldadura en frío se puede aplicar a través de un par de rodillos (fig. 28. l); por ello el proceso se llama colaminar:ión. Se dcsarroíló en la década de l 960, y se usa para fabric
de las monedas de 25¡; (quarter) en !Estados Unidos 10cnica ¡i;m; fabricar ias monccbs de 25it en Estadós Unidos es la colmnínación de dos capas externas de rnprniü¡uc! (75';; cohrc' 25'1r de nfr;uel), cada. una de 1.2 mm (íl,()48 de espesor, con una capa in-
11
de cobre puro de 5. J mm i0.'.20 puig). Parn ohtc1kr buena resistencia de b liga, his superficies de unirín limpian quú:oicamemc; se ccpiilan con ai:.;rnbre. Primero se laminan la.s tiras hasta ei grosor de 2.29 :ipcsor 8~2 1/k
C"mo durante ia dc:fonrn1ción plástica se mantiene la constarcia de volumen. hay un gran aumento de c:t sup(:rficicd c;ure ías cap:ts, y -?On producidas nueva.e; superficie•; interfri.ciafo~ limpias. Este. aurnentn de: :\rea superficial bajo ia gran presicín de los rodí!Jbi;, comhínada con la solubilidad sólida del níquei en coh'."t-: {\:éasC' la sc~'ción ,:L'.2. l) produce una üni6n rcs.íStente
28~:3
Fuente de
¡ -¡ - polarización
~ [ ----- ~ .
~--
acoplan!::::'-,: -~~--J/~=:=J \ Pieza
¡/~ ~
-
dccd
Fuente de ca
Dirección de Ja
vibración
flGURA 211.2 {a) Componentes ele una miiquina ultrasónica de soldar para uniones traslapadas. Las vibraciones laterales de la punta de la herramienta causan deformación plástica y adhesión en la interfaS
las piezas. ih) Costura soldada ultrasónicarnente con un rodillo.
Sin embargo, en algunos casos la temperatura generada puede ser lo bastante alla como para cambios metalúrgicos en la zona de soldadura (véase la sección 29.2). El mecanismo responsable de la de termoplásticos por soldadura ultrasónica es diferente del de los metales, y sí se presenta fusión en la,,,,,;:-.. fase porque Jos plásticos tienen temperaturas de füsión mucho menores (véase la tabla 7.2). EJ. proceso de soldadura electrónica es versátil y confiable. Se puede usar con una gran variedad Jf teriales meuilicos y no metálicos. incluyendo metales disimilares (cintas bimetálicas). Se usa mucho pac1 ;_:;:ir plásticos, en el empaque con membranas y (en las industrias automotriz y electrónica para el consumidn:·, 11;:ra soldar láminas en lrnslape láminas, membranas y alambres delgados. Se puede sustituir Ja punta de con discos rotatorios (fig. 28.2b) para sellar estructuras en las que un cornponentc es una lárnina o me~·\ s,:: na (proceso parecido a la soldadura de resistencia para sellos, sección 28.5.2). Para manejar el equipo 1
••
cesita tener destreza moderada.
28.4 SOLDADURA POR FRICCIÓN En los procesos de unión que hemos descrito hasta ahora. la energía necesaria para soldar (que suele ser qu:-. mica, eléctrica o ultrasónica) se suministra de fuentes externas. En la soldadura por fricción el calor necesario para la soldadura se genera mediante la fricción, como indica el nombre, en la interfase de los dn:-componentes que se unen. El lector puede demostrar el apreciable aumento de temperatura debido a b. fric-
ULTRASÓNICA En Ja soldadura ultrasónica las superficies de unión de los dos componentes se- someten a una fuerza estítica normal y a esfuerzos cortantes (tangenciales) oscilantes. Los esfuerzos cortantes se aplican con la punta ele un transductor (fig. 28.2a), parecido al que se usa en el maquinado por ultrasonido (véase la fig. 25.24a). La frecuencia de oscilación en general está entre JO y 75 kHz. aunque se pueden usar frecuencias menores o yo res. Es importante el acoplamiento correcto entre el transductor y la punta (llamada sonotrode, de la palabra sonic y por analogía con electmdo) para gue la operación sea eficiente.
ma~
Los esfuerzos de cortantes causan deformación plástica en la interfase de los dos componentes, rompiendo las capas de óxido y contaminantes, permitiendo así que haya un buen contacto y produciendo una liga fuerte en estado sólido. La temperatura que se genera en la zona de soldadura suele ser de un tercio a la mitad del punto ele fusión (en escala absoluta) de los metales que se unen; en consecuencia, no se produce fusión.
ción frotándose las manos. o deslizándolas con rapidez sobre una cuerda. En la soldadura por fricción, que se desarrolló en la década de l 940, uno de los componentes quct:a fijo mientras que el otro se coloca en unas mordazas o pinzas, y se hace girar a alta velocidad constante. A continuación los dos miembros que se van a unir se ponen en contacto, bajo una fuerza axial (fig. 28.3a). Despw''. ele establecer el contacto suficiente, el miembro giratorio se frena con rapidez (para que la soldadura no se destruya por cizallamiento) y se aumenta la füerza axiaL Los óxidos y demás contaminantes en la interfase se eliminan por el movimiento radial hacia afuera del metal caliente en la interfase (fíg. 28.3d). El miembro giratorio se debe ajustar con firmeza con las mordazas o las pinzas para resistir tanto las füerzas del par de torsión como las axiales, sin deslizarse. La presión en la interfase y la fricción resultame producen el calor suficiente para formar una liga fuerte.
lil;'
§._....---
(H)2 Capítulo
2a /Procesos de so!dJclura en c:slado sólido
(a) (1) (2) f'ul'.'rza (3) (4) Aumenta
la i't1crza
1 1
Sección 28.5 / So\dach.ira por resislencia
(a¡ Alla {lt'C~>ión o baja velocidaJ.
¡------¡
~-~
~r ,,____... __
~......,--~¡
(b) Baja presión velocidad
JC.=J T_:=J
(b) o
(3) Óptimo
fJGURA 211.3 (il) Secuencia ele opet·ciciones en el proceso rfo soldadura por fricción: J) Se hace girar ei componen!<:' del lado izquie1·do a alt,1 vclocid
(e) Óptimo
R
803
FIGURA 28.4 Principio del proceso ele soldadura por fricción y Con este proceso se han placJs de aleadón de aluminio hasta de 75 mm (3 pulgadas) de espesor. Fuente:TWI . Cambridge, Reino U11ido.
cuada, se ponen en contacto los dos míembros y se aplica una fuerz,u axial. A rnedida que ia fricción en la interfaz desacelera al volante se aumenta la foerza axial. La soldadura se completa cuando se:: detiene el volante. Son importantes los tiempos de la secuencia para obtener una buena calidad en la unión. La masa rotatoria se puede ajustar en l
28.4.3 Soldadura por fricción lineal En otro dcsarroll.o de la soldadura por fr[cción, la interfase de los dos componentes a unir se somete a un movimiento lineal de vaivén, y no a un mov·lmiento rotatorio. En la soldadura 1YJurjtü.·ción lineal, los cornpooen\es no deben tener sección lran:;versal circular ni tub1.llar. Este proceso es cnpn de soldar componentes
cuadrados o rectangulares, a:-,í como piezas redondas de n1etalcs o plásticos. En este proceso se mueve una p:1r. te a través de la cara de la otra, con un lnecanismo aiLernativo balanceado. n:lrnr.:tros: zona de soldadura se Sl!el.e conhnar a una reg1on angosta, cuyo tamafio depende de los s1gu1c111c:., ;1aia cantidad ele calor generado
la conductividad térnúca de !o;-;
ma~criciles: y
3. las propiedades mecúnica,: de ios materiaies a l<émpcratufas elev1:da:.« La forma de la unión soldada depende de la velocidad c1,, rotación y de la presión axial aplicada (ti¡;. Se deben controlar estos factores para obtener una unión ele resistencia 11r,iforme.
del proceso Con la soldadura por fricción se puede unir una gran variedad de nwte1iaks, siempre c¡ue uno de los compo-
nentes tenga cierta :.;imetría rotacional. Se pueden unir piezas sólidas o tubulares, con buena resistencia en la unión. Se han soldado bien con es!.e proceso bam1s sólidas de acero Ílctsta de l 00 mn1 (4 pulg) de diámetro, y tubos hasta de 250 mm (JO pulg) de diámetro. La velocidad en la superficie del miembro ro1.ato1io puede ser hasta de 900 m/min (3000 Debido a la combinación de calor y presión, la interfase en este método desarrolla una rebaba por deformación plástica (recalcado) de Ja zona calentada. Si fuera indeseable esta rebaba se puede quitar con facilidad por maqi.linado o esmerilado. Las máquinas para soldar por fricción están totalmente automatizadas y es mínima !a capacitación ne·· cesaría del operador si se ajustan bien los tiempos de ciclo individuales para el proceso completo. En general, el costo estií entre 75,000 y 300,000 dólares, dependiendo del tamaño y la capacidad.
En una aplicación se soidó por fricción una pieza rectangular de aleación de titanio a una frecucnciJ. li nen) de 25 Hz con ampli!ud de ±2 mm (0.08 pulg) bajo una presión ele l 00 MPa ( lS,000 psi) actuando sobre una interfas0 de 240 inm 2 (0.38 Se han so!dado diversas piezas metáHcas, con secciones transver~aies
hasta Je 50 mm>< 20 1nin (2 pulg x 0.8 pulg).
28.4.4 Soidaclura por fricción y Es un nuevo proce.';o, con e1 ya...:: originalmente ~-;e pretendía soldar aleaciones aeroespaciales, en especü]J .-;-~x trus!onts de 8]uminio; pero ia investigación rec\ente se ha dirigido a ampliar este proceso para los polfnv~;-o:~ tos rntllL:~riak:.s coinpucstos. tvhcntc:is que en la soldadura por fricción convi.::ncional se logra calentar las interfases por fricción al frotar dos supcriicies que se tocan, en el proceso ele fricción y agitación se frota un Lercer cu~rpo conlra bs dos superficies que se van a unir; el tercer cuerpo Liene ia forma de una herramienta pequeña (de 5 a 6 mrn de di;i· metro y 5 mm de altura), no consumible, y que gira imroduciéndose en la Ltnión (fig. 28.4). Las presion~s dr· contacto causan calentamiento por fricción y la Lemperaturn :;e deva hasta unos 230 a 260ºC (450 a SOOºf) La sonda en la punta ele la herramienta giratoria hace que el material en la unión se caliente y se mezcle. El equipo de soldadura puede ser una fresadora convencional ele husillo vertical (fig. 23.16a). donde es fácil de implementar el proceso. El grosor del material soldado puede ser desde 1 mn1 hasta 30 mm aprn:<:i·· madarnente. Las soldacluras por fricción y agitación son de alta calidad con un mínimo de poros y con estructura Lmiforme de material. Se producen con bajo consumo de calor y, en consecuencia, poca distorsión y pocos cambios microestructurales. Además no se producen humos ni salpicaduras, y el proceso se adapta a la auto-
matización.
28.4.2 Soldadura por fricción e inercia 28.5 SOLDADURA POR RESISTENCIA La soldadura porfricción e inercia es una modificación de la soldadura por fricción, aunque los ténninos se han usado en forma indistinta. La energía necesaria para el calentamiento por fricción en la soldadura por fricción e inercia se suministra por la energía cinétic'1 de Lin volante. Este volante se acelera a la velocidad ade-
La categoría de soldadura por resistencia abarca varios procesos en los que el calor requerido para soldar se produce mediante la resistencia eléctrica a través de los dos componentes que se unen. Estos procesos tienen grandes ventajas, como por ejemplo no requerir electrodos consumibles. gases de protección, o fundentes.
;~
81}4
Capitulo 28 /Procesos de soldadura en estado sólido Sección 28.5 /Soldadura por resistencia
805
El calor generado en la soldadura por resistencia .5e calcula con la ecuación general
F!
donde
=f
2
Rt,
(28.1) H =calor generado (en joules watt-segundos), I = corriente (en amperes)
R = resistencia (en obms), y t = tiempo de paso de co1Tiente (en segundos).
Los procesos de soldadura por resistencia se desarrollaron a principios del siglo XX, y requieren maquinatia especializada. !\fochas de esas máquinas funcionan con control computarizado programable. En ge·· neral, no son portátiles y el proceso se adapta principalmente a las plantas manufactureras y a los talleres d:; maquinaria. La destreza requerida en el operador es mínima, en especial con las máquinas modernas. Las precauciones en seguridad se parecen a las de otras operaciones de soldadura. El costo normal del sistema total va de 20,000 a más de 50,000 dólares.
28.5.1 Soldadura de puntos por resistencia
La ecuación (28. l) se modifica con frecuencia para que represente a la energía realmente disponibie para la soldadura, incluyéndole un factor f( qne representa las pérdidas de energía por radiación y conducción. Entonces, b ecuación se transforma en H = I2RtK, donde el valor de K es menor a la unidad
La resistencia total en estos procesos, por ejemplo, en la soldadura de ptonlos por resistencia c!e la fig. 28.5, es la suma de las siguientes propiedades: a. las resistencias de los electrodos,
lil. la resistencia de contacto entre dectrodo y pieza,
c. las resistencias de las partes individuales que se van a soldai; d. ia rcsistenc.ia de contacto entre pieza y pieza (entre las superficies a unir). El aumento real de temperatura en la nnúín depende del calor específico y de ia conductividad térmica de los rneta[e:.; que se van a unir. Por ejemplo, metales como aluminio y cobre tienen gran conductividad térmica, por lo que requieren altas concentraciones de calor. Los metales afines o no afines (similares y rbin:iia:-es) se pueden unir con soldadura por resistencia. La magnitud de la corriente en lac; operaciones dt; soldadura por resistencia puede llegar hasta 100,000 A, aunque el voltaje sólo es de 0.5 a 10 V en el caso normaJ.
211.5 (o) Secuencia én la solcbr!ur.1 ele puntos resistencia. (b) Sc;cción trcrnsversai de un;i ';olcladur0 ele punto, mostr:1ndo el botón de sc>lcladur3 y penetración del zelenwdo en i.Js superficies de i:: c1,., /;,imi1i<. Es d ele uso rn;ís C01T!l111 en fabricación cie piezas de lámina y
(a)
Pun1o de soldadura
En la soldadura de puntos por resistencia las puntas de dos electrodos opuestos. cilíndricos y sólidos tocan una unión ele traslape en dos láminas metálicas, y el calentamiento por resistencia produce un punto ele soldadura (líg. 28.Sa). Para obtener una buena liga en el punto o botón de soldadura, se aplica presióri hasta que se elimina la corriente. En la soldadura por resistencia son esenciales el control exacto y la sincroniz:ición de la corriente eléctrica, y de la presión. La resistencia de la uniórr depende de la rugosidad y la limpieza de las superficies de íos materiales. Por consiguiente, se debe terminar el aceite, la pintura y las capas gruesas de óxido antes de soldar. No es crftic:1 la presencia de capas uniformes y delgadas de óxido y otros contaminantes. El punto de soldadura (fig. 28.Sb) tiene en general de 6 a 10 mm i0.25 a 0.375 pulg) de diámetro. superficie de este punto tiene Lma ligera penetración manchada. Las corrientes van de 3000 a 40,000 A. valor depende de Jos materiales que se sueldan y de sus espesores.
i'osibifüfades del proceso. La soldadura de puntos es el proceso ele soldadura por resistencia m:j,, sencillo y de uso más frecuente. Se puede hacer mediante un solo par (lo más común) o varios pares de electrodos, y la presión necesaria se aplica por métodos mecánicos o neumáticos. Las máquinas de soldadura ¡x;; puntos del. tipo ele brazo oscilante (fig. 28.6a) se suelen usar para piezas pequeñas: las de tipo prensa son p<>rn piezas mayores. La forma y condición de la punta del elecu·odo, y la accesibilidad del lugar son fac1m·es importantes en la soldadura por puntos. Existe una diversidad de formas de electrodos para soldara por pu;; . tos en aquellas áreas difíciles ele alcanzar (figs. 2S.6b y e). L1 solcladurn por puntos se usa mucl10 en la fabricación de piezas con láminas metálicas. Entre los plos se puede citar b fijación de manij<1s a utensilios de cocina de acero inoxidable (fig. 28.7a) hasta la daclura de puntos de silenci¡1dores de automóvil. El equipo moderno de soldadura de puntos es controlado computadora para lograr la sincronización óptima de la co1Tiente y la presión; sus pistolas de soldadura de 1w11tos son manipuladas por robots programables (fig. 28.7c). Las carrocerías de automóvil pueden tener ha0u 10,000 soldaduras de punto, y se sueldan a tasas elevadas usando electrodos múltiples (fig. 28.8).
- Unión lrnsJnpatla Se conecta !a corriente
Se aplica la presión
Sin co:Tienlc,
con presión
Ejemplo: Calor generado en la soldadura de puntos Se quit;J la presión
(b)
Supongamos que se van a soldar dos láminas de acero de 1 mm (0.04 pulg) de espesor. con puntos, a w coiTieme de 5000 A y un tiempo de flujo de corriente de 0.1 se.~nmdos, con electrodos de 5 mm (0.2pul:11 de diámetro. Estime el calor generado y su distribución en la zona de soldadura.
Solución: Supongamos que la resistencia efectiva en esta operación es 200 µSi. Entonces. según la ecct'1Ci6n (28.l ), Calor= (5000)2(0:0002)(0. l)
Zona afectada por el calor
=500 J.
De acue.rdo con lós datos, se estima que eíbot<)Rde soldadt1fi.rsepi de.30mm3 (0.0018 púlg 3). Supongamos que la densidad deLaÓéro (tabla 3.J) e~ 80fJQ;k!lfm3 (0.008 glínni3),ye~tonces el punto de soldac!H. ra tiene una masa de 0;24 g. El calor n~c~s¡\rio para_fu!lc!iÍ''$~,1~:C~~rqeef ~499;J; áproximadamente, por io ·que es necesario para fundireí punto dé;S()!dadura.és ~f4qüjtü;zíll'"'}3:6J. Ei~~sto del calor, 164 J, se dí' · · ·:': _,, ' ' ·· · ··· slpa.en el metal que rodea aLpuntó.
'$:•]
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80:7
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{a)
Sección 28.5 ¡Soldad uro por resistencia
1l
y
H - Pico inferior M - Bra;,o oscilan le
FIGURA 23.3 Robots con pistol.1s de soldar por puntos, accionados con controks computarizados en una línea de producción en masa de carrocerías automotrices. Fuente: cortesía de Cincinnati IY\í\acron, !ne.
N - Conductor flexible secundario - Regulador de corriente (interruptor de pasüs) - Sccund
Wy
~"
Interruptor de pt'dal
28.5.2 (h)
(e)
de costura por La soldoduro de costuro por resislencia (R.SE"W, resistance seam wdding) o de cordón por resistencia. es una nodificasión de la soldadura por puntos, donde los eiectrodos 5,; sustituyen por ruedas o rodillos giratorios (fig. 28.9a). Los rodillos conductores elcSctricos usan un suministro continuo de corriente alterna y proclue;;n un punto de soldadura cuando la coniente alcanza un valor lo suficientemente aHo en el ciclo de la ca. En re:;.flGUll.i\ zg,<¡ 1.i) Proceso ele solcladur
:flGURA 28.6
(a)
Esquerria de unc-1 rnáquinzi de soldar puntos cun brazo
uscilc1nt~~,
( ~) ) Eleclrotio~;
de (1..ldii\ci
<1Ccionada por aire. ;.uenle: Arnerican Welding Society. (b) y (e) Diseflos de c!ectmdo parc1 facilitar el zicce5o J. los componentes por solch.H.
(a)
(b)
FIGURA 28.7 (a) y íbJ Olla y silenciador soldados por puntns. íc) Máquina automática de soldadura de puntos con un autómata programable. la punta de soldar se puede mover en tres direcciones principales. En esta máquina pueden caber láminas hasta de 2.2111 x 0.55 111 (8il x 22 pulg). Fuente: cortesía Taylor-Winfield Corporation.
(e)
(el) ~
~:;
/~
e~~~~= V-;:/¡/f
~c:;-~7/ ~--,,
;~
Cdpílulo 28 / Pmcesos d12 soldadura en es1ado sólido
808
(a)
Sección 2.8.5 /Soldadura por resistencia
(b) Bobina de alta .....,..1 frecuencia
809
(al
1-----L
Electrodos planos
HOJ~ .,
Producto ~-L--.L...~_:::¡>('/,-
l--'~~=·""
Pieu/-[f~
~l- li:untos de soldadura
·-r-
Proyecciones
Fnerza
flGlJIV\ 28. Hl
Dos métodos de soldadura" tope en tubos.
lidad, estos puntos se traslapan y forman una costura continua, produciendo una unión herm6tica a líquidos y a gases (fig. 28.%). Si sólo se aplica corriente intermitente a los rodillos se puede obtener una serie de puntos a intervalos especificados a lo largo de la unión (fig. 28.9c); a este procedimiento se le llama soldadura
(b)~~
(e¡
Puntos de soldadura
~ ~_A
de puntos con rodillo.
El proceso de costura por resistencia se usa para hacer la costura l<>ngitudinal de las latas p
2ll.5.3
por resistencia con alta frecuencia
La resistencia con alta frecuencia :;e parece a .la de costuras, ¡xro se emplea corriente de aJt, frecuencia (hasta 450 kHz). Una aplicación normal es la producción ele tubo soldado a tope. donde se conduce la corriente a través de dos contactos deslizantes (fig. 28. !0a) en los bordes de los tubos laminados. Los bordes calientes se prensan entre sí, pasando al tubo por un par ele rodillos ele presión. En otro método, el tubo ya formado se somete a calentamiento por inducción ele alta frecuencia (fig. 28. 1Ob ). También se pueden fabricar con est0 método perfiies estn.1cturales, como por ejemplo vigas l, soldando his almas y íos patines hechos con placas larg:is y planas. El tubo en espiral, y los tubos ¡tletados (para c:11nbiadores de calor) se pueden h
de proyecciones por resistencia En la soldadura de proyecciones por resistencia (RPW, resístance projection welding)~ la alta resistencia ;".[éctrica en ln unión se obtiene troquel anclo una o imís proyecciones (véase la fig. 16.37) en una de las :'uperficics por soldar (figs. 28.J la y b). Las proyecciones pueden tener formas distintas, con fines de diseño o re:;istencia mecánica.
En las proyecciones que están en contacto con !a parte plana opuesta, se generan altas temperaturas localizadas. Los electrodos son grandes y planos, ele aleaciones ele cobre, y están enfriados por agLia, para man·· tener bajas sus temperaturas. Se forman botones de soldadura parecidos a los de la soJclaclura por puntos mientras los electrodos hacen presión, comprimiendo las proyecciones.
Posibilidades del proceso. Para soldar proyecciones se puede usar el equipo de soldadura por pun·tos, modificando los electrodos. Aunque el troquelado ele las piezas agrega costos, con este proceso se producen varias soldaduras en una pasada, se aumenta la vida de los electrodos y se pueden soldar metales de distintos espesores. Se pueden soldar tuercas, tornillos y láminas con este proceso (figs. 28. lle y el), con proyecciones ob· tenidas por maquinado o forjado. También se considera como soldadura de proyección por resistencia ia unión de una red ele alambres (como las que forman canastas, parrillas, entrepaños ele hornos y carritos de compras), por las muchas áreas pequeñas ele contacto en las intersecciones de las redes (se ve en !a fig. 28.l le).
,,,, :,!
·¡,aw-
ym·"'-~·
(el)
(e)
~.~~~ ~·~
FIGURA 23.1"1 (a) Esquema de la soldadura de proyecciones por resistencia. (b) Un soporte soldado. (e) y (el) Soldadura de proyecciones por resistencia de tuercas, s,1lie11ies roscadas o birlos. l'uen/e: American Welding Society. (e) Rejilla con soldaduras de proyecciones por resistencia.
28.5.5 Soldadura a tope por presión En la soldadura a tope por presión se genera el calor en un arco entre los extremos de las dos piezas que co· mienzan a hacer contacto y producen una resistencia eléctrica en la unión (fig. 28.12a). Cuando se alcann [;1 temperatura adecuada y la interfase comienza a reblandecerse, una fuerza axial se aplica en forma contrnh· cla y se forma una soldadura por deformación plástica (recalcado) de la unión. Algo del metal (rebaba) es·~:' pulsado de la unión en forma de una lluvia ele chispas, durante el proceso. Como se forma un arco, este prnce:-:<> también se puede considerar como ele soldadura con arco. Durante esta operación se expulsan las impurezas y los contaminantes, por lo que la calidad ele la sol· claclura es buena. Sin embargo, puede ser que una cantidad importante ele material se queme y se elimine du· rante el proceso de soldadura. La unión se puede maquinar después para mejorar su apariencia. Las máql:in:h para soldar a tope por presión suelen ser automatizadas y grandes, con fuentes ele poder desde l O kVA a ! 500
kVA.
Posibilidades del proceso. El proceso ele solclaclura a tope por presión es adecuado para unir a tope o por las orillas o bordes de las láminas ele metales afines y no afines, de 0.2 a 25 mm (0.01 a 1 pulg) de espesor, y para unir a tope barras ele 1 a 75 mm (0.05 a 3 pulg) ele diámetro. Las secciones más delgadas tienden a pandearse bajo la fuerza axial aplicada durante la soldadura. También se pueden soldar a tope por presión anillos obtenidos con procesos de formado como los ele las ftgs. 16.22b y c (figs. 28.12b y c). Este proceso también se usa para reparar sierras de cinta rotas, usando soportes que se montan en el armazón ele la sierra.
·~
l!i
--
r~slado sólido
(a)
1
(b)
Sección 28.5 /Soldadura por resistencia
(b)
(a) Férula de
1 I
'
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Pcr~:D) r--<::- cerámico "
,-l.
yI
1.)-i
L~~-~:,':':J Pieza (metal base)
(e)
11
fa~1pujc
i Y <'
1""1
Arco
(d)
Mctaldc~
soldadura
sjun
>~ [___.e_ ..____¡
L~~
Secuencia de operaciones en la soldadura de diversos sujetadores sr:ibre placas metálicas.
(d)
e=::::=:-:]
c=:::~:J
Soldadura
~
FIGURA 23.13
!e)
811
perno~,,
para soldar barras, varillas roscadas y
28.5.7 Soldadura por percusión Los procesos de soldadura por resistencia que acabamos de describir suelen emplear un transformador eléc-trico pma obtener la corriente requerida; sin embargo, también se puede almacenar la energía eléctrica para soldar en Lm capacílor. En la soldadura por percusión (PEW, percussion weldíng) se usa esta última técnica, en b que se descarga la corriente en l a 1O milisegundos para producir altas temperaturas localizadas en la unión. Este proceso es útil donde se debe evitar d calentamiento de los componentes cercanos a la unión, como son los circLiitos electrónicos,
:Vfoi
pi0zos iubiilarns. d(:~ dise1lo f.)J((.,; ia
Bien
'1íiadir, por soldadura, v,1ríiias sólida''" (e; Piezas cardclerístius d tope por rm~sión. prodrKid,1s por soldadura a lope por prer;irjn_ id) Linc,:irnin111r,,
(di Procc:so de soldadura ,1 tope por p1esión para
El proceso de soJdadura a tope por presión se pueck: automatizar P).
Las guías de diseño parn superficies de acoplamiento en soldadura a tope se mucsiran en Ja fig. 28.12u. N6tese la importancia de la uniformidad de la sección transversal en el empalme
213.5.6
¡¡:,,,.,,.,..,,¡,.. Comparación de soldadura por resistencia y soldadura por rayo láser en !a fabricación de latas Los cnerpos cilíndricos de las latas de productos alirncnticíos y para el hogm, se han soldado con costura por resisKncia durante muchos años (unión de traslape sobre e! lado cílindrico). A partir de 1987 se int la tecnología de soldadura por rayo láser en la industTia de fabricación de lar.as. Las uniones se sueldan con láseres con la misma productividad que las soldaduras por resistencia, pero con las siguientes ventajas: l. En contrap()sición a las uniones traslapadas, adecuadas para la soldadura por resistencia,. en la soldadura con láser 'e usan uniones a tope: por consiguiente se ahorra aigo de materia. cantidad que, muitiplicada p()r los miles de millones de latas fabricadas cada año, representa ahorros muy importantes. 2. Corno las soldaduras con láser producen una zona afectada por el calor muy angosta (fig, 28.14; también fig. 27.161, se reduce el 1nargen de impresión (zona no impresa) en la superficie de la lata; en consecuencia, se pueden m¡;jorar el aspecto de la lata y su aceptación por el consumidor. 3. La unión de trasbpt: por resistencia puede corroerse por el contenido de la lata (por ejemplo, jugo (fo tomate); este efecto puede cambiar el gusHJ y causar potenciales responsabilidades. Uria unión a tope con láser eliínina este problema. Fuente: G. E Benedict.
pernos
La soldadura de pernos (SW, stud welding) llamada también soldadura de pernos con arco o soldudur11 de V(lril/as se parece a la soldadura a tope por presión. El perno, que puede ser una paite pequeña, una varilla roscada o(fig. una28.13). pija, es uno de los electrodos que se une a otro componente, que en el caso normal es una placa pbna
Sección transversal de Ja soldadura convencional -v---\
St~cd6n
transversal del cordón con.haz de
,/-···~-~de.soldadura
~tremes o Cün rayo lásef
Para concentrar el calor generado, evitar la oxidación y controner el metal fundiuo en Ja zona de la sui-dadura, se coloca en lomo a la unión un anillo desechable de cerámico, !a.férula (se ie conoce más como ':ferrula'' o El equipo para la soldadura de pernos puede ser automatizado con diversos controles para el arqueo y para aplicar presión. También se consigue equipo portátil de soldadura de pernos. En la soldadura de pernos por descarga de capacitor se produce un arco de corriente directa procedente de un banco de capacitores. No se requiere férula ni fundente, porque el tiempo de soldadura es muy cono, del orden de l a 6 milisegundos. La opción entre este proceso y el de arco de perno depende de factores como los metales que se van a unir, el espesor de Ja pieza, diámetro del perno y la forma de la unión.
e~
.,,,,-Sección 28.7 /Liga (soldadura) por difusión
812
Capítulo 28 / Proct":iOS de sokfodura en estado sólido
La interfase que se une por difusión tiene esencialmente las mismas propiedades físicas y mecánicas que el metal base. Su resistencia depende de a) la presión. b) la temperatura, e) ei tiempo de contacto y d) la limpieza de las wperficies de unión. Estos requisitos se pueden disminuir si se usa un metal de aporte en la in-
·(a)
(el)
(el
3B
terfase.En la liga por difusión se puede aplicar la presión con pesos muertos, con una prensa, con distintas presiones ele gas o por la dilatación térmica de las partes por unir. Se suelen calentar las piezas en un horno o con una resistencia eléctrica. También se usan autoclaves ele alta presión para unir piezas complicadas. Aunque este proceso se desanolló en la década de 1970, ha llegado a :;er tecnología moderna de soh'l<'.dura, pero el principio ele difusión elata de hace varios siglos, cuando los joyeros ligaban oro sobre cobre ;-''lra obtener la chapa de oro. Primero se produce una capa delgada.de hoja ele oro marti!lándola: después se pone el oro sobre el cobre y se coloca una pesa sobre el conjunto. Por último, e\ conjunto de coloca •oll un horno . donde se deja basta haber obtenido una liga fuerte. Posibilidades de! proceso. La liga por difusión se adapta más para unir metales disimilares; también se usa para metales reactivos, como titanio, berilio, circonio y las aleaciones de metales refractarios. así como para materiales compuestos. Como la difusión implica migración de los átomos a través ele la unión, este proceso de soldadura es más lento que otros. Aunque la sold
FIGURA 28.15
Esquema de! proceso de soldadura por explosión: (a) con espacio constante entre /o;s
caras y lb) con espacio angular entre las caras. (e) Secciones transversales de uniones soldadas por explosión. Acero bajo Girbono (arriba) y acero inoxidable (fondo).
para adecuarla y hacerla económica para producción en escala moderada. A menos que el proceso esté muy automatizado se requiere mucha capacitación y deslreza por parte cid operador. El costo del equipo se relaciona en forma aproximada y directa con el área ligada, y va de 3 a 6 dó2
2
lares por milímetro cuadrado ($2000/pulg a $4000/pulg
).
Ejemplo: Aplicaciones de la liga por difusión
2-S.6
SOLDADURA POR EXPLOSIÓN En la soldadura por explosión (EXW, explo~ion welding) se aplica presión detonando una capa de coxpJo:;ivo tendida sobre tino de los componentes que se van a unir (se llama aleta. figs. 28.l5a y b). Las presione> de contacto que se desarrollan son extremadamente altas, y la energía cinética de la placa que golpea la parte optiesta causa la formación de una interfase ondulada. Este impacto engancha mecánicamente las dos superficies (figs. 28. 1Sc y d). También bay wídadwd en frío por presión. debida a defonnación plástica (véase la sección 28.2). La aleta :se coloca en ángulo y cualquier capa de óxido presente en la ii¡terfase se rompe y es expulsada de allí. El resultado es que la resistencia de adhesión obtenida en la soldadura por explosión es muy alta. El explosivo puede estar en forma de hoja plástica flexible, cordón, granulado o líquido, que se Cunde o se prensa sobre la aleta. La velocidad de detonación suele ser de 2400 a 3600 mis (8000 a 12,000 pies/s); clerende del tipo de explosivo, el grosor de su capa y de su densidad de empacamiento. Hay una velocidad mínima de detonación necesaria en este proceso. La detonación se hace con una espoleta normal comercia!. Posibilidades del proceso. Este proceso se desa1rnlló en Ja década de 1940. Se adapta en especial para revestir placa o losa con metal disimilar. Se han revestido por explosión placas hasta de 6 m x 2 m (20 pies x 7 pies). Después, estas piezas se pueden laminar en espesores menores. Se pueden unir tubos a los orificios en los domos de las calderas y los espejos de los intercainbiadores de calor colocando el explosivo dentro del tubo: la explosión Jo expande. La soldadura por explosión es intrínsecamente peligrosa, por lo que requiere un manejo seguro por parte de personal bien adiestrado y con experiencia.
La Jiga por difusión se adapta en especial rr metales corno el titanio y las superaleac\oncs que.se usan \os avi(mcs militares. Las de diseiiopermiten 1a conservación de materiales estratégicos tosvs y b. reducción de costos de manufactura. El avión militar cicla fig. 28.16 tiene más de 100 parte• gadas ¡ior di[i.1sión. algunas de las cuales se indican
Cóocxíón de
La liga por difusión o soldadura por difusión es un proceso en el que la resistencia de la lmión se debe principalmente a la difusión (paso de átomos a través de la interfase) y en segundo lugar a la deformación plástica de las superficies de unión. Este proceso requiere temperaturas aproximadas de unos O.ST¡. donde T1 es el punto de fusión de] metal, en escala absoluta, para tener una velocidad de difusión suficientemente alta entre las piezas que se unen.
a.:..:ruador c;ncrno
(}t. \·" . l cJ>il~Y:~·~,; \ \_·•·:
(:dlii((\r1, /1•)
Conexión de:
<~., .......... // ,, ~<. / (__....--<:::::- - :-::::~~~~:: :o._..::::,,,_(,_,_. /~-
___)/
//-------~··-··-···/,
~. ~.-7.;_j ~/~
~ ···~··
./
. Ba;;ti~of de la c4bina .
28.7 L!GA (SOLDADURA) POR DIFUSIÓN
~.liL
/
.
/
Viga·de soporte c]e lá cabina ..
\ ~ ~ Muiión príndpál 4.H
, tren·de aterri:za:je': .·
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FIGURA 2lh16 ¡~,..
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Bibliografía
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C,Jpítulo '28 /Procesos de soldadura en estado sólido
o Entre Jos desarrollos importantes está la combinación de Jos procesos de liga por difusión y de formado superplástico. Se mejorn la productividad, así como la posibilidad ele fabricar piezas complicadas en
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Lámrna ccntnil
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(b)
~~~~~-~-D~e~<~pe~g~ad~o~
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forma económica. " Corno en todas Jas operaciones de manufactura, hay ciertos riesgos inherentes a las operaciones de soldadura. Algnnos se relacionan con la maquinaria y el equipo que se usan, y otros con la naturaleza del proceso. Siempre se deben tornar las precauciones adecuadas para Ja seguridad en las áreas de trabajo,
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donde se h
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Formado ~up(.;rplástico
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'" Como en otros procesos de unión, la tendencia en los procesos que se describieron en este capítulo es hacia la automatización, usando cada vez más controles computarizados y robots programables.
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" La liga por difusión combinada con el formado superplástico se está volviendo un proceso importante
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TENDENC\f\S
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Matn::
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de manufac1ura, en
en la industria aeroespacial.
E'tructura unal
Secuencia de operaciones 1~n ld fabri(ación de v¿¡rL:ts estructuras por ~iga por difusión y desput:s poi de láminas originalmt>nte planas. Fuentes: (J) Según D. Slephen y .S.J. Swad!ing. (b) y (e) Rockwc:I! lntern.J.iionaJ Corp. 2!.J;."rt7
formado
supc~rp!(istico
Soldadura de perno:::.
POR Dff
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¡pcon 1
0
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Alela -
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Un avaoce importante pcnnite Lt capacidad de fabricar estructuras de metal laminado combinando Ja ligo por dijúsió11 con el formado supe1piásúco (véase también la sección 16. J 2). En la fig. 28. 17 se veri unas ~-sirut> turas comunes en las que placas pfanas (casi .<;iempre) se ügan y forman por difusión. Después de ligar por difusión ciertos lllgares de las l;ín1inas, fas regiones no ligadas (de:-,pegadas) se expanden en un molde, mediante presión de aire. Estas estructuras son delgadas y tienen grandes relaciones de rigidez entre peso, por lo que son útiles en especial en aplicaciones de aviación y aeroespaciales. Este proceso mejora la productividad ;1] eliminar sujetadores mecánicos, y produce partes con buena precisión dimensional y bajos esfuerzos residuales. Hoy en dfa, la tecnología está bastante avanzada para estructuras de titanio (normalmente aleación Ti-6A1-4V) para aplicaciones aeroespaciales. Las estructuras hechas de aleación de aluminio 7475-Tó y otras aleaciones también se están desarrollando con esta técnica.
RESUMEN ,. Además de los procesos tradicionales de unión con soldadura de oxicombustible y de arco, hay varios otros procesos basados en la producción de una unión fuerte bajo presión y/o calor. <>
En algunos de esos procesos son importantes la preparación y la limpieza de la superficie. La presión se aplica mecánicamente o mediante explosivos. El calor se puede suministrar desde el exterigr, o se puede generar internamente, como en la soldadura por fricción.
Balón de soldadm a Colarninación Chapa de oro Férula
Formad.o surJcnJta:'.w:.o Liga (soldadura) por difusión Soldadura a tope por presión
Soldadura de por resistencia Soldadura de ptmLos con rodillo So"idadura de puntos por resistencia SolJaclura en estado sólido Soldadura en frío Soldadora por explosión Soldadura por fricción
Soldadura por fricción e inercia Soldadura por fricción lineal Soldadura por fricción y agitación Soldadura por percusión Soldadura por resistencia Soldadura por resistencia con alta frecuencia Soldadura ultrasónica Superncies ele unión
Soldadura de cosLura por resi.s1cocia
_______,--- .----------------------------------------BlBUOGRAJIA ASM Han.dbook, Vol. 6: Welding, Br"zing, and Soldering. ASM lntemational, J993. Bowditch, W.A., and K.E. Bowditch, Welding Technology Fundamentals. Gooclheart-Willcox, 1997. Cary, H.B., Modern Welding Technology (4th ed.). Prentice
Hall, 1997. Davies, A.C., The Science and Practice ofWelding (!Oth ed.), 2 vols. Cambridge University Press, 1993. Jeffus, L.F.. Welding: Principies and Applications (4th ed.). Delmar Publishers, 1997.
Jellison, R., Welding F'undamental.s. Prentice Hall, 1995. Messler, R.W., Jr.. Joining of Advanced Materials.
Butterworth-Heinemann, 1993. Nicholas, M.G., Joíning Processes: .lntroduction to Braz.ing and Diffusion Boruling. Chapman & Hall, !998. Too! and Manufacturing Engineers Handbook, Vol. 4: Qualily Control and Assembly. Society of Manufacturing
Engineers, J986. Welding Handbook (8th ed.), 3 vols. American Welding Society, !987.
1316
C:ipltulo 2tq /Procesos de soldadura en
t~sf,1.cJo :-;ólido Síntesis y dise11o
2S:J Explique qué quiere decir soldadura 28.2 ¿Qué es soldadura en frío?
L.:11
IH 7
28.30 Revise la fig. 28.3b y explique por qué se producen esas formas de zona de fusión (en función de la presión y la velocidad). Haga comcnta1ios sobre la influencia de las propiedades del material.
estado sólido.
28.31 Describa sus observaciones acerca de los lineamientos de diseño de soldadura en la fig. 28.12d. 28.32 ¿Se podría aplicar también el proceso de Ja fig. 28.10 a formas de piezas que no fuesen tubulares? Explique su respuesta y describa ejemplos específicos.
23.3 ¿Qué son las superficies de unión en los procesos de soldadura en estado sólido? 28.4 Describa el principio de soldadura ultrasónic:~.
28.33 ¿Qué aplicaciones podrían ser adecuadas para el proceso de soldadura por puntos con rodillo que muestra Ja fig. 28.9?
zg.5 ¿Qué ver.taja tiene Ja soldadura por fricción sobre otros métodos que se describieron en este capítulo? W.6 Explique la diferencia entre Ja soldadura por fricción y !a soldaclurn por fricción e inercia. 28. 7 Describa las ventajas y limitwciones de Ja soldadura por explosión.
28.34 Revise las publicaciones técnicas disponibles sobre soldadura por fricción y prepare una tabla de metales similares (afines) y disimilares, (no afines) y de materiales no metálicos que se pueden soldar por fricción. Haga comentarle~: sobre las resistencias relativas que se obtienen.
28.8 ¡,Puede aplicarse la colaminaeión a diversas configuraciones de partes? Explique cómo. 28.9 Describa el mecanismo de !a liga por difusión.
28.35 ¿Podrían fabricarse las piezas proyectadas soldadas por resistencüi Je !as figs. 28. 12b y e mediante cualesquiera d.: los procesos que se describieron en olros capftulos de este libro? Explique cómo. 28.36 Explique Ja diferencia entre la soldadura de costura por resistencia y la soldadura de puntos por resistencia.
21UO ;.Por qué la iiga por difusión es un proceso tan atractivo cuando se k combina con el !onnado snperplcístico de mcw. les laminados? ¿Tiene .c:tlgunas limitaciones? 23.U Describa el principio de los procesos de soldadura por resistencia.
28.37 ¿Podría usted usar alguno de los procesos descritos en los capítulos 27 y 28 para fabricar un tornillo grande soldan·· do la cabeza con el ·vástago·? (Véase la fig. 14. l lb.) Explique las ventajas y limitaciones de este método. 28.38 Se sahe que la energía necesaria en la soldadura ultrasónica se relaciona con e1 producto del espesor por la dureza de b piez::i. Explique por qué existe esa relación.
28.U ¿Qué ciase ele artículos son adecuados para la soldadura Je pernos? ¿Por qué'' 28., 13 ¡,Cuül es la ventaja de la soldadura por fricción linea/ soh11' la soldadura por fricción e i11crcia' 1
PROBLEMAS CUANTITATIVOS
Explique hes semejanzas y diferencias entre los procesos de unión descritos en este capítulo y Jos que se describieron en el capftu!o 27.
28.39 Dos láminas planas de cobre, cada una de 1.0 mm de 0spesor, se van a soldar por punto1:::, con una con-ienle de 50UD A y tiempo de paso de corriente de 0.25s. Los electrodos tienen S mm de diámetro. Estime el calor generado en zona de soldadura. Suponga que la resistencia e::; 100 µH.
i.Por :..iué se dcsnrroilan)n los proce:-:os descri1os en esto c.apítulo .> 28_,tq; Describa lo '-JUe observe en la fig. 2g_ 15
28.40 Calci~ie el aumento de lcmpera1Ura ~n el proh!crna 28.39, suponiendo que el calor generado se con.fina al vo!urnen material directamente .entre los dos electrodos redondos, y que la temperatura se distríbuye unifonncrnentc.
21U7 Haga um lista de las medidas de seguridad necesarias para aplicar los procesos de unión descritos en este capir!llo.
28.4] Calcule c1 intcrvrüo de las corrientes adrn1sibles en el problerna 28.39, si ia temperatura debe ser de 0.7 a 0.85 di.:' h Lemperatura de fusión del cobre. Repita este problcrna para acero ai earbono.
28.JH Describa !os factores que influyen sobre la resistencia de un componente a) ligado por difusión 21U9 Oescriba las fuentes de calor paro Jos procesos descritos en este capítulo. 28.21) Describa algunas aplicaciones de la soldadura ultrnsónica de costuras. que se ve en !a
b)
soldado en frío.
fig~ 28.2b.
28.2J Describa las Jilicultades que podría encontrar al aplicar soldadura por explosión en un ambiente industrial. 28.22 Re;"i.se los bordes (labios) cantos de una moneda de 251 de dólar y comente sus observaciones. ¿Son sm1dricas ias
capas? Explique sus comentario:-; y su respuesta.
2g.42 La energía aplicada en la solcfadura por fricción ¡.;e calcula con la fórmula E= !S2/C, sicrnJo l el momento de iner1:~~~ del volante, S ia velocidad de husillo en rpm y Cunu constante de proporcionalidad, que vale 5873 cuando e.l morr:i~,t• 2 lo de inercia .se expresa en !b-pic . P<.u·a una velocidad de husillo de 600 rpm y una operación en la que se suekb díL tubo de acero de 3.5 pulg de dj<:lmetro exterior por 0.25 pulg de espesor de pared, a una parte plana también de ac:;;ro. ¿cuál e::; d momento de inercia neci.::sario del volnnle. si toda la energía se emplea en calentar la zona de soldadt!ra, que aproximadamente es ~1 ele pulgada de espesor del material que está directamente abajo del tubo? Suponga ;¡tk: 1.4 ft-lbm se necesita para fundir el electrodo.
28.23 ¿Qué ventajas tienen los procesos de soldadura por resistencia 8obre los demás que se describieron en este capúulo" 7 28.24 Describa las propiedades de un punto o botón de soldadura. ¿De qué depende su resistencia? 28.25 Haga una lista de algunos productos que se puedan fabricar mediante procesos de soldadura por resistencia.
28.26 ciadura Describa algunas aplicaciones de Ja soldadura a tope por presión, algunas de la soldadura de pernos, y otras de la sol· por percusión.
SÍNTESIS Y DISEÑO
28.27 Describa algunas de las razones por las que se suele usar la soldadura por puntos en las carrocerías de automóviies Y en electrodomésticos.
28.43 Explique cómo fabricaría las estructuras de la fig. 28.17 con métodos que no fueran de liga por difusión y fonm,do superplástico.
28.28 ra Explique la importancia de la magnitud de la presión aplicada por los electrodos durante las operaciones de soldadupor resistencia.
28.44 Comente las limitaciones de tamaño y forma de la pieza, si es que las hay, para cada uno de los procesos descritos en este capítulo.
28.29 describieron Desc,iba la necesidad y el papel de los soportes en la sujeción de las piezas para las operaciones de soldadura que se en este capítulo.
28.45 Describa las partes que no se pueden unir con los procesos descritos en este capítulo. Describa ejemplos específicos. 28.46 Prepare una tabla con velocidades de soldadura en función de los parámetros relevwntes, para los procesos desc;itos en los capítulos 27 y 28. Haga observaciones y coméntelas. 28.47 Haga una descripción detallada de este capítulo, con esquemas de diseños posibles de uniones soldadas y de sus aplicaciones tecnológicas. Describa ejemplos específicos para cada tipo de unión.
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&rn
Capítulo 2n /Procesos de solcfadura en 0stado sólido
28A8 La sección 27. l O describió lineamientos generaies de seguridad en h1' operaciones de süídaclura. Para cada una de las operaciones que describimos en este capítulo prepare un cartci (pos1er) que en forma efectiva y concisa presente instrucciones específicas ele ¡mícticas seguras en b soldadura. Consulte las referencias al final del capítulo ]7 y las diver~as publicaciones del.National Safety CGuncil (Consejo Nticional de Seguridad) en Estados Unidos).
WA~' Haga una relación de recipientes metálicos para productos del hogar, alimentos y bebidas. Identifique los que hayan usado cualquiera de ios procesos descritos en los capítulos 27 y 2B. Describa sus 22.S(P Describa otros prot:csos que se puedan usar para fijar tubos
ob~.;crvaciones.
~1 espejos de intercarnbiadores de calor.
23.5] Describa cli.scños que no se puedan unir cnn procesns d.e soldadura por fricción.
28.52 Diseñe una máquina que pueda soldar pm fricción dos piezas cilíndricas y quitar la rebaba
2S.53 ¿Cómo modificaría so disefio en el problema 28.52, sl una de las piezas por soldar no
fu~ra circular?
28.54 Las láminas Alelad se fabrican con aleación de aluminio 5 l 82 que tiene ambos lados cuhicrto., con una capa de ala minio puro. La 5182 aporta gran resistencia. mientras que las capas externas de aluminio puro aportan buena resistencia a la corrosión (por su película estable de óxido); por lo anterior. el Aicl
a metalurgia de la soldadura; ise
sw; posibilidades sus costo.'.
29. I 29.2 29.3 294 29.5 29.6
e la soldadura lecci el proceso
Introducción !..a unión soldada Calidad de la soklc1dura Prueb.is de las uniones soldadas la soldadura y selección el{'\ proceso Diseño
--~11N1Rüouccló~1------------
--·-·------
En los capítulos 27 y 28 se describieron Jos principios básicos de los procesos de soldadura que usan fuentes de energía quimica, eléctrica, térmica o mcdnica. Se ve que el calt~ntamiento de las partes por soldar a una temperatura suficientemente alta como para producir una soldadura, implica c<.tmbios metalúrgicos y físicos en los materiales. Como describiremos en este capítulo, la resistencia, ductilidad y tenacidad de una unión soldada depende de varios factores. Por ejemplo, son importantes la rapidez de aplicación del calor y las propiedades térmicas de los metales, porque controlan la magnitud y la distribución de tempera·turas en la unión. La microestructura y el tamaño de grano de la unión soldada dependen de la cantidad de calor aplicado y del aumento consecuente de Ja temperatura, dd grado de trabajo en frío anterior de los metales, y de la velocidad de enfriamiento después de producir la soldadura. La calidad de la soldadura depende ele muchos factores, entre ellos de la geometría ele! cordón ele soldadura y Ja presencia de grietas, esfuerzos residuales, inclusiones y capas d<' óxido. Es esenciaí controlar esos factores para crear soldaduras confiables que tengan propiedades rnec,ínicas aceptables. El capítulo concluye con la presentación de lineamientos generales para un buen diseño de soldadura. y con una descripción de los factores implicados en la elección del proceso adecuado de soldadura para una aplicación determinada. 819
.,_---
820
Capítulo 29 /
L~1
metalurgia de la soldadura; diseiío de la soldadura y selección del proceso
29. 2 LA U1\JlON SOLDADA /
--
En una unión soldada por fusión característica se pueden identificar tres zonas distintas (como se ve en fig. 29.1):
l. Metal base.
-----------------"'""' Sección 29.2 /La unión soldada
(b)
(a)
2. Zona afectada por e! calor. 3. Meiai de soidadm·a. La metalurgia y las propiedades de l3 segunda y tercera zonas dependen fuertemente de los metales unj. dos, del proceso de soldadura y de los metales de aporte usados. si fueron empleados. así como de las vaiiab!es del proceso. Una unión producida sin metal de aporte se llama autógena y su zona de soldadura se compone del metal hase resolidijicado. Una unión hecha con metal de aporte tiene una zona central llamada 111eral de soldadura, formada por una mezcla de los metales de base y de aporte.
.·' ___ · O _ L_ ·. ~,
(a)
f------- ----'
Después de aplicar calor e introducir el metal de apone (sí es el caso) en la zona de la soldadura, se deja enfriar la unión de soldadura fundida hasta la temperatura ambiente. Ei proceso de solidificación se parece al de fundición, y comienza con la formación de granos columnares (dendríticos) (véase la fig. 10.2). Estos granos son relativamente largos y se forman paralelos al flujo de caloi: Como Jos metales son mucho mejores conductores del calor que el aíre que los rodea, los granos son paraleios al plano de los dos coni. ponemes que se sueldan (tig. 29.2a). En las figs. 29.2b y 29.3 se muestran granos en una soldadura supertlcial. La esirncturn y el tamo11o de ios granos dependen de la aleación específica, del proceso específico de soldadura empleado y del meta! específico de aporte. Comparado con los cordones de soldadura prodacidos con los mé1.odos ! radicionaies, el tamaño ele un cordón hecho con el proceso de haz de electrones o de rayo ¡,¡ser es mucho más angosto (véanse las figs. 27.16y28.14).
Los resu!r.J.do·; dependen de b aleación en particular, su composición y los ciclos térmicos a los qnr se .son1c1c unicín. Por ejemplo, ias velocidades de enfriamiento se pueden controlar (y reducir) si se p.recalíen .. ta la wna general de la soldadura mltes de soldar. El prccalen1amiento tiene importancia especial para meta-
(a)
L
---·!
~r.1 ~~~~'-, -==f155~·
29.2.1 Solidificación del metal de soldadura
El mela! de .·;oldadura :icné, una estrucwra de.fúndi<·ión y. corno se ha enfriado con lentitud, ¡iene granos bastos. En corn;ecuencia, en general esta estructura tiene lxtja resistencia. tenacidad y ductilirfad. Sin embargo ..la selección adernadn de composición del metai de aporte o de los tratamientos tfr. micos posteriores al proce.oo óe soldadura mejoran las propiedades mecánicas de la unión.
Eslructura de grano en (a) una soldadura profunda, (b) una soldadura superficial. Nótese que los granos del metal solidificado son perpendiculares a la superficie del metal base. En una buena soldadura, la línea de solidificación en el centro de la soldadura profunda ele la pieza (a) tiene migración de granos, con lo que se desarrolla una resistencia uniforme del cordón de soldadura.
FIGURA 29.2
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r-H::;URA 29.3 (a) Co1·dón de soldadura (en unJ cinta de níquel !aminada en frío) producido con rayo láse: (b) Perfil d2 rnícroclurezas a través del cordón de soldadura. l"iótese !as menores durezas del cordón 1 en comparación con las del meta! b2se. Fuente: llT Research !nstitute.
ie.s con gran conductividad térmica, como el aluminio y d cobre. Sin él, el calor producido durante !a w'da· dura es disipado rápidamente.
29.2.2 Zona afectada por el calor fusión (inclal de sokfodura)
Metal fundido de soldadura
g
-- Punto de fusión del metal base
E
1
8
...:_--<--·Temperatura a la que se afocta la microestruclura
~
Temperatura original del metal baqe
del metal base
FIGURA 29.1 Características de una zona de soldadura de fusión, como las que se forman en la soldadura con oxicombustible o con arco. Véanse también las figs. 27.16 y 28.14.
Lazan.a afectada por el calor (HAZ, hcat-affccted zone) está dentro del metal base mismo. Tiene micrnestructura distinta de la del metal base antes de soldar, porque se ha sometido a elevadas temperaturas dur:mtc cierto tiempo en toda la operación. Las porciones del metal base suficientemente alejadas de la fuente de calor no sufren cambios estructurales durante la soldadura. Las propiedades y microestructura de la zona afectada por el calor dependen de a) la rapidez de producción de calor y de enfriamiento, y 2) de la temperatura a la que ha llegado a esta zona. Esta zona, y su correspondiente diagrama de fases, para el acero con 0.3% de carbono, se ve en la fig. 29 .4. Además de los facto re:·: metalúrgicos, como el tamaño original del grano, la orientación de los granos y el grado de trabajo en frío aCTterior, las propiedades físicas, como el calor específico y la conductividad térmica de los metales, influyen so-
bre el tamaño y las características de esta zona. La resistencia y la dureza de la zona afectada por el calor dependen parcialmente de cómo se desarrollaron la resistencia y la dureza originales del metal base antes de soldar. Como se describió en los capítulos 2 4, pueden haberse desarrollado a) por trabajo en frío, b) por endurecimiento por solución sólida, c) por endurecimiento por precipitación o el) por diversos tratamientos térmicos. Los efectos de estos métodos de fortale-
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v·.d
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wn C1pílulo 29 ! Lii metalurgia ele !a soldad11ra; dise11o do la soldaciur;¡ y selección de! proceso
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Sección 29.3 /Calidad de la soldadura
, ,
1e
Liquido
,
29.3
,
!
Como resultado de una historia de ciclos térmicos y los cambios microestructurales correspondientes, una unión soldada puede desarrollar diversas discontinmidades. También, las discontinuidades en las soldaduras se pueden deber a una aplicación inadecuada o descuidada de las tecnologías establecidas, o por capacitación deficiente del operador. A continuación se describen las principales discontinuidades que afectan la calidad de Ja soldadura.
!LOO 90() 7(XJ
29.3.1 Porosidad
Fcrri1n. + cemL'.ntita 1
~-l.__
. . , , M 0.5
LO
2.0
3.0
DE LA SOLDADURA
1500 POO
_ ~· )ÜÜ
1
1
1;
-·
-1
1?oü
823
La. porosidad en las soldaduras es causada por a) gases desprendidos durante la fusión del área de soldadura, pero atrapados durante la solidificación, b) reacciones químicas durante la soldadura, o c) contaminantes. Li mayor parte de \aq uniones soldadas conlienen cierta porosidad, que en general tiene la forma de esferas o de bolsas alargadas (véase también la sección 10.3.6). La distribución de la porosidad en la zona de la soldadu .. ra puede ser aleatoria, o se puede concentrar en determinada región. Se puede reducir la porosidad en las soldaduras con las siguientes prácticas:
4.0
11 .. Je et, Contenido de carbono (%) ·-.........,---.-' .soktaclun1 Zona afectada
f.!GIJRA 29.'l Esquema de las diversas regiones en una zC>n,i soldada por fusión (y el correspondiente: de íases.1 con acero al 0.30% de carbón. Fuc•ntc.•· Welding Sociccty
diagram;¡
cimieoto son compíicados, y los miis fáciles de anaJáar wn CHjueUos yxio en frío, digamos por laminado o fo1::jado en frfo.
c011
los
qu~
base ha sido
"1. Selección adecuada de electrodos y metales de aporte. h. Mejores técnicas ele soldadura, corno el precalentar la zona de la unión o aumentm· l
El calor aplicado durante la soidadura recristaliza los granos alargados del metal base trabajado en friu, porque cambia w orientación preforencial. granos alejados del metal ele soldadura rccristalúan ·-'l.·1 forma granos finos equiaxiaics. Los granos cercanos Gi metal de soídaclm·a, por otra prirte, se han sometido a ¡x,ra1urns elev;;das durante más tiempo y en consecuencia crecen. Este crecimiento hace que esa región .sea más s11ave y tenga menos resistencia.
La unión .será 1mís débil en !a zon;; afcc:ada por ci C
soldauw éi donde se :.:r:c11
Los efectos del calor en la zona eí calor de uniones con metales disimilares y con illeacio·· ncs endurecidas por otros métodos, son lan complejos que salen del alcance de este libro. Se puede encontrnr más información en los textos indicados en ia al final de este capítulo.
flGURA 29.5 Corrosión intergranular de un tubo de acero inoxidable 310 :;oldado. clespué.s ele exponerlo una solución cáustica. La línea de soldadura esta al centro de id t01ografia. de barrido electrónico a 20X. Fuente: cortesía de 13. R. Jack, ;\Jlegheny ludlu111 Steel Corp.
c . Limpieza adecuada y evitar que entren contaminantes a la zona de la soldadura.
ti;i,';;¡ ..
:1
Reducir
29.3,2
las velocidades ele la soidadurn, dejando tiempo para que escape el gas.
de escoria Las inclusiones de escoria son compuestos con10 óxidos, fundentes y 1nateria1es de recubrirniento de ele~tro-· dos, que quedan atrapados en la zona de la soldadura. Si los gases ele protección no son efectivos durante la so 1dadura, también puede contribuir a esas inclusiones la contamiaación por el ambiente. Son importantes condiciones de la soldadura. Con las técnicas adecuadas, la escoria fundida nota a la superficie de! inetal elido y no quedan aprisionadas. Se pueden evitar las inclnsiones de esco1ia con las siguientes medida<;: a. Limpiar la superficie de un cordón, antes de deposi.tar la siguiente capa, con un cepillo de alambre (de mano o eléctrico). b. Proporcionar suficiente gas de protección. c. Rediseñar la unión para permitir el espacio suficiente para la correcta mmüpulación del botón de mcrnl fundido de soldadura.
29 . 3,3 Fusión y penetración incompletas Lafusión incompleta (falta de fusión) produce malos cordones de soldadura, como los que se ven en la fig. 29.6. Se puede obtener una mejor soldadura con las siguientes prácticas: a. Elevar la temperatura del metal base. b, Limpiar el área de la unión, antes de soldar.
c. Cambiar el diseño de la unión y el tipo de electrodo. d. Proporcionar suficiente gas de protección. La penetración incompleta se presenta cuando es insuficiente la profundidad de la unión soldada. Se puede mejorar la penetración haciendo lo siguiente:
-a24 Capi!ulo 29 /La metalurgia de la soldadura; disc11o de la soldadura y sP.lección del proceso Sección 29.3 /Calidad de la soldadura
(a)
82S
(b)
do o agudo. puede funcionar como concentrador de esfuerzos y reducir la resistencia de la unión a la fatiga, y en estos casos puede causar una falla prematura. El traslape (fíg. 29. 7b) es una discontinuidad en la superficie que normalmente se debe a una práctica deficiente del soldado y a la elección inadecuada de los materiales. En la fig. 29. 7c se ve una buena soldadura.
29.3.5 Grietas
Metal ba~e
(e)
Soldadura.
Fusión im:ompJeta en solc.Ltdurns de bise!;
Las grietas se pueden presentar en varios lugares y direcciones, en el área de la soldadura. Los tipos característicos de grietas son longitudinal, transversal, en cráter, bajo el cordón y junto al cordón. (fig. 29.8). Estas grietas son el resultado, por lo general, de una combinación de los siguientes factores:
a B se le suele llamar "puente ...
a. Gradientes de temperatura que causan esfuerzos térmicos en la zona ele soldadura. Fusión incompleta en una soldadura de ranur.:¡
Cordones ele soldadura de baja calidad, resultado do fusión incomp/ct.i. Welding Sociely.
flGURA 29.6
:(t.
l:J. Variaciones en la composic[ón en la Z0na de soldadura, que causan distintas velocidades ele contracción. c. Fragilización de los límites ele grano (sec:ción 1.4.3), causada por la segregación de elementos como el azufre a los lírnii:es de grano, conforme el límite sólido y líquido se mueve cuando comienza a solidificar él metal ele soldadura.
Arnnentar c1 suministro de ca.lor.
d. Fragilización por hidrógeno (sección 2.10.2).
Reducir ia velocidad de avance durante fa operación de soldado. e.. Cambiar el disefio de la unión.
e. lncapacidad del metal de soldadura para contraerse durante el enfriamiento (fi.g. 29.9):. es un caso ru· recido a las grietas de contracción que se desarrollan en piezas fundidas. y se relaciona con restricciones excesivas de la pieza (vease la fig. 10.1 l ).
d. Asegurar que ajusten bien las superficies por unir.
·29
Las giietas se clasifican en calientes y frías. Las grietas de calor se presentan cuando la unión está vfa a temperatura elevada. Las grietas frías se desarrollan después de haberse soliclificaclo el metal de solcladurc:. Las medidas básicas parn evitar las grietas son las siguientes:
ele la El perfil de la soldadura es importante, no sóio por sus efec(os sobre la resistencia y la apariencia de
so).
d1tclurn, .sino también porque Jas soldaduras de varias capas.puede indicar una fusión incompleta o !a prc0cncia de inclusione'.-; de csc,,ri;;, en (fig. 29.7a). La faií.1 de Jlermdn resuila cuando la t111i6n no se ílen2 con fa canddacl correct;1 del metai de sokhdura
El socavado o socavamien(o (fig. 29.7b) se debe a la fusión y aJ alejamiento clei metal ele base y ia generación consecuente ele un surco con la forma de una penetración o muesca. Si un socavamicnro es pmfun·
ª"
Cambiar el diseño de la unión para minimizar los esfuerzos de contracción durante el enfriamiemo.
h, Cambiar !os parámetros, procedimientos y secuencia del proceso de soldadura. flGUf
(b)
(a)
---r-,.....,..DJJ
i'!GURA29.7 Society.
Esquema de diversas discontinuidades en Lis soidaduras de fusión.
/~
Welrli;ig
I' ~\\fY\
rkJ:lLulJ
·- Metal
ba~e
l/~ 1
Grietas de cráter
(e)
1
Grieta junto al cordón
...
~
H26
Sección 29.3 /Calidad de la soldadurct
Capítulo 29 /la met;i,!urgia de la soldadura.: diseño de la sokbdura y selecciól"I del proceso
327
(b)
(<1)
;¡ -
~T- -; l
Cordón
e~ _____I
Cordón
Contracción transven:ial
flGURA 29.9 Crieta E'n un cordón de soldadura, debida a que no se dejaron contraer Jos dos componentes después de haber terminado lci soldadura. Fuente: S. L. r\lleiley, Packer Engineering Associates, lnc.
c. Precaliente los componentes por solcl
,d(~
Distorsión angular
r~·
Contracción 1ongirudinal
Eje neutro
L¿Jb1
\uiicii:1'iii'5li,1Jc'5ccí·,;Jfüi1:llii/:;._ Cordón
f!GURA 29.rn Distorsión de las piezas después de soldarlas: (a) uniones a tope; lb) uniones de bisel. La distorsión se debe a dilatación y contracción térmicas diferenciales ele las distintas partes del conjunto soldado.
Evite e! enfJjan1iento rápido de los componefltes soJdados. (a)
(b)
Esfuerzo
r!..:~,idual
describir !<1 m1iso1ropía de los metaics dcfc.rmados plóslicamenlc (sección l.SJ se dijo que . debido al aUncamicnto cic !w; impurezas no metálicas y /;;:; inclusiones (fifasJ. b pieza es 1í1{\s débil cuando se prw:hr, .·n rnimtdos. perpendicul.Jr a .su e~pesor. Esta condición queda a1 descubierto en placas y perfiles estruci:u¡·aJes laAl .solclar esos componentes, se jl1Jedcn producir h()/emniemos o s<;paracioncs de capas por cn11i r1ic¡Jc: los componentes i!l!novilizados en la cstmctura durante el enfriamie1110. Estas rasgaduras se p11cden evitar permitiendo 1'1 contracc1ón de las parles, o cambiando et diseño de la unión para guc el cordón ele soidadura penetre con rnJs profundidad c1! componente mú~ débiL Esl·1.1cr70'J rcsiduaies desarrollados cd soldar unct unión .et ("Ope. Fueníe: 1\1r1crican
VVeld!ng Society.
13Jgwms metaies pueden salpicar durante la soldadura, y depositarse en forma de pequeña;, gows sobn: las stiperficies adyacentes. En los procesos de soic!adurn con arco el electrodo puede tocar, en fonna inadvcnida. la.s piezas que se sueldan en lug:u-es distintos al cordón (golpes de arw). Esas discontimlidacles .';1.1períicialcs puc::den ser indeseables por nJzoncs de aparíenci;1 o de uso posterior de la pieza \nldada. Si son graves, estas di;conlinuiciades afectan en forma adversa las propiedades de las eslructurns soldadas, en especial en metales sensibles a la muesca. Es importante usar las técnicas y procedimientos correctos para evitar dañar la superficie.
293.8 Esfuerzos residuales Por el calentamiento y enfriamiento localizados durante la soldadura, la dilatación y contracción del área de unión causa esfuerzos residuales en la pieza (véase también la sección 2.1 !). Los esfuerzos residuales pueden causar los siguientes defectos: a. Distorsión, pandeo y torcimiento de las partes soldadas (fig. 29. J 0).
IJ. Agrietamiento por corrosión bajo esfuerzos. c. Mayor distorsión, si después se quita una paiie de la estmctura soldada (por ejemplo, por maquinado o aserrado). d. Menor duración a la fatiga.
La clase y distribución de los esfuerzos residuales se describe mejor refiriéndose a Ja fig. 29.11 a. Cuando ~;:e sueldan dos p1acas, una zona larga y angosta se somete a ternperaturas elevadas) mientras que las placas en su conjunto están esencialmente a la temperatura ambiente. Después de terminar ele soldar. y a medidc; que pasa el l:iempo. ei calor de la zona ele soldadura se disipa en dirección lateral hacia las placas. mientrns seo enfría la zona de la soidadLLra. Por Jo anterior. las placas comienzan a dilatarse en sentido 1ongitudinai, mientras que la longitud soldada comienza a contraerse. Estos dos efectos opuestos causan esfuerzos residuales que se distribuyen (en el caso típico) como se ve en la fig. 29.l lb. Nótese que 1a magnitud de los esfuerzos residuales a la compresión en las placas bajan hasta cero, en un punto lejano del área ele la soldadura. Como sobre las placas soldadas no actúan fuerzas <~X ternas, las fuerzas de tensión y compresión representadas por estos esfuerzos residuales deben balancearse una con otra. En las estructuras soldadas complicadas, las distribuciones ele esfuerzos residuales son tridimensionales y, en consecuencia, clifíciies de analizar. El ejemplo anterior implica dos placas CLLyo movimiento no está restringido; en otras palabras, las placas no son parte integral de una estructura mayor. Si, por otro lado. se restringe su movimiento, se generarán esfuerzos ele reacción, porque las placas no son libres para dilatarse G contraerse. Este caso se da en especial en estructuras ele gran rigidez.
..........-
82'9
Sección 29.4 / Soldabilidad
828
C:i.pítuJo 29 /La metalurgia de la soldadura; disef"ío de la soldJdura y selección del proceso
29 .3. 9 Relevado rle esfuerzos en las soldaduras
En l
problemas causados por Ios esfuerzos residuales, como distorsión, torcimiento y agrieramiento, se pue. den reducir ¡¡recalentando el metal base o las partes que se van a soldar. El precalentamiento redLtce Ja distorsión, al reducir la velocidad de enfriamiento y la magni.tud de los esfuerzos térmicos (porque módulo de elasticidad). Esta técnica también reduce la contracción y d posible agrietamiento de Ja unión. Para obtener resultados óptimos, se deben controlar las temperaturns de precalentamiento y las vcloci. dacles de enfriamiento, con cuidado, para mantener una resistencia y tenacidad aceprnbles en la estructura soldada. Las piezas se pueden calentar de varias formas: en un horno. eléctricamente (por resistencia n por inducción), o, para secciones delgadas, por fuentes radiantes o chon-os de aire caliente. La temperatura y cJ tiempo requeridos para el relevado de esfuerzos dependen del tipo de material y de la magnitud de los esfuerws residuales que se desarTollan. Otros métodos para relevar esfuerzos son el granallado, el martiilado o el hminado por la superficie del cordón de soldadura (véase la sección 33.2). Estos procesos inducen esfuerzo.'. residuales de compresión, qtie reducen o eliminan los esfuerzos re:;iduales de tensión en la soldadura. Con las soldaduras ele varias capas, no se deben rnartilhr el primero y e! último cordón, para protegerlos contra los posibles daños por golpes. También se pueden nólevar o reducir los esfuerzos residuales deformando plásticam.ente la e:;trnc'.ura, en una pcquefü1 cantidad. Por ejemplo, esta 1écnica se puede aplicar en recipientes soldados a presión, somc:•éndolos a presión interna (esforzándolos en prueba). Para reducir Li probabiíidad de que suceda una fracwra repentina bajo alta presión interna, la soldadura se debe liacer en forma correcta, y debe estar libre de muescas y discontinuidades gue pudieran actuar corno puntos de concentración de esfuerzos. Además de precalcntadas para relevar esfnerzos, las soldaduras se pueden tratar térmicamente con otras técnicas, para modificar algunas propiedades. Entre esas técnkas están el recocido, normalizado, ten1plado y revenido de los aceros, y el tratamiento por soiubilizacjón y envejecimiento (e:stabiEzaclón) para diverr:>as aleaciones (capítulo 4).
Aceros al carbono: La soldabilidad es excele11te para Jos aceros al bajo carbono, de regular a buena pa-
¡¡.
ra los aceros al medio carbono y mala para los aceros al alto carbono. b. Aceros de bajll aleación: La soldabilidad es parecida a la ele los aceros al medio carbono.
c. Aceros de alta aleación: La soldabilidad es buena en general. bajo condiciones muy controladas. d. Aceros ino.údables: Se pueden soldar con varios procesos. e. Aleaciones de aluminio: Son soldables con fuentes intensas de calor. En general se considera que las alc,1ciones de aluminio que contienen zinc o cobre no son soldables (véase ia sección 6.2). f. Aleaciones de cobre: Su soldabilidad es parecida a la de las aleaciones de aluminio.
g. Aleaciones de magnesio: Son solclables si se usan gases y fundentes de protección. h. A!eacio;;es de níqu.el: Su soldabíliclad se parece a la de los aceros inoxidables.
i. Aleaciones de titanio: Son soldables cuando se usan gasel> de protección en forma correcta. j. Tántalo: Su so!dabílidad es parecida a la. del titanio. k. Tungsteno: Es solclable bt\io condiciones muy controladas.
i. Molibdeno: Su soldabilidad es parecida a b del tungsteno.
m. Niobio (columbio): Tiene buena soldabilidad.
de unión* TABlA 2'9,il
Soldadura fuerte
------¡-
--------·--·"~-------
s G F G O D F E L ¡.¡¡sMCTPEE rFFRBBTF!RD A A A ' \ A A S G R wwwwWWB BBB B wwWVvWW ww X
UDl\D L:: .i·oidabilidari, ofacilülod de soldado de un meta! se suele definir con10 la capacidad de ser sokh~do en i;na e.sLructura e:)pecífica que tenga dertas propiedades y carQcterísticas, y que cumpla eo 'fnn1w satisractoria con los requisitos de servicio. La soiclabilidad implica una gran cantidad de variables, por lo que es difícil generalizar. Como hemos visto, las caracLerísticas de! material (como por ejemplo los elementos ele aleación, im· purezas, inclusiones, la estructura de grano y ta historia de procesamiento) del m¡;lal base y del 111e1.al de apmte son importantes. Por los efectos de la fusión y la solidificación, y por ios cambios correspondientes en la microestructura, es esenc.ial tener un conocimiento profundo del diagrama de fases y de la respuesta del metal o de la aleación a las temperaturas elevadas durante un tiempo determinado. También influyen sobre la soldabiliciacl las propiedades mecánicas y físicas como resistencia, tenacidad, ductilidad, sensibilidad a Ja muesca, módulo de elasticidad, calor específico, punto de fusión, dilatación térmica, características de la tensión superficial del metal fundido, y resistencia a la con-osión. Es importante la preparación de las superficies para soldar, así como la naturaleza y las propiedades de las películas superficiales de óxido y los gases absorbidos. El proceso de soldadura que se emplee afecta mucho las temperaturas que se producen y su distribución en la zona de la soldadura. Hay otros factores como los gases protectores, fundentes, contenido de humedad de los recubrimientos de los electrodos, la velocidad de avance, la posición de soldar, la rapidez de enfriamiento y el precalentamiento, así como las técnicas pos· teriores a la soldadura, como son el relevado de esfuerzos y el tratamiento térmico.
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Acero al c~!fbono
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Acero de baja aleación
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de hierro
Níqtiel y sus aleaciones
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(continúa en la
'·
iid'?F
.,......330 Sección 29.5 / PruebZts de las uniones soldadas
831
ganizaciones, como la Sociedad Americana de Prueba de Materiales (ASTM), la Sociedad Americana de Solc!aclura (AWSJ, la Sociedad Americana de Ingenieros Mecánicos (ASME), la Sociedad Americana de Ingenie-
,,,, L B V./
M¿]tcrial AlumíJJioy
T B
F l R B B B
D B
R B
F B
ros Civiles (ASCE) y diversos organismos federales. Las uniones soldadas se pueden probar en forma destructiva o no destructiva (véanse tmnbién las secciones 36.9 y 36.10). Cada técnica tiene ciertas posibilidades, limitaciones y confiabilidad ele sensibilidad, y requiere determinado equipo especial y determinada destreza del operador.
;.,us alL•;icione:::
M T
29,5.1 Técnicas destructivas Los métodos comunes de prueba de uniones soldadas, en forma clestrucliva, son los siguientes:
Titanio y :-~us
aicactunes
i"meba de tensión. Se 11acen pruebas de tensión longitudinal y transversal en probetas obtenidas de las uniones realmente soldadas y del área del metal de soldadura. A continuación se obtienen curvas de esfuerzo-deformación con los procedimientos que se describieron en la sección 2.2. Estas curvas reprcsentcm la resistencia de cedencía (de fluencia. Y), resistencia última a la tensión (lJTS) y ductilidad de la unión so!dd-
M
T Cobre y
.'iU~.
a!e:.tciom::~:
X
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da (alargamiento y reducción de área) en distintos lugares y direcciones.
X
T :VIJ~~ncsio ;w~
y
ll'rneba de teN'lsión y cortante. En la prueba de tensión y cortante (fig. 29.12 a y b), los especimene:(probetas) se preparan especialmente para simular las uniones soldadas y los procedimientos reales. Estos especímenes se someten a la tensión, y se determina Ja resistencia del metal ele soldadura al cortante. así como
;:;
:.ik;icione.,, l
i\11 T
d lugar de la fractura.
Ale:ici<>ne;;
Prneba de flexió1n, Se han establecido varias pruebas de flexión para determinar la ductilidad y resistencia de las uniones soldadas. En una de ellas, el espécimen soldado es flexionado en torno a un so¡YJrtc(prueba de dohlado en contorno, fig. 29.13a). En otra, los especímenes se prueban enflexión transversal eu tres pw110s (fig. 29, l3b; también fig. 2. l la). Estas pruebas ayudan a determinar la ductilidad y resistencia re-
rc!";Jc!an::;s
M
sólo como p(·;rspcc1iv.1 (,,.n,.,,.,,¡ ._,.., 1r,Jorrn;.1c1ó11. 1· rfl'i/I(' i~or:L'c.l.1
/\1
:~dt~cciona1
/(Js
prni..:e.-,:o.~
por u.srir c:>n L1kaci0ncs
e~;pecific;1~;- d
Jeclor dcbt~
con:-.ull~11
1at1vas de 1as nnione:-; soldadas .
de i\rncrican Wcldrng Seci1.'t/
--- . - - -
-
Soltiadum con arco
~·--
(b)
-· --- -· dd ·-·
y n;c¡·aj
--~··
jH"1)legido
(shicidl:d 1ncu.1l-arc wclding) --.'-;(il,bdur;¡ con arco suntergido i,:;ubinergccl cm: wt·lding} (_jlVL'\'Y/ ---Sokladur,t Je arco. rne(ai y f.'..',~:> metal-are '."lcldingJ
--So!d:idur;1 con arco y núcJco de J'undenlt· (fl¡¡x-ccired are weJding) G·l:!.úV - -Soldadura co11 arco de tungsteno y gas (gas tungsten-urc we!ding) Pi\W -·--So!dac!uru con arco de plasma (pia~ma are welding) ESW ··-·.Soldadura de clcctroe:,rnria (elcctroslag wclding) UCW··-Soldadura de eleclrogas (eJcctrogas welding) R"\\i ___ So(dadurn por resistencia (re::;ístance wckJing) FW .. -SoJd,¡dura a tope por presión U1ash welding) OFVv'--.Soldadura con oxfgeno y combustible gaseoso
(oxyfucl g;:J.s welding)
S--Lúrni11a: has1a J mnt ( l!X pul/{1
FRW--.Snldndura por fr1cci6n (fricti(in welding¡ EBW-..,Soldadu1u con haz tk clccLrnnes
i----intcnn1Ylin: 3 el() rnn-1 ( ]/g
;_¡
J/.'.J puig)
f!Güll:A 29.U
(cJccLron bean1 welding)
f.J-rW~--·Solcbdura con
royo hlser
M
(laser beam wc!ding)
TB---~.Soldadurn fuerlc ~1
TransYcrsal ·¡ ·· · ( irueso: l 9 mrn \]/4 ptlg) u
soplc:tc
1n;ís
(torcb wc!cling,1
FB---Soldadura fuerte por horno (fumact~ brazing)
í'!GllRA 29.13
DB"-Soldadura fuerte por inmersión (dip brazing) fRB--Soldadura fuerte por infrarrojo (infrared bra7i11g) DFB--Solí.ladura fuerte por difusión (difossion brazing) S-E.-:;tañado {soldering)
----
-----------·------
--
29.5 PRUEBA DE LAS UNIONES .SOLDADAS Corno en todos los procesos de manufactura, la calidad de una unión soldada s,e determina con pruebas. Se han establecido varias pruebas y procecli miemos de prueba normalizados; se pueden conseguir en muchas o;·-
(a) Prueba de flexión alrededor. (b) Flexión en tres puntos, de especímenes
soldados, véase también la fig. 2.'! 1.
iB-Soldadurn fuerte por inducción (induction ·brazing) RB---SoJdadura fuenc por resistencia (resistance brnzing)
DFW----So!dadur.::i. por difusión {difussion •Nclding) ·---·--
Dos tipos ele
probetas para probar tensión y cortante en uniones soldadas.
íVlcdio: 6 a!) mm í i/4 a 11-'f pulg)
(a)
(b)
332
Ja
C.-ipítulo 29 /La mela!urgia de
soldadura; di serlo de la soldadura y ~elección del proceso
l
Sección i9.6 /Diseño de !a so!dadura y se(ección de! proceso
Prneba de tenacidad a la fractura. Las pruebas de tenacidad a Ja fracturn suelen ser por impacto, v ·l: se describieron en la sección 2.9. Primero se preparan las probetas para la prueba de Charpy de muesca en\;, ·1·,.. y se prueba su tenacidad. Otra prueba de tenacidad es la de caída de peso (o masa), en la que la energía es su. ·' ministrada por una pesa que cae. :.
zg.5.2 Técnicas no destructivas Con frecuencia se deben probar las estructuras en forma no destructiva, en especial en aplicaciones cliücas donde la falla de la soldadura podría ser catastrófica, por ejemplo, en los recipientes a presión, en miembros estructurales de carga y en centrales eléctricas. Las técnicas de prueba no destructiva para uniones soldadas consisten, en general, en métodos a) visuales, b) radiográficos, c) partículas magnéticas, d) líquido penetrnrn-
,, l'rnebas de corrosión y terml}fluenda. Además ele las pruebas mecánicas, se puede probar la resis-
te y e) ultrasónicos. En la sección 36.9 se describen los detalles de estas pruebas. También lu prueba de la distribución de hl dureza en la zona de la soldadura puede ser buen indicador de la resistencia y los cambios en la microestruc-
tencia a Ja corrosión y a la de termofluencia de las uniones soldadas. Por la diferencia de composiciones y microestruduras de los materiales en la zona de soldadura, puede efectuarse una corrosión preferencial en ella (véase la fig. 29.5). Las pruebas de termofluencia son importantes para determinar eí comportamiento ele las uniones soldadas a ternperaturas elevadas.
tura de la soldadura.
29.6
Prueba de los puntos de soldadura. Las uniones soldadas por puntos se pueden probar para determinar la resistencia del botón, y las pruebas son las :;iguientes (fig. 29. 14):
3. 1brcinrnie:nto. 4. De8p;rendimiemo (peei). (Véase también b 11g. 30.8).
l
Como son fáciles de hacer y no son costosas, las pruebas de tensión se suelen usar en las instalaciones manufactureras. Las pruebas de tensión transversal y torci!nlento pueden revelar imperfocc.iones, grietas porosidad en el área de soldadura. La prueba de desprendimiento se usa con frecuencia para láminas delgadas: después de doblar y desprender la unión se observa la forma y d !:amaño del botón de soldadura desprendido.
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1..
(d)
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,.5':::<~~..j'
., La configuración de los componentes o estructura por soldar, y su espesores y tamaños. " Los rné1.0dos de manufactura de los componentes. " Los requerimientos de servicio, por ejemplo, el tipo de carga y los esfuerzos generados. " La ubicación, accesibilidad y facilidad de soldar. " Los efectos de distorsión y descoloración.
e La apariencia. " Los costos implicados en la preparación de los bordes, la operación de soldar y el posproce.samie"w v.: 'ia unión, incluyendo los costos incurridos en operaciones de maquinado y acabado.
1
:;:JGUt~A 29:14 (..;) Pi-ueba de tensión y cort~nw·~ par;.i soJdJduras de puntos. (b) Pnwb;-1 de i·ensión transversal. de lorcitniento. (d) Prueb2 dc-i dcsprendiniienl.o. Véase tambíén ¡a {ig. 30.íl. ,/""~
soldada y del proceso de soldadura intervienen las siguientes consideraciones:
!
(e:) Pruelx1
(¡1}
O!SEl~O DE LA SOLDADURA Y SELECCIÓN DEL PROCESO Además de las características de los materiales que se han descrito hasta ahora, en la selección de una unióG
ll
1. Tensión y cortante. 2. Tensión tr:msvcirsal.
///,..,;'i
Corno en lodos los procesos de manufactura, la mejor elección es la que cumple con lodos los re1yis:tos de disci'ío y de servicio a un mínimo costo. En la fig. 29.15 se ven algunos ejemplos de característic~'s ele soldadmas; en ellos se subraya la necesidad de considerar con cuidado los factores que han sido sei'íabc:, ,,., HGURA 29.15 Lineamientos de diseño de soldadura. Fuente:). G. Bralla (Ed.), Handbook of Product De,.ig
(0.._ . ,..;::/·""
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Incorrecto
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(b)
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833
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Jncnrrccto
1
Queda un orificio
"""C;J
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El diámetro del botón indii::a la i:alidad
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(a)
1
(d)
Carga-~·~~
f J
No cortado
(e)
~scuadra
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Corn::1.tn
JZ ,
~~:,',1:,·~l
'1
(e)
(b)
'"~
+
Correcto
(!)
-· _, ~ea~::;~J~ ~.----~ .. r
......---834 Capítulo 29 /La metalurgia de ia soldadura; di serio de I« soldadura y selección del proceso
Resumen
835
Ejemplo: Selección del diseño de la soldadura Costura
A tope cun presión
XXX
i
En la fig. 2q.17 se ven tres disciJos distintos de soldadura. En la ilustración (a;, Jas dos uniones verücak~, pueden soldarse externa o inlcrnamenlc. Nótese que una soldadura externa a.todo lo largo requiere bastante tiempo. así con10 tnás material que e! discfio alternativo, que consiste en cordones internos 1niermiten.les. /\dcrn:ís, con este método alterna1ivo. mejora la apariencia de la estructura y se reduce Ja distorsión. En la ilustración (b) se puede demostrar que el díscfio ele la derecha soporta tres vecc~s el momento M qne el de la d.;rcclrn. Nótese que ambos diseños requieren la misma cantidad de mdal de aporte y de ticm·
-------------------soldaduras de tapón
pode soldadn. En la ilustraciún 1e), la soldadura ele la izquierda requiere m1ís o menos el doble de cantidad de mate 1 rüll de aporte que d diseño ele la derecha. Nótese también que, como se debe maquinar rná:< 1ciaterial. c diseño de la izqu[c:·da necesitará mús tiempo de preparacíón en el borde, y se desperdicia más metal base.
para
de h1 soldadura,
(h)
la)
- Símbolo de :;oJdadur.:i en campo
Sfrnbolo de soldar alrededor S1.~ld:1dur::-,
Símhoío básico de soidadurn, o refcrenci;i a dcL1llcs
?:9,.16
lde11lific1cón y
¡e) '"'""'wuo en Ja.'i urnones o de ranura en J.
bas~
hi.'11:l
sírnl.;olo:, est<·u1dar de .sokiJdurti. Rannra. de mi bisel
puc~de
ser costoso,;¡ menos que se automatice. Se debe st:ieccionar el lugar de la soldadura para evi::ir demasiados esfuerzos o concentraciones de esfucrz.os, en la estructura soldada, y en segundo término, para tener buena apariencia.
#J,. Lo;, componentes deben empatar bien antes de soldarlos. El método para preparar los bordes (como asenado, maquinado o corle) puede afeclar ia calidad de la soldadura.
e, Algunos diseños pueden evitar o minimizar la necesidad de preparar el borde. d. El tamaño del cordón de soldadura debe ser el mínimo, para abonar el metal de soldadura. e. Se debe seleccionar el lugar de la soldadura para que no interfiera con el procesamiento posterior de ia parte o con el uso y la apariencia pretendidos. Símbolos de soldadura. Etr los planos y dibujos se suelen emplear símbolos normalizados, para describir el tipo de soldadura y sus características, y se muestran en la fig. 29.16. Con ellos se identifica el tipo de soldadura, el diseño de la ranura, el tamaño y la longitud de la soldadura, el proceso, la secuencia de ope·· raciones y otra información adicional. En las referencias mencionadas al final de este capítulo se pueden encontrar más detalles acerca de esos símbolos.
~
..........._______
de dohlc bisel
FíGURA 29.17
line;,micnios generales de diseíio se pueden resumir corno sigue:
ª' El disefio de[ producto debe reducir al minirno la canliclacl de soldadura, porque esk proceso
R;tmir~1
RESUME!'! *
La metalurgia de la unió11 soldada es un aspecto impm1ante de todos los procesos de soldadura, porque determina la resistencia y la tenacidad de la unión. La unión soldada consiste en metal solidificado 5' en una zona afectada por el calor; cada parte tiene una grnn variación en su microestrnctura y propiedades, que depend0 de los metales que s.:: unen y en los metales de aporte. " Debido a los grandes gradientes tétmicos en la zona ele soldadura, la distorsión. los esfuerzos residuales y las grietas pueden ser problemas graves. "' Se pueden soldar y unir metales y aleaciones con una diversidad de procesos. La soldabilidad depende mucho de la composición, operación de soldado implicada y del control de los par:ímetros de soldado. Entre las consideraciones importantes están el diseño de la unión, la preparación de la superficie, Ja o las atmósferas protectoras, el aspecto y la calidad de !a soldadura, y las pruebas de las uniones soldadas, para establecer la seguridad y la fiabilidad. " Hay lineamientos generales disponibles que ayudan en la selección inicial de los métodos adecuados y económicos de soldadura para aplicaciones en particular.
836
C1p1lulo 29 /
L~i meta/mgi;1 de !a solcL-1dura; disefío rle la soldadura
y selección del proceso
837
Problemas cuantítativos
TENDENCIAS 29.6 ¿Qué es soldabilidad?
" Se estudian en forma continua las características y propiedades de la unión soldada, con aleaciones de alta resistencia recientemente desanolladas.
29.7 Explique por qué ilay que precalenlar algunas uniones antes de soldarlas. 29.8 Haga una lista de las regla.s para evitar agrietamientos en las uniones soldadas. 29.9 ¿Cómo .se pueden detectar las grietas bajo el cordón?
" El aseguramiento de la calidad y la confiabilidad de Ja unión, continúan siendo temas importantes en los procesos de soldadura y en su desarrollo.
29..10 ¿Cómo se pueden evitar 1as inclusiones de escoria al soldar?
"' Las técnicas de soldadura para estructuras aeroespaciales de aluminio, y para aleaciones recién desarrolladas, se investigan en forma continua.
29.ll Explique qué causa la fusión incompleta. 29.12 ¿Qué se debe hacer si una soldadura tiene llenado incompleto''
" Continúan siendo área importante en la investigación los métodos no destructivos de evaluación de las uniones soldadas. Tiene importancia especial en este respecto la reinspección de las estructuras soldadas existentes que puedan haber estado sometidos a conosión bajo tensiones y/o fatiga, como por ejemplo en los aviones a través del tiempo.
TÉRMINOS CLAVE Discontinuidades Esforzamiento en pmeba Esfuerzos residuales Falta de llenado Fusión in.coi.npkta
Golpes de arco Hojeamientos
29.l3 Describa los inconvenientes de a) el llenado incompleto y b) el sobrellenado.
PROBLEMAS CUALITATIVOS 29.14 ¿Cuáles son las semejanzas y diforencias entre la fünclición de metales (capítulos 10 y 11) y la soldadura por füsión?
29.15 Explique el efecto de Ja rigidez de los diversos componentes que se sueldan, sobre los defectos de la soldadura. Inclusiones de escoria Metal base Mctai de soldadura Penetración incompleta Peitil de la soldadura
Poros.idad Prneba de tcn8ión transversa}
Prneba de tensión y cortante Prueba de torcimiento Relevado de esfuerzos Soeavado Soldabilidad Traslape
Zona af•;;ctada por el c¿¡1or
29.16
Dc~criba la soldabilidad de varios metales y explique por qué algunos son más fáciles de soldar que otros. En ra!, el hietTo colado es difícil de soldar, ¿Por qué?
gcm~-
29.17 ¿Debe tener d metal de aporte la. misma composición que e] meta] que .se va a LUJ.ir? Explique su respuesta. 29.18 Explique los factore0 que contribuyen a que aparezcan diferencias en las propiedades a través de una unión soldaJa. 29.19 Comente sus observaciones '>obre la fig. 29.14. 29.20 De~criba los factores que forman el costo de la soldadura. ¿Cuál de los costos es difícil de minimizar? 29.21 Describa sus observaciones acerca de las figs. 29.3 y 29.4.
i3i8
29.22 ¿Cómo cnmbia la soldabilidad del acero a medida que aumenta su contenido de c.arbono7 ¿Por qué?
RAFÍA
29.23 De:.:.criba sus observaciones acerca de los lineamientos de diseño de soldaduras, ilustrados en la fig. 29.15.
A5'Jvl f-fandhook, VoI. 6: We!dillg, Brazing, mu! Soldering. ASM lnternational. 199.1.
Cary, H.B., Afodern We!ding Ji::chnolog.v (4th ed.). Prcnlicc Hall. 1997. Croil. D .. ffeut Publishing LLd., 1996.
WooclhcaJ
Davies. A.C., The Science and Pruclice ofWtiding (IOth ed.J. 2 vo!s. Cambridge Universüy Pre~s, 1993. Evans, G.ivJ.. and N. Bailey, /Vle1allurgy qf'Basic Weld Meted. vVoodheod Publishing Ltd., 1997. Ga!) en, J., G. Sear, and C. Tuttle, l/vélding: Fundamental.v and P1vcedures. Wiley, 1985.
Granjon, H .• Fundamentals ofWelding Metallurgy. VVoodhead Publishing, 1991.
!niroduction tu íhe Nondestructii1e 'Testing of YVe!ded Joints (2d e:d.). American SocieLy or' l\1echanicnl Engüw8rs, 1996. Jcffus, LE, Welding: PrinctjJ/es and Applications (4di ::::d.). Dclmar Publishers, J997. Jcllison, R., Welding Fundanu:ntals. Prentice Hall, 1995. Kou, S., Welding Metallurgy. Wiley, 1987.
Lancaster, J.F.. Metallurgy qf'H'<:lding. Chaprnan & Hall, 1993. Mouser, J.D .. Welding Cod('s, ,)'Jondard'i, ami 5/;enjications. McGraw-Hill, 1997.
Stou~ R.D., Weldabi!ity ~fSteds. Wdding Research Councii, 1987. We/ding Handbook (Sth ed. ). 3 vols. American Welcling Sociely, J 987. Welding In1pection. American Welding Society, l 980.
29.24 En la fig. 29.11 suponga que la mayoría de la porción de arriba de la pieza superior se corta horizontalmente cnn un~i sierra. EnLonce.s se perturbarán los esfuerzos residuales y, como se dijo en la sección 2. l i, la pieza sufr1rü cambio de forma. Para i.:~ste caso, ¿cómo cree usted que se distorsione la pieza: curvándose hacia abajo o hacia arriba? Exp\iql't'. su respnestt:t (VéJ-.;c: también el problema 2.42 y la fig . .'.2.29d). 29.25 En el texto dijimos que se puede evitar la fusión mcompleta si se proporciona suficiente gas de protección. Exp~i~ptc c6mo afoclan los gases de protección a la fusión. 29.26 ;,Por qué al prccalentar las piezas se reduce la posibilidad de agrietamiento? 29.27 Si se debe soldar mucho en una parte, ¿se debe hacer Lodo de una vez, o poco a poco y dejar tiempo suficiente µar::: que enfríe, entre cordón y cordón? 29.28 Describa las razones por las que las failas por fatiga se presentan con frecuencia en las zonas afectadas por el en las soldaduras, y no en el cordón mismo de soldadura.
29.29 Si se precalientan los materiales que se van a soldar, ¿aumenta o disminuye la probabilidad de porosidades? Fxplique porqué. 29.30 En las pruebw·; de soldadura de puntos que se ven en la tlg. 29. !4. ¿cuáles .serian las razones por las que hubiera de soldadura en la interfase de los dos componentes, en lugcu· de formar un botón resalado, como en el e::;quema (cri( >! :
PREGUNTAS DE REPASO PROBLEMAS CUANTITATIVOS 29.1 Describa las propiedades de una soldadura de füsión e identifique sus distintas regiones. 29.2 ¿Cuáles son las características de la zona afectada por el calor? 29.3 ¿Qué quiere decir calidad de la soldadura? Describa los factores que influyen en ella. 29.4 Desc1iba los tipos comunes de discontinuidades en las soldaduras. 29.5 ¿Por qué son importantes los esfüerzos residuales en las partes soldadas? Describa los métodos para relevar o reducir eso.s esfuerzos.
29.31 Revise los dos diseños de soldadura en la fig. 29. l 7b. Con base en Jo que ha aprendido en las clases de resistencié! de materiales, o de mecánica de materiales, demuestre que el diseño de la derecha es capaz de soportar un momento externo mayor, como se indica en la figura. 29.32 Grafique la dureza, en la fig. 29.3b, en fünción de la distancia a la superficie superior y describa sus observacrnnes.
¿~I l'.1
;T H3S
i
Capítulo 29 /La melcilurgio. de la soldadurJ; diseflo de i,t ::.old,1dura y selección del proceso
-·---------------·--···---29.33 ;,Hay factores comunes que afecten la soldabiiidad. facilidad de colado. formabiiidad y mac¡uinabilidad de los meta. les? Presente la explicación con ejemplos adecuados. 29.34 En la fig. 29. 17 se ven rrcs diseños distintos de soldadura. Revise las publicaciones acerca de discilos de sokladura y dc.<.:criba varios otros ejemplos en los que se deben hacer esas elcccione0, po:r diversos motivos. 29.35 Suponga que se ie pide inspeccionar una soldadura cuya aplicación es crírica. Describa el procedimiento que seguj. ría en b inspección. El tamaño de la parte o estructura que inspecciona. ¿tendría alguna influencia sobre su método'' Explique por qué. 2.'fl.36 Si encuentra usted una imperfocción en una unión soldada durante una inspección. ¿cómo haría para determinar si la imperfección es importante? 29.37 Los aguilones de cstructurn, para grúas. se fabrican con pe1fücs estructurnles soldados entre sí. Tbdo torcimiento que haga que el aguilón se desvíe de la recta reduce mucho su capacidad de carga. Haga una investigación bibli0gráfica acerca de los métodos para reducir a! mínimo 1a distorsión por soldadura. y pd.rn corregirla, en la conslrncción de aguilont:s de estructura o ele armazón. 29.33 Una práctica l'recuemc para reparar partes costosas rotas o gastadas. como por ejemplo. cuando se rompe un fragmcnLo de una pie;~a fo1:jada, es rellenar la zona con capas de cordone:s de soldadura. y después maquinar la parte ha~:ta ~us dimensiones origiria!es. Haga una lista de prec]uciones que .sugeriría usted n alguien que .:1rlique este rnélodo. Un nrnrco sokbdc, ~;e debe Je,.)armar primero para después repararse (volviendo u soldar ,\..iUS dirnlcntos rccome!1durla para desannar y preparar rx1rn :-;okl<-w?
elr~rnentos). ¿Qu~ pmrt>
l 1
I
Soldad ra erte, soldadura blanda, adhesión y procesos de sujeción mecánica 30.1 3CU
30.3 30 ..~ 30.5 30.6
Introducción Soldadura iuerie Soldadura blanda Unión adhesiva Sujeción 111ecá11ica Unión de plásticos
i En casi tudos los procesos de unión descitos en los capítulos 27 n 29, los metales que se van ;¡_ un_~r se calienLm a ternperaturas elevadas por diversos métodos~ para causar fusión o liga en ia u1Ú\}r1. ;, si queremos unir materiales que no pueden resistir altas ternperaturns. como por ejemplo. compcncntcs electrónicos? ¿Y si las piezas por unir son delicadas o intrincadas, o están hechas con do,; o 1r1:ls matcr)ales con características:. propiedades, espesores y secc.iones transversales n1uy diferente:.":' En este capítulo se describen primero dos procesos de unión, soldadura fuerte y solr:lut:t'n blanda, que permiten aplicar menores temperaturas que las necesarias para soldar. Primero se pun,;n o se suministran los metales de aporte a la unión; después se funden con una fuente exterm1 ci Jor. Al solidificar se obtiene una junta fuerte. La soldadura fuerle y la blanda se distinguen. en ma arbitraria, precisamente por la temperatura. Las kniperaturas para la soldadura blanda son ll'•c.nore:; que para la soldadura foerte. y la resistencia de una unión con soldadura blanda es mucho me1wr. En este capítulo también se describen técnicas ele unión por adhesión. El antiguo m;Et0do ele unir piezas con pegamentos derivados de animales, que se emplea en etiquetado, empacado y <0nnwdemación, se ha desarrollado hoy como una importante tecnología con extensas aplicaciones en las industrias aeroespacial y otras más. Todas las uniones que se han descrito hasta ahora son ele naturaleza permanente. En muchas aplicaciones hay casos en los que las partes unidas se deben separar, para reemplazarlas, darles mantenimiento, repararlas o ajustarlas. ¿Cómo separar un producto sin destruir la unión? Si se necesitan uniones que verdaderamente sean no permanentes, pero tan fnertes como las uniones soldadas, la solución obvia es recurrir a métodos mecánicos, como tornillos. tuercas y otros sujetadores diversos, parecidos.
839 .-:
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Sección 30.2 /Soldadura fuerte 840
IM'i
Capílu!o 30 / Soldaciura fuerte, soldadura bl;inda, udhesión y procesos de sujeóón mecJnic:i
a diferencia ele los que se usan en otras operaciones de soicladura, tienen en general composiciones muy dis .. En este capítulo también se describen las ventajas y limitaciones de las técnicas de sujeción mecánica. Con este capítulo concluye nuestTa descripción de todos los métodos que se usan con frecuencia para unir
30.2 SOLDADURA FUERTE La .\O/dadurafúerte es un proceso en el que se coloca un metal de aporte en o entre las superficies de unión. y se eleva la temperatura lo suficiente para fundir el metal de aporte pero no las piezas (fig. 30. la). El metal fundido llena el espacio, que tiene un ajuste estrecho, por acción capilar. Al enfriar y solidificar el metal de aporte se obtiene una tinión fuerte. La palabra proviene de latón, (si se refiere al término en inglés bearing), palabra arcaica que significaba endmecer. y c¡ue se empleó desde el año 3000 o 2000 a.c. Hay dos tipos principales de soldadura fuerte: a) la soldadura fuerte (latonada) ordinaria, que ya describimos, y b) Ja soldadura fuerte por oxi-gas y material de aporte (fig. 30.1 b), en la gue el metal de aporte es depositado en la unión con una técnica parecida a la soldadura con oxígeno y combustible gaseoso. Los metales de aporte para la soldadura fuerte se funden aiTiba de 450ºC (840ºF). Las temperaturas que se emplean en la soldadura fuerte son inferiores a los puntos de fusión (temperatura de solidus) de !os metales a unir. La resislencia de la unión soldada depende de a) el diseño de Ja unión y b) la adhesión en las interfases entre las piezas y el metal de aporte. En consecuencia, las superficies por soldar deben lirnpi"rse química o mecánicamente para asegurar la total acdón capilar: por ello es importante usar un fundente.
30.2.
cuando eso sucede se destruye la unión.
30.2 .2 Fundentes En la soldadurn fuerte es esencial usar fundentes, para evitar la oxidación y eliminar las capas de óxido de la:' snpeificies de las piezas. Los fundentes de soldadura fuerte están hechos de bórax, ácido bórico, boratos, fknruros y cloruros. También se pueden agregar agentes humectantes para mejorar las características ele mojarrücr;to del metal de aporte fundido y su acción capilar. Las superficies a soldar deben estar limpias y libres de óxido. aceite y otros contaminantes. Son esenciales las superficies limpias para obtener las características adecuadas de humectación y difusión del metct1 de aporte fundido en la unión, y para desarrollar la resistencia máxima en la unión. También se puede usai· soplado con arena (arenado) para mejorar el acabado de las superficies de unión. Como los fundentes son corrosivos, se deben remover después de soldar, por lo general lavándolos con agua caliente.
30.2.3
Metales de Eústen vario~) rnela/es de aporte disponibles (ni.eta/es de soidadurafúerte), con :;us intervalos de ternperati1ras de soldar (1.ahla 30. J ). Se surninistran t;n diversas forrnas como alambre., aniHos, bandas y hmadurns. Son importantes la elección del metal de aporte y su composición, para evitar fragilización de la unión (por penetración dd me~.al líquido en los lfmiícs de grano), formación de compuestos intermetá.Ecos frc:ígiles en ]a unión (sección 4.2.2) y corrosión galv~lnJca en la unión. Nótese que los metales de aporte para !a soldadunl fuerte, 7
f=liGURA 30.1
tintas de la del o los metales que se van a unir. A causa de la difusión entre el metal de aporte y el metal de base. las propiedades mecánicas y metalúrgicas de una unión pueden cambiar en el procesamiento posterior, o durante el servicio ele un componente soldado. Por ejemplo, cuando el titanio se suelda con estaño puro como metal ele aporte, es posible que ei estaño se difunda por completo en el titanio base, por envejecimiento subsecuente o tratamiento térmico:
Operdt.io1ws (el) de sold--tdtirct fuerte y (bj sokfadura fuE;~rle con oxi-g2s.
(a)
(b)
Latón, meta! dL' aporte
Metal base
de
fuerte
Los métodos de calentamiento usados lambién identifican los diversos procesos de soldadura fuerte, como ren1os a continuación.
Sokfadm.a foerte con soplete. La fuente de calor en la soldadura fuerte con soplete es oxicombu.;·:cblc con llama carburizante (fig. 27. lc). La soldadura fuerte se hace calentando primero la unión con el te y después depositando la varilla o alambre de soldadura en la tmión. El espesor adecuado de las partes entre los límites ele 0.25 a 6 mm (de O.O l a 0.25 pulg). En este proceso se puede usar más de un soplete. Aunque se puede automatizar como proceso de producción, es dificil controlar la soldadura fuen1~ c;1n soplete y se requiere mano de obra capacitada. Este proceso también se puede usar parn trabajos de rw<1ra .. ción. El equipo básico para soldadura fuerte manual cuesta alrededor de 300 dólares, pero puede incrementarse hasta 50,000 dólares para los sistemas automatizados.
Sokladma foewte al horno. En la soldadurafúerte al horno se limpian primero las piezas y después se precargan con el metal de soldadura en configuraciones adecuadas (f'ig. 30.2) antes de llevarlas a un horno. Los hornos pueden ser intermitentes, para formas complicadas, o continuos, para graneles produccio,;c'<.
1ABi.A 30.1
Metales de aporte normales para unir diversos metales aleaciones con soldadura fuerte
Metal base Aluminio y sus aleaciones Aleaciones de magnesio Cobre y sus aleaciones Ferrosos y no ferrosos (excepto aluminio y magnesio) Aleaciones a base de hierro, níquel o cobalto Aceros inoxidables, aleaciones base niquel y cobalto
~:
Metal de aporte Aluminio-silicio Magnesio-aluminio Cobre-fósforo Aleaciones de plata y cobre, cobre-fósforo Oro Niquel-plata
Temperatura de unión CC) 570-620 580-625 700-925 620-1150 900-1100 925--1200
FIGURA 30.2
Ejemplo de soldadura fuerte al horno: (a) antes, (b) después. Nótese que el metal de aporre
un alambre formado (a)
(b)
842
Ccipi"lu!o JO/ Soldadura fuerte, sokfodura blanda, adhesíón y proceso~ de-' :-:.ujE:'ción mecánica
en especial para piews pequeñas con diseños sencillos de unión_ Para metales que reaccionan con el ambicn. te se usan hornos a! vacío o atmósferas neutras. !\To se requiere mano de obra especializada, y se pneden soldnr formas complicaJas porque todo el conjtmlo se calienta uniformemente en el horno. Los costos de los hornos varían mucho, desde unos 2000 dólares para hornos sencillos e intennitentes, basta más de 300,000 dólares para hon10.s Lontinuos a! vacío.
Soldadura foerrte por inducdón. La fuente de calor en la inducción es una corriente alterna de inducción, de :.i.tta frecuencia (véase 1a sección 4_ i 2.5). Las piezas se precargan con metal de aporte y se colocan cerca de las bobinas de inducción. donde se calientan con rapidez. A menos gue se use una atmósfera protectora, se l!Snn fundentes. Los espesores de las piezas suelen ser menores que 3 mm (0.125 pulg)_ La soldadura fuerte por inducción .se adapta en especial para el proceso continuo (fig. 30.3)_ Ei coslo de las unidades pequeiías es unos I0,000 dólares.
So~dadura ftJJerie por res~stenda.
En la resistenciu. Li fuente de calor e.s la rc:)Jstenciu eléctrica de los componentes por soldar. Para este rnétodo se usan electrodos, casi c0n:io en !a soida.Jura por resistencia. Las partes se precargan con metal de aporte, o bien éste se suministra externamente durante el soldado. Las partes que se sueldan con este proceso tienen espesores de 0.1 a 11 mm (0.004 a 0.5 pulgi. Como ea ei proceso por induccí6n, el de resistencia e~- rápido y calienta zonas que se pueden confinc1r a
So~da.d1Ln·a fu:err~e por imners~ón ..La soldadurajúer1e por inmersú)n se hace sumergiendo los ·::onj:.rn·iu.', por soldar en un baño de mct<.d de aporte fundido. o bit::n en un bailo de sal fundida (sección 4. l 2 ..3') a una temperatura justo arriba dci punto de fusión del metal de apone. De <:'.ste modo ~e cubren todas las superficies Ja pieza con el melal de aporte. En consecuencü1, este método sólo se usa con partes pequeifas . cumo lú<.damhrc y conexiones. por J-n genen:d rr,cnores de 5 {0 ..2 puig) de diúme!ro o espesor. I b;ifio~. s;ll fundida. que también funcionan como fundentes, se usan con conjuntos compJicados donde ha~ 1 cl!~ti.u
r:os
y
e:~pesore.s.
SegLíü ci tam(:Jiío de lzis piezc.is y dd h;.tho. se pueden J-wccr ha.'-;t~l ! 00() uniones a con fucri.c irnncrsion. cns·~o Ó\..'.! varía rnucho, ~!000 iws1a m::!s ck 200,000 equipo m'1s c:os1nso incluye divcn;as funciones conlro!adas por cornpuladora.
"''"""'''"a fuerte víla fuen1e de caior en fa so!dadurofuertt: viu inf:''Orroja es una hímpara ele cuarzo de gran inlensidad. Este proceso ,r,;e adapta en especial para soldar componentes nn1y delg~Jdos. por 10 generai de menos de 1 mm (0.04 pulg) espe~or, incluyendo estructuras en p;rnal (secci(.ui i ()_J.::¡.)_ Lct
Secckm 30.2 /Soldadura fuerle
energía radiante se enfoca en la unión y el proceso se puede c-fectuar en el vacío. El costo del equipo va de 500 a 30,000 dólares.
Soidadma fuerte por difosió11. La soldadura.fúerte por difusión se hace en un horno cloncle, con el control adecuado de la temperatura y el tiempo, el metal de aporte se difunde en las superficies ele unión de lns componentes por unir. El tiempo de soldadura requerido puede fluctuar de 30 minutos a 24 horas. La soldadura fuerte por di fusión se usa para obtener uniones resisterites traslapadas o a tope, y para operaciones clifíciles ele unión. Como la velocidad de difusión en la intedase no depende del espesor de los componentes, el grosor ele las piezas puede ir clescle láminas hasta 50 mm (2 pulg). El costo del equipo está entre 50,000 y 300.000 dólares.
30.2 .4
fuerte por o xi-gas La unión en la soldadurofuerte por oxi-gos se prepara c01no en ia soldadura por fusión (véase el capílulo 27 ). Se usa un soplete oxiacetilénico con llama oxidante y se deposita el metal de aporte en la unión (véase la fig. 30. lb), rnús que por acción capilar (como en ia soldadura fuerte ordinaria). En consecuencia. se usa bast:am:c rmis metal de aporte que en el latonado. Sin embargo, 1as Lemperaturas en la soldadura fuerte son en gencrai menores qne en la soldadura por fusión, y es mínima la distorsión de las pieza~. En este proceso es esencial usar un !"undcnte. La aplicación princip1Ji dd !<1tornJdo es para tralx\jos de rnantenirniento y repuración, CGlTlO por ejernplo en pi.e.zas ferrosas fundidas y en cmnponcntes de acero.
proceso de
30.2.5
fuerte
En la fig. 30.'4 se ilustran uniones soldadas caracterfsücas. En general se pueden unir m.etaks disi1nitares con buena re.~.is~encia de unión; los productos frecuentes son pastillas de carburo para taladros e insertos de carbu·ros en z(m.cos de acero (véase la fig. 22.23f). La resis1encia al corte de fas uniones soldadas puede lk:gar a los goo IVíPa ( l 20 ksi.) cuando se usan aleaciones de unión con plata (soldadura de plata) Se pueden unir formas 1ig_e~·as e inu·incadas, con poca distorsión. Este proceso se puede autrnnatiz2~r para en1plear1o en producción ea
rnasa.
HGURA 311.4 Diseños de unión de uso frecuente en operaciones de soldadura fuerte. La holgura entre las dos partes que se sueldan es un factor importante de la resistencia de la unión. Si es muy estrecha, el metal fundido de solda.dura no penetrará en la interfase. Si es demasiado grande 1 habrá acción capilar insuficiente
para que el metal fundido llene la interfase.
Bohma de rnducci{1n
Guía
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lartesc1ue V"11 a""soldar
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lf~~ FlGURA 30.3 Esquema de una instalación de soldadura fuerte continua por inducción, para tener más productividad. Fuente: ASM lnternotional.
843
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Capltulo 30 /Soldadura fuerte, so!dadur¡¡ bl¿1ndo, ;:idhesión y procPsos de su¡eción rnecánicc-1
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Secció11 30.3 /Soldadura blanda Bueno
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Otras técnicas son las siguientes: h. Solc!adura blanda por ultrasonido, en el que un transductor somete a la soldadura fundida a cavilación ultrasónica, con lo qne se quitan las capas de óxido ele las superficies por unir, eliminando así la necesidad de fundente.
1
cottante
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Mt1y•)O • aJ • ca area
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1 ..
i. Soldadura blanda con pasta. j. Soldadura blanda con olas.
Mejora se e! dis, eno cuando ¡- -
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345
Las dos últimas técnicas ele soldadura blanda son muy distintas de las demás y se clescriben con más de·· talle en las siguientes secciones.
) considera Up f Je carga por. f::1~~~or :;,a
1
Soldadura blanda con pasta Espacio insuficiente de adhesión
FIGURA 30.5 Ejemplos de buenos y mJlos diseños de unión para soldadura fuerte. Fuente: 1\mericrn \Nelding
Society. .) 1' ')
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para soldadura fuerte Como en todos los procesos de unión. en la :;oldadura fuerte es importante el diseüo ele la unión. En la fi,Q.. 30.5 se ven algunos lineamientos ele diseño. Las uniones resistentes requieren mayor área ele contacto en la soldadura fuerte que en la normal. Ei espacio característico de unión en la soldadura fuerte va dC' 0.025 a 0.2 mm <0.001 a 0.008 pulg). Estos espacios libres deben ajustar con un margen de tolerancia dinknsionai muy pequeño, porgue mayores holguras reducen Ia resistencia ele Ia unión. Se pueden requerir diversos soportes es.v~cia!es para mantener unidas las piezas durante esta soldadura; algunos de elios tienen '\ÍUSteco para ia dilal.aciún y la contracción térmica.
Las pastas de so!daciura son partícul8s de metal unidas por agentes fundentes, aglomerantes y hmnectantcs. Estas ¡iastas tienen consistencia semisólida, con alta viscosidad. pero pueden mantener una forma definida durante largo tiempo; en este aspecto se parecen a las grasas y los betunes de pastele1ia. La pasta se coloca directamente sobre la unión o sobre objetos planos, con detalle fino, y se pnedc api ¡_ car con un proceso de tamizado o ele estencil, como se ve en la fig. 30.6a. Las plantillas se usan con mue:"' frecuencia durante el ensamblado de componentes eléctricos a las tarjetas de circuito impreso. Una ventaja aui· cional de este método es que ia wnsión SL1perficial de la pasta mantiene los conjuntos de montaje superficial alineados en sus bases; esta propiedad mejora la confiabilidad de las uniones soldadas. Una vez que la pieza se ha colocado y ensamblada la unión, se calienta la pasta en on horno y se efectúa el proceso de soldado. En este proceso se calienta el producto en una forma controlada para que suc,c,j,, la sigLJienle secuencia de eventos:
1, Se evaporan los sol vemes que hay en .la pasta . 2. Se activa el fundente en la pasta y se produce Ja acción de limpieza. 3. Se precalientan con cuidado los componentes. 4. Las partículas de soldadura se funden y humedecen la unión.
BLANDA En la soldadura blanda, al metal de aporie se le llama soldadurn de bajo punto de füsión y se ti.mde a temperatura relativamente baja. Como en la soldadora fuerte, en la soldadura blanda ésta llena la unión por acción capilar entre los componentes que ajustan estrechamente o están próximos. Así, las características importantes de las soldaduras son gran capacidad de humectación y baja tensión superficial. Las fuentes
!J. Soldadura blanda al horno. c. Soldadura blanda c011 cautín, con el uso de pistola de soldar. d. Soldadura blanda por inducción. e. Soldadura blanda por resistencia.
f. Soldadura blanda por inmersión. g. Soldadura blanda via infrarrojo.
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5. El ensamble es enfriado a baja veiocidacl para evitar cboques térmicos y fracturas de la unión solchir., Si bien este proceso parece directo, hay muchas variables en cada etapa. y se debe mantener un buen control de temperaturas y exposiciones en cada paso parn asegurar la buena resistencia ele la unión.
30.3.2 Soldadura blanda con olas La soldadura aplicada por olas es un método muy difundido para fijar componentes ele circuitos en sus tarjetas. Para entender el principio de aplicación de este método es imprescindible comprender que la soldadt
'-~'::f;t, ..T''· ~··., ..
<$4.:J Capituln :JO/ Sulrfaclu1,1
{11,,rte,
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soldadura hir.incia,
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(ci)
(!}
Sección 30.3 / Solcladu1a blanda (e)
HGURA 30.6 (confirw
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rnasc;iri!la
Enrnl.sJón
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Arc;,1 de contacto
Cuando se deben soldar paquetes de montaje superficial con ola se deben adherir a la tarjeta de <;ircaitos antes de comenzar el proceso de soldado. Este pegado se logra aplicando epóxico con plantilla o est
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flGURA 30.6 (a) Depósito de pasta con esténcil o plantilla sobre una tarjeta de circuito impreso. 1. Esquema del proceso con esténcil. 2. Parte de una figura en esténcil. (b) Esquema del proceso de soldadura con ola. (continúa)
:un¿~
de circuito
K·.:;c~:mocicndn -:~.sto::-:
tcquisiw<:>, e:-: e.'(.:ncia] que de :;!.rcul10 .scc¡n fu,_;r!e-.:
ln.~. union:...~'~
apJ]quc.n en fonna cxtncmadum;.;nLe r:_ípid::i. cnn equipo autor:1at.iz::t(k.
que
t>.:::nclencia
ht
de
cnmpm~11..lcnt:-:
y L'.n ía tk:
tx1ra
con2'tHTli(;c;;·
1~1
cJrcu11os ií11port:intc. el rarjt.·tn : vie'.ase !a fig. 34. l 2). Se presenta un Jesafiante prohlcrn::1 cuando una tarje1a de circuito ímprc~;o tiene a la vc.z circu'.u:" rnontu:-a superficial y en 1íne~l en hi mismzi tarjeta. y se ele.sea soldar Lvdas !as unionc:-: mediante un so antomatizado cenfiabie. Se debe reconocer !a siguiente su~ileza: Lodos los circuitos en iín~a se dchcn rringlr a ínserd6n de un laUo de la tmje1a. En rcaildad, no hay requisito de funcionamiento que lo dctenn -"--
cnrnponG1Ttc!; en
;:::nbo~ lado~
de
pero e5)ta restricción sin1plificr.1 _mucho la
rnanufrh.~tur;i,.
Los paso.s b;isicos pm·a aplicar soJdaJura blanda u !as conexione~ de. 12s~1s tarjetas ::.;on ios siguiente'~. (!j::;: 30.6):
l. Aplicar 1a pastn de soldadura en un lado. 2. Poner los paquetes ele rn
elle cvila Ja csrnrür)
y>-Aceüem. ~en soldad:~lado
sobre
}us
él.SÍ,
Llclac~onaturbulcnta
"
ide
Las inJnstrlas de con.~put;Jdora;:-, dcctrónic2 para el cunsurnidor csl:ahleccn norrn;.~s e:~trernada1ncnr>. ' 'cas par:1 cornponentc~ decll"ónicvs. Se ~sp¿:ra que [n~ drcuitu~ integrado'-) y utros ap:.tr
¡ '.h;
847
1 f
¡ ¡
l
3. Aplicár la pasta Je soldadura. 4. Aplicar mlhesi~o a la cara secundaria ele la tarjeta: 5. Fijar los dispositivos de montaje supertkia\ sobre !a cara sccunda1ia, usando el adh~sívo.
6. Curm el adhesivo.
Sécc:ión 30.3 / SoldadLtri-l blanda
848
Capitulo 30 /
Sn!c1<1dur·~i
fuer Le, soidachffa blandd, adhesión y procesos de sujeción
849
ITlf!C~nica
30.3.4 Posibilidades del proceso por soldadura blanda
7. Desarrollar una operación de soldaúüra blanda por olas en Ja c~1ra secundaria para producir ·¡a conexiDn :.:léctríca Je bs monturas superficiaks y los cirCujt~~,'e:n Hn~a.c_on. la t,mjeta.
La soldadura blanda es usada ampliamente en la industria ele la electrónica. A diferencia de la fuerte. hts temperaturas empleadas en este proceso son relativamente bajas, por lo que una unión que emplea soldadura blanda casi no tiene uso a elevadas temperaturas. Además, como esas soldaduras en general no l.ienen much.:: resistencia. no se usan en miembros estructurales bajo carga. Por la peqr.ieñez de las superficies de unión, G.1si nunca se sueld
que la pasta sólo quede en ias áreas designadas y parn producir un espesor de pasta más 'tCs ck: circuito de montaje superfidal. y Ja soldadura blanda y así formar conexiones
ele la unión (fig. 30.7). Mediante la aplicación de soldadura blanda se pueden unir varios metales y diversos espesores. El cobre y Jos metales preciosos, como la plata y el oro, son fáciles ele suklar. El aluminio y los aceros inoxidabies son difíciles de soldar por su capa de óxido fuerte y delgada (véase Ja sección 3 l.2). Sin embargo, éstos y otrn;, metales pueden ser soldados con ayuda ele fundentes especiales, que modifican las superficies. Aunque las operaciones manuales requieren destreza y consumen tiempo, las velocidades para la aplicación de la soldadura blanda pueden ser altas si son empleados equipos automatizados. El costo del equipo pnra la aplicación de soldadura blanda, depende ele su complejidad y del grado ele automatización. Dicho costo varía desde menos ele 100 dólares, para cautines industriales. hasta más de 50,000 para equipo automatizado. Los lineamientos de diseño paia la soldadura blanda se parecen a los de la soldadura :fuerte. En la fig. 30.7 se ven algunos diseños ele unión de uso frecuente. Nótese de nuevo la importancia ele tener gran supe.rficic' c'c: contacto para desarrollar la suficiente resistencia en la unión de los productos soldados por este método.
En e~te punto se ins~rtan. los compo.nC nales se crnboquílJan y se voit·2a 1a U.njeta. f xico en el centro de los lugares de componedfos'd~#l~i1\t~]i%'s:lipetfü.;fal. paquetes de montaje superficial sobre el zados y controlados con computadora. ceso de soldadurn blanda por olas. La operación de soldadura blanda por olas une en forma simu!ránca los componentes de momajc .1t;perficial con Ja cara secundmia. y suelda las tenn.inaks de Jos componentes en línea del lado primaric1
30.3.3 Tipos de soldaduras y fundentes Las soldaduras (del latín solidare. hacer sólido) funden a temperaturas de punto eutéctico de su aleación (v8a· se taJY1bién fig. 4.7). En forma tradicional, han sido de aleaciones de eslaño y plonw en varias proporcione~;. Por ejemplo, Lma soldadura de 6 J .9% Sn y 38.1 % Pb, y funde a 190ºC (374ºF), mientras que el estailo funde a 232ºC (450ºF) y el plomo a 327ºC (621 ºF). Para aplicaciones especiales y para tener mayor rcsis!cnó' en la unión, en especial a temperaturas elevadas. se pueden usar otras formulaciones ele soldadura, como''°' tufüi·-zínc, plomo-plata, cadmio--plala y zinc-aluminio (tabla 30.2). Por la toxicidad del plomo y sus efectos adversos sobre el ambiente. se est:in desarrollando sokbi:hmis slilíll pRmno, cuyo uso se ba difundido. Entre lo~; diversos metaks que se consideran están tas aleaciones r~111 1~c ticas de plata, indio y bisJnuto. en combinación con el estaño. Tre~', c01nposiciones de; . .~Itas son 96.5% Sn y 3.59(; 1\g 429fi Sn y 58% Bi y 48%,, Sn y 520;'.) In. Sin cmtnrrgo, njnguna de ellas parece satisfacer todos requisitos deo,eables. 1
fundentes. En la soldadura blanda se usan fundentes, como en Ja soldadura normal y la so!dadurn fuerte, para los mismos fines (véase la sección 30.2.2). Los fundentes suelen ser de dos tipos: l. Acidos inorgánicos o sales, come las soluciones de cloruro ele amonio y zinc, que limpian con rnpidez la supeit!cie. Después ele soldar, se deben eliminar los residuos de fundente 1:1vando bien la unión con agua, para evitar la corrosión. 2. Fundentes a base de resinas, no corrosivas, que se usan en aplicaciones eléctricas.
TABLA 30.2 Estaño~plomo
Society. (h)
(a)
/<:z0'~. . =:,-cJ;;s;::::c
!
1
¡
(e)
(0}
{di
(f)
l 1
(h) (g)
L:--¡ L-lLJL,f-
Tornillo o remache
ce~~
r :JIE~~ ~"
Taijeta de PC--_/.
I
Tipos de soldaduras para estañado y sus aplicaciones Aplícación general
Estarlo-zinc
Aluminio
Plomo-plata
Resistencia a mayores temperaturas que la ambiente
Cadmio-plata
Resistencia a altas temperaturas
Zinc-aluminio
Aluminio. resistencia a la corrosión
Estaño-plata
Ekctrónica
Estaño-bismuto
flCURA 30.7 Diseños de unión frecuentes en soldadura blanda. Nótese que lus ejemplos (a), (g), Ol y lj) se unen mecánic
,,.: Electrónica
(i)
ª
(j)
r '":.~~
Sl:cci\'m 30.4 /Unión· adhesiva
C1pílulo JO/ Solc!,1clura fu(-;1·t1::, sold,rr.hHJ. hianda. adlws1ón y procesos de sujecion mecJnica
i\/Iuch,Js cornponentes y productos se pueden un¡r y ensambJ.ar usando un adhesivo, en Jugar de alguno ele los rnétodos que hcn-tos descrito hasta ahora. La unión con adhe,c·;ivo ha sJdo un rn-étodo con1ún p3n1 unir y ensain. bi~r en aplicaciones con10 t;tiqueLaJo, empaque. encuadernación, muebles y calzado. Un cjernplo característico .de, la unión adhesiva es el "p!yvvoocl" (la unión con pcga1nento) de varias capas de madera desarrollada en J 905. La unión adhesiva lJa ganado cada vez 1nayor aceptación en la manufacLura desde su primc.r uso en g1·an escala: el ensamble de componentes sometidos a cargas en los aviones., dunmte ia Segunda Guerra Mundial (1939--1945). Los ndhesivos se consiguen en varias formas: líquido. pasta, solución~ emulsión, polvo. cinta y pelícuia. Al ser aplicados, tienen en general más o mc:1os 0.1 mm (0.004 pulg) de espesor. Para satbfacer los requerimientos de determinada ap1icaci6n, puede ser necesario que un adhesivo ic11ga una o rnis de ias siguientes propiedades (tabla 30.3): Resistencia (al cortante y ai desprendimiento). "' Tenacidad. Rc~)istcncín
diversns fluidos y agenks qufrn¡cos.
tcrnpcra1ura
siguientes:
Anai:róbico
nhtcnida dd almidón) haric::í
cqrno :drnídór:,
';n~
t 1 t¡
Cu:1did\l
1 l l
l
Pnhre
Poliurc(~m1)
l\cn'Jic11 modificado
Excdcntc
B1w11;1
Cianoacri1alo Pnbr("
Tci·niripl~btica: fruguado rúpido. Unión tcmv. a
Ternl(ljlliÍ..sliC<\,
rra:;uctdt) r:ípido. iJnionc:·,
rkx1blcs. Fácil de a1Jlica(, r1·úgil ~1 ba.ia;; temperaturas. ,i..\ hüsc del acetato de cllíeno y vi;1i10. po!1oldi11as. poliwnid;1:-, y
St'nsibi;.:: el !a pt\':,i~'1n
T(·rrnopiúsÜC<.l. unionc~ de resi::tcncia variable. El prirnm10 i'ija e] ;1dhe:.;ivo DI HW.lcri:d de respaldo de h c111la. y un a.\_>·ntt:'. l:hcr. .Kior en la c~1ra po~terior ilc I;:¡ c1n1<1 pcinutc cb,cnrolíad~1. Hecha de l::.lcrc:, de puiiacri!c1\o y d;vcr~;o:-, h1.1\c~. natumk::-, y :;¡nlélic.ns
T1.-rrnufij:1. ":urada al bornn, pegrtt111ra i'uc1·1c ..i\lta \ensiún y b;~¡;1 al i1npacto. f:.í.ci"I de U',M: cura por c:vapor:.K:ión dd ;;olvcnu::.
/\nüenSi1ic;1
Sí11con~·1
15.·t
15.'1
25.9 (3.7)
i X.!J
!'7.5
l'i,000 1801
5:?.50 (30)
<52.'.'i (.\)
1750 110)
i)ri1icip:1lrncntc lisos, no porosos
Principalmente lisos,
-!60a80
70 a 120 C·-100 a 250)
R1..:si.'.leiicia dl 1.ksprendirnit.'dtn, )'·l/in (lb. pic/pulg)
:
ur;ido~
<525
IVfoyor parle de los
l1Herv:tlc.' dt i.emperatura de
~ervino
(3)
rn~lll:1'iaie0
-55 a 120 (-70 a 250)
(-250a 175)
Mayor parre Je
me~;.de:,
o plásticos no poro~n"
no porosos
-55 a 80 (-70 a !75)
Mcwlec:. vidrio:;. tcrmofijos
-55al50
1 formalJchidu -Crc;.1
·Me.lamina -Penol -Resorcinol
1--70" 300)
Sí
Sí
No
No
No
Ri::sislt.:ncia a solverile;.,
Exccicnte
Buena
Buena
Buena
ExcclGntc
Rc~::isi<..~ncía
Excc:lcntc
Regular
Buena
Pobre
Bu~na
a lu humedad
Límite del cspaciarnicntu. mrn (pulg)
Ninguna
Ninguna
0.75 (0.03)
0.25 ;_O.O!)
0.60 (0.025')
Suave
Suave
Fuetie
Moderado
Suave
Modcrad::1
Moderada
Moderada
Baja
Baja
Baja Alta ------·--------..---------------------Fuf'111e: /\dvanccd Ma!crjtd~. & Proce~;.,es, julio de l 990. ASM í.ntcrn;1tion~d
Boja
Bap
Olor
Toxicidad lntbn1abilidad
B<.\ja
pi..:rno:-:.
Partc.'i m:..:t:í\icas. ccrárnicas y de pl:ísLicu dgldo.
''Co!~1loc
P(~ga la mayor parle de los makri:1k::.
F.mpaquc, crn..:u<.1dernaci1)n. unione:íala:) n1i..'.tú!icas.
Cinta~'- ctiquews. rccordatnrios.
/\.morti¡i;uarnkntu ;1cústico, bulat;¡<; t.ic y de embragues: ar;lutimrn\~' de ?/érnOs ~1bra:;1vo:·;. e~,tructuras en frc-H{l!;
TcnnoCija. de curado lento. Flexibk. Peg
E111paqt1e!aduras. se11ado1YS
y al desprenJimicnlo. Parecida al hule.
Curndo o inc7.cl<.ido
ai r.;aJor necesarlo
Panes d\~ mCtquina de ~üustc cerrado, como cj0s y pok:1s. tm::rc<..!.~, y torniilos. cam~:<1s y
F!..c,gubr
::tcnsi611 n
(Ju
plásticos.
poii•.'.~:t,.:rcs.
fZl'.Sl\l(.'l1l:Ía
tvJr~,
<1ccro: raqucl.~1s de tenis. pJrtes metálic:ts,
tcrnp1~r;11ur
rÍJLHLlS ü
¡
ivos
tcmperatrna ambiente~ cura en au~...::ncia Je aire~ no cura si el uire t~ntra ~1 lns adhesivos. Un componente. ]\lu es buena sobre superficies pcnn1~,ablc:~. :.l
Ti..;rmoflja, uuo 1) dus componen les. Uniói; ten<.\/... El lll<ÍS f'ucrte de lo~; adlx~;¡ivos en Lo.;:cnnlogfa: alta resistenciu u la tensión y b:üa a la separación: resj;,le humedad y a1u.1 tcrnpcratur~t. Difícil de usar.
Ep6;<íi..:o
l
y
T·~rmol'ija. f:k::il de usar. de curado le1llo;
fragu<.1
l
ya y prodi.,i.ctOs .:1n1.mak.::-,
Unlone~. de capas de fibra de vidrio y Je
cona vida de Lraba,io: se requiere wntilaciún
l
E;~jsLen divc.;so~-: lipu::-i ~tdhcsivos en el nh::rc:1do (y contirn.bn dcs~irroHündo~:c: que proporcioDan cia aclectwda a 1u unión, irnJuycndn rc:-:is1encla ~'ta fatiga (tabla 10.4). Los lres tipos lní:-.icus de adhesivos son
ambicnle~ dm; cornp(1nenle:;;: buc11a
resistencia química, a solventes y al impacto;
1 l
y sisterna.s
;d 1n1p;1cLn
Terrnoplá:;tíco: fraguado r:.ípitfo: uni.;ln tenaz a
Acrílico
{ 'iai10<11..·ril
',) Capacidad de humedc:cl~i' las :.;;uperficies pur unir.
r::~aci
Comentarios
Tipo
Resistencia a !a clc;;radactón arnbien1al, incluyendo por calor y htimed<.Kl.
dí::.~
de los adhesivos
TAB!LA 3!Vi
ADHESIVA
t\S"J
Urctano
Ti::nno!ija. Fuerlc con unión en madera. la urc:.i no es costosa y se consigue en forrna de poivo o líquido: requiere catalizador. La melamina e,-> más costo'.>a, cura con calor, !a unión es impermeable. El resorcinoi forma unión impermeable a temperatura ambiente. s~~ pueden combinar estos ti pos. Termo tija: pega a temperatura ambiente o con curado al horno. Buenas propiedades de
Uniunc'; de madera. madera u.::reiacb.
Partes de carrocería con fibra de vidril1, hule, Lela.
llenado de huecos.
a base de agua -A.ni mal. ~Vegetal.
-Hules,
Poco costosos, no tóxicos, no f!amab!es.
Madera, papel, tela. piel, cnvoltuws Je
sellado en seco.
Sección :~0.4 ! Unión adhesiva
1r;2·
853
C1pl!ulo 30 / Solcfaciura fuerle, so!dadura b!anda 1 adhesión y procesos de sujeción mec.::í.nica
30.4.2 Adhesivos conductores de electricidad
2. Adhesivos hmrgánicos. como silicato de sodio y oxicloruro de magnesio. 3. Adhesi•rns oirgáirácos siJrnté[lcos, que pueden ser polímeros termoplásticos (para uso no eslrnctLU"a] y al.
gunos para pegado estructural) o termo.fijos (para pegado estructural, principalmente). Por su resistencia, los adhesivos orgúnicos sintéticos son los más importantes en los procesos ele manu. f_i.ctura~
en espeóal para aplicaciones en partes son1etidas a cargas. Se clasificiln como sigue:
a. Quimicamen[e reactivos: por ejemplo, poliuretanos, siliconas, epóxicos. cianoacrilatos. acrílicos mo. dificados, fenólicos. poliimidas y anaeróbicos.
b. SensiMes a hl presló!ll: por ejemplo. hule natural, de estireno-butadieno, de butilo. de nitrilo y poliacrilatos. c. Por ser mia sustancia qtne reacciona en caiiente o al ser füm:füila (!wt mdts): por ejempío, termopi{ís. ticos (tales como los copolímeros de et:ileno y acetato de vinilo, las poliolefinas. poliamidas y poliéster) y elaslómeros termoplásticos. Evaporafrvos o por tlifushin: incluyen les vinilos, acrílicos, fenólicos, poliuretanos hules sintéticos y 1
natura1e:-;.
De u.nión retarrd.adla: corno tos copoHmeros de estireno-butadieno, acetatos de poüvin.ilo, polieslircnos. y poliamidas. Condm:.~ton~s eléctrkos y térmicos: en esta clase están los epóxícos. poliuret:mos, síHc1)rws y poliirnida:>. La conductividad eléctrica se obtiene agregando reHenos. con10 la plata (es fa de uso .rnüs común), el cobre, e! atrnninio y el oro. Los rellenos qne mejoran la conductividad eléct1·ica de los adhe~ivüs tarnbién suelen nJejorar :-;u conductiv¡dad ténn1c~ (Vl~ase también 1a sección 7.3).
En forma p<.1¡·ccida, los sfisterrias c.specffic;is.
temperaturas de curado o fraguado que son menores que las necesarias para soldar. En esos adhesivos, el polímero es la matriz, y contiene metales conductores (rellenos) en formas como hojuelas y partículas (véase también la sección 10.7.2, sobre polímeros conductores). Hay una proporción mínima (en volumen) de rellenos necesaria para hacer que el adhesivo sea conductor de la electricidad: típicamente esta proporción es de 40 y 70%. Se consiguen en forma ele película o de pasta. El tamaño. la forma, y la distribución de las partículas metálicas. e! método de aplicación de calor y pre· sión y ia geometría del contacto conductor entre las partículas pueden ser controladas, para impartir al adhesivo conductividad eléctrica isotrópica o anisotrópica. Entre los rellenos característicos están la plata, el carbono, el níquel, el cobre y el oro. Entre los nuevos desairo!los de rellenos está el uso de partículas polimérícas, como de poliestireno., recubiertas con capas delgadas de plata u oro. Los materiales de matriz son, en general. epóxicos, aunque rnmbién se usan termoplásticos. Entre las aplicaciones de los adhesivos conductores de electricidad están las calculadoras, los controh:s remotos y los tableros de control, y se usan en ensambles electrónicos de alta densidad. pantallas de crista! ií· quicio. juego,; electrónicos y televisores de bolsillo.
En penícuh1 o dnta: como !os nyion-epóxicos, clastórneros-epóxicos, nitri}o-fenólicos, vinilü-fenóiicm y las po!iirnidas.
e;,~;
Aunque la mayor parte ele los usos de las uniones adhesivas se dirige hacia la resistencia mecánica, un avance relativamente reciente es el desarrollo y la aplicación de adhesivos conductores de Ja electricidad que reem· plaz.an las aleaciones de estañado a base ele plomo, en particular en la indusnia electrónica. También requieren
aíllh.es~vos
se: püedcn cbsificar con basé' en sus
caractcrístic:t~: qufini-·
Sis~:erna.s
a base de e¡¡.:;,i)xko: tienen aHa resistencia y buenas propiedades a alta temper;;¡tura, hasta 200ºC (390ºF). y !as aplicaciones frecuentes son en las balalas automotxice:s y como aglutinanle para los moldes ele arena emple;iclos en fundición (sección 11.3).
h .. Acriiicos: son adecuados para aplicaciones con substratos que no están limpios. c. Sistemas anaeiróbicos: el curado de estos adhesivos se hace en ausencia de oxígeno. y en general la unión es dura y frágil. Es posible reducir los liempos de curado con calor externo o con radiación ultraviolern. rl, Chmoacrilatos: la capa de unión es delgada, y el pegado se completa entre 5 y 40 s. e. Uretanos: tienen gran tenacidad y flexibilidad a temperatura ambiente, y se usan mucho como selladores. f. Si!iconas: muy resistentes a la humedad y a los solventes, tienen gran resistencia al impacto y al desprendimiento. Sin embargo, los tiempos normales de curado son de 1 a 5 días. Muchos de estos adhesivos puden ser combinados para optimizar sus propiedades y obtener productos tales como epóxico-silicona, nitrilo-fenólico y epóxico-fenólico. Los adhesivos menos costosos son los epóxicos y los fenólicos, y les siguen los poliuretanos, acn1icos, siliconas y cianoacri!atos. Los adhesivos para aplicaciones de alta temperatura, hasta unos 260 ºC (500 ºF), como las poliimidas y los polibenzimidazoles suelen ser los más costosos.
30.4.3 Preparación y
de la superficie
La prepmación de la ;;uperficie es muy importante en la unión adhesiva . La resistencia de ia unión depe11 ..k mucho de la ausencia de mugre, poi vo. aceite y diversos contaminantes; esta dependencia se puede obse•·v,u· cuando se trata de aplicar una cinta adhesiva sobre una superficie sucia o aceitosa. También, los contamimm · tes afectan la capacidad humectanle del adhesivo y evitan que éste se reparta uniformemente sobre la scrpc:r· ficie. Las C<\pas de óxido gruesas. débiles o sueltas sobre las superficies de las piezas son perjudiciales pnr;; la unión adbésiva (pegado). Por otro lado. puede ser conveniente tener una capa de óxido porosa (o clelpdai y resistente, en especi.al con cierta rugosidad en la superficie para mejorar la adhesión. Se consiguen dive:·so.s compuestos y primarios qL1e modifican ias superücies, mejorando la resistencia ele la adhesión o
adhesivos líquidos se pueden aplicar con brochas, aspersores o rodillos.
30.4A Posibilidades y aicances del proceso Se pueden usar adhesivos para unir una gran variedad de materiales y componentes, similares y disimilares. m~ tálicos y no metálicos, con distintas formas, rnmaños y espesores. También se puede combinar la adhesión con los métodos mecánicos de unión (sección 30.5) para mejorar la resistencia de la unión. El diseño de la unión y los métodos de pegado requieren cuidado y destreza. Normalmente se requiere equipo especial, como sopor· tes, prensas, herramientas, autoclaves y hornos para curar. Las uniones adhesivas se diseñan para soportar las fuerzas ele corte, de compresión y de tensión. P'"º no se deben sujetar a fuerzas de separación o pelamiento (desprendimiento) (fig. 30.8). Nótese, por ejempi<.'. lo fácil que es desprender una cinta adhesiva de una superficie, pero no es posible deslizarla por la superficie. FIGURA 30.8
Comportamiento característico de adhesivos (a) frágiles y (b) tenaces, en una prueba de separación o desprendimiento. Esta prueba se parece al desprendimiento de cinta adhesiva de una superficie sólida.
de separación
&&dif, ~'
Sección 30.Li /Unión <'tdhesiva
(dpÍ!ulo 30/So!dadma fuerli:'.:', sold
Duramc la separación. el con1portanüento de un adhesivo puede ser fnigil, o dúctil y tenaz, y en este casos:; requieren grandes fuerzas para desprenderlo.
855
(a) lncorrccto
Las grandes industrias que empleas extensivamente los adhesivos s011 Jn aeroespacial, la automotriz, de electrodon:iéslicos y las de material para la construcción. Entre las aplicaciones están: la fijación de e:spejo.~ retrovisores a las ventanillas, Jos conjuntos de balatas automotrices, el vidrio laminado de ventanillas, elcctTodomt'.'.sticos, béljce:.; de helicópteros. estructuras en pana] y fuseL\jt:s y superficies de conrroi de aviones. Una consideración importante en el uso de los adhesivos en producción es el íiempo de curado, que puede ir desde algunos segundos (a altas temperaturas) hasta vm-ias horas (a temperatura ambiente), en especia! con los adhesivos termofijos, AsL las producciones pueden ser bajas en comparación con otros procesos de un_ión. Además, las uniones adhesivas para aplicaciones estructurales rara vez son adecuadas para tempernlurns mayores que 250ºC (480ºF),
(h) Correcto
(e) Muy bueno
Es difícil hacer la inspección no destructiva de la calidad y la re:;istencia de los componentes pegados. En la sección 36.9 se describen algunas de !as técnicas. corno por ejemplo d impacto acústico (golpeteo). holografía, detección infrarroja y pruebas ultrasónicas., que son n1étodos no óe~trucLivos y efectivos de prudxi. Las princlpales vcnü~jas del pegado son J.as sigujentes:
(d) Unionc.::-; ~k combinación
Suminisliar una Cijación en la interfase. con d fin de proporcio1E¡r rc':'>istencia estructural o partl r1plicacior11.:s no estructur~des como sellado, aislamiento, evlwr corrosi{)n dectroquímjca entre metaie."> di,simii:-u-..~~·; y reducir vibración y el ruido (mediante amortiguarniento ¡nierno en las unionc:.;).
Adhesivo Adhesivo
f''.!i:-;trJ;1Jción de la interfase y así clirninar íos esfuerzos [ocali:;,ados que suelen cmn~;;r !Hl.ión de los compon1.;1:i"c:s con sujr;~cionl';S n-1ecánicas ccn10 tornillw;;. i-\.demús, se rnantiene la. inlcgr:dad cstruc:lurai de las s~x:cioncs, porque nu se requieren orificios, y en gencn.i[ mi;jora el aspecto de le:', com ¡J\';J]cntes.
FIGURA_ 30.9
de .;olchdnrn
Diversos cliscf1os ck union•c·; con ,1dh•:sivo, !'>lótese que los buenos diseños requieren g1 ande;
á.rea5 de contacto entre los miembro;.,
posible unir matcrja!e.s porosos, y con propicdndcs y tmnnfios muy distintos.
::, ~~~Jm.n se ~1cnstumbra hacGr ;_¡una 1cn-1pc:ratura interrnediti entre ambienta! y unos h<:t.y mucha dislor:.;ión de los cnrnporn.::ntes n] cambio en sus propi•:clades originak,-;. si(}n ttenc mucha i1nportonc'.<1 en sensiblc5-. c:.lll)f. prlncipalcs li1ni1aci!1ncs
PulllO
R~machc
posible pegar componente~; muy dclg:u:los y frágiles, sin que su pesn aumente mucho.
c.1.
unir.
ne
unión adhesiva son las sigui:.:;ntes:
Jntcrva{os Limitados de temperatura de scr,/Ício.
HGURA 3íl.í0
Div: ;-sa:. configuraciones ele p,,rties pP:;acias: la) tr;islape simple, (b) traslape doble, (ci pico
fktufa, (d) cubrcjunta. (a)
Posi hlcmcnlc tíernpo largo c.k cur
Simpk
Dlrfci.dlad de probar las unioues pegadas no d~structivamente, en espcci;.iJ las estructuras gran(ie.s. Poca confiabi iidad de las estructuras pegadas durante su vida de servicio. EJ costo de la unión adhesiva depende de la operación en particular. Sin embargo. en muchos economía general del proceso lo hace atractivo. A veces es eJ único posible o práctico. El costo del equ¡po varfa mucho, dependiendo del tamaño y el tipo de operación_
30.4.S Diseño para la unión adhesiva (pegado)
Biselada
De radio (e)
¿:~-~~::~·'~-----;:J lJna inclinación
a. Los diseños pQfa la unión con adhesivo deben asegurQf que las uniones sólo se sometan a fuerzas de com presión, tensión y cortante, y no a desprendimiento o separación (véase fig_ 30,8), h. En las figs. 30,9 y 30,JO se ven varios diseños de uniones pegadas, Su resistencia vmía mucho y en consecuencia es importante la selección del diseño adecuado, y debe tener en cuenta factores como el tipo de carga y el ambiente,
Doble inclinación
~7 Espesor aurnenLado
Simple:
r1
a
'
356
(dpftu!o JO/ Soldadura f:1erte, soldaclur¡¡ bl
~9. ,..'
1 a tope requieren grandes su erf1c1e, ' un '')res • c. Las d1s,ors1onaJ p del par s deenumon Las(véase umom•s , d Fs J t bl se baJO tcns1011es ' Jor 1 luerza la umon tiase11c1lla· tra· .lapadao llenden, . 1 1 los e· , en. pma . •egue . .ev1.ai es!ue1zos internos durante Ja unió T· _b·, gt.e a pegar sean de valor._.•·_.·,;, . '-' pe los coelicientes de cldataci. •.:_·. •. · . s11mlares, i· . .· . . . on de los componeotes '. ,,.se . - vanic+,1 . ' ' " '"""' mno ilifcrrnóol , ,.rnves , . de t.>, m11on · .•'' " Jo; l• ,,: . 1c os tenmcos pu»da • . .11· dm 1en se debeq e ·¡con ·adhesivo. . '' ' ,
ª
w""'°"""'"
Sección 30.5
30.5 .2 Sujetadores roscados
~ ~
1
! Sujeción mecánica
857
ilimn~'"""'
Los tormllos y tuercas son los su1etadores o fi.¡adores roscados de uso mas Para fabncarlos·. se s1. . . . frecuente. . . . '"'" y eepwfinocwoee. qoe =lnym lo> duneno, mlernncrlH, P''"· reell· tencia y calidad de estos sujetadores, y. se describen . , en las referencias . · al final de este capítulo · (véase también ·
''"'"'°'°' """='
Los 22.5.l). tornillos y pernos se pueden asegurar con tuercas (tornillos de carroceiia y de mágLtina) o se pue·· la sección den hacer autorroscantes: el tornillo corla o forma la rosca en la pieza gue se va a fijar. El método autorroscante es muy efectivo y económico en los productos de plástico, donde la fijación no requiere tener orificio
:.;"
30.5 SUJECIÓN MECÍ\/\í!CA
roscado Si olatuerca. unión se va a someter a la vibración, como en los aviones, diversos tipos de motor y maquinaria de alta velocidad, se dispone de varias tuercas y contratuercas de diseño especial. Aumentan Ja resistencia a la fricción en la dirección de torsión, por lo que se inhibe el aflojamiento por vibración de los sujetadores.
Muchos objetos, como lápices, tapas de recipientes y de reloj, motores y bicicletas tienen componentes que se han fijado mecánicamente. Puede ser preferible la sujeción mecánica sobre olros métodos por las siguien. tes razones:
30.5.3 Remaches El método más común de unión mecánica permanente o semipermanente es el remacl1ado (fig. 30.11); en construcción y ensamble de un avión comercia! grande se pueden usar cientos de miles de remaches. La ins· ta\acíóu de un remache consta de dos pasos: colocar el remache en el orificio y deü:irmar el extremo de su cuc•·
e Facilidad de manufactura. '-" facilidad de ensamble y transporte. '~
faciiidaci de desarmado, mantenirnicnlo y reempbzo o reparación ele partes. Fadlidad de crear diseños que requier,m uniones móviles, como bisagras, componentes y soportes ajustables.
inecan~smos
po porEl recalcado o batido (cabeceado, fig. 14-1 l ). ambiente o elevada. Dentro de una cavidad en el remac'.c¿ remacbado se puede hacer a temperatura se pueden poner explosivos, y detonarlos para dilatar el extremo del remache. En la fig. 30.12 se ven algunos
de corredera y
lineamientos para el remachado.
,,, M.enor costo general de mamrfocturn del producto.
El método más cmnün de sujeción Jnecánlca es el uso de torniHos, tuercas, roscas, pernos y una diversidad de V.Jadores o sujetadores. Estos procesos también se Umnan ensamblado mecánico. En general. ia sujeción mccünica requiere que los componentes tengan orf:ficios a través de los cuales se insertan Jos sujetadores. Esas urno~ nes pueden son1eten;e
30.5.1
J
esfuerzos cortantes y de tensión. y deben estiJr diseñadas para resistirlos.
orificio La preparación del orificio es un aspecto importante de la sujeción mecánica. Como se describió en :os capítuios l 6, 22 y 26, se puede producir un orificio en un cuerpo sólido con diversos procesos. como pimzonado. taladrado, métodos químicos y eléctricos y haces de alta energía; la elección depende del tipo de m8.terial, sus propiedades y espesor. Recuérdese que dijimos en las partes JI y III que tJJ"nbién se pueden producir orificios en forma integral en d producto durante la fundición, el fo1:jado, la extrnsión y la metalurgia de polvos. Para tener mejor exacti· tud y acabado superficial, muchas de estas operaciones de agujerado pueden continuarse con otras de acabado, como rectificado, desbarbado, escariado y joneado, como se describió en diversas secciones de la parte IV. Por las diferencias fundamentales en sus características. las diversas operaciones de agujerado producen orificios con distintos acabados y propiedades superficiales, así como distintas tolerancias dimensionales. La influencia más importante de un orificio en un sólido es su tendencia a reducir la vida de fatiga del componen· te, debido a la concentración de esfuerzos. Lo mejorpma aumentar la vida de fatiga es inducir esfuerzos residuales ele compresión sobre la super· ficie cilíndrica del orificio. Estos esfuerzos se suelen inducir empujando una varilla redonda (mandrín) por el orificio, y expandiéndolo una cantidad muy pequeña. Esta operación deforma plásticamente las capas su· perficiales del orificio, en forma parecida a la gue se ve en el granallado o en el bruñido con rodillos (sec· ción 33.2).
Eíemplos de remaches: (a) sólido (b) tubular (e) biparticlo (o bifurcado), (e:) ele compresión. FIGURA :MU·¡
01
(a)
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0)
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FIGURA 30.12 Lineamientos de diseño para el remachado. (a) El cuerpo expuesto es demasiado largo; se obtiene pandeo, en lugar de recalcado. (b) Los remaches deben estar lo suficientemente aleíados de las orillas, para evita1 concentraciones de esfuerzos. (c) Las secciones unidas deben tener espacio amplio para las herramientas de remachado (d) La curvatura de la sección no debe interferir con el proceso de remachado. Fuente: J. G. Bralla. (e)
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(a)
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(b)
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(d)
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Crtpíltilo 30/So!dadur.a f11erte 1 soldadw,1 hlantfa, adhe';1:d11 y
30 ..5
para
¡.:;rncc~:;o.s de suj,~ción 111e(cll"llCJ.
Sección 30.5 /Sujeción meuinica
mecánica
859
(b)
(a)
Ei diseño de las uniones mecánicas requiere considerar el lipo de carga (por ejemplo, si es de cortante ode lensión) a la que se someterá Ja estructura, y del tamafio y distaucias de ios orificios.
Es importante la compatibilidad del demento de stüeción con el que se van a unir Jos componentes. Si no lrny compatibilidad se puede llamada también corrosión en hendiduras (sección 3.8) Por ejemplo, en un sistema donde se use un tornillo o remache ele acero p¡u·a sujetar láminas de cobre, d iornill~ es el ,foodo y Ja placa de cobre el cátodo: esta combinación causa la rápida corrosión y pérdida ele la resistencia de la unión. Los :sujetadores de aluminio o ele zinc, sobre productos de cobre, reaccionan de manera parecida. Entre otros lineamientos generales para ia unión mecánica se incluyen los siguientes (vé;,se también la sección 38.10, sobre Diserlo para ensambla;; desarmar y dar servicio):
FIGURA 3().15 Dos ejemplos de unión mecánica por plegado
o fruncido. En el engargolado, los materiales deben poder sufrir flexiones y doblez con radios muy pequeños ( véase la sección 16.5.1 ), porque ele lo contrario se rompen. La eficiencia y la fiabilidad de los engargolados puede mejorarse agreganclo adheslvos, recubrin1ientos o sellos, o con estañado.
;;,. En general, es menos costoso usu menos elementos de sujeción, pero 1rní.'. graneles, que usar grnn caniidacl de fijadores pcqLieños.
l:l. El ensamble de la pieza se debe lograr con una cantidad mínima de elementos de sujeción. {;_ El entre las piez
fo-
¡
et Siernpre que sea posible se deben usar ekrnenlo:.; ele .sujecíón de tarnaño est<1ndar. Los orificios deben estar metedo a fuer-r.as
()tros
~dejados de las orilh1s o lo~ esquinas, pan] evitar el
dcJ oJalehal al
CXlenws.
~;o-
l
Plegado, El proceso de plegado es un método ele unión sin sujetadores. Se puede usar con bandas o con resaltes (fig. 30.15) que se pueden hacer con operaciones de emboquillado o embutido (véase las figs. 14.16 y 14.17). El plegado se puede hacer en partes tubulares y planas, siempre que los materiales sean lo bastante' delgados y dúctiles para resistir las grandes deformaciones localizadas. Las corcholat:as se fijan a las botellas por plegado, al igual que algunos conectores en los cables eléctricos. Sujetao:fores de agarre o ajuste inst;mtáneo. En la fig. 30.16 se muestran varios tipos de sujctado1·es ele ajuste instantfoeo, que se usan mucho en las carrocerías y en electrodomésticos. Son económicos y per-
de
miten armar los co1nponentes en forma f:ici 1 y rápida.
Se usan muchos tipos de sujetadores en numerosas aplic::iciones de unión y nrrnado. A conrinwici6n se des-
criben los tipos más comunes.
E-:i! proceso de engrapado o cosúlo nu::táiico (fig. JO. 13 ), se parece mucho al engrap~~do oren fas oficinas. Estlt operaciün es rápida y se prest:t en especial para matcriale~, mf'táiicns y rneL1,l icns delgados. t~jemplo <..Xmllín d engrapado de c~j.as de cartón. El engargolado se basa eri ci sencillo principio de doblar en corUunlo dos p]c¿a,c.; material delgado. Es un proceso que se parece mucho a! ele unir dos piezas ele papel (cuanuo no se dispone de un brnche o cngrapaclma) dobl<índolas en una esquinn. Ent:re los ejemplos comunes del engargolado (fig. :JO. l,1) tenemos a ias iapas de iauis de bebidas (vease ia. fig. 16.3 l), en recipientes para productos alirnentici,:~~~ y dornéstícos. y en los conductos de c::i1efacclón y acondicionmuiento de aire. !flGURA 30.13
!
t.jernp\os de eicrncntos de sujeción con 0ju:-,ü-; ln'.:>ta11L
flGURi\ 30.
l
(e)
(b)
(e)
L
/
No mct;;d
Vuelta normal
'"""--Canal de metal
Etapas ele la formación de un engargolado ele doble seguro. (b)
(e)
(d)
~~~SJ
1
__u_
(d) (d)
~=~
t~~I
Cobierla de lámina
1
"\ i
(e)
-Tuerca
G7".¡~ p
-1]
rr===l t=J
Cubierta de lámina
'°~
¡Jdi
¡-------¡
-rc-
fljación Ue cxuemo de varilla o. urn~ piczé1 de lárnina
V//~//,Z]
(a)
! l
Varios ej0n1pJos de eng1·apado con metal.
(:.)
flGURA30.14
l
Ajustes de contracdiín y de prensa. También se pueden ensamblar los componentes con ajusccs de contn1cci6n y de prensa. El ajrc?iste 11:lle ccmtracclión se basa en una diferencia entre las contracclones térnTica~; de dos comp•mentes. Entre las apllcG.ciones nohnales están el ensam.ble de cornponentes de dados~ y el rnon-
Fijador tle presión
(g~
~~~ ! / Rígido
Flexible
Sujetadores con ajmle instantáneo integrado
iaciidar el cns
Sección 30.6 /Unión ele plósticos
íl6(J
Capítulo 30 / Solcl'"Klura fuerte, soldzidura bla11dci 1 adhesión y procesos de sujeción mecánic:J
ü~je
de engran~\jes y levas en ejes. En el ajuste de prernsa, un crnnponente se introduce en otro con una prensa; este proceso da como resultado una gran reslstencia en .la unión.
30.6 LJf'-J Los plásticos se pueden unir con muchos de los métodos que ya describirnos para unir metales y materiales metálicos, en especial con calor y con fijación rnecánica.
30.6.
861
Unión de termoplásticos Corno se describió en el capítulo 7, los termoplásticos se reblandecen y funden a! aurnent.ar la tempernturn, y en consecuencia se pueden unir con métodos en los que se genere calor (de fuente externa o interna) en la rnlerfase (véase más adelanle). Ej calor suaviza e! tennopláslico en la interfase y alcanza un estado viscu~~u o fundido y, al apiicm presión para asegurar una buena unión. se permite que tenga lugar la fm;ión.1ambién se pueden usar mater!aks de aporte del mismo tipo del polímero. Las fm:~nh~s exterrnas d.e caJor pueden ser las siguien!es; ia elección depende de la compatibiVidad de los polúneros que se van a unir: a~
Aire o t;nses cuiientes) o radiación i:njj·orroja generada eon l:impaws de cu;-;u-1..0 de gran lntensi..:.\acl c•.loríficu.
RJ. 1'-JerrJ_i11ientas y dad.os calentados {en un proceso Hanw.do soldadura a la pluca calienfe), donde la~ pie;,as que se van a unír se pn..msan contra una ~upcrficic caliente y después entre sL para efectuar interdi fusión de tas cadenas moleculares. Este proceso se usa con frc~-~uenclia para so!cbr tubos u tope.
c.
~-·'.,Ilenf.onúen!o
leno, acrílicos y acrilonitrílo-butadicno-cstireno (ABS). Por ejemplo. se han desarrollado sistemas especialmente diseñados, de sellado por fusión. para permiür la unión de tubo de plástico en el campo (que suele ser de poíietileno, en la conducción de gas natural). Las envolturas múltiples coextruidas para alimento consisten en diversos tipos c\e películas que se unen con calor durante su extrusión (sección 18.2). Cada película tiene una función distinta: por ejemplo. una co•1trn la humedad. otra contra el oxígeno y la tercera puede facilitar el sellado térmico durante el proceso de ern· pague. Algunas envolturas tienen hasta siete capas, todas unidas entre sí durante la producción. Durante la unión de algunos polímeros pLtecle presentarse oxidación, corno en el polielileno, que pt!cde causar degradación. En esos casos se usa un gas inerte protector. como el niLrógeno. para evitarla. Por la baja conductividad térmica de los termoplásticos. la fuente ele calor puede quemar o carbonizar las supedicie>J de ios componentes, si se aplica el calor con gran intensidad; es!e erecto puede causar dificultades para lograr una fusión con la profundidad suficiente. La unión adhesiva ele los plásticos se ilustra mejor con la unión de tramos de tubo de clomro de poiivinilo (ampliamente usadas en los sistemas de tuberías de las casas) y de tubo de ABS (usadas en los sistemas de drenaje, de desechos y de ventilación). El adhesivo se aplica a las superficies de la vaina de unión y de' tubo. y se usa un primario para mejorar la adhesión, en un paso que se parece mucho al ele aplicar primmios en
la pinlllra; después. las prensas se comprimen entre sí.
La unión adhesiva de polieü\eno. polipropileno y politetrafluoroetileno (tefión) se puede dificultar. por·
que los adhesivos no se ligan con facilidad a ellos. En general, se deben tratar químicamente las suped\cics de las partes hechas con estm, materiales, para mejorar la adhesión. También es eficaz el uso de adhesivos o de cin· tas aáhesivas de una o de dos caras. En otros métodos para unir plásticos, se acepwn cada vez más los cr.m ajuste instantúnBc> \¡¡tegrado como he.rrnmienta para simplificar las operaciones de ensamblado. En Ja fig. 30. l 6f se ve un e_;er.1· pio de las Je estos sujetadores. Como el sujetador puede moldearse en forma directa al mismo lier•·,_ po que el plástico. agrega muy pllCO al costo del conjunto, por lo que esta técnica es muy económicu porque rcdn'-:e d Liempo de ensmnb\ado y minimiza la canüdad necesaria de piezas. La sujeción mednica tiene eficacia especial en la mayor parte de los plásticos. por su tenacidad y Jicncia inheren~es. Es práctica op_nr:ral ,:;l uso de tonü1los auiorroscantcs.
o.m radiqji·ecuencia o dieléctrico, muy útil para pelfculds delgadas.
C'on a1amhrcs o cables de al~unbrc, o con cinta~, Láminas y cuerdas a base de Cí.~rb6n. y n.:si.·i'Uncic e/ó·lricll: los clemen!os mencionados se co!oc:::m en la intercara para crear calor rnedia11tc el paso de C<¡rrlente eléclrica. Este proceso se Jlama soüJadure con implante resistivo. También se puede sun1eter :1 nn c~irnpo de radiofrectiencias ~t los elementos de h1 irrterfase (soldadura por iuducr:ió.•i). En ambos casos, los elementos de 12 interfase deben ser compaLihles con la aplicación del producto unido, porgue se quedan en la zona de la suidadura.
e. Láseres que emitan rayos desenfocados a baja potencia, para evitar la degradación dd polímero.
30.6.2 Unión ele Como no se reblandecen ni se funckn al aurnenléu· Ja temperatura. los plásticos tcrmofijos, como los y los fonólicos. se suelen unrr con las siguientes técnicas:
1. Insertos roscados o moldeados de otra índole. 2. Elementos de sujeción mecánicos. en especial tornillos autorroscantcs y elementos ele sujeción
Las fu.en.tes ¡uternas de calor se producen con 1os siguientes métodos: a. Soldadura ultrasónica, que es el proceso de uso más común para .los termoplásticos. en especia! para polímeros amorfos, como el ABS y el poliestireno de alto impacto.
tánea integrada. 3. Pegado con solventes. El proceso básico de unión de termofijos con sol ventes consiste en los siguientes pasos:
b. Soldadura porfricción (llamada soldadura por giro para polímeros). Este último proceso se aclap!i1 en especial para unir polímeros con alto grado ele cristaíinidad (sección j 0.2.2). como ios de aceta!. poli e· tileno, "nylons" y polipropileno.
a. Hacer ásperas las superficies con un abrasivo.
c. Soldadora orbital, que se parece a la soldadura por fricc[ón, pero el movimiento rotativo de un compo· nente es una trayectoria orbital (véase también la fig. 14.15).
c. Comprimir entre sí las superficies y sujetarlas hasta que se haya desarrollado la resistencia suficiente,...
!J. Lavar y limpiar las superficies con un solvente.
la unión. Aplicaciones. El método de fusión es bastante efectivo en plásticos que no se pueden unir con facili· dad con adhesivos. En esta forma se pueden unir plásticos como cloruro de polivinilo, polietileno, polipropi-
863
Pregunt
',9
los procesos de un]ón que no basan en o presión cnu-e ias lntcrfacc;.; esliin L soldadura fuerte y la soldadura blanda. En lugar ele \u anterior, estos procesos usan rnateriai de aporLe que reQuicfc cier!o aumento de Lcrnpcratura en la unión. Con ¡_:;JJ~)S s.c pueden u.nir metales no similares, de foi:mas inirincadas y cliversos espesores mión con adhesivo es aceptada cdda rná·; í::l.S grandes indust6as, cnrno la :·ttTOt\';¡xwial .Y auuJffiolri;;. Adern.{Js de propoú.~ionar Ui"!<-J bm.~n:1 rt.s¡stcucia de unión, kif\ adhesivo~ l!encn 1;trns C'(tractefavorables, corno capacidad de selbr, aislar, evitar corrosión dectr, y reducir la víbración y DI ruiflo por amorLguan"licnl:o inlerno en la unión.
(:)
preparación de ia superficie y;:;; diseí1o
la unii)n son factores imporLtntcs en b
urn adhe-
s¡vo~
\_e)
L::.1 sujeción mecánica es uno Je los métodos m{ls an~lguos y mús comunes. Los tPrnillos, pernus
ü1aqhin:.-Jr¡a y estructuras, que o JX!f diversos t)lros motivos.
parn d~1rles mantcnimicnl.ü, facditar su
:.;t:
\U(~!·>t
sqnt·
<:::ic1nent~1s ele sujeción sc1nipc!Tl1an\:n\es o ¡Y~n:naneni.cs,
~rn(J ;1mpiia v~.inedad cie ~)1:nr1{trH.::nt.c:s n
de ~! j;1c1ón_
"-:;¡u-
unil1n
l993.
Rahn, A., The Basics of Suldering. \Ni ley Inlersciicncc.
Brazing Handhook (4th cd.). American \i"l/eldíng Society, 1991. Engineered Material.\· Handhook. Vol. J: Adhesives ami
Elscvit·1, \()~rJ. Salas, D. (t~d.), Handhook of Pressu.1T Sensitive Adhes1re Tec!mology (Jd e
Sea/cm!s. ASM Intcrnalional, 199 l. Harnrock, BJ., Jacobson. B., and S.R. Schrnid. Fundam.ent.als <~f"IV!achine Elem.enls. 1VlcGraw-HilL 19q8. Handhook of Pfostics Joining: A Practicul Guide. '!Villiam
Andrew \ne .. 1996. Humpston, G., ~u1d. D.M.. Jncobson, Principlcs r~f'SolderinR aml Braz.in8. ASM 1ntcrnationa1, 199.~. H'vang. J.S., Modern Soider ?h:hnology fur Competitiv{· Electronics ivlam.~(acf1tring. lVlcGraw" Híll, l '.)96.
Butle.rworth· .j-Ji...:in~n1ann, 199.11 Nicho\as. M.G., .fofning Pmr:t'..~·ses: fntroduction to Bro.z.ing ami Dif/úsion lJonding, Chapimrn & Han. ¡q9g_
rnoltkad\.i.';, o con p1~gado con :;ohcm:.::.
Pannley. R.O. (ed.), Standard H.andhook r~f F'as/ening a¡uf Joming (3d ed..). McGruw-Hii1, i997. Pecht. M.G., Soldering Pruccsses and Equipmenr. VV\lcy,
lnternationaL l99J. ]3ickford..LH., and S. Nassar (cds.í, Handbook of' Bof!s an.d Bolred Join.h« ~vlurcei Dckker, 1998.
Lec, L.-rLA.df1esive ,l]ondin.g. PlenunL !991. Manko. H.H., Solderi11g Handhookj'or Printed Circuits anr.L Sw:fncc Mounting. Van Noslrnnd Rcinhold. ! tJ95. Mess\er, R.\N., Jr., Joining r~¡ Altwmced lvf1.llcrit,1.Ls .
.'--,i)idaclur:1
,·Jii.s
Adan1s, R.O .. J. Cornyn, and W.C. \Nakc, Siructural Adhesive Joinls in E'ngineering. Cbaprnan & Hall, !997. ASM J{andbook. Vol. 6: í'vefding. Braz.ing, and Soldering. ASM
1993. l\11.M., Industrial Appfication.s
Sad~k,
t~f Adhesiw'
Bonding.
Chapman & Hall, !995. Ceramic Joining. ASM lntcrnaLionaL 1990. - - - - , Joining of Compositc~t·datrix [\lfuterials.
--~·,
f\S~l¡
lnlernaliom1l, 1.994. Shf.dds, J., Adhesives Haru..lbook ('.)d cd.). Buüerworths Skei:-..l, L f-!andhook {~( Adhesive:; (3d cd.. ). Van No~tranó Reinhold. 1990.
Speck, J.A., 1\1ecluwú:al Fu.si'.eninr<, Marcd Dck!<.eL 1997. \'1/elding HmuL!Jonk. (8th t;d. L 3
Joinin,~,
··mi~;.
and As·.cn:hi',
/\m.cri.c.an
\ /0~cllni: 11
Suciety. 'Noodgate, R.V•/., Han.dhoolc of ¡\;fodún(~ So!dering.
1990
34}.1 Explique princ~pio ck l.a :-:.o!dadurn fuc:Lc. ¡,Cuál la d1íercncia t:ntrc hl ~:.olda
30.3 ¿Cuáles son las venta.Í"'; relativas de la soldadura 1·uertc con oxi-gas y ia soiciadura prn fusión'' consLu1lcn1cnlc lt:
dc\nrroH:1ndo sold;:;.d.urn~;
adhesivo
ploi.nn
,1 i;¡'.
:1
dc~;_¡rrolbndn una gt·an variedad de st~jt~Ladorr::~ de ;.~¡¡1sh; inst.mtr.lrn:n 1JJct:iliu:is y !:ir!rK:ip;drncntc pani ensamblara en furtn:J !;wnui"auura in1.egr;:1d:.is con cnmputador~1.
30.4 ¿Son necesarios los llincicntes en el latonado'' En c,i:;o afirmativo, ;,por qué'' 311.5 ¡,Cree usted que es conecto diferenciar en 1·orma arbitraria lo soldadurn fuerte de la soldadma biandr, pnl' ia
;10
:1u1omalÍ/.ada y t~ccn6m!ca pieza:~ i~1bricaz.Lls en
ra1ura de aplicadún'? Haga comentarios dctalladris. 30.6 Describa los üpos
30.7 ¿Por qué es in1porlan1e la preparación de la ~~upcrri.cie en el pegado? 30.8 ¿Por qué se han desarrollado méLodos Je unión mecánica'' Dcsn1ha varios cjcrnpiclS especfficos de sus aplicacionc:;. 30.<) Expiíquc por qué puede ser importante la preparación del onlicio en ia unión mecánica.
30.10 Describa las semejanzas y diferencias entre las funciones de un tornillo y de un remache. 30.ll ¿Qué precauciones se deben tomar en ia unión mecánica de metales no similares ("dissirnilar metals .. )')
C:LAVE
30.12 Explique Jos principios de diversos métodos de unión y sujeción mecánica. 30.13 ¿Qué dificultades se presentan al unir los plásticos? ¿Por qué?
/\dhc:sivo~ condi1c1cires
/\ju;,te a
prcns~1
1-\j¡¡ste de conlTacci
;·•urnkni!; i ,;¡[{"\
declricidad
iVktal de ~iponc Pegado r..:on ~iolvcn1c Plegado Preparación de nr!ficio Remache Soldado con olas Soldadura blilnd;i ( e. . 1aílado) '-;oJdrn1ura b1:1n\!;1 con n;1~:1:1
Soidadurn l"uerl.e con o.;opklc y oxi-gas SolcbJurns sln piorno
Sujeción mecánica Sujetador de ajuste instanufoeo
30J4 ¿Que es soldadura blanda con olas? 30.15 Describa la diferencia entre la soldadura fuerte y la soldadura blanda. 30.16 ¡,Qué es una prueba de desprendimiento ("pee\ test")? ¿Por qué es útil?
Sujetador de ;~juslc ins!anl
30.17 ¿Cómo se aplica el metal de aporte en la soldadura fuerte en horno'? 30.1? ¿Por qué no se usa la soldadura común pm·a fijar los componentes eléctricos en las tarjetas de á-cuito'?
:;.:ujL'.tadnrcs
30.1'9 Describa algunas aplicaciones de las cintas adhesivas de una cara y otras ele cintas de dos cara>,, en la manufactura.
Suje1udorcs
ro:-;c~i.cl(\~.;
!.l1:iun <1dbc~:iv;:
·~
C1pí1uJo JO/ Sukhdura (u<-:r!e, sold-iclura bL·mcfa,
,1d!ic~;ión y procr::.,ry1 d(' suk·:.ión ill1.X~í11ícd
7
86~ ~
Síntes·1s y dise1lo
30.44 Haga una descripción detallada de !os diserlos de unión, clasiCtcados por los procesos que se describieron en este ca· pítulo. Describa ejemplos específicos de aplícaciones técnicas
31ft.2ü Comente sus ob.'>ervacioncs acerca de las uniones que se ven en
ii.L'>
p~1ra cada tipo de unión.
30.45 En la sección 27.10 se describen los lineamientos generale~~ paro. la ~~cguridad en las operaciones de soldadura. P«r:, cada una de las operaciones descritas en este capítulo, prepare un letr~ro que en forma cfic3.Z y concisa muestre im; .. Lrucciones específicas de prácticas seguras. Consulte !us referencias al fina! dei capítulo 37 y las publtcacioncs del Na··
i~'ig:,. JOA y ~rn. JO.
¿En qué ,i.,e dífcrenc1u !a unión con ;_1d\J;:;f.;ivo di.; ntros m6tnclos de unión? ¿Qui:-:: limi1acioncs tiene?
tional Safcty Counci l. 30.46 f!.aga una investigación de recipientes metálicos y no metálicos para productos do111éslicos, y para artículos alirnL:nticios y bebidas. klentifique los que hayan usado cualquiera de los métodos descritos en este capítulo. Describa su:-;
.Jlo.22 Describa 1't ncccsidnJ de sop
observaciorics. J0.47 Describa varia::-;
Jll.25 Explique por qué las unio11es con adhc.sivos licndcn u ser ddJiíes frenlc a
unión. 30.48 En la tig. 30.12, ¿por qué los diseños de la izquierda se calüícan corno rna1os, y ios de la derecha conw buenos'?
que su
re~;pue.sta.
separación o dcsprcndímicnlo.
3(1.26 Escriba algunos pü:rn:Os breves sobro Jos rrocews de .'
.Jql.27 Se acoslurnbrn depositar eslaño en las ierminalcs eléctricas para facililar su c:sla11"c!o ¡Yor qué se usa el estmio'' ¡,Qué imporlancia licnc un ajnslc cerrado de dos pieza:·; r:¡ue .<1c vayan a unir rnn soldaclnra fuerlc'I 30.29 Si 1fo;cñara una unirín que se deba sujetar 1.1 grandes esfucr1.0s y a cargc;s cíclicas (fotiga) i.
Locliw'" es un adi·ll"Ívo que usa para cvilN qu,, ius lorni!lo.s vibren y r:n11 !a tucn:;::1y1..~I orificio nl.sc;~d~'. l':x¡)/ÍljH•~ t:ó1nn;1.
;¡(j;¡_ien: ba.'l
¡ l '
~lplicacioncs rm-a sujetadores en varios productos, y explique por qué no se usaron otros métodos
30.49 Describa las semejanzas y diferencias entre los procesos que se describieron en este capítulo y los Je los capílUio:;
y 28. 30.50 ¿Qué tipos de materiales y conñguracíones de parte •;crian difíclles de unir con
~.;ol
30.51 Dest.:riba ejemplos de productos en los que habría que qullar remaches de una estructura o conjunto, y
dcspué~
punt;1
nuevo~
remaches. 30.52 Una de J.as principales cau::-.as del comportamiento errático ("hardware bugs''') y de \altas de:] equipo de cómputo 1_·~; ranu de 1as uniones por fatiga. en éspccial Je los dispositivos montados en ,<;uperficie, y lo,.::, q11e tienen ::llarnbres conexión {véas,:; la fig. 34. l l ). Haga una investigación bibliográfica acerca dt; esle prob'1e111a y desci ..!ha las lnves1 i cioncs actuak.1; que se hacen para evitar estas rallas. 30.53 Investigue en Lnternet la geometría de !as cabezas de torni!1os que
:~1
sc~in sujet adore:-; pennancntcs, ~sLo ~s, q11e se
dan alorni1lar. pero no deslornillm. 30.54 Bajn la supervisión de su profesor, cnm. igti un cautín y trate de soídar eni're ~:f
coiv"'"'"" proc!11c1os durnc'scic"" y ¡"1mcc:;o.'; (;Jl p
"omiJrc de va1·ici.s productos
ptimt
lH::loc/;_1,t: petra
;
cn.'1:.11
se usnron
,·¡
una cadera art!iicial n un fémur humanu. CPt1 dos 11;-¡ndas de acero de l pulg de ancho
üpn~; de adhesivos que
crn.plean
l'~~r;1
8 pulg de longítud, ciisefie y fabrique una unión que tenga la
resistencia en una prncba de l'.,jnsión Jongitudirial.
1·nionda i·1c:dw con poHme:·o
; Jcscriba ias hcrr:unicnw.s y equipe> ;ieccs:ffio.s para clCcluar Ja opcrnción a pardr de í{Jmrna µ.lana.
cr.die:11e. /\note sus resultados y explique lo que encontró. 30.55 Haga una investignción bibliográfica :Hrn determinar las propiedades y
c11;;11rgolado Je dob!c cic:rrc de !a rig.
!'repare t111a lisw de lmeamientos ele tlisci]<.) para uJJir con los ¡m":ec;o.c; lJl.IC se cicscrihicu;,, en este capú:c!n. ;, icrian com1mes c~os lineaniícnlos a h.r mayor parle de~ Jo~; procesos? Exp!ique por que'. Examine un automóvil e idcu1iriy1.1e diversos componc111es que se hayan wúdo con ios ptoc:csos que se describieron cstt: capítulo.
~n
En su revisión ele! prohléma 30.37. ;,uni<"ia e:;u,, componentes rnn méwdns distintos'/ y, en caso atírmativo, ¿cu61cs serían las ventajas? ¿Qué métodos de unión serían adecuados para ensamblar una cubierta de polímero lennopíás!ico sobre un marco de metal? Suponga que debe guilar esa cubiec1a en forma periódica, tal como por .ejemplo la tapa ele una !ata de cafü o de mameca.
JOA!l Resuelva el problema 30.39, pero para una tapa hecha de a) un polímero termofijo, b) un metal. e) un cer1ímico. Describa los factores qtie intervienen en su selecclón de métodos. 31JA! Describa los diversos costos incurridos al usar los procesos de unión descritos en la parle V. ldcmifique los coslos que sean probablemente los más altos y Jos más bajos de cada grupo.
30.42 Comente las limitaciones de tamaño y forma de la pieza, si es que las hay, para cada uno de los procesos que se describieron en este capítulo. 30.43 Describa las formas de las piezas que no se puedan unir con los procesos que .se explicaron en este capíltdo. Dcscn·· ba ejemplos específicos.
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Nuestro pr;mcr contacto visual o táctil con los objetos que nos rodean es a través de sus supcrú..r.:,~s. Poden1os ver o sentir la rugosidad, Lcx.tura, ondulación, cu loe reflcctividad y otras característkas supe;·ricíales, c1;mo rayaduras y abolladuras. En 1os capítul\)S anteriores se dcscribier0n ]as propiedades los materiales y componentes manufaclurados., principalmente en términos de sus característica~:. interiores como resistencia, ductilidad, dureza y tenacidad. También incluimos algunas descripciones Je his influenc1m. de las superficies sobre esas propiedade~, como el efecto de la de la supcrfo:ie sobre la vida de -fatiga y Ja sensibilidad de los materiales frágiles a las rayaduras superficiales. La n1c;K¡ulnaria y los accesorios tienen muchas paites que se deslizan entre sí: p)stones y ciEndros" carriles, rodamientos y herramientas y dados paro. cortar y formar. Con exán1enes detallados se ve a) algunas ele esas superficies son lisas, mientras que mi:as son úsperns; b) algunas están lubricadas, mientras qu.e otras están secas; e) algunas están sornclílhls a cargas pesadas, mienLTas qnc otras sostienen gas hgeras; d) ,_\[gunas co:;tán somelidas a Lemperc1turas ekvadas (dados en caliente·) micnu·,;,· que otras están a 1cmpernt1u·a ambí,énte, y que e) aigunas superficies ·;e deslizan entre sí a vclrici•.\lá:. rdativamcnü: altas {\lcloc1dades de corte ahas), mientras que otras se 111ueven con lentitud (cornD el ffO lransver~;al sobre 1a consolr:. en una fresa o e\ C<-UTO longitudinal sobre la bancada de torno. fig. /\.dernús de sus propi{:'dades gcornétricas, Lnrn superfide es una capa delgada sobre el rnatcric:~ u::rior. propiedades ffsicas, quf1nícas, rnt;üdlirgicas y mcc
Cornponentes de un ;wtornóvil que se relacionzrn con los lem<.1s '/úlvula~, sdins.
de~.critos en l«i
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·¡l~cnniogta de supe1ficic:~·
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m11lerial del '"W"·"' utvc;rmma en general las propiedades rnec;ínicr1s totales del componente, las superíicic:; de
~ste inf!uyen en form;c <.lir•.:clJ sobre
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F·ncc1ón y desgaste de herramientas y dados, y de los produclo:; fabricados. o pie?,a. Ercctivid:1d de lubricantes duran!c los procesos de m:inufoctura y a l:rnvés de Ja vida de sr,rvicio de la Apariencia y propiedades gcomc,tricas de la pieza, y su papel en ías siguientes operaciones: soldadura, e;,c::anado, pegado, pin Indo y recubierto, así como :su resistencia a la corrosión.
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,¡·1;91
d<·s.·•mn'"'" en las siguientes ürcas (fig. VI.1):
ib. . .
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Iniciación de grietas como resultado de cicfocins superficiaics como rugosidad, rnyaduras, costuras y zonas ejemplo, afoctadaspor porfatiga. el calor, que pueden causa;· el debilitamiento y fo foil;¡ prematura de !a pieza, como pvr termica y eléctrica de ios cuernos en contacto. Por ejelllplo. las superficies ásperas tienen 11wyor resistencia térmica y eJéctrica que las superficies lisa0.
Esta Pilrle dci libro seguiní ei esquema de la llg. VL2 pa1·a presentar las cm·acterís1·icas de superficie:1 en de :m estrnctura y lopogrnffa_ Lis variables del material y del proceso qu •.; sobre la fricci•.in y el desgaste de los mater'iales se dcsnibir::in a C
~~----',,."'"'"º'la
fabricación de dispositivos "ucn.ic1eUTófdcos, Prcscn!aremos la secuenp:ira fabricar :,:erniconducior.cs, han siclo ckJr,entos la lccnología de cm11p1.11a
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31 .1 lniroducción 31.2 í:'.structura y prop¡edades de las
,;uperfici1:~;
31.J lnteg1·idad r;uperficial Ji .4 Textura ~,up!'rficia! J ¡ .S Rugosidad superficial
Vi.
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E.'~LG
c;.ipftulo conúenza con una dcscrípci 1:)n de ia naturaiezit esl.ructura~ de las st1pcrf1cies, que tienen propieda
una supcrfici(\ de acuerdo con la manera con que se generó ésta. Esos defectos, así corno las(¡¡ Tribn!ogh (C:ipín.i!o 34)
1 rn1cgricl<1d fi:.'il1'UC1lJ!',.¡
Fi'ricción
'n:xturn Rugosidad (C'~1púulo
3 J)
(Capítulo 32)
Bruilido Endurecid'l Deposición Implante Recllbámiento.-, Limpieza (Capítulo 33)
s,1s texturas superficialc0, puedGn tener una gran influenci2 sobre !a integridad superficial de za';, herramientas y matrices durante su producción y durante su vida deo servicio. A :ontinuación describiremos dos métodos comunes de medición de rugosidad superl!ci21L la pnictica t•.ocnológica, y la instrumentación que se usa. Por su creciente importancia en la mcmcrr<·.:. tura de precisión y en la nanofabricación, también se describen e ilustran las mediciones tridi,1k'1sionales de stiperficic. El capítulo lennina con una descripción breve de los requisitos de rngo.sid,,C.: superficial en la práctica de ingeniería.
31.2 ESTRUCTURA Y PROPIEDADES DE LAS SUPERF!ClES Al examinar de cerca la superficie de una pieza de metal, se ve que en general consiste en varias cz..pas (fig. 3J_1 ). A continuación describiremos en forma brevt~ las características de esas capas: l. El metal del interior, que también se llama substrato del metal, tiene una estructura que ,b pende de la composición y la historia de procesamientos del rnetaL 2. Sobre este metal del interior está una capa que en general ha sido defomiada plásticamente, o endurecida en gran medida por trabajo durante el proceso de manufactura. La profundidad y las propiedades de ia capa endurecida por el trabttjo (la estructura superfichllí
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upílulo J 1 / :Oupc1fícíc1,, su 11cilu1aleza, rugo·,ichrl v nrc'Ciición
Scc·.. ión 3 1
· ·· Conlaininante
i
Gas adsorbido - Óxido
1 ¡ l
Capa c:iidurectdn :tlc<:
1
de rridal
371
/ lnteg1·icbd super1 ic:ial
En consecuencia, los óxidos tienden a ser frágiles y abn1slvos (véase la sección 32.6). Esta caracterís~ íica superficial tiene varios efectos irnportao~cs sobre la fricción, el desgaste y la lubricación en el prOCí:.Samit;nio de rnat:·.:.rialcs . y sobre ios productos. Los factores que pertenecen a las estructuras supcrfi..:iaks de los metales que acabamos de describir también son fac!ores, en gran medida. en la estrnctur;J superflciaj de plústico~; y cerámicos. En estos matería!es, la texlura superficial depende, corno en !os metales, del método de producción (véan~;e los capítulos 7. 8 y 18).
f ·¡ Esquema de :.:n corte de lc1 supr'"fiu;ii de Jos met,lies. los espesores de las capas individu;1ies depc:;1·1den de ias (T,i~C(i( ione.c, y d :)mbiente de-J proces,1.rnienlo.
1¡ 31.3 NTEC DAD
l método d" procesamiento seguido, y de cwluio dcslizamicmo friccionan-
1 ¡
Si se usan hcrrnmienlas afüadas y se seleccionan los parámd:ros :1'lccuados de procesamiemo se prnducinin superficies poco o n11eb perturbadas. Por ejemplo, si la superlicie se produce por maquinado con una herrnmicn:a mellada y gastack. o si :':e obtiene con m::!~s condiciones de corte. o si la superficie n:clific:i con c:-;mccil iapado, !a capa cstrnnurai superiiciai rd11rivamente gruesa. Tamb:ic'n, la dcformrrción .>upcrficiai no uniformc\ o alws graciicalcs de lempcralurn chrrame opcracione.': ck rnJn1.íii.1nurn. b cap:.< cndurecicfo por lrabajo.
¡
dependen de Lictores como sufre la superficie.
oxigeno, o que sea un rnet.;·1l no·
óe ·. ~,
subrc
1~.1 1.::apa i:~ndurecida
por
tralx~io.
Pur
1 1
La infegridod supe;:;~~-cial no sólo descrihe !as propiedades topol6¿1,ic;:1s (gc01nétricas) de las superficies as[ co-mo sus propiedades físicas y quíffticas, sino Lambien sus propledddcs y características mec3nica:> y metaJC1rg¡cas. La integridad superViciaí es una consideración iinportnntc en 1as operaciones d1.:. manufactura, porque influye sobre propiedades como la resistencia a ia fatiga y a la corrosión, y b vida de fa.tiga. Por ejemplo, 1a (Jg. 31.2 se mucstr.'.l eJ ,;fecto advcrs()
varios drdectus· causados por, pl'oducjdo~~ durante fa manufactura ck! -~n¡~-i :f)€fed.os ~illiw1'l•rcia1~e,;, ponente, que pueden responsable:-, de integridad superficial inadecu;·lCb. Estos defectos se suelen cau sar por un;'J. combinación de .factores como :.1) dcfeu1,;s en el rnaL:ria! original, causados por un procese. de colado u de cnnforrnado del fnelaL b) rnétodn i.:on el que se produce. la sup~Tficie. y ~1decuado de tos parü1netro~·: de! proce:-:o, !o c¡t1.c pl.lede ca1Jsar esfuerzos c;~u;:;;ivos, tcrnpen.itur;::1s defrFrn~'lción
de \<.e SUJY~rficie.
conLinuaciün pre:~e11u.rernos
un;;¡
dciJni.cioncs .superficiales de ms princirn1ies ;kfec1os ::;uperfici;1lc:,
\ten en
(en rn·dcn a! fohét ico)
:-:cguidrJ de
aluínin./r; .<:nT1orF1·1
'!
cristaiil-uJ y sobre dl:J
e.le grant!, por fragí;izacion y corrosión de
C
q11c
u
con oírD.
u1l)re.
~';·os inotidobles
"ino;cicfables·" purqtu:: funwi.i·i como se Uc.':>crihi6 ~n Ja :;cc~~ión 3.S.
~1p::_: proi·l\.:lorn
;1.me; ior. [a:; superficies propiedades que en general wn muy di.1li11tas de Jas de! subsirato. óxido de una superficie met;,íJica es, en genen!l,_mucho más duro que el metal hase. Algunas relaciones de rútrr'7/! (le :5xido if metal hase, por ejemplo" .son fa1-: .siguientes:
que una de/úr:nncirJn. ,.,·1.1¡N:1:ficial causada gr:.mtk::~; dos a !a fncción, gcorncirfa de bcrrainient·.lS y rnalrices, be:rram.icntas desafiladas y por d método de CC.'iDS1ll1.:Uki .
(l\'!PaJ (b:i)
i200
l(~j}
8 1000
j:J,.()
::::;
Aluminio Plomo
i.{j
20
Níquel Cobre T{¡ntalo
0.6
Molibdeno
0.3
2 l.ó
~~1;1;tífic;Kio Cllil
bajos
CSÚ..!~f:LOS
(){)0
.2
90 70
al
supcrri e: ;1lc.\.:.
que
óxido de
:.1.mbicntc, las capas óxido se suelen q1brir con capas aJ. .nrbidu.1· de superf1cic cx1em:1 dc.I lllt!lai p1wdc cubrirse conti1mi11m1tes corno iien-a, po!vo. g1·11;;;¡, residt!os de lubricante, residuos de limp1adoncs, y contaminantes del ;-un tú ente.
Estai1o
rc~,uJ1a11
:.K<:l ba< l.n
i20 800 700
600
iOO
80
500 400
\
f~GURA
''..
\ '~--------Rectificado abusivo
f¡f)
105
106 Cantid
107
31.2
Curvas de !ali-
ga par<.l acero 4340 rectificDdo superficialmenle, templado y revenido co11 durezJ .S 1 HRC.
Nótese !a gran reducción de resistencia a !a fatiga con las condiciones de rectificado (abusivo; V(~ase tarnfig. 2.281.
.....
:~
:¡¡72
,·ip!tulo ) 1 / Superíicfr:s, '.:>U natura le¿::¡,
5,. E:-;1'm:;1·2os
11 fl,j
mo-,~,
j
n1go~;1,fad y mcclíción
Sección
ri~sñdm!!cs,
de tensión o compresión wbre ia superficie, causados por clefornwción no u ¡_ 11 form.o y distribución no uniforme ele lcmperaturas (véase también la sección'.'. J l )_
::í.
·>
1.5 / l~u~osid(]d super!icial
873
Defecto
Gde~as, que son separacionc:, c;ocnws o internas con contornos agudos; las grietas necesitan una magnific::tción de l OX o rnayur para poderlas ver; se Uaman microgrfotas_
7. fodnsicmes, que son elcmcmos o comp1testos no metálíeos pequciíos co el melal (véase ia sección 2-23). Lfr!lieas de
pH~eg1m~s,
!o rnisrno que
ia~, co:--;turas (véasl~ ridelantcJ.
ficacforns, depresiones supe:·ficialc:; poco Gsico. H;,
profu~~~:Cs~ ~or io general resultarlo de ~
cuando sc·brc una superfic¡e se clificado, como por ejemplo. al .-;oldar.
1
l
pcqucrias de me1aJ fundido y rernii-
Tnmsformación ;nctaiairgica, que impiica cambios microeslrucluralcs causados por ciclos de lenipc raturn (capítulo 4)_ Estos cambios pueden consistir en lrnnsfonnacioncs de l";.1sc, recri:;ializaci6n_ '"golamienüi de aleación, dcscm·buriz;1ción y ma1e1-iéll fundido y n.:s<>liclificad" n rcdepositado, como C!i el 1naquinacio por descarga ciécti·ica.
Ancho
1
A!!ur~1
Una de 1;:1:.., i.écnic;s ele uso
Ra máximo R11 mínirno
l
Termir;0Jr..1;:;ía y símbolos norrn.:llihtdos pJ.r~1 ck--:scribir· acab;1dc s1.1rY:ríicial. L.:1s (::1nti
crnntín para c;cicrnüV\(
com¡Jonenle que~; •.; analiza, por lo En h: '.·,ecció1: 36. 9 se describinín >.'nnas t6cnicas
Ancho mú:ümo de ondulación Ancho del cortt (.lt::: rugosidad Ancho máximo de rugosidad
m;.íxtma de nndulación
1
,\a porción de nn metal que se sornetc <'.!.(;idos t<.5rmicos sin fundir
~··J¡
¡¡¡_>.
qtJ(:'.
Rugosidad
()ndulación
Errnr de forma
Prriil supcrfic1al
1
lo mi.~mo que costuras. '>e l~t fig. 29. l.).
de ancho de rngn.-:idad
1\ltura t.k Ja rugosidad, R1
l
.----··-··---··----·--·---··----·---··-·--·------·-
- ----··--·-----·-··--- ... _. ___ ..
:r1 .5 fr:ZU generaL !a rugosidad .'~uperf"iclaJ se describe con dos inétoJos: el va!ur de la media a.rün:1étic.::1 y la promedio de los cuadrados. E:l ~m&nr 1a nmctliH adtrnédc:.~ (R,., lfoinndo antes PA, de promedio r..r.riimé!ico o l}I.,C, de promedie líneu u'c ceílfi'o) :::(~basa en Ja ilu~;tración <::'.squcrnúüca de una superficie: :..isper<.t. en 1a flg. 3 l .4. \ralot dehnc cerne :~1guc: media
a
ia~-; :..;uperi'k-:ies L;cn.en su.s propias,_"""-"'''·'•"''"
r:oniunio se ib1n;m s!!¡c.c;·fidal. descripción cíe 111 tcxwrn .'
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absoluto:~, y n l2i c:m1idad de. rnediciunes. nw.tl.radHs (!(,11 que antes ~e !!amaba R/v!S, por sus siglas en ingies
e,_ . , son valores
mcan-squarc) se define como:
Jimp.ed'ecdm1,es o de/éctos, que; sen irregularidades aleatorias como rayadurur . griclas, ;igujcrns, de rresiones, co.sl.u.ras, rasga{foras o inclusiones (sección J J . .1). l}freccfonalitdrm! o sesgo, es la dirección del patr·ón superficial predominan le, por io general visibk
ple vista.
que se define corno desviaciones cercanas e írregulares a escala menor que la ondulación. La rugosidad puede estar sobrepuesta a la ondulación. Se expresa en función de su aitura, su ancho y la distancia a Jo largo de Ia cual se mide en Ja super1lcie.
P:errfü omfo!ado, es una desviación recurrente de una superficie plana, en forma muy parecida ala.sondas en la superficie del agua. Se mide y se describe en términos del espacio entre !.as crestas adyacentes ele ias ondas (ancho de la ondulación) y la altura entre crestas y valles de esas ondas (altura de la ondulaci!Í!z)_ EJ perfil ondulado se puede deber a a) flexione;; de herramientas, matrices o la pieza; b) fuerzas o temperatura suficientes para causar torceduras; e) lubricación no uniforme; d) vibraciones o d) cu;+ quier variación periódica, mecánica o térmica, en el sistema, durante las operaciones de manufactura.
R(1 ::::.:
c2
+
d 2 -1
n
Lti línea de referencia AB en la fig. 3 l .4 se ubica ele modo que la suma de úreas arriba de ella sea ig·.;a! a la suma de las áreas abajo de ella. Las unidades más empleadas para expresar la rugosidad :mperficial ¡.Lm (micrornelros o micras), o µ.pulg (micropulgadas). Nótese, por ejemplo. que l /.Ll11 = 40 µ.pulg, y c¡uc'
l ,u.pulg = 0.025 ¡nn. FIGURA 31.4 y 31.2)
Coordenadas pJra la determinación de la rugosidad superficial, con las ecuaciones (31.1)
wr-C,1pit1.ilo j i / St1p(·'1(i~
n,i111rair::o:::c1, :·uw)b1d,ld y 111r::di( ión
Sección:)·¡ .S / !.Z.U!jOSicldfl 1;uperlici,·i!
A.d-::rn::i:-;, par;.1 rncdir ch ce;mo in :1lilira desde
mcd~ados de
~;u simpJic!dad, (;]
195() s;.:: a.dop16, por
década
L.,as ccuaciout::-; (3 l ¡) y
mucho u1 b
hay ;rna relación f\J.r:1
q11i1,r
;)ircccic1n:1i itLid ;1proxímJdamc:nlc '~:~rcu!m· en rebción con el \·k la
1/{\lOrde
i .2)
Ejt:m¡i!o:.:
!1ucrp; r:tacit~n
i\icnirlo.'>
u o1ros rnétodos.
/\
inedia
de n11Yu:>m;1¡¡ 1.¡t1e
pal'a oi:ncncr uw1 superficie k:a, por
l
usar
rugosidad L\1\nhii'ij}
muc~-
!il.'rficic a
iab!a ~T111i.:,';lracs-
1~1
Senoide Mar¡;iínnd•.1 rJe Reuific:1do
nt' ¡xJt:dc describir una superl]ei,; sólo COll :.u v;iJ01· R,, o porque ··mJores proSL!Dcrficies pueden tener e! rni.smn v:drn· de rngosidcicl. ¡xrn tener íopo:2rnlfa :c:;t! muy di::fint;i. Uilos pocx; 1·:1yoncs suPcriicie por lo dcni;is por nu .nucho l"s de nigoswad. tipo d,-~ pcrill superfo:üd CíLrncu:~rf:.;¡ [c<.1:-:
pcochtc!{) a1;.1ni1!~1cluradn.
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~lpiJca.ciones 0.S 1.nm (0.03 pu!g). ,0,Cllcra! es que corle ciebc ser 'Ltficien1emen1e gr;11)(Jc p<1rn abarcar de 1O a ineguiahdac!c.'; cJ,· y t¡·unbit~n fodo d pcrí'il ondulado.
F:rra noconocc;· li! rugosidad. las 1r;i1,as del rngosfmctro
rcgistrcrn et: una escala verticaí <.'Xagerada. de
<.:i¡:,uno.s órdenes de magnitud mayor que la escala horizontal (v,fasc la lig. 3 j .7). La magnitud de
csc::!;J se
llama gammcia dél registrador. A:oí, el perfil registrado est{i bast;1me cli!slorsionado. y Ja superficie pmc1x :;cr mucho müs áspera de lo que en realidad es. El registrador compensa cw1Jquicr pcrfü ondulado; sólo indica In rugosidad. Un rcgisiro del perfil superficial se hace con ins!rumemos mecánico;; y elc,;1.rónicos (fig. 3 l .6bi. Por el radio finito del csi'ilctc de diamante, su trayectoria es menos rugo"' que la superiicic reai itwle.sc Li trayecrori¡; c!e la línea intcmirnpirfo cn la fig. 3 l .6c). El diámetro rmís usado en la punla dei csi'iicte ,;.,, 10 ,urn (400 ¡,ipuig). Micmras menor sea el diámetro del estilete y más lisa la supcrfick, la trnyecloria de! !iletc se acer-car<'i m<.b a la rugosidad .superficüii real.
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Sección 3 ·1 .:) / Rugosidacl supcrficizd
(cJ IZl't:tir1c;ido
877
:1.8µ,:n115() p,¡1trl¿'.)
de dcsbri.c,\e
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31.7 l'eríik's lípicos de supuficie.<, ¡m.vlucidas con cliver.<.J!or@ l '176. McGraw-f\rhiishing Comp:;:i.ny . .Se usd con ,1u1oriz,1ción.
0.25
p.P-!
superficlcti es través c!e un ;;·w.roscopw o¡mco ·msco¡;iu dcnrrínir;' de barrido. i i(;iogr:úín. cswrco:;q)oicas .fün muy adecu<1d.cts parn rene¡ rridi,1i1c111'io11;;ie;.; de s1;pc1Jicit:s. y i:unhic'n se p11edcr¡ usnr D:.tra rncdir i:i rn2.osidad c;upcrfkial 1
,1011
(1
;
la que se 1.on-w_ fa
cridimcensionaics. En el c:c. 10
frecuencia se 0;1cec:i.tan medir
0.75
LOO
~)upedicie de s·1r1cicl rnuy r.H.diJa
fiGUiitA 3L9
I,¡¡ n1go.'.'icbi .
ll.50
f?q
·-O. í
1
rnf:clirla con un rnicroscopio de fueu:;1 atómic,,1. 1.a nigosidrtc!
11n1.
Los n1kroscapHos iL'Je atóaniica se usan para medir superfic1 ..;s c:xu-ernadamente lisas, y Li1.:,nen ~,, c;1pacidad de distinguir escalas atónücas en superficie~ atómicamente lisas. Corno se describió eu ia scccil)¡¡ 2.ú. J 1 (nw1r:fábricación) y se iluslrÜ en ía fig. 26.18, el espécirncn :)e coloca en un soporte y se pone t~1cto urn un voladizo que contiene una punta <.ifllada de producción de imagen. Un !áser se refleja de un espejo sohre la punta del voladizo, h:.icia un tablero de cua!ro fotoscnsores qt:,:. regi~)ln1n Jcsviacioncs laterales y vi..;nica!es del voladizo. Ei espécimen se recorre a conüriu8ción de ida v1.1du1 con lo.-; p¡ezoelcmcnios, y se registran bs deflexiones del voladizo ())l1 to~~ fotosensorcs. De. este
1
superficiaJ con prJsiDiLdad de dividir una di8Lanci~1 cor!::.; 'ic dcscribinin rnüs adei:.i_nie. 1
1·-z,_,,.,,n,,··i1.1 lanz.:.u; nrw luz (.:omro_ una snpcrficie reflectora y Ja:; frai .ja,, de imcrkrencia que se producen con !as onci<.¡s incidente y reflcjad<1s_ Esta una me· '"'''"
dirncw de ia pendiente de ia superficie en el :írca de inten's. A medid¡¡ qurc varfo la distancia verncal cu11-c muc:;!rn. y e! ob_ieiivo de in:erll:renci;i, lambi<.':1 c:m1bian las r·iguras de las franjas y permilcJi dir la a)lura su¡x:1-Ciciai. Eu !a fig 3 i .íl una medición caracicrís;ica dtc una superficie de aitnninio 1l!iC/.:;.
rnc-
do se puede medir el, pcrfi1 superficial, con gran exactitud. En principio, ~.¡¡1 roicroscopio de fuerza atórrüca (:.'.S tan sólo un rugosfrnetro muy fino con un qnc se miden alturas. Con los voladizos adecuados. la re~;olJJci6n \1crrical es J escala at.ém1ÍU-1, y de barrido pueden ser ce vibrnr d voladizo cerea de su frecuencia resonante. y golpea conlra la superficie. En esta prueba se us~L; voladizos de si.licio atacado, con frecuencia con una capa de diarnantc, porque producen resoluciones extr:~' madmnentc finas de los detalles superficiales. Por ejemplo. la fig. 31.9 muestra una superficie muy pulida silicio que se usarú en ia fabricación de chips: su rugosidad superficial R" = 0.134 nm. Estos n1icro~,c.:opio~, útiles para este intervalo particular de rugosidades. pero tienen dificultades con superficies rnuy ásperas.
31.5.4 Rugosidad de la superficie en la
de b ngeniería
Los requisitos de diseño de rugo~idad superficial en las aplicaciones técnicas normales varían hasta en dos
denes de magnitud. Algunos ejemplos son los siguientes:
\
\
\
\
·-
Caras de disco de embrague Tambores de freno Cojinetes de cigüeñal Boias de rodamiento
-----;~
\~--·--rl~---~;
FIGURA 31 .8
Superficie de
aluminio laminado.
3.2 µ,n1 1.6 JL!ll 0.32 ,um 0.025 µ,m
(125 µ,pulg)
(63 µ,pulg) (13 µ,pLÜg) (J µ,pulg)
Además, por las numerosas variables de material y proceso que intervienen, los límites de rugosidad pn:.>-·
~
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CUdlil~\lÍVílS
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dc~5arrolbn_do jnstrun1cnLO:.:. que
cc1n cx.;Jctitud
de h'iS SU·frecuencia en apL-
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cw..:inne~, de rnicrnekclrónic<.'-.
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R<ÜZ del promedio de. \o:; ctw.draüos
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c;¡c;ón.
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Jn8s
re-
l
rug
;~,ida:l
\n)pcrf"c.cción 1ntcgridnd super'i'ír·1,1i
Recorndo Ru[!.O<.;Jdad
:vlcdia ari'(;wSt.1cü
í~u,0osímc~so
M~croscnpin de: fucr:;,~1 :.1i1::rn.ic:J
Capa de ()xldo Defectos so.tpcr1"ic1a!L::, Direcciii1ial i(!::H 1 .SslrL;ctura '..;Upt~rricta\
Suhslrat.(• TC',xtur;::i 91¡)crrici::1i
Onüulaciun \J.icadt1ra
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:·5uLtcT\'/nrth· ': kinc1r1aYni, ¡ tJ9:~. V:/eu1· ( 'omrnf i/and/xH·./....
.\~nc1·i..:at"1 Sock'lY nr 1VL~ch;1nic:·Li
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'.' ,p!ii¡ue ins térn1inos a¡ 1
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clas~:s de ck:f1:ctns i.]H(. prc.~·.1.X1tan
suele rnedit ia rugnc.;!dad?
,0ué es recorridn? ¡_Cwí.l e:-;
~;u ,',lgnif.1L':,1d•,>"!
1
JL-5 i,Qul- es un rr1icruscopio de fw.:·r1.a atórnica'! :lí .7 ¡,Por qué lcr; rcsultaclos 13<: un rugosímctro no son una rcpri::·;cnlilcion !'ici de ia "ipcriicic re:il"
3 L8 ¿Qué rcpre~.;entan R n I(1 y R1? 1
31.9 Haga un csqucnw de Jo q11c existe en la wpcrl'icic de un metal e inmediatamente ahajo de él.
St; tn1tr1, en forma persistenü::, de definir y ckscrihir las ;-;uperflcic:s y sus
uu·<.tcrcd:~tíc~~s,
y se
PROBLEMAS
cnntinuamente los mélodos. Una tendencia importante y cre1jenr.e en el control de la calidad es la n1cdición en procc~;o (rriedic: Jll
3!.rn ¿,Cuál es el significado ele que la dureza de \os óxidos metálicos sea en general mucho mayor que ia de los mc'.a\c>;
n1ando se están produciendo las pm1c:;) de la rugosidad superfü:ial.
~~J2 ¿Qué ['actores considcral'Í
Se Gsttln desarrollando instn1mentos de medición con _mayor scn
e;zactiwd, p::1c: sisten·1as ie
mismn~? 31..H hase Describa los electos que f1cncn !.ns defectos superliciales sobre el foncionamicnlo o servicio de \os productos.
!a direccional id ad de una superficie para un componente delernlinad0?
~
1pitulo
_i ! /
1
Supc rl"i1.ics, su :·1<1lu1,:1k'<::1, rug(;'..;1dad y 1nvd1c1ó11 Síntesis y diseño
::~:.~" '"' ,, "'' ""'" ''""" ' '''"''"' ,, ",,""''"' '"'" '' '"' "'' '""""' '" """"' '"'" ""'"' "' '"'·" ',, ''" '" Al 11:;<1r un in.;1rnmcn10 1nc1fülr1r de rurmi
1 f
·~: :;,: : :~'.:;: ~:~: : : :.;'. : :; ;:~:.:,: ::~::f~::~:.~~·~· .;~", :::::;::·::::::::~:'.:::.:~:·:·;:::~ 1 j)~lr;.i
:::.:.:..:· :::: ;',::,;:;.:::.";: :, ' "''" ' '"'""''" "' '" ,, "' '" ""'"" ""''" '"""' ' """ io 11Hsmo que en e! problcnw J ! . ¡ 8, pero !a n..tgusidml ,'iuperficial.
Explique r,;uá! es l;r i111porla11cia de C>:lwliar 1 'i, ;;uuic i" fíg, :11, J, cbcnlJii !o,, hc~jo) .'iílbt\~ el ,'rnhslrato de rnclal
::11ncrficics de lc1 pieza
" ' ""'"" '""" ' h) '"""'' '""
irab;;¡:.1, ¡,, ilc1T111111cn1u y,,¡ ciado,
hc1rn·cs que rnnlrihuycn :1! e::pc.'>or ck lu cup:t cnd11J'c:cid11 lllc"r 1lnicamente (pnr 1r:1.
una eleproduc1r. las
31.5, descnh:i un, ír:rnp/u
un pmr:c·;,o de man¡¡i(1c1u.
iónm: los
,
-:,Por q¡11.'
,\dffiCll!.'1
:<:·,
el
C{)Si.O
"''""'·ª"'' ,s
<'LC<.!Íl
n1div1dunk,': •.11' J:¡
:1.
il':
de1c:·mi1ud;1dm.::cc.1nrwlídad1.:'.;J ::11¡;1..~1 fict(:, de dt·(cn1nm:cl;i T:r111lrit'n dcscrih<1 .m ideas acere;¡ ciclo., posibk,;, "'""'· rípoc1" o c.,ld'crf', ci::
pr•n<:nrc. 1:;.;
1
,
pcriilcs c:upt:r!'icia!c:s. unu de ond:i cn::drada y otrn •Je onda :·rcnoidaL Si sns vrtlorc,, de !(son l<.1 r!os relación de .su R1?
irnagn1" 111rn operación de cilinarndo en la que la punta del buril se puedr: con"i:!crnr triangular, aprnxirn1Jdc:n1cnit', y licm: un ringuio incluido de 90" 'ii ''I avance es 0.002 piilg/rcv, y un cor!c' ele dcsbusic. ,cuül es, l;i rugos1dacl f"iciaJ qut! n~suJia en la dirccc:i()n dci
lo•;'ª'"'"
83:~
1
31.34 ¿,Sería deseable integrar los inslnrn1entos de rnedición supcnicial dc~scritos en este capítulo -:n !as máquinas heITamii..::1!ns descritas en las parü:=.s HI y IV? ¿Cómo lo haría. teniendo en consiJcración el ambiente fabrH donde se dcb1:'n
usar? Haga alguno:.; esquemas preliminares . .31.35 En la ;.;ccción 3 ! .J se prcscnló una lista de lo:--: principalc; dl'.rectos <>upcrficiaks. ¡,Córno la dcLcrn1inaría ')i cada :..tno
cli: ellos es faclor importante en dclerminada apiic:aciOn"? 3L36 (.Por quC son tan amplio-'> los rcqui~:itos de cfü;eí'ío de rugosidad superficial en his ap!icacionc~, técnicas? Exp!(qu1.:. con cjcmp\rn; t~:,p1.:~c1ficos. 3L3'7 Diseñe un aparnlo experimenta! que pcrrnila que un rugosfmclro {(:iit:'.
flil7 -
conLinuaci/m
caq1Luln dc.~.cribirú los rundaruenLos de los fluidos para conformado de metales. ln-
c1uy~~ndo ios tipos. c::u·acu.::rfstlc;_i~; y aplicaciones de !os
]{quicios
s¡)]idos de uso frccuenlc, y
cnndici 1.)ne;~; biológica:-,
r•.:.cil·hdo y
final de ic>.'> riuidr·.:-·
conr'onn<.1.do
a1nhic11L)1e~~
r:nclaks.
con10 l2 resiste:1cia ¿d inovinücnio rehttivo ernrc do~) C1J1·:rpns que :::.e 1ocan. :;onK:ticln:.; a í'ricción :Jr~:.;einpeí°1
una r''
l
dcsl~cho
La rricciÓ!l Ji::;ipa encrg,t".a y ;.::n consecucncla g/:t1<:~r·:.1 calor, qrn~ puede j.c!ler efectos negati;,.:()s sobre ut:ii
opcn.1ción. !\clcmás como !a fricción irnpiUe el rnovirniento libre en [as in(·crfacc. puede aCecLar mucho el jo y í:a defonnaci
'T'ahor (191J
). Se bas<:t
' :.1spt'.re1.as '¡!
;.: ¡ \,
lll
-·
toda la ·-;<>hrc prncco;os y de m:mufoctura. cni.r10 on poi,·11cia. hado e irncgridad su¡x,,·fici:il C-'«tcl.iiud dimcnsion:.d caiidad dci proc!uclo_ tnd<.rví;1 mecanismos hen-amient;,t•; y dados bajo las condiciones
en
pariicul~n
y
..:n cuarno
'.;Lipcrar fa fricción
cnnv'.cne
caler (un~1 peque.na parte se
ien1pcratura \.~n la Jn\crf:::iz. La temperatura aurnenLa con tu fricción,. la velocidad de desliza1nient0, una conduc!iv·id::d lénnica y rnenor calor especifico de los rnaí.Gria!e.c. qi.1e se deslizan. ü:::inperaLura de b
n~a]es de procesamicnro.
define a l;i lTilhofogfa corno IJ ciencia y tecnología de 1:1_/i-icción. el dcsgm·1,• y la !u/Jrical'i1.in. Rsic cnpflulo describe aquellos aspectos de la tribologi'a ql!e tienen relevancia en los pmceso.'. _y uperacioncs de manufactura, y c;n la duración de los productos en servicio. Primero de;;cribiremos h1 fricción _y 01 desgaste, y cómo están ini!uidos por diversas variables de nmteriaies y de proceso (como loe; ripo.' de mal eriales, condiciones superficiales, esfuerzos de contacto. veloódades _y lempcralurns ¡_
Es necesario comprender estas relacione«; para poder seleccionar en fon1w correcta los mai-eriales de he1rnmicntas y dados, así como los fluidos de trabajo de metales para determjnada operación. impacto económico sobre el desgaste se aclara cuando se V•c guc la estimaci\in., sóio para Estados Umdos., cid costo total de reemplazo de piezas gastadas es más de 100,000 millones de: dólares ,1/ afio.
iBJ:12
d!:.1ipada
fcrrna en L~rn:~q;.i'a aJrnacem1da en L.is regiones deformadas p!Cisticarnentc; véase b ~;ección 1.6), y
F!GURA 32.1 ---~
F
Esquema de la interfaz
entre dos cuerpos en contacto, 111ost1·ando las ;;lreas reales de contacto en las asperezas. Las supe1ficies en la
prá\tica tienen un.J relación de áreas
de contacto aparenles a reales con valores hasta de 4 a 5 órdenes de magnitud.
~
(.;1p1lu)o
/ Frbolo¡.;í.1: i'ncc11i11, cics.¡!,<151{· y !ub1 w,1ci6n
3:!!. -¿
Scn:ió11 ·-~'2..S ! ,l\Aedición de la 1·ricción
Valores d(: coeficientes de fricción en con metales
Los hü:>ricaxües (corno los acciic.s) y hs películas sólidas (como J¿LS 1fo grafito) interponen una pdícu-· la adhercnre entrn la 11t:rn:uni.~~nta o e! dado, y b pie;!.a. Esta película minimiza la adhesión y las interaccione:; de una snporficie con !a olra, y así reduce iu fricción. También se puede reducir mucho la fricción sometiendo a la interfaz entre he!Tamienta o dado y la za. a vibraciones ultüasónkas. en general de 20 kHz. Estas vibraciones separan en forma periódica a las do.') snp1crficies y dejan que el lubricante fluya con más libertad a la interfaz. durante las separaciones.
·--·-·---·-------·-----·
Coeficiente
de fricci¡·oce!-;{;
i .
Fon nado d~ hnn11n
En i'rfo
En caEcntc
OJJ.s-.o.; 0.05-·0. t 0.03.-U. ·1 0.0_') -0.i
885
11.1 ..0 2
32.5
O.
puede:deser suficicntcmeme aila como para :·ehi1·r(icies, ~::unbios rnicroc~truc!ura.
;; Vc:ccs
El coeficienle de fricción .se ~:;uck deLerminar en forrna expcrinicnt~tl, sea durante los procesos de rnnnufr:'..'.lL:ra o en pruebas de laboratorio simuladas. usando especírnene:; de diversas forrnas, en escala;~ pequeñas. técnicas para caicular el cocficienlc de fricción suden implicar la medición de .fúerzas o de crHubios dimc7sionolcs en el eopécimen, A causa de las dificultacks que se presentan al experin1eotar con el equipo de producción, y en especi::i del etllo costo de int.errun1pir la producclón, se han desarroHado y se usan en fornEl. extensivas pruebas en
par:1 c:•w:m
T\1rnhi6n !:.; lcmpcrarur:1 <1foc1a !a viscosidad y 01r<1s prupiedadcs de los c::us:mdo su c!csc,;m. posición. N,;lcsc, por ejemplo, crímo lu m:intcyuiila el acei1e se queman y degradan cu:mdo !ao: icrn¡H·:m1uaUl!>ent;in ::cn1:i:;i:1do. n:.sulU11ios, ,1 .su vez. afoctan en iiirrn». :1dvc:rsa opcr:1ci1Jnc;:; se y ausan dafln;.., :-;¡1p;:~Tficialü~; objeto
quefia e'.-;c.1lu donde se sirnu1an !as condicion ,::s reale.s en producción. Sin embargo, nwchas de 1
eila~
no
can le.is cnndiciones exaclas del proceso real de labrado de inctaL por ejemplo, a) el 1m11afio de la píczrt :' e:;tr:tcio :.,u sup.::rl'icie, b) lu rnagnilud ck las fuerzas que ínterv]cnen, e) Ja velocidad de operación y el) pern.iuni. Si11 :::~n1kirgo, :se puclh:m u:~ac p<.~1"a comp:.:irar d fun.cionarrúen1.o de diversos 1naLcriaies y lubric,;;1'
de
32.
df;
10
Una prueba que se ha g~macln gencn-\l, en pank.:,da.r JXli';l proce.
de ir·,\..:nur, y di~.;minuy(: ~i /l· e:-: n1í.\yor (Cig. C<:\.ffl.bio de r!i6rnetro ínt~Tnn ck~I espécimen. us;.indn la:.; ci:rvas de la fig. rn~·.::diani.(·: an:i1isi·-; :,e flHL:dc de!errninar el cuericientc de frici.:ión. genrnetrla 1_k;':
r;.uur;,, ks .':uperJicies deslí;,a11t1.os pueden sufrir dcfonnaci
El c'urnportarnienro de los cerámicos en la friccicín :;e esrfi estudiando en fornw CKlensa. y J:tc. i11v1"Ug:;c.ic,1ic.s i<1dican que el origen de !a fricciií11 en ellas se parece a la de los metales. Es así que la adhc::·:icí11 y el rnyado !cts inrcrfriccs contribuyen a Ja fuer;:¡¡ de fnccúín, también en los cer6rnicos.
32.2 Prueh0 de co111p1esión de ~rniilo entre cLHJos pian,ts. (;.1) Efecto de i~1 iuhricrición solJt\: el de abJrriL.:irnicnto de! anillo. (h) Re:;ul1ado:; cb la prueba: 1) espócirn<-:n 01·igin<:1I, y~) a 4) íricciñn crecier\Vruente: A. T. 1V10.!e v M.C. Coc:hofl. (¡¡)
But.:na 1ubricacion
Mala lubricución /
--·~-··--
·---··-···--!.....--¡·--·
Se puede r·educ.ir la fricción seleccionando materiales que tengan poca adhesión, como por ejernrlo, carbun;;·: y cenímicas, y usando películas y recubrimientos superl'iciab: (véanse diversas secciones en los capítulos J2 y 33).
--------..,,,,~-·
4'Y)
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i' luhrit cic!titl
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.111,1
,ii.rndH-,·: '/ íJJJ
.L
111
deo
1
c.1so en
mctah;s {.·,ccci11n ~-L2. i0).
df:! coefic3cnü:
1
fric::ciórr
irnpn:swu de aniUo ~e usó un cspécirnt:n de 10 1nrn de aiturn.
d diürnctro extt'rno es 38 mm.
~s
·\i ap!icar
4
-
~
4 \
·-
TD 2). 5:
1
(b)
1
c~1a ecuación el nuevo diámetro interno resuit:rde 9.71n1n. Gasrnda
1 1
!'7
i\; \ / !
i
.'.'.'. 08 2
\
1¡[ j
\!'
l
~
V
(J-01s1~1da
c~)t:ficii.=nrc de fricción :-;J. dt':~·
Soiuóón: Primero necesario determinar el nucvn diámeiro rnrc:rno, que se obtiene recurríendo a !a c1 l!J>1~rnc1:1 de ·voium'2n. como .sigue: Volumen =
1,, í
\_I
¡' . \ \
¡ 5 mm. :,u ailura se redujo en 50(fo. Dete.rmm2 ei
L¡uc
desi{osíe define con10 !a pérdid;1 o remoción progresiva de rnateria·I de un;1 superfic1e. El Lksga:-,l.c (;;·;¡n importancia tecnológ!ca y econórnic:-1, pon.}lll~ cambia las formas de ~as berrarnienLas y h)s dados y ;;ecu . ~nc\a ~l tarnal'io y la caiicbd rlc \a;; parles producidas. La _magnitud dd problerea I:_, cantidad r:o1-:rinu.1 de panes y cornponentes que se debt~n carnbüir o reparar. rnud;os ejemplos <.k des.i:;asLe en los proc~;;;os de m.anuf~1cuJr~1: las h1ocas dcs:1fiiadas que
1(1
!(1
:·i_::. ]2.3
intcrnu
y
i.
r'\
gg¡;
S1·cción Capitulo
/ De::{',«iS\C:'
83'~j
32 / Tribolo¡•,í,1: frie. ión, de':;f',;i.sle y lubric2cion
f':l
puede
de una de las .siguie11G.c'...: clases: :tdt"H-~Si'IO.
··,,rlhración en uniones e i_mpacto.
A.
corrosivo, fatiga, 1.~rosivo" por
continuación dcscril-:.ircrnos Jos í.ipos pfincipalc:.;
Je dc~~gaslc ...:n las npcr\l1
ciones de manufactura.
{~g. 32. L d cízal1amien1.n pncde efectuarse a) en la ink¡·faz <)r·iginaL u b) a io l
Si se aplica una fuerza tangcnci:.ll a] modelo de 1a
1
cu;Jiqniera de los dos co1nponentcs Jcs[izante:-;. Por facLores como el endurecimiento por deformación en c.l contacto de las asperezas,, difusión y solubilidad sólida mutua, las ligas adhc:sivi¡s suelen ser más resistentes qllc los mcuk~, base. AsL durante el dc:~ ;¡zrn:·niento, la rractur;,.1 sigue ::::n ge11era! un c:1rnino en cornponeuic mús :::hSbil u suave, y es ~a J"orma l..'un10 genera un fragmento de n:rnteria1 gastado. Aunque este fragrncnto queda fijo en ~~l componente m~is duro {el .'>uperior ~n la fig. 32.5), finaJin...::nLe
cuando prosigue el frotarn.icnto en ia interfaz, y se
trunsronn~1 t~n ¡ tna
pa:rtkuib.
sucl:.a
l
abrasivo en el deslizamiento. L_b rayJ.ríuras longitudinales en una :=>t1perficic suelen incJ¡cJr el desgaste
l;o ;:o~·men
l
¡ l
Esquen1a dd desgaste
J.brasivo.
El cocfic'ientf• de desgaslc varia para ck>terminaclo par de materiales '"n comacto. según las car.gas, cidades y tem¡:;e1·aLuras. Bn consecuencia. el coeficiente de clesgas1.e se detemiina en forma condiciones tan
cen~<~n(.,~S
ccm
a las reales de funcionam.iento como sea 11osible.
J2.6.2 El desgas!<: abrasivo se produce porque un« superncie dura y :íspera (o una que conteng
qui<~i'>é\),
el objel ivo.
n1étodns:
;\
(j(;sg~11::lü~ de los ff,cta1es puros y los cerámico:~ ~s directun-~01te pu•.:de reducir este .Jcsgastc aumentando la dureza de los rnaleriak;;.. lo gonercli
1.ratan1icnto tcnnico (v6a:~e el capítulo 4), o reduciendo 1a carga normal. Los cias1ónoeros y los hules ;m1Ülién resisten el clésgaslc abrasivo, porque se deforman clásticamcnt:: d:s;pué:-; qu
fuerte'·, 1(gas
fac;Ii.drnt
Us::ir
1
1
rnoderado, Cormado """"'i!;.1.Ho'i que
l l
:.l{1bcsív() l!ama ~·Jorrack::" n:isgado, cxcoriaci1.)11 {~ ag;,irrnmi.cn.Lo (rk~gas;:c ,.:.,obre l~1s :~Epcrficics {!'>ecc¡ón 31.2) tienen una gr<.:n iii.nuenc-il1 ~.;obre ;;:í dc:.sgastc ~adhcsj·v(1.
puede reducir con !o.';
!
\
este proceso se le liarna desgaste adhcsi'JO n por des!izamienlo. C\;ITW cuando h,iy
;?(l
flGURA 32.6
¡
!
adhesi,;o
de~.; prende
4'
durar mucho bajo ros
ahc.:isivos.
lo:-;
condici()nes.
endurecidos no
U1Ul
u's·:~"''""'-,IP
cornpEc~dn
\m, fen1)rncnos de a i;.1."'. (.:ondicionc~: t'C:<.~lcs ,;n :'t1 ¡:;:-.:perirn•.:'nU.d. y :.;e hace ó.::tcrnütnndo un coefi1_·ic1He de dcsgas{c con k! ecli.<:Kión de
J.
FH R- 1~)g9 ): kl~\!V
y form.ación de capa de corroslón.
l-l donde es el volumen gastado, k es el coeficiente de desgaste, L la cfü~tancia de desl]zrrmiento, W ía non11nl entre las superficies y f-l ~~-s la dureza a la penetración, de} cuerpo más suave. 1/
FIGURA :n.5 Esquema de (a) dos aspei-ezas que se tocan, (b) adhesión entre dos asperezas, y (e) la forrnacíón de una par!ícula de desgasl"e. (a)
(b)
r.,~· . . . ~. . ---:--e¡ i 7·\ . . ".· ·. __;)
,. ."'- •' ~~, >< ·-] '
'-----.
~ -·------·---·-·---
1..·--·---·--
(e) ~
~
Zona pWsLica .
(rntc:rosolclattur~i)
,
,._
por
desgaste por corrosián. \lc;.111ado lmnbién desgaste q;;ímko o :desgask por md1fadón, se pn.icluc:' reacciones químicas o electroquímicas entre las superficies y el ambiente. Los productos i'ínos de la en ía ;,on lati gastadas en costa clase de fenómenos. Cuando se destruye o se quii.a de corrosión por deslizamie11to o abrasión, se comieD.za a formar otra capa, y se repite el proceso de rem:l,'
D~~······ · ura--~,: ', ·'.' ,.:,,.. ,··-'o· Tr.ansferencia
Suave
Y 1
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· .,,.
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-...--.._.
( _________ _]
-
.
~e metal (pos1bk:
fragmento de desga~;;tt')
Entre los m.:cli.os corrosivos están ei agua dulce, agua de mar, oxígeno. cicidos y sustancias quíni":::el sulfuro J.,, hidrógeno y el dióxido de azufre atmosféricos. El ücsgm:te por corrosión se puede reducir lcccionando materiales que resistan el ataque del ambiente, b) contsolando al ambiente y e) reduciendo !as peraturas de operación, para ami.norar la velocidad de las reacciones químicas.
32.6.4 Desgaste por fatiga.
supe~fidai
El desgaste por fatiga, llamado wmbién fatiga o desgaste por fractura superficial. se procl;;>: ntando la superficie de un material se somete a cargas cíclicas; un ejemplo de este fenómeno es el con~
-------
,.,,, (',1pi'11.iio
' ¡ l
/Trih1)q;',r<;: !11: _.¡
l
s('Cci6n ·J,2.9 / LubricñCIÓn bricare:igran;~jcs,
g9·1
poleas. caL'"winas y oi.rn
i icus con PTFT~
1
triz
vtir¡!::dad do (Leriún), siiicio, grafito y polímero (:-;~cción 7
con partícui:ts dG hule dispersas 1:..;n la
!!J;.l-
resis1.cnci<:1 de \c,s plústicns reforzados al desgaste depende Lipo, canLdad y din;cc:6n de! rr;fuerzo en !i.i ma1riz de polfrnen.J (capítulo 9). Las -¡·Jbras de carbono, y nrnmida mejoran Jn n.::.sistencia ~1! desgas1c. Bl clcsg.;i,)te se presenla cuando las ribras son sacadas de la rn<-~
i
lri1. (jalón de fíhras).
¡
El desgaste es iriá;zin~to cuando la dirección de ckslizamicnlo paraida a la de l;Js fibr.:1s, j}l)rque se pu 1~'üen sacar cnn más focilidad en este GlSO. Las fibras largas auinenian la resis:·encia de !os materiales Cl)l1lpucsccs al desgaste. porque son má'·; difíciles de jabr y evitan que la'~ grietas en la matriz se propagu...~o con frlcilidad a superficie (vé:.ise la fig. 9.6).
l
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i)i•,::idur:1 1:,1iio
1
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lill d;11
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i~~s C'u1tndo c~r'-1mit:us ·-:e deslizan coi1Ln.1 b,)S du1.:c por a) defónnnción plú.s!ic:l en pcquelia -~."lCLda, y fractura fdgil '.;Upt:rfü~i,:t1:
1
•O!"i<~ '
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1
'luht·lc;.mtt.·,s convencionaie:·:
t:.l desgaste quirnicas h.ls snpcrfi.cic~; de cen"ím;ca
h) re~:ccioncs
nrncho 1-;n
r;;1pidcz. ch:: dcsg;.>_s-
;r
pui.:;dcn
nY?U_1d.
dccción
en p.nrticu1ar
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c~nn
y \:;,rn!~<.hd ( i ¡
de los
:..:nmporv.::nte~;.
se pucdell vigilar los n¡vci\.'.'·: ;'·
cnmponcntes gasu1dos de maquinnria ernií.en müs ruido que los nucvv~·.
desgaste ·Je una superficie irradiada se a !::1 :~up::::dicie corn::spom.lien(c de 1a oLra parte. donde a conLi.rnJación se n;ide b c;_mtid~H.l ele radiacit)iL i1.·;~11sfr.'.1C:ncla de panículas cksgaslc de hcrrarnii::nlas irradiud 1:ióu de( desgaslc de los cornponcnles 8ll los motores de rc<--lcción. i\:11
!/,
compon:miicnl.o de ius piúsíicos en d dcsg;is[e s,; pste compona-rnienro puede: ser la relación de la ciurcorn entn; el móduio de eiasticiciad ele los materiales involucrados. L,1 sis!cncia de los polfmeros al dcsga.'1c: abrasivo .se incrementa al aumenlar esta relación.
~n
Los polímeros normales con buena resistcnc.ia u la abrasión son las poJiimidas, nyiono;. policarbo1rnl"po/1propileno, Jcetnles y d poJ¡et.ilcno de ~1!ia densichtd. Estos polírnero.s se moldean n se par;t fo"
---
32.
LlJ Lie1nos notado qm~ lm.; supcrficü~s de las herran1jentas, dados y piezas se someten a a) fuerzas y presione··~ contacto, cuyos valores pueden ser desde 1nuy bajo.e; hasta varias veces el esfuerzo de cedencia del rrn:ücn~ü de b pieza: b) veincidadcs relativas desde 1nuy baja;.; hasta muy altas, y e) temperaturas, que puede11 ir J1."i.:h:~ la ambiente hasta la de fusión.
~~~~--....iiíiiiiiíiii¡¡¡¡¡o,,~
-
c-1p1iulo
.-:21 ·rH1oiogí;.i.
lrn
CJ()I), dcs.1_p'.~lí:
y
"
JubrW.ii IC!i)
co1YLroLir los par.'.ÜT1drns dd pn.1ccso 1 tarnbien se con la )' de'.~f!DSk. l
proce:-:o de ap!1carlos, y
~~e
us& en Fonna
(~Xü.:·.nsa
;1uc.
para reducir b fricción y el desgaste.
'~t~cctón 31.10/ Fluicbs rar<.~ confoni1aclo ele 111E-:l0\es
son indcse~.-:bles, porque evitan hl gene(capúulu los lubricantes de faclón exacta Je lt~ forma. Conforme a1m1cma la carga entre e\ dado la pien1. o cuando disrnimiyc la velocidad y la viscosicbrl del fluido de corle. la película de lubrica11le 1;e adelgaza (iubricadó11 de capa delgada). Esta condiciún ~a1nu~nla \a frt{x:tón en las interfaces de deslizan1]ento y ocasiona un poco de desgaste. ta m>xü> un<> pctrle irnporl.anle ele 'ªcarga ia soporta el contncto físico entre tas dos perficics. El 1·csto Jo soporta la fluida atrapada en oquedades. como los valles de las aspcrc·.:i:·. Co~jadG
l 1j
1
1 cuMro 1Jros de 1uhricacil)n, de int~.::ré~ genen:.l en
oper~1cion1.~s
~::uperficic«:;
estún
manufactura
32.8):
\.c)1aí1T~eníc .'.~cpar:ida.';
y la viscn'Sidad lu. E0as pdícuias 0c pueden forrnar cicrl~ts regiones la en open.1dont':S de gran veloc¡dacl, y tC\lT!hién ~~e pueckn formar con hihricantcs de alU v1~,cosidad cpw 1¡1,w. ~lJrapadc.s en las inlcrfnz L~ntrc d 1.fado y lu pie/,(\. pe!fcuia gn.1cs11 de luhric<.H.1tc proÜ!H:c un a~·;pecto superficg; .1p:1cu y g.ranuhr, i:n b p!cJ.a: (;e depende dd tarnaf1o üd )2.9) opcrnc:nrH::.; Ci.")n10 ¡;¡ yd 1
89'.3
!¡
En 1a !uliric<.ldó11 m'ugi.l"lal fa carga está soo,\cnicla por las superficies en contacto cubiertas con uml de lub1·icante (fig. 32.8d). Es una capa de lubricanic cleigada que es atraída físict>·· rnc:nle a \as superficies mctúlicas eviwndo así el contacto di:c·F\O c:;,tre los metales de los dos cuerpos, duciendo entonces el dc1;gaste. Los lubricantes marginales s:..:cicn ser aceites, grccsas, ácidos gn~
mm'.~inal
í
¡
.~n
1
y rayar en ron na severa.
11 lt1hric;-H·ión
rJmfun11,1do
1
i
\t/:ísu11 (n1 ;·'t:l.1u1i;1
fk!;wd~1
1 h)
32. Pqm:dadcs en lac, n.igosidacles '""-""·1·1c1ales de íos cL1•c0rpos c:n con lacio pi.tcden servir como recipicn:e·; . · ]y-,!ons luhricanics, 1,osl.<:.nic:ndo :ma patéC aprec1ao1c de la cnrga. pieza y no la m11l!Ü, deb•: ,,,upcrt"icic rnciún. debe permitir el c;rraslrc dd 1ubricanlc suficiente a la Ja :-:clu:~ctón dt~ píl!'ÚrmJros de procGSO puede arrastrar y
~::--::-::~·,~----":-:~·------···::,,.:"':~::==--:-' __ _
lut1ricanl'-~-
íV]{·,111
(d)
hmc;nncs
un Jhúd.o por(/ cor~{ornwdn de mcw!es son:
lRedm:ír la fri1cl'.i{m, y con ella la fuerza y i.a ene1·gía requeridas. así como el aumento y moldes. de la pieza y la herran1ienta o dado, evi.tando
P,.ediH.:in·
enfriamiento de la pieza en los procesos de trabajado en caliente. e. /.\ctuar como agente de cr:!GURA 32.9 Supt~rfíci1.' rug()S(, desarrollada 1:n un <-::spc~cimcn de aluminio
por
cornpr~~:sión
por la
prc9~:ncia
sustancia que ayude en la remoción o
de
tes. de las dados y moldes.
de un
Hoy se cuenta con varias ciases de fluidos de trabajo de mctaleo;, que cumplen con los anteriorr:'" c;itos y que tienen distintas composiciones, propiedades y características (véase también \a sección '.!.1. esta sección se describen las propieclaclcs generales de los lubricantes de uso más común.
!ubricmte de alta vi.scocidad y velocidad rk· comp1·e::ión devJd,~. f ntn-~ m;:is grueso e::i el t<1rnaño del grc1no, n1:1s rugosa e·; !a supl';rlicic. Fuente: A. 1\!iulc y S. Kalpakjian.
.-L
----------llllJr""f;~
Sección 32."1 ·1 /Lubricantes 1~94
só!º1dos
895
C1pitulo . 1,:~ /Trib0Jogí,t: fricción, desgaste y lubricación
to como lubricantes para el cobre y, en forma de parafina cloracla, para aceros inoxidables y aleaciones ele al-
L10.'I Aceites
ta Le1nperatura.
Los oceites mantienen una resistencia de película alta sobre !a :)Uperficíe de los metales, como se puede ob~ servar ai tratar de limpiar tma superficie aceitosa. Aunque son muy eficaces para reducir la fricción y el desgaste, tienen baja conductividad térmica y bi0o calor específico. En consecuencia no conducen y disipan el calor generado por Ja fricción y la deformación plástica. Además es difícil y costoso quitarlos de las Mlperficics de las parte:; que se van a pintar o a soldar, y son ditlc;Jes de desechar (véase también la sección 33.16). Las fuentes de los aceítes pueden ser minerales (de petróleo), animales, vegetales o de pescado. Los aceites pueden estar compuestos con cualquier cantidad de aditivos o con otros aceites; este proceso se usa parG cambiar propiedades como el comporta]niento entre la viscosidad y !a terr1peratura, así como la tensión superficial, resistencia térmica y .las características de la capa marginal. Los aceites rnineraies (hidrocarburos)
cnn o sin aditivos, cuando se usan sln diluir, se llaman
ac~ites puros~
Los aceites :;e pueden contaminar con los lubricantes de las correderas y de diversas parl<:s de la máquina herramienta y de las operaciones de manufactura. Esos aceites tienen distintas características de ir>s que se usan en el proceso misrno, y por co11siguiente pueden tener efoclos adversos. Cuando pasan al fiuicio mismo de conformado de metaics se llan1an n.cei~e ¡pen:Udo.
0,2 Ernulsiones Un:1 emulsión es una rne1.cla de dos !fquidos ínmisciblcs, por lo general de aceite y ;_¡gua en divcrsa0 proporciones, junto con aditivo:~. l ,os em.uts~fl.canles son suslancias que evitan que las gotirn.s dispersas en una mezch se unan entre sí~ de aquí el término ininisciblc. emulsiones que tienen apariencia lechos;:i pueden ser accitr~s hidrosohahfos o enfriadores hHst de ~:igli.W, y son de dos tipos: dircclas indirectas. En una emulsión directa, el aceil"e mineral es1á d.isper:~o en el agua, e.n fonna de gotitus m_uy pequefü'1S. En una e1111lsión indirecta, las gotitas de agua están dispersas {.~n ei i1i..:(~it 1;:">,
lubricante.
Las emulsiones directas son Huidos importantes, porque la pre~:cncia de agw.i les imparte gran capacidad de enrríamiento. Son bastante cfct~frva:-~ ;.:n el maquinado de aJta velocidad (sección 22.4), donde c1 Jumcnfi::;ilipcratura tiene t.:Jecto...; pe1judiciak:~ sobre J¿1 duración ia ih-::rr:JJníenia. la integriJarl superfici<::i.i de. y lt.i cx~1clilud dinK:nsiorrnJ de las p<.lnes.
'iintéticas y Las :1'0h1c1:ones sintéricas son sm;lancias químicas fluida,-; que contienen compuestos ~norgánico0 y de otrns Ljdísuc!tos en agua~ no conticnc11 !tCeites mineral e~. Se han agregado divcrso.s ;1gentes guírnici 1,'-: ;.J determinada solución para irnpDrtide propiedades diferentes. Las :-:oluóoncs semisintélú:t1,·, ,-.;nn básicamente (!,.F¡elfas en las que ~-;e han agregado pequeñas Gnntidadc,s de acei!es emulsificable!·,_ po~;,
2.10.4
grasas y ceras
Lo:; jabones son productos de reacción entre sales de potasio o calcio y ácidos grasos. Los jabones alcalinos son solubks en agua, pero otros jabones meUlicos son insolubles en general. Los jabones son lu/Jricantes margina/es efectivos, y también pueden formar capas gruesas en las interfaces entre ciados y pieza, en especial cuando se aplican en recubrimientos de conversión para aplicaciones de conformado d,~ metales en frío (sección 32.12). Las grasos son lubricantes sólidos o semisólidos, y en general están formados por jabones, aceite mi1JCral y diversos aditivos. Son muy viscosas y se adhieren bien a las superficies metálicas. Allnque se usan éll forma extensa en maquinaria, Sll uso en los procesos de manufactura es limitado. Las ceras pueden ser de origen animal, vegetal o mineral (parafina), en c01nparacjón con las grasas ~;on rncno~ "'grasosas" y rnús quebradizas. Tienen uso limitado en los procesos de confornlC.ido de metales, excr::p~
0.5 Aditivos Los fluidos de corle se suelen mezclar con vatios aditivos, como los siguientes:
a. lnhibidores de oxidación.
b. Antioxidantes. c. Antiespuman':es. d- Humectanles.
e. Desodorantes.
f. Anti sépticos. Entre los aditivos importantes de los aceites están el azufre, cloro y fósforo. Se llaman aditivos de presión extrema (EP, y se usan solos o en combinación; reaccionan químicamente con \as :'.U·· perficies metálicas y forman películas superficiales adherentes, ele sulfuros y cloruros metálicos. Estas películas tienen baja resistencia cortante y buenas propiedades antiagarrc; por consigLiiente n:clucen con eficacia la fricción y el desgaste. Por otro lado pueden atacar en l'orma preferencial el aglomerante coballo en las herramientas y dados de carburo ele tungsteno (lixiviación causando cambios en la
se!~ctiva),
~e
n1gosidad superficia] y 1a integridad de las herramientas.
32'11 LUBRlCANTES SÓLIDOS
---·-
Por sus propiedades y curacteríslicas únicas, diversos materiales sóiicios se m,an corno lubricantes en b:; raciones de manufactura. A continuación describiremos cuatro de los lubrican/es sólidos que se usan con frecuencia:
32.1 .1 Las propiedades generales del grafito se describieron en la sección 8.6. El grafito es débil al cortante a ki :ar· go de sus planos basales (véase la fig. 1.4), por lo que tiene un bajo coeficiente de l'ricción en esa dirección. Puede ser un lubricante sólido efectivo, en especial a temperatnras elevadas. Sin embargo, la fricción es baja sólo en presencia de aíre o humedad. En d vacío o en una atmósfera gas inerte, la fricción es muy alta; de hecho, el grafito puede ser abrasivo en esos casos. Se puede aplicar grcc .. fito frotándolo sobre superficies, o haciéndolo parte de una suspensión coloidal (dispersión ele pequeña,; partículas) en un vehículo líquido, como agua, aceite o un alcohol. Como describimos en la sección 8.6, hay un desarrollo más reciente en el carbono, llamado fü!e1.. rnos o holas de Bucky. Son moléculas de carbono en forma ele balones ele fútbol de gajos. Cuando se coloc:rn en· tre superficies deslizantes, actúan como diminutos rodamientos de bolas. Funcionan bien corno lubricante:; sólidos, y tienen especial eficacia en aplicaciones aeroespaciales, como en cojinetes.
32.11.2 Disulfuro de molibdeno Es un lubricante sólido !amelar (laminar) de uso muy frecuente; su apariencia se parece algo a la del Sin embargo, a diferencia del grafito, tiene un coeficiente de fricción alto en condiciones ambientales norma'·
8%
C1pítulo
Seccion 32.13 /Selección dei fluido pJra coníorrnado de metales
/ Tribología: i'ricción, desgaste y lubricación
les. Como vehículos del disulforo de molibdeno (MoS 2 ) se usan aceites, para usarlo como lubricante a lem. pcratura ambiente. El disuifuro de molibdeno se puede aplicar por frotamiento en las superficies de la pieza.
32.1 l .3 Películas metálicas y poliméricas
897
6. Preparación requerida de la superficie. 7. Método de aplicación del fluido. 8. Remoción del fluido y limpieza de la pieza después del procesamiento. 9. Contaminación del l1uido por otros lubricantes. como los que se usan en Ja maquinaria.
Por ;;u baja resistencia, también se usan las capas delgadas de metales suaves y los rccllbrimicntos de polímero, como lubricantes sólidos. Entre los metales adecuados están e! plomo, indio, cadmio. estaño y pl:.\la, y polímeros como el PTFE (teflón). polietileno y los metacriJatos. Sin embargo, estos recubrimiemos tienen pcicas aplicaciones, por su falta de resistencia bajo grandes esil1erzos ele contacto y a temperaturas elcvad
32.11.4 Aunque es materi
10. Almacenamiento
n.
y mantenimiento de los fluidos.
Tratamiento del lLlbricante desechado.
12. Consideraciones biológicas y arnbjentales. 13. Costos incurridos en todos los aspectos de esta lista. Al seleccionar un ac~ite cmno lubricante, es necesario investigar sus caraclcrísticas de viscosidad, temperatura y presión. Una baja viscosidad puede Lener un efecrLo negativo in1portante, y causar gran fricción y dec;gasle. La función especifica de un fluido para conformado de metales, ya sea principalmente como lubricante o como enfriodor. también se debe tomar en cuenta. Los t"luidos a base de agua son enfriadores muy eiectivo~ pero, como lubricantes, no .~on tan efectivos corno los aceites. s~ estima que los fluidos a base de aguo. se usan en un 80 a 90% de las aplicaciones de maquinado. Los fluidos para conformado ele metales: a . No d.eben dejar residuos peligrosos que puedan intc:rforir con las operaciones de maquinado.
32. í 2 RECUB Puede ser que los iubricanles no sieinpre se adhieran bien a las superficlcs de ia pieza, en especi;;1l. b.:~jo grnndi.~s e~~ruerzns norma.les y cortantes. Esla propiedad tiene sus efectos máximos en el forjado. exLrus1ón !n> Cibdn de. aceros, aceros ¡_noxidables y aleaciones de alta temperatura. esas aphcaciones, prim.ero se 1-ransforu1an !as superfici~s de ht~~ piezas median.le reacciones cas con ácidos (de aquí el ténnino conversión). La reacción deja una superficie algo úspera y espon_jt)s~1, que act~fo como soporte del lubricante. Después del tratamiento, se quiu1 todo exceso de ricido de h~ superfici1..;, us<.;n do bórax o cal. A continuación se aplica un íubrlcante líquido, corno jabón. La capa de lubricante se adbierr.:: :.: !a superficie y no se puede r;cspar con focilidad.
E1 fosfato :rile llñlíl.c se usa con frecuencia en recubrimientos de conversión sobre aceros ;_d -::arbuno y de baja aleación. Los recubrinüentos de oxalato se usan con aceros inoxidables y aleaciones para altas teinpe~ raturas.
32.13 SELECCIÓN DEL FLUIDO PARA CONFORMADO DE METALES En la selección de un fluido para conformado de metales destinado a determinada aplicación y material de pieza. se deben tener en cuenta varios factores:
l. Proceso específico de manufactura. 2. Material de la pieza. 3. Material de la he1rnmienta o el dado. 4. Parámetros de procesamiento, 5. Cornpati bilidad del fluido con los mate1iales de la pieza, la herramienta y el dado.
No deben manchar ni corroer la pieza ni el equipo.
c. Se deben revisar en forrna periódica para ver si tienen deterioro causado por crecin1lento baclcriano, acumulación de óxidos, virutas y reslos de desgaste, y si tienen degradación general debida a temper:-i tura y al tiempo. Tiene especial irnportancia la presencia de partículas de nrnterial desgastado" pnrcp1e dañan si~)tetna; en consecuencia, son esenciales la inspección y el filtrado adecuados. Después de tcrrnin:..u- l8s operaciones de n1anufactura, las superficies de la ple7.a suelen tener re:~idw is de lubricante, que se deben eliminar antes cid procesamiento siguiente, corno soldadura y el pintado. Los lubricantes a base de aceite son más difíciles y costosos de eliminar, que los a base de agua. Para este fin Sto ~¡san diversas soluciones y técnicas de limpieza en ía sección 33.16.
Consideraciones biológicas y ambientales. Como dijimos en la Introducción general, y describiremos después en la sección 37.4, las consideraciones ambientales y biológicas son factores importantes en la selección del fluido para corforrnado de metales, así como en su uso, reciclado y desecho final. Los riesgos potenciales (como la dermatitis, inflamación de la piel) pueden presentarse al tocar o inhalar algunos de elios, y además puede haber exposición a largo plazo a sustancias cancerígenas. El desechado inadecuado de los fluidos para conformado de metales también puede causar efectos adversos en el ambiente. Para evitar o restringir el crecimiento de microorganismos, corno bacterias, levaduras, hongos, algas y virus, se agregan sustancias químicas (biocidas) a estos fluidos. Se ha avanzado mucho en el desarrollo de fluidos seguros desde el punto ele vista ambiental, y en el desarrollo de tecnología y equipo para su adecuado tratamiento, reciclado y desecho final. El reciclado y ei desecho de los t1uidos para conformado de metales, y sus costos incurridos, son factores importantes que se deben considerar.
Preguntas de repaso
898
899
C1pítulo 32 / TribologíZl: fricción, desg21ste y lubricación
En Estados Unidos, la Administración ele segllficlacl y salud ocupacional (OSHA, por sus sigias en in. glés), el !nsliluto nacional ele seguridad y salud en el trabajo (NlOSH, por sus siglas en inglés) y la Agencia de protección ambiental (EPA, por sus siglas en inglés) promulgan leyes y reglamentos acerca de la nwnufactura. transporte, uso y desecho de los fluidos para el conformado de metales.
Coeficiente de fricción Corrosión por frotamiento Desgaste abrasivo Desgaste adhesivo
Desgaste corrosivo Desgaste moderado D~sgastc: por fatiga Desgaste por impacto
Desgaste severo Ernulsión
F< " La fricción y el desgaste son íos factores más importantes en el procesamiento de materiales. Se ha avanzado mucho en la comprensión de esos fenómenos, y en Ja identificación de !os factores que los gobiernan.
'" Entre los factores importantes están la afinidad y la solubilidad sólida de los dos materiales en contacto, la naturaleza ele lac; películas superficiales, la presencia de materiales y los par;\mctros del proceso, como carga, velocidad y temperatura.
Se consigue una gran variedad de fluidos para conformado de metales. para aplicaciones especificas que incluyen aceites, emulsiones, soluciones sintéticas y lubricantes sólidos. Para seleccionar y usar los l.ubrlcantcs se requiere tener muy en cuenta muchos f;J,ctore~ propios de lm; materiales de la pieza y de la rnatr¡z, y el proceso de manufactura que se trate.
Estos fluidos tienen diversas carac1erfaticas de lubricación y enfriainicnto. Ta1nbién son factores ünportaHtes bs consideraciones hio!ógicas y ~unbienta!es.
Erosión
Fluidos para conformado de meLale:s Formación de rayas Fuerza Je fricción Fulerenos Grasas Jabones Lixiviación selectiva Lubricación Lubricación de capa delgada Lub1icadón de capa gruesa Lubricación marginal
Lubricac16n m1xta Lubricante Lubricantes sólidos Microsoldacluras Partes de desgaste Prueba de compresión de anillo Recubrimientos de conversión Refrigerante Tribología Vibraciones ultrasónicas
------BIBLIOGRAFÍA Arnell, R.D" P.B. Davie'.'i, J. Halling, and T.L. Whomes, Tribology: '"1nur-.1u,,·e<· Springer, 199 ! . A.Slvf Handhook, Vol. 18: Priction, Lubrication, and Wear
Technology. ASM ·1ntemalionaL 1992.
Baycr. R.G., Nfechan.icai Wear Prediction an.d Prevention. Marce! Dckkcr. 1994-. Rhushan, B .. (cd.), Hand/Jook oj'Micro/Naiwtribolugy (2d ec\.). CRC Prcss, i 998. Bhushan, B., Principies an.d i\pplii:ations of Triholog_v. Wiiey, 1999.
·¡¡,,.¡,,,,,,¡,""' IVlarcel Dckkcr, 1995.
Lansdown, A.R., and A. L. Pricc, Material.'-: to Resis! l,,Ycl!r· A Guide to Their Selcction. and Use. Pcrgamon Press. Luderna, K.C., Frictinn, Wew: Lu/Jricatüm: A Text/Jo1.1K in Tribology. CRC Press, 1996. Miller, R.~/., luhricants and Their Applications. McCr:1.wHill, 1993. NachLman, E.S .. and. S. Kalpakjian, Lubricants and Lu.hnu..uion in 1V!etalworking Operation.'>. Marce1Dekkcr,l9g::: Neelc, iVLL (ed.), The Tribology l-landbook (2d Butterworth-1-leinenwnn, 1995. Peterson, iW.B .. and WO. Winer (eds.), VV
Booser, E.R. (ccl.), Tri/Jology Data Hondbook. CRC Prcss,
1980.
Dehido a su gran impacto cconóm1co, se continúa investigando en tribolngfa, en espcci::it con aleaciones me161icas. cerámicas y materiales compositos nuevos.
1998. Bycrs, J.P. (cd.), Meta/worlcing Fluids. Marce! Dckkcr, 1994.
Rabinowlcz, E., Friction mu! Wear of fl!lateria.ls (2d
Se estudian en ú1nm1 extensa lo;:, aspectos biológicos y amhienL11es de ios lubricantes y [as prúctic;·;s de lu·· óricación. Lo'2. fluí.do~ para confonnado de metaks, ccológicamente aceptabk:s, de~arrollan en Corrrni
Dowson, D., History o/" Triholngy. lnsütution of Mc.dwniccd Engi ncers, 1997.
Schey, J.A., Tribology in Mctalvvorking--Pric1ion, Lubnr uiu1n rmd Wéar. /\SM 1nternalio1Ml, i 983. Sclreg, A.A., Friction alld Lubrication in lWechanical IVlarcei Dekker, 1998. VVilharns, .f.A., En.gineering Tribology. Oxford
constante.
Colltinüan los estudios sobre el desarroHo de métodos de prueba para determinar ción y de desgasre~ bajo condiciones de procesamlento diversas y más realistas.
Las modificaciones
d~
caractcrí.sticas de frie··
supcrficÜ.'; y el desarrollo de varias solucjoncs sinidicas con10 fl1.1idO':> para confor-
Friclion. and Wear Devices (2d ed.). American Socicly of
Luhrication Enginecrs, l 976. Glasser, 'W.A .. 1V!a1.erialsfor Trihology. Elsevicr, 1992. Hutching:~. 1.M., 1J-íi;ol1)gy: Fricúon and Wear ofEngineerin.g Materia/s. Arnold, I 992.
Wiley, 1995.
Press, I995.
mado de metales se investigan en forma continua. ·$
Continúan las mejora~; en la res~stencia de los cerámicos al desgasle, inedümtc d control de su tamaño de g.rn·no, porosidad y estructura ele fase, y de los polímeros mediante su refuerzo con fibras y los adilivo' de lubricación.
" Se desanollan diversos recubrimientos para mejorar las propiedades tribológicas de las superficies.
PREGUNTAS DE REPASO 32.1 Describa varios ejemplos que ciernueslren la importancia de {a i'ricción en los procesos de manufactura.
32,2 ¿Cuál es la naturaleza de la fuerza de fricción? ¿Qué es la fuerza
TÉRMINOS CLAVE Aceites
Aceites compuestos Aceites hidrosolubles Aceites puros
Adhesión Aditivos Aditivos de presión extrema A~entamiento
Asperezas Autolubrii:..:ante Bolas de Bucky Ceras
32.6 ,¡,Cómo se puede reducir el desgasLe adhesivo?¿ Y el desgaste abrasivo'? 32,7 ¿Qué funciones debe desempeñar un lubricante en los procesos de manufactura? 32.8 Haga una lista de los distintos tipos de lubricantes fluidos y sólidos que se usan en las operaciones de trabajo de me tales. 32.9 ¿Para qué se usan los recubrimientos de conversión?
900
(¿¡pítulo '32 / Tribo!ogla: fricción, desg;:i;:;!e y lubricación
Sínlesis y diseilo
32.10 D~scriba los factores que intervienen en la se!el'.ción de un lubricanlc. 32. U1 ¿Cómo SG puede reducir el desgaste por fatiga?
32.~2
901
SÍNTESIS Y DISEÑO
(,Cómo afectan los mecanismos de desgaste al diseño de los moldes y !Js herramientas"!
32.13 ;,Cuál es !a ley de desgaste de ArchanJ?
32.40 ¿Cómo afecta !a historia del procesamiento de una pieza a su desgaste? Por ejemplo, si una leva se forjara, colara, maquinara o elcctroerosionara, ¿cómo cree que camhie su comportamienlo?
;,Por qué los plásticos tienen poca fricción?
32.41 Explique por qué el calzado deporLivo crea mayor fricción en las superficies de pisos secas. que los zapatos de vestir con suela de cuero.
32.15 ¿Qué son las placas de desgaste?
32.42 Descriha !as diferencias trihológicas entre los elementos ordinarios de máquinas, como engranajes y cojinetes, y Jos procesos de Lrabajo de metales. Tenga en cuenta factores como carga. velocidad y temperatura. 32.16 Explique por qué no se deben lubric;1r los cojinetes de las tablas de patinar, si no están
32.43 Describa la aplicabilidad de las pruebas de friccíón simulada y de desgaste a las operaciones reales de manufactura.
:~ella<.Jos.
32.44 Explique por qué se presentan !os llpos de desgasle de la fig. 32.7
32.i"'! Describa varias razones por la que un espéc¡rnen originalmente redondo en nna prueba de con1prcsi6n de anillo puede volver.se ovalado. después de haber sido aplastado.
32.46 Con bn.se en los ternas que describimos en esle capítulo, ¿cree que haya una conelnción directa entre la fricción y el desgaste de "los makriales? Explique por qué.
32.20 Describa qué sucede en el periodo de asentamiento.
32.47 Sin duda usted ha can1biado partes en diversos electrodomésticos o automóviles, porque estaban desgastada~;. Describa !a metodología que. seguiría para determinar el o los tipos de desgaste que han tenido esos componentes.
32.22 tF\"Jr qué la resislcncía de un rnalcrial al desgaste abrasivo es función de su dureza? 32.23 Explique las semejanzas y diferencias entre !a fricción en ~.os mt~tales y en lo.s polímero~.
32.48 De acfü.:rdo con sus obs~rvaciones y opiniones en el problema T2.47, Jiga cr)mo haría para carnbiar materiales y di·· seiios, con objeto de reducir e! desgaste de esos componentes.
32.2i,~ ;.Seiían ~idL:cuados !os cerámico.'-> para un desli1.arnienlo a alta velocidad? ExpJjquc por c¡uC. 32.25 ¿Por qué 1.as vibraciones ullrasónic<.is son efectiva:-; para. reducir la fricción?
32.49 L:1 '.cy de de:,ga.s1e de Archard es una de las muchas ccuacione'" de hllogralfa y cornpih~ um; lista de qtras reglas de desgaste.
32.26 ,Explique Ja:-. scrnejan1:a,'-; y diferencias entre el desgaste en ios metales y en lo:- polímeros 32.27 Como dijimos en la seccion 32.2_ es po~ihle qu(·: en el proceso de n1y::tdo se quite n:rnlcrial de la superficie en de esquirlas o virutas. Dcscrihh las condiciones h~jo las que eso suc2dc. 32.21) Haga una extensa lista de partes y biar por desgaste excesivo.
fonr1~i
componl~ntes, en productos al consumidor e industrinles, que se Llenen que :..:am-
Jnve::;tiguc las publicaciones a su alcance y i.::scriba un trabajo pequciio acercü de por qué ci tei'lón tiene un cocllciL·11Lc de fr!cci ún Lnn bajo.
una ii.c;ta de las opi:.::racioncs de manufactura donde sea conveniente una fócción alta, y aquella:..; donde vcnienic rriccióu baja.
::;c:;1
cnn-
acuerd0 con Jo que cnlcndi6 de ia geometría de [a supedlcic. en el capítulo 3 ! , ¿cu;íh~ ..; asperc:u1s causJn rcub:;,. blcmentc fricción baja. si el mecwlismo dominanle ~s la fricción adhesiv<:1: las agudas o h1s romas?¿ Y si \;m1bicir1 tú prc'..;cnlc Ja fricción abrasiva? 32.32 D[jímo.s quL: d coeficiente de cie~,gaste e:; una función de Jos parámelros del lubricnnte y de! proceso. ¿Qué pa.dmetros del prnceso cree usted que sean importantes? Explique por qué. 32.3:t Describa ejemplos de operaciont.s de manufactw a done.fo el desgaste sea perjudicial. lk:-.criba cjernpJ{1s donde el des-
gaste sea necesario. 32.34 ¿,Hay alguna razón para usar lubricantes sólidos, que no sean para aplicaciones en alta !ernperatura? 32.35 Explique cómo funcionan un lápiz. y una goma.
CUA!\/TITATIVOS 32.36 Vea la fig. 32.2b, y mida los diámetros extemos e internos (en la dirección horizontal en la fotogra!fa¡ ele los cuatro especímenes que aparecen. Recuerde que el volumen de los anillos permanece constante en la deformación plástica. y calcule a) la reducción de altura y b) el coeficiente_ de fricción para cada uno de Jos tres especímenes comprimidos. 32.37 Use la fig. 32.3 para trazar una gráfica del coeficiente de fricción en función del cambio de diámetro interno para una reducción constante de altura, igual a 40%. 32.38 Suponga que en el problema de ejemplo en ia sección 32.5, el coeficiente de fricción es 0.15. Si los demás panímetros permanecen iguales, ¿cuál es el nuevo diámetro interno del espécimen? 32.39 Estime el coeficiente de desgaste del lápiz sobre papel, con base en sus observaciones al escribir con un lápiz normal.
...:..c...:¡,,
particular del dado de forja.
32. ll§ ¡,Puede rebasar e! aurnenlo de tempcraturn en una imcrfaz dcslizanlc al punto de fusi<ín {k los met<-1lcs'! Explique por que. 32. ~9 Expiique cómo facilita el calzador (de metal o de pülstico) ponerse los zapatos. 32.2il Se ha dicl10 que al disminuir la carga normal, se reduce el desgasle abrasivo. Explique por qtH~ es así.
'-
,·n esos lugares en
32.45 E! desgaste puetle tener efectos neg;.itivos en las operaciones de manufactura. ¿Puede usted imaginar situaciones en las que el de:-;gastc pueda si:.r benéfico? Dcscríba algunos ejemplos.
de[~gaste
que se ban propuesto. lnvestiguc en la hi-
Sección 33.2
133 1¡
TABLA 33."l
1 1
·
Tratamiento
Aluminio
Anodiwdo: rccuhrimkrito de convcrslón con cromato.
Aceros de dados
Fosfato; recubrimienLo de converóón con crornato. Borurización: nitruración tónica; nitruración en líquido.
Aceros de alta tempcraLura
Difusión.
Cadmio
Anodizado; recubrimiento de conversión cvn cromato.
Magnesio
.
Tratamientos, recubrimientos 1i pieza e s perfi ies
903
CrornaJo: ;rnodízado. rosfato; recubrimienlü de conwrsión con crornato.
Berilio
1
rnecanico ele su¡x"?rficies y revestimientos
Tratamientos superfici¿¡les para diversos metales
Metal
Acero suave
1
/Tr~llamienlo
Borurización: fosfato; lcmpk: nilruración líquida: carbonitruración; cianuració1i.
Molibdeno
Cromndo.
Ak::.iciooes a ha.se de níquel y cobalLo
Borurización; dífusión.
Metales rcfract:.u io:-,
Borurización. Deposición de vapor; nitruración iónica; difusión; rntruración líquida.
Acero inoxidable
Deposición de vapor: cromado; fosfaLo; nitruración iónica: tcrnpk por inducción;
Acero
temple a la llama: nitruración ifquida. Cromado; anoclizaJ.o: nitrnración con iones.
Titanio Acero cic
Zinc
lH:::rr~tmienlas
Borurización; nitrurac1ón iónica: difusión: nilrurnción: nitruracíón líquida. Dcposidón de vapor; anoclizado; rosfoto; recubrimiento dL~ conver..;,ión química con cromalo.
1
33. ! .B.2
33.16
Introducción TratJm.iento mecá11ic0 de superficies y revestimientos Endurecimiento superficial revestirniento duro Rociado térmico Deposición de vapor implantación iónica Revestirniento por difusión Flectrodeposíción deposición sin electricídad y eleclroform.1do Anodizado Recubrtn1ienio de ~~onver::.lón !nrnersión en cJiiente Esn1ali.ado de porcelana, recubrimiento ce~·;imicc y r~'cubrin;ientos orgán:co•; Recubrimiento de di;m1,;nle lºintura Texturiza()o superfici;li Limpieza de superficies
33.1
1
º)')
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:nA 33.S
33.6 33.7
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33. iO
3.3.! 1 n 12 3:5.·¡ 3 3J.'l ¿j
33. ·~ 5
Fuente: Aflcr M. K. Gabcl y D. ~vL Door;11an en Wt~ar Controi !Jwulbook, New York. ASI\:lE, l 980 púg. 2ll,8.
iVícjorar ln resistencia a }a fatiga (rodamientos y ejes con biseles)
1
Después de fabricar una parte podría necesitarse que algunas superficies se siguieran procesando para asegurar que tengan ciertas propiedades y características. Puede ser necesario ejecutar tratamientos superficiales, para: "' Mejorar la resistencia al desgaste. a la erosión y a la penetración (en las correderas ele las máquinas herramientas. superficies de desgaste de maquinaria: ejes, rodillos, levas y engranes).
il~ Reconstruir superficies de componentes desgastados, con10 herramientas, dados y con1ponentes de ©
quinas. Modificar ia textura superficial (características de apariencia, exadit.ud din1ensional y de fricción).
•19
lrnpanir cualidades decorativas (co1or).
Para irnp(1rtir estas características a diversas clases de materiales se ernplean varias técnicas, que se en la tabla 33. l. En este capítulo se describen los métodos para modificar la estructura. propiedades y te;\tliras superficiales para impartir características que se desean. Comenzaremos con las técnicas de endurecimic';Bto superficial, que implican métodos mecánicos o térmicos, y continuaremos con descripciones de distir11n,; tipos de recubrimientos que se aplican a las superficies, con varios métodos. Algunas de estas técnicas t~m bién se usan en la fabricación de dispositivos semiconductores (capítulo 34). Por último describiremos las técnicas que se aplican para limpiar superficies manufacturadas antes de seguir procesando y armando los componentes, y antes de que se ponga en servicio el producto. Uno de les factores importantes que también reseñaremos son las consideraciones ambientales respecto a los fluidos empleados y el material de desperdido producido en diversos procesos de tratamiento superficial.
" Controlar la fricción sobre las superficies deslizantes de ias heITamienlas, dados. cojinetes y correderas de máquinas. ., Reducir la adhesión (contactos eléctricos)_ " Mejorar la lubricación (modificación de la superficie para que retenga lubricantes)_ " Mejorar la resistencia a la corrosión y oxidación (en láminas para automóviles, componentes de turbina de gas.y en aparatos médicos).
33.2 TRATAMIENTO MECÁNICO DE SUPERFICIES Y REVESTIMIENTOS Para mejorar mecánicamente las propiedades superficiales de los componentes terminados se usan varias 1écnicas. Aquí describiremos las más comunes.
902 ~~
t"
Sección 33 .2 / 'fratamienlo mecínico de superfir.:ies y revestimientos
.904
C;1pí1u!o
I Tratamientos,
905
r(;'cubrimienlos y ii111piez;1 ele superficie::
332.1 En el grana/!(ldo, la superficie de b pieza :;e golpeo. en fonna repetitiva con um1 gran cantidttd ele grana[] a (pcquei1as bolas) de acero colado, vidrio o cerámica, que producen peneLraciones traslapadas en la superficie. Esl:
\ FIGURA 33.1 Bruñido< 011 rodi!lo del chafl;ín de un eje escalonado, para Jnducir esfuerzos residuales de compresión en la
.
superficie y mejorar la vida de fatiga del eje
_/
Pieza
33.2.2
con
de agua
E11 este proceso, relativamente nuevo. un chorro ele agua a presiones hasta de 400 MPa (60.000 psi) choca con. ira la superficie de la pieza e induce esfuerzos re.':>idua1es de compresión, así crnTio endurecimiento supt.'rficial y subsuperficial de la misma magnitud que el grnna1Jado. El proceso de in1pactado con chorro de agu;1 :;e ha usado con éxüo en aceros y aleaciones de aluminio. Las variables de control del proceso {presión y vr::iocic::1d del chorro y el diseilc de hoquilla, as{ ct1mo su distancia a la superficie) es impor1anlc, para evití;r dcirw~ :..;lacia nigosidad .Y denrnsiado dafio en la superficie.
..,
..)
'-t,-::::.r-cr-r.:·:~---·
Rodillo
FIGURA 33.2
Ejemp!os de bruñido con rodillo de (ai unci
superficie cónica y (bJ una superficie plana, y !c1s herrctrnientas que: se usan. Fuenie: Sandvik, !ne.
con En
im¡1oc10 CO!z /áser, que se desarrn1Vi a principios de 1990., Ja superficie Je la pie~r1
de Uíscres de gran cornpn~s!ón
potenci~i.
s Jmele a t_:hortuc~: 1
Este procese de tratamiento superficial produce capas con csfu1"rzos F ..~·siduak:s a
que tieuen normaírnenL:: 1 mrn (0.04 puJg) de profundidad. E! im¡)(h'iO coí1 láser
1-w
rnotores de reacción . y a materiales co1no titnnio y akac]cmcs de níquel. i.-::si·c proceso, ias irnensidack:s dd lüser dd orden de l 00 a 300 J/cin'·' y ~:n lmpubn durr-. 30 nano.segundos. En la ac!Uí.ilidad.. 1irnitació~1 principal este proceso <~n ]('Is ;JpJicaciones indq~~lriaks y bicri a álabe-'"'
los
de alla poienc¡a
~hasta
de 1 \(\/V) que deben
tr~1.bajai:
a energías
l 00 J/!mpulso.
33.2.5 Enclurec1m:ento con En el '"1d1.1.n
33 2A BruFiido con rocli
33.2.6 Chapeado mecánico (1
de
En este proceso los metales se ligan con Lma capa dclgacla ele metal resistente a la corrosión aplicando preEn el !m.mido con rodillo, llamado también lamfaado superficial, ia superficie del componente se lrnbaj~: en frío cou uno o varios rodillos muy pulidos. Este proceso se usa en diversas superficies planas, ci.lindricas o có· nicas (figs. 33.l y 33.2). El laminado superficial mejora el acabado porque elimina rayaclurns. marcas de herramienta y picaduras. En consecuencia, también mejora Ja resistencia a la corrosión, porque no pueden que· dar atrapados los productos y residuos corrosivos. Las superficies cilíndricas interiores se bruñen con un proceso parecido, llamado bruñido con bolas o boleado. Se hace pasar una bola lisa, un poco mayor que el diámetro interior. empujándola por la longitud del orificio. El bruñido con rodillo se usa para mejorar las propiedades mecánicas de las superficies, así corno su aca· bada superficial. Se puede aplicar solo o en combinación con otros procesos de acabado, como rectificado, asentado y lapeaclo. Todos los metales, suaves o duros,. se pueden bruñir con rodillo. Este método se suele usar en componentes de sistemas l1idráulicos, sellos, válvulas, espigas y chaflanes en los ejes.
sión, con rodillos o con otros méloclos. Una aplicación característica es el chapeado mecánico de aluminio (Al· ciad), en el cual se coloca una capa resistente a la colTosión de aleación de aluminio sobre un cuerpo (n(i.cleo) de otra aleación ele aluminio en forma de lámina o de tubo. La capa de chapa es ,módica respecto ai núcleo, y suele tener espesor menor que el 10% del espesor total. Como ejemplos tenemos los siguientes:
a. Aluminio 2024 chapeado con aluminio 1230. b. Aluminio 3003, 6061 y 7178 chapeado con aluminio 7072. Entre otras aplicaciones están los aceros chapeados con acero inoxidable o con aleaciones ele níquel. El material de chapa también se puede aplicar con dacios (como cuando se reviste de cobre el alambre de acero) o con explosivos. También se usa revestimiento con varias capas, en aplicaciones especiales (véase también la fig. 28.1).
_____.., ~:
Sr::cción 33.4 /Rociado térmico
906
Cciplluln 33 / Traiarnientos, rec.ubrimir:>11tos y 1irnpiezcl
907
ck superficies (a)
33.2 7 Revestido mecánico
[
varilla ·-·-·Alambre o . d, gas 7 Boquilla /
~
i,
En el proceso de revesiido mecánico (llamado también revestimiento mecánü··o, revestido por impacto, se compactan partículas metilicas tinas sobre las superficies de la pieza mediante bolas (perlas) de vidrio. cerámica o porcelana impulsadas por elernenlos rotatorios. Este proceso se Lisa mucho para producir partes de acero <::ndurecidas, para automóviles. con espesores normales de revestimiento menores que 0.025 mm (0.001 pulg).
i\
-..---·
,.-L,_1
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-·--·Tapa de aire ., Pieza·Jl , . . ·a de combusllon
.t..¡. . . ~ / __ Carn,u
c;:-L_~----~0
c:~-~c::f't:.c:::::::::::::¡ -·. ~ "'"!!i!'/,'ifi \ ¡::;";'.'~;;c~:::c:::::,s <.. . . . '"'""iii~ill\lihlqf,lill • -s::. I j Rociado de metal fundido
33.3
DURECilVll
SUPERFICIAL Y REVEST!1\/\lENTO DURO
Capa depositada
Parn mejorar sus propiedades de fricción y de desgaste, las superficies se pueden endurecer con métodos téf.. micos, y también para mejorar su re,sistenc.ia a la penetración, erosión, abrasíói1 y corrosión./\ continuacir)n describiremos los métodos más conmnes.
(b)
1 Los metodos tradicionales de endurccim.ien!O supe1ficfol (carhuriz.ocián, carhonifnffoción. cian.uroción, ni~ trarncián. templado SU/)(!Jfu:ia! y !emplado por induccián) se describieron en !a secciún 4.1 O, y se resurnit.'.~ ron en !a tabla 4.1. Además de las fuentes comunes de calor (gas y electricidad), se puede usar un rayo para endurecer la supciiici¿ de metales y cerámicas. cc.mentaclón, así como algunos de los otros trata111ientos superficiales que se desi:.riben en ('."·;;e ~·a· pítnlo . 1nduce esfuerzos residua!cs en las superficies. La formaóón de marlensita durante la ceinenlación caus~1 esfuer·.1,os residuales d.e. compre'.-;~ón. Esos esfuerzos son convenientes, porque; pueden mejorar la vida <.le r,i. Je ¡n:~ componentes, al demorar eJ. iníc]o de grietas de fatiga.
Gas
1 1
Oxigeno
l
l
Ba·;e di..: maic;rial preparado (cnfriadJ con agua) (e}
gas de
11rrasu-.~
Enfr!ntlor
,V\eializado duro nu:tu./i';.~ 1 1do
duro se dcposiUJ un;.1 c:.qxL oril!a o puntJ relativamente gruesa de n;e~al úuro sobre l:.! .-..:~:pi::1· ficíc, con cualquiei:a de ]as técnicas de soldadura descritas en los capítulos 27 y 28. Se suden deposlt:¡¡· mu-capas (re~1e~;tliirn11fonto de soR
un
33.·4
TÉRMICO
Ga:-.: de
1
Gnfrin.dor circulan1c
uc al arco
1
Chorro ck rociado s(~rnifundido
1
iiiGUR.A 33.J
1
(b) Rociado tórmico de polvos metálicos. (e) Rocii!do d<' plasma.
Esqw~mas
ele oper,:icionPS de rociado ti;rmico. (;l) Roci<1do térrnlco con alambre de aporte.
1 n;¡miento, carros tanque, toberas de motor a reacción y componentes que requieran resistencia al desgaste y
En los procesos de rociado térmico se aplican recubrimientos (diversos metales y aleaciones, carburos y ce.. nünicos) a superficies metálicas con una boqui.lla ele rociado que maneja una llama de oxkombustible, arco eíéctrico o arco de plasma. El material ele recubrimiento puede tener la forma de alambre, varilla o pnlvo, y las gotitas o partículas chocan con las superficies a velocidades ele J 00 a 1200 m/s (325 a 3900 pies/s). Las superficies por rociar se limpian y desbastan primero para mejorar la resistencia de adhesión (que depende del proceso y la técnica particular que se usen). El revestimiento tiene una estructura estratificada de metal depositado, y puede tener porosidad (hasta de 20%) causada por aire y partículas de óxido, ;1trapados por las altas temperaturas que se manejan. Las primeras aplicaciones del rociado térmico, en la década de 1910, eran con metales; de aquí que también se haya usado el término metalizado. Entre las aplicaciones características están los componentes de motores de aviones (por ejemplo, reconstrucción de sus piezas desgastadas), estructuras, tanque se almac•:-
a la corrosión. Hay varios procesos de rociado térmico: a. Rociado térmico con alambre (fig. 33.3a), en donde la llama de oxicombustible funde al alambre y io deposita en Ja superficie. Su adhesión tiene resistencia intermedia, pero el proceso es relativamente poco costoso. b. Rociado térmico de polvo metálico (fig. 33.:lb), parecida al caso a), pero que usa polvo metálico en lugar del alambre (véase también la sección 17.2). c. Plasma, sea convencional, de alta energía o al vacío (fig. 33.3c). Prodnce temperaturas del orden de 8,300ºC (15,000ºF) y produc~ una muy buena resistencia de adhesión, con muy poco contenido de fo ido.
~
.,,,..,..
T 90H
Ctpltulo
l
Sección 33.S / D(;'posición de vapor
909
¡
/ TratJ1T1iC:~ntos, .. recubrimienlos y ii111piezc1 de superficies
Caiitórn detonan.te, en el que se hace una explosü.)n controlada con una rnezchi de oxígeno y comhusti. b!c gaseoso. El ca?ión detonante tiene una eficacia parecida a la de! plasma.
l
JRochntdo die a~~~: ve~.oddad con oxit·onntriusllJh!e, que tiene una eficjencia parecida a la del cní1ón
1
J?tasrn
f. Arco de ahm:i!Jre, donde se forma un arco entre dos electrodos consumibles de alambre. La Ji.ga es re. sistente y el proceso es el menos costoso. Malcriu\ del
Ejemplo: Reparación de un
desgastado
turbina con rodado !érmico
recubrlrnienlO
El eje del engranaje hdicoidai de un:1 turbi.na de gas GE T-38 tenia dos reglones desgastadas en su :-:uper-
Material
ficie nitrurada. Lt profundidad de capa era de 0:3 mfr1(0.ül2 pulgJ. Aun cuando los engranaje:; hclicoída-
evaporado
lcs estaban en buenas condiciones. se consideró que la parte era chatw-ra. porque no había método para repararla. Prln1ero se maquinaron h:s partes desgastadas :a mi ff1enor tamaño~ se sometieron a chorro dC pic.dri!fo:-. y se recubrieron con c~trburo de tungsteno {con J '.?/]{,de cobalto: véase Ja sección 21.5;: con b técnic;;1 d('. rociado térmico de atta velocidad cnn oxicombu:-:1ibJe, De~puó; .se maquin61a parte J acühado, :.:i ht"-' mcnsinnc~.; d~l ~je origü1al. El costo total de 13 reparación fue wrn fracción del costo esperado-por c:arnhiar h panc.
Fuei1!<::
t=squem'1 del proceso de deposición física. Fuente: Cutting Tool Etigineering.
f!GURA 33-4
P1<1sma Tcchno!ogy., Inc.
densa en el substralo (ánodo) y lo recllbre. Las aplicaciones de eslc proceso son tanto funcionales (re·· vestimicnlrn> resisten\.es a la oxidación para aplicaciones de alta temperatura. electrónicas y ópticas) co-
b.
DE VAPOR La deposición de vapor es un proceso en qne eJ substrato (superficie de la piez.a) ~)e son1c.tt~ a n;acciones quirn.icas n1ediantc gases que contienen compucslos químicos del nrnteríal que se va a depo-c;ita:c El espesor dd recubrimiento sude ser de unos pocos J-UTI, que es much.o menor que los espesores que se obtienen con J;is técnicas que describirnos en !as secciones 33.2 y 33.3. Los maicrú.lles depositados pt1ede11 ser metales. aleacíonest carburos~ nilrurns, ~Joruros. ccrámit:ns 1! dos. i.mp
1
Pulv~riimdón
mo decorativas (henamientas, eiectrodoméslicos y joyería). catódica. En catódica. un campo eléctrico ioniza un gas inerte (por lo general ar:;ón). Los illnes bombardean al material de revestímienlo (cútodo) y causan ia expulsión de sus átomos. Estos átomos se condensan en la pieza. que se calienta para mejorar la adhesión
(hg 33.5) En la
reactiva el gas inerte se reemplaza con un gas reactivo. como oxígeno, y en
ese: caso los útomos se oxidan \o que se deposita son los óxidos. Tarnbién se depositan carburos y nitruros co11 cstt' método. Se pueden depositar recubrimientos muy delgados ele polímeros sobre substra tos metálicos v con un gas reactivo que cause la del plasma Con materiales no conductores, como por ejemplo los aislantes eléctricos y los semicond1.1ctorcs
de ~- . .M~¡¡,~fir~~c11te.nda (RF).
se usa la
gaste. Hay dos procesos principales de deposición de vapor: deposición física
deposición
qufnüc~.
Esquema del proceso de pulverización catódica. Fuente: AS/VI lnternational.
FIGURA 33.5
33.5 -¡
vapor Los tres tipos básicos de deposición física de vapor son a) evaporación al vacío o de arco, b) pulverización catódica. y e) deposición iónica. Estos procesos se efectúan al alto vacío, y a temperaturas entre 200 y 500 ºC (400 a 900 ºF). En la deposición física de vapores, las partículas por depositar se arrastran físicamente a la pieza y no mediante reacciones químicas, como en la deposición química de vapor. a. Evaporación al vacío. En la evaporación al vacío, el metal que se va a depositar es evaporado a una temperatura y vacío elevados, y se deposita sobre el substrato. que normalmente está a temperatura ambiente o ligeramente superior. Recubrimientos de espesor uniforme pueden incluso ser depositados sobre formas complejas. En evaporación de arco (PV/ARC. el material de recubrimiento (cátodo) es evaporado por varios evaporadores de arco (en la fig. 33.4 se muestran tres), con arcos eléctricos muy localizados. Los arcos producen un plasma muy reactivo fonnado por el vapor ionizado del material cubriente. El vapc:,< se con-
Aliin~n1aci6n dci gas de proceso
Cátodo "'-,
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Blanco __ ;-
Flu~o
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__L. de iones --- __ _ ~~--i r t 1 1 ~ FlUJO . ..--- 1¡ ~__.,.
t· · Plasma .....-~·~1
pulverizado
Substrato _.,,,.,,.-·
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Pant,tlla a ttetra
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de vacio
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de vado
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'lHl C1p11u!o
JJ / Tr·atarnienlos, recubrimientos y iimpie.1.a de SL!perficies
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Sección
l
1
Aliinent:ic:i6n 1-'arbble
1
Fifamenro Uci
33.e / Electrodeposición,
deposición sin c!ectricidad
y electroform~1do
911
Los materiales que se pueden usar en los recubrimientos y en las piezas tienen pocos restricciones en la deposició11 química. Casi ctxalquier material se ¡Jllede recubrir con casi cualquier otro, y puede servir como substrato, aunque varía la resistencia de la unión. También se usa la deposición química para producir recubrimientos de diamante (sección 33.13) sin usar aglutinantes, a diferencia de las películas de diamante policristalino, que usan de 1 a 10% de materiales aglutinantes. Un desarrollo reciente en la deposición química de vapores es la deposición química de vapor a temperatura intermedia. Esta técnica da como resultado mayor resistencia a la propagación de g1ietas que los recubrimientos de deposición química de vapor simple (véase la sección 21.6. l ).
133.6 IMPLANTACIÓN IÓNICA ' fiGURA 3.J.(,
Eoquema de un aparato de deposición iónic:a. Fuente: ASM ln!ernational.
Depos.idón iónic>a. Deposición iómca es un que describe Jos procesos combinados df pulverización y de evaporación ai vacío. Un campo clécirico causa una descarga luminosa y genen1 u1: plasma 33.6). Los áiomos vaporizados en este proceso sólo están parcialmente ionizados.
d.
l
'~':ñsfül:i
dmll, con lmz rle fones, es una técnica de recubrimiento recién desarrollada. c¡uc combina la deposición física de vapor con bombardeo simultúneo con haz de iones. Esta técnica da buena adhesión en íos metales, cer,irnicos y polímeros. Entre los ejemplos de sus aplicaciones '"sláo Jos er>jinetes de cer{imica ios instrumentos denta!es.
1¡
En la implantación iónica, los iones (átomos con carga eléctrica) se introducen en la superficie del material de la piéza. Esos iones se aceleran primero en vacío, de tal modo que penetran al substrato a una profundidad de vatias micras. La implantación de iones (que no se debe confundir con la deposición iónica) modifica .las propiedades superficiale.s aumentando la dureza de la superficie y mejorando la resistencia a la fricción, el desgaste y la corrosión. Este proceso se puede controlar con precisión, y se puede enmascarar la superficie para evitar b implantación de iones en lugares inconvenientes. La implantación ele iones tiene buena eficacia en materiales como aiuminio. titanio, aceros inoxidables. aceros grado henamientas y para dados y revestimientos de cromo. Este proceso se usa mucho en las hernimientas de corte y de fom1aclo, en dados y en moldes, y en prótesis metálicas, como por ejemplo caderas y rodillas artificiales. Cuando se usan en aplicaciones específicas, como e11 semiconductores (capítulo 34) es1e proceso se llama dopado, que quiere decir aleación con pequeñas cantidades de diversos elementos.
l
.s
ele vapor
33.7 REVESTlM!ENTO POR DIFUSIÓN
gr~1·
deposició;i qalinica de vapor es un proceso lcrmoquímico !,tig. 7). En una aplicación norni'1i, como ia de cubrir í1crramientas de corte con nitruro de titanio (TiN), las herramientas se colocan en una de filo y se calicrnan a cnlre 950 y 1050ºC ( 1740 a i 920ºF) a presión atmosfürica, en una atmósfera inerte. A continuaci6n .se introducen tetracloruro de titanio (gas en las condiciones de deposición, porque hierve a 134'C). y nitrógeno a la cámara. Las reacciones químicas producen nitruro de titanio en las superficies de la herrnrniema. Para recubrir con cJrb11ro de titanio se usa metano en vez de los gases anlcrio1\". Los revestimientos depositados químicamente suelen ser más gruesos que los depositados fí;oicameme. Un ciclo normal de deposición química es larga, y está formado por a) tres horas de calentamiento, b) cuatro horas de recubrimiento y c) de seis a ocho horas para enfriar a temperatura ambieme. El espesor del recubrimiento depende de los f'lujos de los gases ernpleados, del tiempo y de la ternperatura.
El reveslim.ien/o por difúsión es un proceso con el que se difunde un elemento aleante en la superficie del sub'>trato~ alterando así sus propiedades. Los elen1entos aíeantes se pueden sunlinistrar en cst:..ido sóiido, líquido\; gaseoso. Este proceso tiene diversos nombres que dependen del elemento difundido (como se puede ver en id rabia 4. l, que describe los procesos difusionalcs de carburizacitín, nitruración y boración).
1 1 33.SELECTRODEPOS!CiÓN, DEPOSICIÓN SIN ELECTRICIDAD Y ELECTROFORMADO La electrodeposición, como otros procesos de recubrimiento, imparte tas propiedades de resistencia al desgaste a la corrosión, alla conductividad térmica y mejor apariencia y brillo, así como otras propiedades convenientes.
33.8.'I Electrodeposición
Lavador de escape
En la electrodeposición, la pieza es el cátodo, y se recubre con un metal distinto (ánodo) mientras que ambas están suspendidas en un baño que contiene solución acuosa de electrolito (fig. 33.8). Aunque en el proceso de electrodeposición intervienen varias reacciones, el proceso básico implica lo siguiente:
·-...........Repisas de grafito
Herramientas Horno eléctrico
FIGURA 33,7 Esquema del proceso de deposición química de vapor.
1. Del ánodo se descargan o salen iones metálicos usando la energía potencial proporcionada por la fuente externa de electricidad.
~
__....--
CJpttuio ) 3 / Trdl;:imientos, recubrimientns y litnpic·zd
rf
clt~ superfícíes
t
Sección JJ.9 / An.odizado
1
huella apariencia. Metales como oro, plata y platino son importantes en la electrndeposición, en industrias electrónica y de joyería. Los p[úslicos como /\BS., polipropileno, polisulfona. policctrbonato, poliéster y nylon también pueden ser sub.strntos en eleclrodeposición. Corno no son conduclorc:s eléctricos, se deben precubrir con prncesos como niquelado sin electricidad (sección 33.8.2: véase también la sección 7.3) . Las panes por recubrir pueden ser sencillas o complicadas, y su tamaño no es limitación.
!
J
!
sin
33,8.2 fíGUR;'.\ 33.B Esquern;1 d(:I proceso ele elcurodepos1ci(j1L
Los iones mct[licos se combin::m con los iones en la solución. iones metílicos se depositan en el ciíLodo.
!
•.esenciales ia limpieza y dcscngnsacto químico, y el l:ivacio meticuloso de /¡¡ piew antes de la lrodcposición. Las p<:rtc.s se colocatt en canastillas o en un barril en masa¡ y se sumc:¡•en c:n ,,,¡ baño. Se pueden recubrir lodos los m,:lalc:,; los espesores de ch.::p<•. van desde un<•.s pocas capas
1
cobri::ado de ahü11hr•é de aiun1inio y de cs1.~1ñar !as lern1inalr-:::-.
para croinar Cflrnponc;1tc:),
'.:,ncr
(¿¡) Esquern;i de recubmnie11tos no unifomies (exager;idos) en panes chapeadas con
(b) Lineamientos ele dise1io para i'lótese c¡uc '"debe"' evii'1r ,1risl.:t'. '1gudas, externas e intern;is, par¡1 01J1e11er cspcso1-es uniformes de chapél. F'uenie: i\S¡\¡\ l111ernational.
¡ ¡ J
lt 1
913
La deposicián sin electricidad se efecLúa por reacción quínüca y sw usar una fuente externu de electricidad. La aplicación rn
33.H.3 Electroforrnado Una varir.lción de ta clectrodeposición es el electrr
(éi)
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(b)
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~i;.,tn!1guda
o
A1i.sta
/aguda
L.=.:::
i
~t~1ient0 V"qui1ia.; redondeadas
[j
[Seada :.\rista
33.9 /\NOD!ZADO El a11odiz.ado es un proceso de oxidación (oxidación an
9]4 C1pítuio 3 3 / Tralainienios, :-e<. ubrirn1erHos y
!irnpk~za de superlicies
--------------------------~---------· --·---------------... .1 O RECUBRIMIENTO DE CONVERSION
ri .
El recubrimiento de crmvel'.rián, llamado tarnbi6n primario de reacción química. es el proceso de producir un recubrimiento que se forme en las superficies metálicas como resultado de reacciones químicas o electroqu¡. micas. Diversos metales, en particular acero, aluminio y zinc, se pueden recubrir por conversión. Los óxidos qLte se frmnan naturalmente sobre sus superficies son una forma de recubrimiento de conversión. Para producir estos recubrimientos se usan fosfatos, cmmatos y oxalatos. Se usan con fines de protec. ción contra corrosión, prepintado y acabado decorativo. Una aplicación importante es en el recubrimiento de piezas que sirven como vehículos de lubricante en operaciones ele formado en frío (véase b sección 32.12). Los dos métodos comunes de recubrimiento son inmersión y rociado. El equipo requerido depende del método ele aplicación, el tipo de producto y la calidad deseada.
t
Corno su nombre lo indica, el coloreado implica procesos que alteran d color de Jos metales, aleaciones y cerámicas. Se produce por Ja conversión de superficies (con procesos químicos, electroquímicos o térmicos) en productos químicos como óxidos, ero matos y fosfatos. Un ejemplo es el em1egrecimiento dd hierro y los aceros, proceso que usa soluciones de sosa cáustica caliente y causa re<1cciones químicas que producen una capa lustrosa y negra de óxido en Jas superficies.
calient~,
fa pieza, norrnalmenle de i11erro o acero, se .\l!mcrge en tin baño de metal fu11d1En ia inm.ersián e11 clo, co1110 zinc (para obtener láminas y ar!ícu)()s de acero g::tlv
pia primero
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/~~/mi
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Sección de Horno continuo de recocido tratamiento ~ químico Zinc fundido
atmósfera y temperatura controladas, y se sumel'ge en zinc tundido a unos 450ºC (840ºF). El espesor de la capa de zinc se controla con una acción de escurrido mediante una corriente de aire o vapor, llamada cu.chilla de aire (parecida al secado con aire de los lavaderos de autos). Es importante el esrnrrido adecuado para eliminar el exceso de materiales de recubrimiento. El espesor del recubrimiento se especifica en términos de su peso por unidad de superficie ele la lámina, y va de 150 a 900 g/rn2 (0.5 a 3 onzas/pie 2 ). La vida en servicio depende del espesor de la capa de zinc y del ambiente al que est:í expuesta. En las carrocerías de automóviles se usan mucho diversos aceros larniE:> dos precubiertos.
Los metales se pueden recubrir con diversas capas vítreas para comunicarles resistet1cia a la corrosión y sistencia eléctrica, así como protección a elevadas temperaturas. Estos recubrimientos se suelen clasificar ,;orno esmaltes de porcelana y en general abarca a los esmaltes y las cerámicas. (La palabra esmalte tambiée se usa en las pinturas lustrosas, para indicar que la capa es lisa y dura.) Los esmaltes de porcelana son recubrimientos inorgánicos vítreos que contienen diversos óxidos mc1éclicos. El esmaltado, arte totalmente desarrollado en la Edad Media, implica fundir el material del esmalte en el substrato. calentándolos ambos de 425 a lOOOºC (800 a 1800ºF) para licuar los óxidos. El esmalte se puede aplicar por inmersión, rociado o electrodeposición, y los espesores suelen ser de 0.05 a 0.6 mm (O.OOZ a 0.025 pulg). Según su composición, los esmaltes tienen resistencias variables a los álcalis, ácidos, cleterg•S!tes, limpiadores y agua, y se producen también en varios colores. Entre las aplicaciones caraclerísticas de íos esmaltes de porcelana est:ín los electrodomésticos, cone;;.'c nes de plon1ería equipo de proceso químico, letreros, artículos de cocina y joye1ía. También se usan esl.naltt:~~ de porcdana corno recubrimientos protectores en partes de motores de reacción. Los metales que se rccubic::; con frecuencia son acero, hierro coiado y aluminio. También se usan los vidrios con10 recuhrin1lentos, p~u·J tener resistencia química, y en este caso él espesor es mucho mayor que en el esmaltado. El vidriado c;c, aplicación de recubrimientos vítreos a artículos ele cerámica, para darles acabados decorativos y hacerlos impermeables a la humedad. Los recubrimientos cerámicos. como el óxido de aluminio o de zirconio, se aplican a ternperaturn ;;rnbiente usando adhesivos para fijarlos al substrato. Estos recubrimientos funcionan como barreras ténnicao; :1 se han aplicado (por lo general mediante técnicas de rociado térmico) a dados de extrusión en caliente. ~Ua bes de turbina y parles de motores diese!, para prolongar su duración. Las superficies metálicas se pueden recubrir o prerrecubrir con una diversidad de películas, laminados y recubrimientos orgánicos para mejorar su apariencia, dar agrndo a la vista y mejorar su resistencia a Jacorrosión. Se aplican a los rollos de lámina en líneas continuas, y los espesores son en general de 0.0025 a 0.2 mm (0.0001 a 0.008 pulg). Estos recubrimientos tienen propiedades muy variadas de flexibilidad, durabilidad, dureza, resistenci:.\ a la abrasión y al ataque químico, color, textura y lustre. A continuación, el metal laminado recubierto se mo1dea para formar diversos productos, como por ejemplo consolas de TV, cajas de electrodomésticos, tableros. armarios, guarniciones de construcciones residenciales, canalones y muebles metálicos. Entre las aplicaciones más críticas están, por ejemplo, los aviones navales, sometidos a gran humedad, lluvia, agua marina, contaminantes (ele las chimeneas ele los barcos), combustibles, fluidos descongeladores y ácido de acumuladores, y también están sujetos al impacto de partículas como polvo, grava, piedras y saks anticongelantes. Para las estructuras de aluminio, los recubrimientos orgánicos suelen ser un primario epóxico y un acabado ele poliuretano, con una vida de cuatro a seis años. El funcionamiento del primario es un f~ctor impor1
1
'L!]
915
33.12 ESMALTADO DE PORCELANA, RECUBRIMIENTO CERÁMICO Y RECUBRIMIENTOS ORGÁNICOS
7
33, Hl lnstalac1on para g;ilvanizaclo continuo de iárnina de acer·o pm 1nrnerS1611 en caliente. F! disposil"ivo soldador (izquierda superior) es para soldar !os extremos de los milos y manlener d iluio rontinuo de mak•na/. Fuente: American /ron nnd SteeJ !nstitute.
Secci6n 33.·! 2 /Esmaltado de porce1Qnl1, recubrimiento cer<Í.rnico y recubrirnienlos orgánicos
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Cipltuk)
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I Tralcffnien(rn,, 1·ec11h1 irnícntos v J1mpieza ele superfick~s
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unte de la durac.ión dei recubr¡miento; por cons1guien1e se está investigando rnucho para desarroUar mejores m~Heri&lcs
Recuhdmientos
Continúan también los estudios del crecimiento ele pelíCL1las de diamante sobre substrato cristalino de cobre, por implantación iónica de carbono. Una de las aplicaciones importanLes es la fabricación de chíp5 de (capítL1lo 34·). El diamante se puede dopar y formar ex1rcmos tipo p y tipo nen los semiconductores, formando transistores; su aíta conductividacl térmica permite d empacamiento más cercano de chip5 que lo que scr(a posible con los chips de silicio o de arseniuro de galio; de este modo se aumenta en forma
i
l
de recubrimiento.
cerán~~cos
para
en alta ternperatura
Ciertas características de prodecto. corno fa resistencia,a1 (-fosgnste y ~¡j aíslanlienio térmico y dédrico kn :.~:~pccia] a temperaturas alías) se rueden obtener medümrc recubrimientos ccrJJrÜcos. en vez de impartfria:; a ios rnetales hase mi~~rf1u~. Puede ser costosa la se.Jecci6n.de materiales con esas proplcdades. y puede
ser que no ~e ~atisfag~m los rcqu!siros ch." resistencia e:structura1 parz1 Jetcnninaíl1 :tp1i(.,~:H. :i(in. Por ejem.plo, un componi.:orc rcsJ,'i!entt; al de~gaste no_necesha :;er rotal mente de ma1cnal rc;..istcnte d ..:.:)gash.'., porque para el desgaste sólo import~n Jas propiedade~; de una capa supcrficiaí delgada. En con~;ecuencüt los revest.ímkntos tienen ;,iplicacjoncs irnportm1tes. l ..a tabJa 33.2 muestra dive:-sos rccubiimü:>nü!.) de cerámico, y ...;u::; ap¡¡cacioncs a tcmper3turas elevadas_ Estos recubrimientos se puedcr1 aplicar en unan en varias capa~. como en la~ herramientas dc corte con vnrlas capas (Ví5ilf.:c la sccd6n 21.6). 1
TABLA 33.2 -~~--·----·----------·-----~------
Tinn
ch~ cr~r·<-~.:
---·------·----
de crnmo T11.::11rntde:dundnio
1
1
l
\ 1
..:k:
apreciable la ve!oddad de \as computadoras.
Carbono tipo diamante, Un desarrollo más reciente es el de recubrimientos de carbono ripo diwrwn/e, o diamantino, de pocos nanómetros ele espesor, para to cual se usa un proceso de deposición a baja temperatura ayl!llado con haz de iones, Estos recubrimientos son menos costosos que las pelícuins de diamante, pero c;us propiedades son parecidas. como baja fricción, alta dureza e inerte químicamente, así como lisa. El carbono tipo diamante tiene aplicaciones en áreas tales como componentes de motores, berramientas y dados, engranes, cojinetes, sistemas microeleclromecánicos y microsensorcs.
RA
,14 Por sus
..
{\\ido 1-k <1lumini(l
917
Sección 33 .14 /Pintura
i
decorativas y funcionales, como contra el ambiente. bajo coslo, faciíiJad re> :iniir·,,,,i,\ny l;1 cantidad de colores disponibles, la piIT1tm'a .se us
~sma!tes,
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!ÍrC;)!\ÍI.)
0
í<:.'.!~ibili7.;tdü
1 Bnbi:i;i·;
1
ciles de limpiar que las anceriores. Hoy se consiguen pinturas con buena resistencia a Ja abrasión, decoloración y tempciaturas extrc1m\S·.
sc)n i\\ciles ele aplicar y secan con rapidez. La selección de determinada pintura depende de los requisitos
qu!i11ic~1s
pecíficos de la aplicación. Entre eilos están ia resistencia ;1 !as acciones mecánicas (abrasión, impacto y flexión) o a acciones (áciclos, solventes, detergentes, úJcafo;. combustibles, niancl1,Kio v
1
ataqueLo,, dd rnr!Lodos ambientecomuw:s en de
decí:ropintU1rn, o a superficies,
de pi11!ura ,;on inmersión, cnn broch;\ y aspersión (fig. dectrnsliíctic.a, h" de pintma se cargan e/ecli'oslú1icorr1e111e y un recubrimiento üe adhesión uniforme. A di\'erencia del atomizado
cionaL ca d que se puede pcordcr hasta 70º/o de\;\ p[nturn, '"" h1 ekc!rnst
embargo, con e<;te método es difícil cublir prl)picdadcs del diamanl<' qw: son irnpurt3nlcs L!n la técnica manufaclurcre describieron L:n la sc~cc1ón 8.7. Se finn liccho importante:-: avances !.?.n el recubrimiento de metaics, vidrio. n.::dnücns y ¡.+i.-,iit:os cO!l día 1r¡;¡ritc, u:;ando v~ffi;is técnii._:as curnc b deposición qufrnica de vapor, deposición de vapor ayudad
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FIGURA :B,11
hondas y e:;quinas.
,11,iétodos para
dectrolHico. Fuente: Society of Manu!acturing Engineers. Transporladot /
Salida de pintura
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C:apílulo ."33 /Tratamientos. recubri111i(:Y1tos y limpieza de
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33.15 TEXTURIZADO SUPERFICIAL
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Como hemos visto en los capítulos anteriores. cada proceso de mamifac!ura (fundición, forjado, metainrgia de polvos, moldeado a presión, maquinado, rectificado, pulido, electroerosión, chorro abrasivo y cepillado con alambre) produce cierta textura y apariencia superficial. Es obvio, entonces, que se pueden usar aigunos de esos procesos para modificar la superficie producida por un proceso anterior, por ejemplo, al rectificar algunas superficies de una pieza fundida. Sin embargo, las superficies manufacturadas todavía se pueden modificar más con operaciones secundarias. por razones técnicas, funcionales, ópticas o estéticas. Estos procesos reciben el nombre de texturizado superficial, y suelen consistir en lo siguiente:
1
Sección 33.16 / LirnpiezJ de superficies
919
La limpieza mecánica consiste en perturbar físicamente los contaminantes, con frecuencia mediante cepillado con fibra, chorro abrasivo, tamborado o chorros de vapor. Mw~hos ele estos procesos son bastante efi.caces para quitar el óxido, costras y diversos contaminantes sólidos. También en esta categoría queda la limpieza ultrasónica. En la limpieza química suele estar implicada la remoción ele aceite y grasa de las superficies. Consiste en uno o más ele los procesos siguientes: a. Solución. La mugre se disuelve en la solución limpiadora.
h. Saponificación. Es una reacción química que convierte los aceites animales o vegetales en un jabón, .soluble en agua.
a. Ataque, con sustancias químicas o técnicas ele pulverización en el ánodo.
c. Emulsificación. La solución limpiadora reacciona con los depósitos de mugre o lubricante y forma una emulsión; la mugre y el emulsionante quedan suspendidos en la emulsión.
b. Aa·cos eléctricos e impulsos de láser. c. Oxígeno atómico, que reacciona con las superficies y produce texturas conoidales finas.
el.. l)ispersión. La concentración de mugre en la superficie disminuye por elementos con actividad superficial de la solución limpiadora.
Se deben tener en cuenta los posibles efectos adversos de estos procesos sobre las propiedades del material y su funcionalidad.
¡ ¡
e. Agregamiento. Los lubricantes se quitan de la supe1ficie mediante distintos agentes en el limpiador. y se juntan en forma de grandes partículas ele mugre.
¡
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DE SU
Los fluidos limpiadoire.~ comunes, que se usan junto con procesos electroqL1ímicos pm·a alcanzar una limpieza más efectiva, incluyen los siguientes: ll.
Soluciones alcalinas, combinación compleja de sustancias hidrosolubles. Son las menos costosas. más usadas en las operaciones de manufactura. Las partes pequeñas se pueden limpiar en tambores o barriles rotatorios. La mayoría de esas partes se limpian en transportadores continuos, rociándolas la solución y enjuagándolas con agua.
Hemos hecho resaltar la im_portancia de las superücics y la influencia de las capas, depositadas o adsorbidas, de diversos elementos y contaminantes sobre las superficies. Una superficie limpia puede tener efocto.s !anto benéficos como pe1judíciales. Aunque una superficie que no está limpia puede reducir la tendencia a adhesión y a! raspado, por lo general la limpieza es esencial para aplicar CPll más eficacia recubrimientos. pinturas, adhesivos, soldadura, la!onado y estmfado, tener un funcionamiento fiable de las parles :::n 1a maquinaria, en las aplicaciones de ensamble y desde luego. en los recipientes para alimentos y bebidas.
1
c. Solventes, casi siempre derivados de petróleo, hidrocarburos dorados y "akoholes minerales". Se
La limpieza implica la remoción de contaminantes sóiidos, semisóliJos o líquidos de um1 superficie, y es una paite importante de las operaciones ele manufactura y la economía de la producción. Es difícil definir J;; palabra limpio o el grado de limpieza de una superficie. Dos pruebas simples y conocidas ,son las siguientes:
l
d. Vapores calientes ele solventes clorados; se pueden usar para quitar aceite, grasa y cera. El sol veme hierve en un recipiente y después se condensa. El proceso es sencillo y las partes limpias quedan sec:is.
L Frotar con
Llll
trapo limpio y observar los residuos en la tela.
2. Observar si el agua forma una película continua sobre la superficie. Si forma gotas individuales, la su· perficie no está limpia (prueba de discontinuidad de capa de agua). Pmebe el lector mismo este fenómeno mojando vajilla que esté limpia en diversos grados.
El proceso de limpieza requerido depende del tipo de residuos de fluido para traba¡o de metales y de los contaminantes que se deben eliminar. Por ejemplo, los fluidos a base de agua son más fáciles y menos costosos de limpiar que los a base da aceite. Los contaminantes, que también se llaman mugres. pueden estar formados por óxido, costra, viruta (y otros residuos metálicos y no metálicos), fluidos de corte, lubricantes sólidos, pigmentos, compuestos para pulir y asentar y elementos del ambiente en general.
Procesos de limpieza. Hay dos tipos básicos de métodos de limpieza: mecánicos y químicos.
1
Emuñsionres, fonnadas en general por querosína y aceite en agua, y diversos tipos de en1Lllsificant(;:,:
l
1 1
en genera! p«ra conidas cortas; sus peligros principales son incendios y toxicidad.
e. Diversos ácidos, sales y mezclas de compuestos otffgánicos, eficaces para limpim· partes cubiertas con pastas gruesas o depósitos aceitosos y óxidos. Puede ser difícil limpiar partes discretas con formas complicadas. Algunos de los lineamientos de diseño son los siguientes:
a. Evitar los agujeros ciegos profundos. b. Fabricar varios componentes pequeños en vez de uno grande, que pueda ser dificil de limpiar. c. Hacer los agujeros adecuados de drenado en las partes que se vayan a limpiar. El tratamiento y el desecho ele los fluidos de limpieza, al igual que de diversos t1uidos y materiales residuales de los procesos descritos en este capítulo son de las consideraciones más importantes para que las operaciones sem1 seguras para el ambiente. Estos factores se describirán con más detalle en Ja sección 37.4. ,_
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Problemas cua!itLttivos
t El tratamiento superficial es un aspecto irnportante de todos los procesos de manufactura_ Se aplica pa~ ra impartir propiedades físicas y mecúnicas específicas, como aspecto y resistencia a la cmTosión, fricciún. desgaste y fatiga. Para modificar las superficies se dispone de varias técnicas. Entre los procesos están el trabajo mecánico y el recubrimiento de las superficies, tratamiento térmico, deposición, e!ectrodeposición y recubrimientos como esmaltes, materiales no metálicos y pinturas. Las superficies 1impias pueden tener importancia en el procesamiento y uso posterior·es del producto (por ejemplo, recubrimiento, pintura o soldadura). La limpieza puede tener un impacto económico i mporlante sobre las operaciones de manufaciura. Se pueden utilizar diversos métodos de limpieza, mednicos y químicos.
BIBLIOG
t
ASM Handbook, Vol. 5: 1994 Bhushan, B., ancl B.K. Gupta, Handbook of Trihology: Materiols, Coatings, and Swface Treattnents. McGraw-
Hill, 1991.
Burakowski, T., and T. VVierschon. Sll1face Engineering of Metals: Principles, Equ.ipment. Technologies. CRC
Press, l 998.
Diwnonds and {)iamond Films. TV1arcel
Dckker, 1997.
Holmberg, K., and A. Matthews, Coating Tribology: J>roperties. Techniques, and Applicalions. Elsevier, 1994. Dennis, J.K .. and T.E. Such, Nickel and Chromium Plating i)d ed.). ASM lnternaliona\, 1993. Inagaki, N., Plasrna Surface ModZfh:ation and Plasrna Polymeriz.ation. Technomic, 1996. Nachtmm1. E.S .. and S. Kalp8kjian. Lu/Jriccmts and Lu.brication in Metalvvorking Operations. Marcd Dekker, 1985.
TEf',1 l.,as principaies áreas de estudio son la estructura y propiedades de !os rccubrimjentos, la adhesión a.l suhslrnto. la preparación y modificación Je la superficie, así como 1a porosidad, densificación e in1egridad del recubriroiento. Se es1ún de,:.,arrolbndo técn.icas para rccttbrir diversos rnateriaks met:.í.llcos y no melálicos con dian~a:1te, y lambién para preparar pelícuia de diamante. r:::-
81 hojeado o cles!arninación de las películas ele dimnantc, son úreas i rnportantcs de estudio.
Se está modjficando la deposición quúnica de vapores
las limitaciones de sus espesores,
PREGU 1
base de agua, en c~;pc.ciaJ para mcls, debido a consideraciones arnbienla[cs. ;;i,
apliracione~~ autoi:notricc~;, e~stúr
1980. Prclas, M.A., G. Popovicbi, and L.K. Bigelow (eds.), Handbook of Industrial Diarrwnds and Diamond Films. Marcel Del,kcr, 1998. Schcy, J.A .. TrilwLogy ín A!fetalworldng--Friction. Lubric(ltinn and Wear. ASM [ntemalional, l98J. Stern, K.H. (ed.), Metallurgical and Ceramic Protective Coatings. Chapman & Hall, 1997. Sudarshan, T.S. (ed.), Swji:u:e Modification Technologies. ASM lnternational, 1998. Tool and ldwu:lfacturing Engineers Handbook (4th eü.), Vol. 3: jWaterials, Finishing aruf Coating. Society of Mant1facturing Eng1'neers, 1985. van Ooij, W.J., G.P. Bierwagen. B.S. Skerry, and D. Milb, Corrosion Control (4l\!/etals by Organic Coatings. CRC Prcss, 1999.
,Dc
33.2 Expliqt!C las ventajat:. de! bruüido con rodillo. 33.3 Explique !a difcrenci.a cn1re cndurccinüento supcrficlal y recubrimiento
E! texturizado de su.per.ficies tiene cada vez más interés para optimizar las superficies de hcrramienJa;· y dados con rcspec1o a la f1icción y el desgaste.
p1ntu:r;.1y
Peterson, M.B., and W.O. Winer (eds.), Wear Control Handbook. American Sodcty of Mechanlcar Engineers.
2".i,l E:zpiique por qué se ?oJrfa necesitar el tratamiento superficial de los productos manufacturados.
incorporarle un lecho fluidizado con poh n;
con este ff1étod0 :.;e están fabdcando partes con c.hversas formas y con un estrecho control dimcm;ion::1L
0
921
!
(Jpílulo 33 / TruLam1entos, recubrimientos y limpieza de superficies
33.4 Diga por cp.:.'5 podría Ltsted tener que recubrir piezas con cer[~micos. 33.5 Explique los prúicipios de la deposición física y química de vapor. ¿Qué aplicaciones tienen?
aplii.'.úndosc.: (.::ad:c·1
33.6 ¿Qué es dopado? ¿Por qué ~~e usa? 33.7 ¿Cuál es el principio del elcctrofonnado? ¿Cuáles son sus vent,1jas?
reglamenio:-; gubernamentales cada vez rntis estrictos están forzando a controlar rrnís el usfJ y e1 desecho de !as sustancias que se usan en tratamientos, recubri1nientos y limpieza de superficies.
33.8 Explique Ja diferencia entre eiectrodeposición y deposición sin electricidad. 33.9 ¿Cómo se hace la inmersión en caliente? 33,1'l ¿Qué es una cuchilla de aire? 33.11 ¿Qué pruebas se hacen para determinar la limpieza de las superficies? 33.12 Explique los metodos frecuentes de limpieza, y las soluciones guc se usan para Ju.-: productos manufacturados.
CLAVE Anodizado Boleado Bruñido con rodillos Carbono tipo diamante Chapeado mecánico Coloreado Cromado duro Deposición de vapor Deposición física de vapor Deposición iónica Deposición química de vapor Deposición sin electricidad Electrodeposición Electroformado
Endurecimiento con explosíón Endurecimiento superficial Ennegrecimiento Esmalte Esmalte de porcelana Evaporación al vacío Fluidos limpiadores Granallado Impacto con chorro de agua Impacto con láser Implantación iónica Inmersión en caliente Limpieza química Metalizado
Película independiente de diamante Pintura Prueba de discontinuidad de capa de agua Pulverización catódica Recubrimiento de conversión Recubrimiento de diamante Recubrimiento por difusión Revestimiento Reveslimiento duro Rociado Rociado térmico Texntrizado de superficie Vidriado
33.13 Describa los sistemas comunes de pintura que se Llsan en la inc111s1.rla. 33.14 ¿Qué es recubrimiento de conversión? 33.15 ¿Cuáles son las semejanzas y diferencias entre electrodeposición y anodizado? 33,16 Describa la diferencia entre rociado térmico y rociado de plasma.
33,17 ¿Cuáles son las ventajas del revestimiento (liga de chapa)?
PROBLEMAS CUALITATIVOS 33.18 Explique cómo los procesos de bruñido con rodillo inducen esfuerzos residuales sobre las superficies de las partes. 33.19 Explique los principios que intervienen en diversas técnicas de aplicación de pinturas. 33.20 Describa ejemplos de diseños de piezas que sean adecuados para el galvanizado por inmersión en caliente.
ll
Síntesis y diseño "11')'1l
:;.:.,..{..
923
Cdpítulo .U/ Tr.:Han1ien1os, n:cubrrrnk'nlos y limpieza de superikies
33.41 Describa las razones por la que los temas que se describieron en este capítulo son importantes en los procesos y ope33.21 Repita la pregunta 33.20. pero para la limpieza. 33.22 V<5asc la lab!a 33.1 y describa los dos procesos más comunes ele tratamiento de superficies. ¿Por qué son cornune.~'!
raciones de manufacturn. 33.42 Haga una lista de varios productos o partes que no se puedan fabricar en forma correcta o que no funcionen con efi-
33.23 Describa aJgnnas aplicaciones de tratamiento ~~upe.rtkiai mecánico.
ciencia. porque no incorporen los conocimientos que se describleron en este capítulo. 33.43 Escriba un trabajo breve sobre qué procesos. ele los descritos en este capítulo, se usan para mejorar Ja resistencia de
3.:t?A En !a pr
un automóvil a la corrosión. 33A4 Se ha usado la energía solar para endurecer y postrutar recubrimientos y películas. Haga un esquema de una instala-
33.25 Como se sabe, se pueden quitar o desvanecer Jos recubrimientos durante la vida de los componentes en servicio. en especial a temperaturas elevadas. Describa los factores que inlcrvien~n en 1a resistencia y la durabilidad de lo~ rcCLtbrimicntos.
33.45 Con base en la información que presenta este capítulo, baga una tabla detalb1da donde se resuman las características
33.26 Lo:-; :mlventcs y solucione;; limpiadoras afines, al evaporarse, tienen efectos advernm~ sobre el <.l.mbiente. De:-;criba sus ideas acerca de qué modificaciones se pueden hacer para hacer que las soluciones limpiadoras se~m benignas al ambiente.
33.46 Consiga varias piezas, partes o componentes metálicos y hágales la prncba de interrupción de película (que se describe en la sección 33. J 6). A continuación limpie las superficies con diversos fluidos de limpieza y repita la prueba.
ción que pueda usar energía solar para este fin.
y aplicaciones de las técnicas de tratamiento y recubrimiento superficial.
33.27 EI bruñido con rodillo se suele aplicar a ios aceros. ¿Por qué?
Describa sus observaciones. 33.47 Revise las rublicacioncs que pueda y prepare un informe breve sobre consideraciones ambientales respecto a la ap!i-
33.28 Se hace un brufiido con rodillo a un eje, para aumentar su duración a la fatiga. Se nora que e! acabado superficinl resultante e:-; malo. y se propone maquinar la capa superficial paira aumentar !a vJda de fatiga. ¡,Funciorwrá e-;o·: ;,Por que?
33.43 Con sus conocimientos de iimpieza y clcctrodcposicíón, proponga varios tanques de proceso partl dcrositar oro en joyería metálica. Asc.gúrcsc de que se qu'1tcn los óxidos de la superficie antes de la chapa y recupern el oro residuai en
J3.29 Haga una lista de Jos procesos de recubri;niento que sl;:; dcscóbicron en este capftu!n, y clasifíqudo;.; como de pe[ícuia "grucsí.l.'' o "deigacta".
3330 /.Cwíl de los
procc:~os
descritos en este capítulo :-;ó1n <.;C nsan parn partes pequeñas? ¿Por qué ;::s así?
3J.3t
Lo:~ globos meu.l!icos ~;e fabrican con figuras impresw~., producidas por mascarifü.t-; y a co11tirnmci6n deposilJndoli,;;; una capa rnel{ltic;:i. ¿,Cómo ;;e puede dcpo.sitaí una capa metálica .sobre una pclicula de huk'?
~·t-·J.32
Cuando un cspécjrnen aisblnte eléctrico se deb'.2. colocar en un mícrosc.opiu electrónico de barrido, sobre él .';e depn:·>ila una capri delgada de oro. ¿Cómo produciría usted c~;a capa tk oro?
cac.ión de los procesos descritos en este capítulo.
!as piezas. 33.49 Escriba una descripc-ión breve sobre lo~; riesgos y !os requisitos de seguridad en c\ectro
dos posible:-; para minimizar e;-;os daños y explique qué tan efectivos podrían ser.
¿Por qJJé el galvanizado es irnponante en Jas láminas para carrocerías dt: automóvil? Se sabe que se puede obtener una .superficie especuJar (como espejo);¡] us;.¡r piezas que han sido qrn.: su rll.'.~osidad ~;ul)crf¡cia! tx~ja. Hxpliqw~~ cúmo ~,ucede eso.
re~·1iílr<:t1.fas.
dt:-
Us1cd puede ~,:irnul<.1r e! proceso de granai!ado w;ando un roartiilu de bnla (de mccfJnico; una de <.:11s bocas es redonda). uno de esos martillos y haga muchas marca.sen la superficie de on lrozo de lámina de. alwninio a) de·.: mm y b) de-JO mrn de grut.,so, rcspec.üvarnent<:~, coloc<.idas sobre una superficie dura y plmia. Notará que ambas piezas de:-;nrrol!an curvaturns, pero en distinlas dirccclonGs, :JS decir, cúncava y convexa. Describa sus observai_'i{l:)t~S y e:~pli que Jos rcsultudos.
33.36 ¿Cómo haría para estimar las fuerz,;is requeridas para el bruñido con rodillo? Blnbore un e_jcrnp!n numérico cspecffico
33.37 Un implante aitificial Llene superficie porosa. donde se espera que d hueso se fije y crezca, penetrando en él. Reco· rniendc la producción de una superflcie porosa, y a contjnuación revise las publicaciones para conocer los métodos reales que se usan. 33.38 Si uno se interesa en obtener una superficie texturizada en una herramienta de corte recubierta, ¿,debe aplicor prime· ro un recubrimiento, o primero la textura? 33.39 ¿Qué tratamientos superficiales son funcionales~ y cuáles son decorativos? ¿Hay alguno que tenga las dos funciones? Explique por qué_ 33.40 Haga una lista de varias aplicaciones de metal laminado recubierto.
·~~
;~:
Sección .}4.2 /Semiconductores y siiicio
925
34 bri i i roele
de dis
siti
s FIGURA 34.1
icos*
VariilS i·arjetas de circuito impreso. Fuente: Phuenix
Technologies, lnc.
Los tamaños
d,~ los chips que se producen hoy en día van ele 3 nrn1 x 3 mm hasla mús de 50 mm x 50
mm. An1t'5, no se podían fabricar más de lOO componentes en un solo chip; sin embm. go, la nueva tecnología
34.1
Introducción
34.2
Semiconductores y oilicio Crecimiento de c1·istai y pr(:_~parteión de obl{'a (vv¿¡fer) Q¡;posición de película Oxidación Litografía Crabado (/\r.;>queJ Difusión<..' implJntación de iones
34.3 J4.4 .34.5 34.6 34.7 34 g
·34_g ·}4.H)
i\lletaJización y prueb.:1 fijación y emp~·que
lí 34 ..12
Rendirníento y confiabilicbd ·farjetas de circui!o impr(~so
34.1 Aunque desde las primeras décadas cid siglo XX se usaron los mate1üko; scmiconclucton;,, füe el invento del transistor, en 1948, lo que preparó la escena de lo que llegaría a ser uno de ios más gran· des avances tecnológicos en toda fa historia. La microelectrónica ha Jugado un papel cada vez 1nayor en miestras vicias, porque la tecnologfa de los circuitos integrados llegó a ser la base ele las calcu . !adoras, de los relojes de pulso, de los controles electrodomesticos, de sistemas de información. te .. lecomunicaciooes, controles de automóviles, autómatas, viajes espaciales, proyectiles militares y computadoras personales. Las ventajas principales de los circuitos integrados actuales son su tamaño y costo pequcfios. Al ir avanzando la tecnología de fabricación, ha disminuído el tamaño de los dispositivos; en consecuencia, se pueden poner más componentes en un chip, pequeña pieza de material semiconductor so .. brc la que se fabrica el circuito. Además, el procesamiento en masa y la automatización de procesos han contribuido a reducir el costo de cada circuito terminado. Entre los componentes manufacturados están los transistores, diodos, resistores y capacitores. *Por Kent M. Kalpakjian.
924
P"nnite alcanzar densidades deí orden de 100 millones ele componentes por chip (fig. 34. l ). A esta magnitud de integración se le ha llamado a muy gram:le escalll (VLSI, very large scale i111egration). Algunos d•c los circuitos integrados más avanzados pueden contener más ele 100 millones ele dispositivos. Dcbiclo ;1 la escala tan ¡hminuta de los componentes microelectrónicos, toda su fabricación se debe hae
partícula;~
p1Jr pie cúbico. Este capítulo describe los procesos actuales para rabricar dispositivos microelectrónicos y circuitos integrados, y sigue d esqucm:1 de la fig. 34.2. Los pasos en la fabricación ele un transistor de meiall-óxit[!o-se:mico1nductor de ef,edn de campo (i\i!OSlF!E.T, effect transistor), que es uno de los dispositivos dominantes en la tecnología moderna de circuitos integrados, se ve en Ja fig. 34.3. Estc capítulo introclucirú primeramente las propiedades básicas de los semiconductores y las onmicd:1clt:s del silicio, y scr:i discutido cada uno de Jos principales pasos en su fabricación. Por último se . r;\n descritas las tendencias y expectativas de la industria microelectrónica.
---------------· 34.2 SEMICONDUCTORES Y SILICIO Corno su nombre lo indica, los matedales semi.conductores tienen propiedades eléctricas8 intermedias entre 3 las ele los materiales conductores y aislantes, y poseen resistividades entre 10- Q-cm y l 0 Q-cm. Los semi ... conductores se han convertido en la base de los dispositivos electrónicos, porque sus propiedades eléctricas se pueden alterar cuando se agregan cantidades determinadas de ciertos átomos de impureza a sus estructuras cristalinas . Estos átomos de impureza, llamados también dopantes pueden tener un electrón más de valencia (dopantc negativo o tipo n) o un electrón menos ele valencia (dopante positivo, o tipo p) que Jos átomos de la red cristalina del semiconductor. Para el silicio, que es un elemento del grupo IV de la tabla periódica, entre los dopantes tipo n y tipo p estún el fósforo (grupo V) y el boro (grupo IIT), respectivamente . Se puede controlar el funcionamiento eléctrico de los semiconductores mediante la creación de regiones de distintos tipos y concenlrnciones de dopante. Aunque los primeros dispositivos electrónicos se fabricaron de germanio, el silicio se ha convertido en el estándar de la industria. La abundm1cia de las formas alternativas del silicio sólo es superada por el oxígeno, y eso lo hace atractivo desde el punto de vista económico. La ventaja principal del silicio en comparación
•-----~});<-~i 926
Capílulo
:~4 /
FabricJció1: de dispositivos microelectrónicos Sección J4.2 /Semiconductores y silicio
--:----, / Crcc1~~1~_c_:1to, /
927
¡~~~
Corte transversal (a)
~Nitrurodcsilicio~
l 1
Oxidación
.
~¡--s102
1
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__J
Silicio tipo-p
Rclic1do
1 1:
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1
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Polisfücio
ld -
e=:"'("'--· ----/--: Si02
1
1 L
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~-~'<}-p+ S102i 1
p
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________ 11
(d)
Fósforo o arsénico
++
l
.. p+
1
Prueba
flGURA 34.2 S(~cuencia general dP fabricación cie circuitos integrados.
con ci germanio es su gran b;:mda de cnec-gh. de i. ! e V, comra 0.66 e V del germanio. Esta h:ind¡¡ de energfa permite que los dispositivos aba"º de silicio l'uncioncn a temperaturas aproximadas de l50ºC (302'F) apromayores que las de dispositivos fabricados con germanio, de unos IOOºC (212ºFJ_ La principal vent:\ja en el procesamiento del silicio es que su óxido (dióxido de si.licio) es un aislante excelenie que se puede usar para fines tanto de aislamiento como de pasivaci6n. A la inversa, 18 capa de óxido de germanio es soluble en agua, y no es adecuada en los dispositivos electrónicos. Sin embargo, el silicio tiene ciertas limitaciones que han impulsado el desarrollo de semiconductores compues1os, en esencial el arseniuro de galio. Las vent<\jas principales de éste respecto al silicio es su capacidad de emitir luz, lo que permite fabricar dispositivos como láseres y diodos emisores de luz (LEDs, de lighr-emitting diodes). También tiene una grao banda de energía, de J .43 e V, y en consecuencia tiene una mayor temperatura de funcionamiento (unos 200'ºC, 392ºF). Los dispositivos fabricados con arseniuro de galio también tienen velocidades mucho mayores de funcionamiento que los fabricados con silicio. Algunas de las desventajas del arseniuro de galio son su costo bastante
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FIGURA 34.3 Cortes para ilustrar la fabricación de un transistor de semiconductor metal-óxido (MOS). Fuente: R. C. Jaeger,
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OBLEA (WAFER) El silicio se presenta en naüiralez;__i como di/Jxido de silicio y diversos si1icütos. Debe p8sar por una serie de pasos de purificación para transfonmu·se c:n un material monocristalino de alta calidad y libre de defectos, como el gl!e se requiere en la fabricación de dispositivos semiconductores. El proceso comienza calentando una mezcla de sílice y carbón en un horno eléctrico, con lo que se obtiene silicio policristali110 con 95 a 98C:f
l. t ¡ ¡
de pureza. Este material se convierte en una forma aHernativa, que normalmente es triclorosilo.no, que a su vez l.•. se purifica y ,;e desoJmpone en una almóf,fern de hidrógeno. a alta temperatura. El resultado es silicio de gra- ' do electrónico y ele calidad exirernadamentc alta. El silicio monocristalino se suele obtener con el prnceso Czodnalski (véase la !ig. J l .32a). En él se usJ LHJ cristal de semilla que se sumerge en silicio fundido, y a co11tinuació11 se va sacando con lentitud, gi· rándolo al mismo tiempo. En este punto se pueden agregar cantidades controladas de impurezas, para obtener como cesultaclo un crista! Jopado unifonnememe. Las velocidades normales ele elevación son del orden ele JO ~cm/s. Ei producto de esta técnica de crecimiento es un iingole cilíndrico de monociista!. de unos l 50 a 300 mm (6 a 12 pulg) de diámetro y mús de ! m (40 pulg) de iongitud. Desafortunadamente. esta técnica no permite tener m1 control exacto del diámetro del lingote. Así, los lingotes suelen ser unos pocos mi1ú11etros 111ayore:-. qui:-: lo ncccs;)rio, y se requiere rectificarlos hast::i togrnr un cfüírn.etn) preciso. ;.., continuación el cristal se reb<.rna en ohk:as (w,1fern) individuales, con una navaja de diámeiro inter~ no. fin e::le rndodi) s.; usa una uavDj<-1 rolatoria co11 su fiJo en el interior. Si bien lJ profundidad del substr:.üo necesaria en la 1nayor panc de [os dispositivos electrónicos no es mayor que algunas rnicrns. se cortan bs obleas a espesores de unns 0.5 1nm (D.02 pulg). Esic espesor proporcjon;-i. el '.~oporte físico ncccsarin para toniar h1s variaciones de tcn1pGratura, asf como el soporte rnec<:inico para !a fabricación. posterior. Por último, las obleas :-;e clebcn pulir y limpiar fMra eliminar los dafios superficiales causados por el proceso de aserrado L.;J fabricución se efeclú~l sobre tod;i b ~;uperficie de la obka, y ~·;e pueden generar mu(:hos c1rcuitos ckcfficos al misrno tiempo. Debido ;JJ Larnafio cJdo. menor de los di:;po:~jtivos, y a los mayores díúmc1TOS d~~ lwo obleas, en una de ellas se puede:n colocnr miles de circuitos individuales en una obka. l1na vez 1ermi11<1do d ¡xou-:.sr1miento, h1 ob!f:;J cort;.i en chips individuak:-;. e
929
Otras películas contienen impurerns de clopante y se nsan como fuentes de dopado para el substrato. Las películas conductoras se usan principalmente para i11terconectar dispositivos. Deben tener baja resistividad, ser capaces ele conducir grandes corrientes y ser adecuadas para conectarse en \as terminales del paquete con adhesivos en alambres. Por lo se usan aluminio y cobre para este fin. Al aumentar la complejidad de los circuitos han sido necesarias hasta seis capas conductoras, que se deben separar entre sí por películas aislantes.Las películas se pueden depositar mediante una gran variedad de téc11ieas, que implican diversidad de presiones, temperaturas y sistemas de vacío, como describiremos a continuación• a. Uno ele los métodos más simples y antiguos es la que se aplica principalmente para de .. positar películas metálicas. E11 este proceso, el metal se ca!ienta basta su punto de ebutrtción e11 el vacío. Al evaporarse, el metal forma una capa delgada sobre la superficie del substrato. El calor de evaporación se suele aplicar con un filamento de calefacción o un haz de dectrones. h. Otro método ele deposición de metal es el de pulverización catódica, e implica el bombardeo de un blanco con iones de alta energía, por io general de argón (Ar+) en vacío (véase ia sección 33.5). Los sistemas de pulveri?.ación suelen estar fonnsclos por una fuente ele cd para obtener íos iones energizados. Al d1ocar los iones con el blanco, se desprenden áwmos, que a sontirnwción se depositan en obleas montadas en el interior del sistema. Si bien puede quedar algo de argón atrapado en la pellcula, esta técnica da como resultado un cubrimiento muy uniforme. Entre los progresos en este campo está el tiso de una catódica asistida con y fa. intro .. fuente ele poüer de radiofrecuencia ducción de campos magnéticos (pulv<0rizadón catódica asistida con magnetirón). En una de las técnicas más empleadas, la de vapor (CVD, chemical vapor depo· sition), la se logra mediante reacción y/o descomposición de compuestos gascoSi'S {véase la sección 33.5). Con esta técnica se deposita, en forma ratinaría, dióxido de silicio por oxidación del silano o de 1.m clorosilano. La fig. 34.4a muestra un reactor continuo de deposición de vapor que 1rabaja a ternperatura ambiente. de vap1ll' Un método que funciona a menores presiones, llamado a baja low-pressure chernical vapor deposition) se ve en la fig. 34Ab. Cor. este ;xv· ceso se pueden g;cubrir cientos d.e obleas a la vez, y producciones mucho mayores que lo. dcquímica a atmosférica; también proporciona mayor uniformidad de película, con mea""':' consumo ck gases de ;mar.tre. Esta técnica es ).a que se usa con frecuencia para dcposüar fü,lisi licio. ni· truro ele silicio y dióxido de silicio.
LA d prcx~c:sa1nie11fo de dispositivos microelectrónicos se usm1 mucho hl.s p1d:ác 1¿¡i21s de distintos tipos, en e:~ pecial klislanles y conductor~is. Entre las pdículas cornunes están las Je polisiJicio. njtruro de :~il¡cio, dióxido de silicio, lungsteno, titanio y aluminio. En algunos casos bs obleas tan sólo sirven como soporte rnecánico :;obre el cual se hacen crecer capas epilaxiales (véase más adelante). La epifaxia se define como el crecimiento de un depósito con vapor, o de un electrodepósi to, en ei que la orientación de Jos cristales depositados se relaciona en forma directa con la del substrato cristali110. Las ventajas del procesamiento e11 esas películas depositadas y no en la superficie de la oblea, son que se introducen menos impurezas (en especial de carbono y oxígeno), se mejora la eficiencia del dispositivo y se adaptan las propiedades del material, entre otras, cosa que no se puede lograr e11 las obleas mismas. Algunas de las funciones principales de las películas depositadas son de enmascaramiento (masking) para difusión o implantes, y la protección de la superficie semico11ductora. En las aplicacio11es de enmascaramiento, la película debe inhibir en forma positiva el paso de los dopantes, y al mismo tiempo debe tener capacidad ele atacarse químicamente para formar figuras de alta resolución. Al terminar la fabricación del dispositivo, se aplican las películas para proteger los circuitos en el interior. Entre las películas para enmascaramiento y protección están las de dióxido de silicio, vidrio de polisilicato y nitmro de silicio. Cada uno de esos materiales tiene ventajas distintas, y con frecuencia se usan e11 combinación.
~
! Deposición de películ.1
í
Cipítu!o 3 11/Fabricación dP. rlispositivos mícroele::ct1·ónicos
34.3
Sección 34-4
FIGURA 34.4
Esquemas ele (a) reactor de deposición química ele vapor continua a presión atmosférica,'!
(b) a baja presión. Fuente S.M. Sze. (b)
N'
(a)
Gas
Sensor
No
¡1 ¡ ,J ~ L--_.,l l,
d~e presión l
L\_iJ_1_1_1_+_+_uj_uJ /
_,,.---.~~_c::I
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Obleas
[
1
Calc~dor ==1 ~(0 c===J c=:i c:=i c=J 1--'-'1 ....
~~;¡ t
Escape
J\Banda
transportadora
\e= [ \ ',,
Puerta de; carga
Horno de 3 zonas
J
, /
Obleas
/~
l\llLJllll~
"-..~Entrada de g,as
J
Bomba
931)
Capítulo 34 / f¿11Jric1ció11 de dispositivos microck ctró11icos 1
Sección 34.6 /Litografía
d. !),eposkfo))] q¡uímic@ de vapor asistida con plasma, es el procesamiento de obleas en un plasma de ra. diofrecuencia conteniendo los gase:-; adecuados. Este método tiene la ventaja de mantener baja la tem. peratura ele la obiea durante la deposición.
931
Se ha encontrado que la relación del espesor del óxido al del silicio consumido es 1:0.44. En con .. secuencia, para obtener un
L<1s capas epitaxiales de silicio, en donde se forma la capa cristalina usando la sus1ancia como crista! de semilla, se pueden formar con diversos métodos. Si d silicio se deposita clesclc el estado gaseoso, el pro. ceso se llama epitaxia en fase vapo,-. En otra variación, el substrato caliente se pone en contacto con una so. lución líquida del material a depositar (epitaxia en fase liquida).
lJn efecto importante de este consumo ele silicio es el rearreglo de los clopantes en el substrato. cerca ele la interfase. Como las distintas impurezas tienen coeficientes distintos de segregación en el dióxido ele silicio, algunos dopan tes se agotan cerca de la interfase de óxido, mientras gne otros se acumulan en ella. Por consiguiente, se deben ajustar los parámetros de proceso para compensar este efecto.
Otro proceso al alto vacío usa la evaporación para producir un haz térmico de moléculas, que se depo. sitan en el substrato calentado. Este proceso se llama epit:mfa de haz moieci!Mar y produce una gran pure<:a. Además, como las películas se forman capa atómiea por capa atómica, es posible tener un control excelente sobre ios perfiles de dopado. Este ¡,•rndo de comrol tiene especial importancia en la tecnologfa de arseniu;de galio. Por desgracia, la epilaxia de haz molecular sufre de velocidades relativamente bajas de crecimien-0 to . en comparación con otras técnicas convencionales de deposición ele película.
b,, Ora técnica de oxidación usa atn1ósfera de vapor de agua como agente, y se llan1a en consecuencia dación húmeda. Este método permite tener una velocidad bastante mayor de crecimiento que Ja oxidación seca, pero la densidad del óxido obi;~niclo es menor, y en consecuencia tiene menor resistencic: dieléctrica. Lo que se acostumbra es combinar los métodos de oxidación seca y húmeda, creciendo un óxido en capa~. en tres partes: seca, húmeda, seca. Esta técnica combina las ventajas de la velocidad n~u-· cho mayor de crecimiento de la oxidación húmeda, con la alta calidad de la oxidación seca.
c. Estos métodos de oxidación se usan principalmente para recubrir toda la superficie de silicio con ó:üclo, pero t
·-----------Recuérdese que el término oxidación se refiere a! crecimiento de una capa de óxido como resultado de la reacción del oxígeno con el material del substrato. También se pueden formar capas de 6xído con las técnicas de deposición que describirnos antes. Los óxidos de crecimiento térmico, que se describen en esto. sección. tienen una mayor pureza que los porque crecen en forma directa sobre el substrato de alta cciidad. Sin embargo, se deben usar métodos de deposición si la composición de la capa dcseacla ,,s dis!intu rl<: la del material de substrato.
El dióxido de silicio es el óxido que más se usa hoy en la tecnología de circuitos integrados. y sus excelentes características son una de las principales razones dei uoo tan difundido del silicio. Aclemús de su eticacia para enmascarar dopantc;s y aisla1· dispositivos, el. papel más cri'tico del dióxido de silicio c.s el Je ser e! de "óxido de comp1Jcrta'~ {gate oxide). Las superlicle.s ele silicio tienen una afinidad extraordinariamente alta para el oxígeno., y una rebanada reci6n corlada del material se cubre con rapidez de un óxido nativo de 30:; 40 A. la tecnoloría moderna circuitos iHtegraclos se requieren cspe;;ores de óxido d¡;:-;dc decenas hasta miles dL· angstrn1ns. "'" Oxiliüidón seca, es un pro.:eso relativamente sencllln, y se logra al e.levar la temperaiurn del sub:malo entre 750 y l JOOºC ( 1380 a 2020 ºf) en un ambiente rico en oxígeno. formarse una capa ele óxido, !os agente:; oxidantes deben poder atr:ivcsarla parn llegar a la superficie dél silicio, donde se efectúa realmo:nte b reacción. Así. una ca¡ni tlc (>xido no con1imía creciendo sobre ella misma, sino más hien crece a partir de l
Sub~.trato de silicio
FIGURA 34.5
Crecimiento de dióxido de silicio,
mosti·anclo el consumo de silicio. Fuente: S. M. Sze.
~:.,;~
34.6 La litografía es el proceso mediante el cual se transfieren las figuras geométricas que definen los componen .. tes, de una retkrufia a Ja supcrfic1c dd substrato. En la práctica co1nún, se aplica e! proceso litogrr~fico muc~:::s veces a cada circuito rnicrodectrónico, y cada vez se usa una retícula distinta para deñnü las diversas ún.;;.~s de los elemento,'.-,. Se trazan, norm:.ümente, muchas n1iles de veces mayores que su tamaño finaL y las figuras los rctkrdos pasan por una serie de reducciones antes de ser aphcadas en forrna permanente a una pi<:\;:J de cuarzo libre de defectos. El diseíio ayudado por computadora (CAD) ha tenido un gran impacto sobre el diseño y la generac 11:1 de retículos. En la litografía es muy importante la limpieza, y hoy mLichos fabricantes usan autómatas y ratos especiales de manejo de obleas, para reducir al mínimo la contaminación por polvo y sucieclacl. Una vez terminada la deposición de la película y haberse generado las figuras deseadas, se limpia la oh:·c:C\ y se recubre con un foton-esist (material l'otográfico, material fotosensible) orgánico, sensible a la luz lll'.:·:.cvioleta. Se obtienen capas ele fotorresist de 0.5 a 2.5 µm (30 a 100 µpulg) de espe~.or, aplicándolo al susu-mu en forma líquida, para después girarlo a varias miles de rpm. durante 30 a 60 segundos, para obtener una c:ipa uniforme. El siguiente paso en la litografía es el prehorneado de la oblea, para eliminar el solvente del fotorrté.sist y endurecerlo. Este paso se hace en una parrilla calentada a unos 1OOºC. A continuación la oblea (wafer) se alinea bajo el retículo deseado en un "escalonador" (stepperJ. En este paso crucial, llamado registro, se cl10he alinear bien el registro con la capa anterior sobre la oblea. Una vez alineado el retículo, se desplaza en ro:·;na escalonada por la oblea y se somete a radiación ultravioleta. Al revelar y eliminar el fotorresist expuesto, aparece en su capa un duplicado de la retícula. Como se puede ver en la fig. 34.6, la retícula (o el retículo) puede ser una imagen positiva o negativa de la figura deseada. En una retícula positiva se usa la radiación ultravioleta para descomponer las cc1denas ele polímero en la película, por lo que el revelador elimina en forma preferente esas partes de la película. El enmascaramiento positivo ha llegado a dominar, porque complementa al ataque en seco (véase m:ís adelante).
932
Cap1ü1lo 34 / Féibricación de
933
(])
(1)
(a) (5)
(b)
:-:>i02 :1U1c:1do
(4)
imagen revelada (2l
FIGURA 34.7
P1erfiles de ataque obtenidos con (a) grabado isotrópico en húmedo y (b) grabado anisolrópico
en seco. Fuenle: R. C. Jaeger.
Radiación ultravioletr1
¡:~GURA
34.6 Transierencia de figuras por litografía. Nótese que la masca1·ilia en e! paso 3 puede ser una irn;.igcn positivD o negativa de la figura. Fuente: según W. C. Ti!! y J. T. Luxon.
l'Je:;pués de la scn1cncia de exposición y revelado. ia oblea o;e posbornca para endurecer y mc:j<'1 ar Ju adhesión dci resi.st rcstame. Adeimís, se puede usar un tratamiento uitraviolel.a profundo. horncand" i:1 ubica entre 150 y 200 ºC en luz ultravioleta, para fortalecer más ai resi1;t. contra los implantes de alía cncrgi" y los rtiac¡ues <;i1 seco. La capa inforior que no cubrió el foton-e;;ist se a!aca y se elimina (sección 34.7), o sc impinnta (sección 34.8). Por último, se desprended foíorrcsist exponiéndolo a plasma de oxígeno (fig_ 34.6). El pro-
ce~.;o de lilografia se repite en. ocas¡ones hasta 25 veces en la fabricación de 1os circuitos integrado.s m;t'·, ava.n7.ados. Uno de los temas más itnportantes en d área de la litografía es el auchfi, ~h~ hn.e;ai que indica el dilclio del detalle más pequeüo que se puede imprimir sobre la superficie del silicio./\. medida que han aurncniado las dem;idades de circuiLos a través de ios años, los tamafíos y los dc1alies de los disposir.!vus se h
34.7 GRABADO (ATAQUE) El grabado o ataque es el proceso mecliante el cual se eliminan capas enteras, o regiones determinadas de capas, y tiene un imp01tante papel en la secuencia de fabricación. Uno de los ciiterios más importantes en este proceso es la selectividad, que define la capacidad de atacar un material sin atacar a otro. En la tecnología con silicio, un proceso de grabado debe atacar con eficacia a la capa de dióxido de silicio y eliminar un mínimo del material info1ior, sea silicio o resist. Además, el polisilicio y Jos metales se deben grabar con líneas ele alta resolución, con perfiles de pared verticales y remoción núnima de material de las capas aislantes inferiores, o de fotorresist. Las velocidades típicas ele grabado van desde cientos hasta varios miles de angstroms por minuto, y las selectividades, definidas como la relación de velocidades ele ataque de las dos capas, pueden ser de 1: 1 a 100: l.
~
En un m<:toclo anterior ele grabado se requiere sumergir las obleas en una solución líquida (grabado húmedo). Si se va a atacar dióxido ele silicio, esta solución suele contener ácido fluorhídrico, que corroe con mucha lentitud al silicio. El inconveniente principal ele esta técnica de grabado es que es isotrópica, lo cual quiere decir que el ataque es igual en todas direcciones. Esta condición causa el socavamiento (fig. 34.7a), que a su w,-;. impide la transferencia de figuras con muy alta resolución. Los circuitos integrados modernos se procesan exclusivamente con grabado seco, que involucra el uso de reactivos químicos en un sistema ele baja presión. En contraste con el grabado húmedo. el grabado seco permite un alto ;;rado de clireccionalidad y da como resultado perfiles de ataque muy anisotrópicos (fig. 34.7b)_ También, en el proceso seco sólo se requieren pcqu<0iías cantidades de gases reactivos, mientras que en el proceso hún1edo, ias soluciones acuosas se deben reforzar en fonna periódica. Entre las técnicas 1mís usadas ele grabado en seco están a) grabado por pnlvel"ización, que elimina material bombardeándolo con iones de gas noble, normalmente de Ar+, y b) grabado con plasma, donde se usa un piasnra gaseoso de iones cloro o flúor generados con excitación por radiofrecuencia. En el grah:JJdo r~m• iones readivos se combinan estos dos procesos, que usan a la vez transferencia ele impulso y reacción química. pm:a quitar ei rnaterial.
34.8 DI
ES
Mcncionmemos de nuevo que el füncionamicnlo eiéctrico ele los dispositivos microelectrónicos depende de gue hes regiones tengan distinlos tipos y concentraciones de clopantes. El carácter eléctrico ele c1;as regiones se altera al introducir clopantes en el substrato: esto se logra con los procesos de difusión y de implantacióii. de iones. Este paso en la secuencia de fabricación se repite varia1; veces, porque se deben definir muchas regiones distintas ele los elementos microelectrónicos. En el proc"so de difusión, el movimiento de los átomos es causado por la excitación térmica. Se pueden introducir clopantes en la superficie del substrato en forma ele una capa depositada, o bien, el substrnlo se puede poner en un vapor que contenga la fuente ele clopante. El proceso se hace a temperaturas elevadas. del orden ele 800 a 1200ºC (1500 a 2200ºF). El movimiento del dopante dentro del substrato es una función estricta de la temperatura, tiempo y coeficiente de difusión (o difusiviclacl) de la sustancia dopante, así corno del tipo y la calic!ael del material del substrato. Por la naturaleza de la difusión, la concentración del dopante es muy alta en la superficie del substrato. y al al.ejarse ele ella, baja en forma brusca. Para obtener una concentración uniforme en el substrato, se sigue calentando la oblea, para introducir en ella a los dopantcs en un proceso llamado recocido de difusión. La difusión, deseada o no deseada, siempre se presentará a altas temperaturas; siempre se toma esto en cuenta durante los siguientes pasos de procesamiento. Aunque el proceso ele difusión tiene un costo relativamente bajo, es muy isotrópico.
1/
.Jl-
:¡ 934
Sección 34.9 / 1\!\etaliz,Kión y prueba
935
Capítulo J4 / FabricJ.ción de dispositivos n1icror~lectrcmicos
Sc:pMador de masas
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Rendija
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Ejemplo: Procesamiento de una región tipo p en silicio tipo n
1
Solución:
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Supóngase que se desea crear una región tipo p dentro de Una muestra de silicio tipo n. Dibuje secciones transversales de Ja muestra en cada paso de procesamieotu necesario para lograrlo (véase Ja.fig. 34.9).
Este sencillo dispositivo ;;e !l::una diodo de unión pny. la físíca de sufunciornuniento es la ba;;c
de la mayor
de Jqs dispositivos semiconductores.
/ Oble.ts
'v
flG!.JRA 34.
SOLUCIÓN
Aparato ele implantación de iones.
Des.cripción
Corte tn:n~vcrs::i!
La impia11tadón de iones es un proceso mucho más extenso y requiere equipo especializado (fig. 34.8; véase también la fig. 33.6). La implantación se logra acelerando los iones a través de un campo de alto voltaje. como ele un millón ele electrón-volts, para después elegir al dopante deseado mediante un separaclm de masas. En forma parecida a la ele los tubos de rayos catódicos, el rayo barre la oblea, mediante conjuntos de placas def!ectoras asegurando asf el recorrido uniforme sobre el substrato. El sistema completo de implantación debe trabajar al vacío. E! impacto de tos iones a al.ta velocidad sobre la superficie de silicio daila Sll red cristalina y produce menores movilidades de electrones. Esta condición es adversa, pero se pueden reparar íos dafios con un paso de recocido, qtre implica calentar ai substrato a temperaturas relativamcnle bajas, de 400 a 800ºC (750 a 1500º!') durante \5 a 30 min. Esto suministra la energía que necesita la red cristalina del silicio para reordenarse y repararse a sf mlsn1a. 01.ra función importante del recocido es la penetración de los dopantes implantados. La sola implantación incrusta Jos dopantes a menos de media micra bajo Ja superficie del silicio; el proceso de recocido les pcr·· mite difundirse a una profundidad más conveniente de varias micras.
Mue:Hre de s'rlic.io tipo n.
{::ú
1 l
Silicio
--Óxido
!\,)
Crecimiento de djúxido de :::ilicio por oxidaci6n,
Aplicfü.:.ió~ de fmorrcslst.
Potorres.ht
(e)
\
Luz u1traviolet0
{
Expo:-;lcii)n de fotorre::-;i~t con Ja m:1scaril,l
¡¡ff¡~~~~:l=:=:b~-;m~~~!&J~- Mascarilla
Rcvúlade del fotorrcsist (,;'¡
Las secciones anteriores sólo se enfocaron en la fabricación de dispo~itivos. Sin embargo, para generar uncircuito in1cgrado completo y funcional se requiere interconeclar sus elementos. La¡; inlen::onexi1mes se hacen con 1netales de baja resistencia eléctrica y buena adhesión a las superficies aislantes dieléctricas. Los mateciales que se usan con más fre<.:uencia siguen siendo el aluminio y las aleaciones de aluminio y cobre, en la íec11ología actual de integración a muy gran escala. Sin embargo, al continuar disminuyendo las dimensiones ele los elementos, Ja electrornigración se ha vuelto más preocupante en las interconexiones de aluminio. La electromigradón es el proceso por el cnal los átomos de aluminio se mueven físicamente debido al impacto de los electrones que se desplazan cuando las corrientes son altas. En casos extremos esto puede ocasionar conductores metálicos inte1n1mpidos y/o puestos en corto. Entre las soluciones al problema ele electromigración están a) la adición de capas metálicas apiladas, como de tungsteno y titanio y, en fecha más reciente, b) el uso de cobre puro, que tiene menos resistividad y bastante mejor funcionamiento que el aluminio respecto a la electromigración. Los metales se depositan con técnicas normales, y las figuras se generan con procesos litográficos y de grabado, que se describieron con anterioridad. Los circuitos integrados modernos suelen tener ele una a seis capas de metalización, y en el último de los casos, cada capa de metal se aísla con una ele dieléctrico. La planarización es la producción de una superficie plana de estas capas intermedias de dieléctrico; es critica en Ja reducción de cortos entre metales, y de la reducción de variación de ancho de línea en la interconexión. Un método frecuente empleado para lograr una superficie plana es el proceso ele ataque uniforme de óxido. que alise los"picos" y "valles" y Jos haga desaparecer ele la capa de dieléctrico.
Ataque dd dióxídü de silicio.
!fl
Rernoci(¡n del fotorrcsist. (g)
(lú
tzhbt + + ~ ,w=F¡
\~ ---~
(Í)
crJ
1mpluntación de boro.
RcinoCión del 'dió~Jdo. de.:smc'~o
FlGURA34.9
1!3iili,
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~ 93&
Capítulo 34 /Fabricación cie dispositivos microelectrónicos (al
Sen:iün 34.1 O/ Fijación y empaque
937
Si
FIGURA 34.10 (a) fotografía con microsco)Jio electrónico de barrido de interconexiones met<ílicas d0 dos nivPles. Nótese la topografía variable de la superficie. Fuente: Semiconductor Corporation. (b) Esquema de una estructura con interconexiones met<1/ic1s en dos niveles. Fuente: R. C. Jaeger.
FIGURA 34.11 (a) Fotogrdfía con microscopio electrónico de barrido de las conexiones de alambre desde las terminales del paqude (en el lado izquierdo) hasta las bandas de conexiones del dado. (b) y (e) Detalles de (a). Fuente Cortesía cie Micron Technology, !ne
Sin embargo. la norma actual de planarización de alta densidad ele interconexiones se ha convértido. rá pidamente, en un pulido químico mecánico (CMP, chemical mechanica! polishing. véase Ja seccicín 25.J 0.6 Este proceso implica pulir físicamenk la superficie de la oblc;a ('wafer) en forma parecida a como una lijado ra de disco o de banda aplana las salientes en una pieza de madera. Un proceso ele pulido químico mecánio combina un mccl.io abrasivo con un compues;-o o lodo ele pulir. y puede pt!lir una oblea hasta a menos de 30 A (1.2 X ] (J-ó pulg) respecto a la planitud perfecta.
El circuito conectado queda listo para el empaque final. El proceso ele empaque determina mucho el cos to total de cada circuito integrado terminado, porque los circuitos se producen en masa sobre la oblea, pero despw,;s se empacan en forma individual. Los paquetes se consiguen en una clivcrsic!ad de estilos, ele los cuales el adecuado debe adaptarse a los requisitos ele Cuncionamienlo. Parn dcternürn.11" ei paquete de un circuito se debe tener en cuenta el tainaño del chip, la cantidad de ter-minale~; externas. el ambiente de füncionamiento, la disipación del calor y la pot.encia necesaria. Por ejemplo. los circuitos integrados utilizados p;ira aplicaciones mililares e industriales. nccesit.an paquetes de alta resistencia mecánica. tenacidad. especialmente alta resistencia a la temperatura. Un estilo anterior de empaque es el paquete dual en linea (DIP, duai-in-line package). que se ve en forma esquemática en la fig. 34--12a. Se caracteriza por su b<\jo costo y facilidad de manejo. Estos paquetes se hacen con materiales termop/ústicos, cpóxicos o cerámicos y pueden tener desde 2 hasta 500 terminak:; externas. Los paguet.:;r; ck cerámica están diseñados para usarlos entre límites m;ís amplios de temperatura. y en ap!icaciones de grnn confiabilidad y militares: por eso cu1.,st:m bastante más que los paquetes de pl
Las capas de metal se interconectan entre sí m1xliame "vfas"'; el acceso a los elementos en el substrai
e logra mediamc rnntactos (fig. 34. l 0). En aíios recientes. al haberse hecho Jos elementos rnás y mds pcqw ños con velocidad cada vez mayor. el tarna!lo y la velocidad del algunos chips se han visto lirnitados por! metal ízación rni.':rna. El procc;sarniento de obleas termina al aplicarles una capa de pasiMción o pasivamien!o. que en genr ral es ele nilrnm de ,qilicio El nitruro de silicio funciona como barrera conlrn iones de sodio. y tw1; hién proporciona una resistenci:i rcxce.lente contra rayadur.as.
E! siguiente paso es probar cada uno de los circuitos de la oblea. Cada chip. Hamado lambién dado. ;e prueba en una pla1afonna de sensores controlados por computadora. que coniicne elemenios acicr.ilarcs (,"n for· ma de aguja) que llegan a ias bandas de conexión del dacio. La plataforma recorre la oblea y prueb¡¡ si cada circuito iünciona bien, con formas de onda ele sincronización generadas por computadora. Si se encuentra un chip se marca con una gota de tinta. Después de terminar esta prueba a nivel obb1. cada dado se separa de ella. La técnica de separacicín que se usa m
--------·----------------------·--· O FlJACIÓN Y EMPAQUE
FIGURA 34."12 Esqu·.,111.b de distintos paqudes de circuito.; integrados: (a) dual en línea (DIP) y lb) paquete cer<ímico plano; (e) co11figuración ele h montura en superficie común. Fuentes: R. C. Jaeger y/\. B. G1.1se1·; G. E. Subak-Sharpe. I")
/ Los ciados correctos se deben fijar a una base más robusta. para asegurar su confiabilidad. Un método sencilio es fijarlos a su material de empaque con un cemento epóxico. En otro método se usa un adhesivo eutéctico, obtenido calentando sistemas de aleaciones metálicas (véanse secciones 4.3 y 4.4). Una mezcla que se usa mucho es 96.4% ele oro y 3.6% de silicio, cuyo punto eutéctico es 370ºC (700ºF).
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Una vez fijado el chip a su substrato, se debe conectar eléctricamente con las terminales del paquete. Esto se hace con conexión de alambres muy delgados de oro (25 µm, 0.001 µpulg) de las terminales del paquete a las bandas de conexiones. en el perímetro o en el centro del dado (fig. 34. l la). Las bandas ele conexión en el dado se graban normalmente con lados de 75 a 100 µm (0.003 a 0.004 pulg). y Jos alambres de conexicín se fijan con técnicas de termocompresíón, ultrasonido o tennosónicas (figs. 31. 1 lb y c).
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Capílulo 34 / Fabric;ición de cli..,rositivos rnicroelectrónico~
Los paquetes de montaje en superficie se han convertido en la norma para los circuitos integrados en· la actualidacL Corno se puede ver en la fig. 34. 12, la diferencia principal en los diseños está en la forma de los conectores. La conexión del paquete dual en línea con Ja tarjeta superficial es a través de dedos que se introducen e11 los orificios crnrespondientes, mientras que una monmra superficial se estaiía sobre diseiios de cara o de ban. da. Una cara es una plataforma de soldadura elevada, para interconexiones ele elementos en una tarjeta decircuito impreso. Las distribuciones y el tamaño del paquete se seleccionan entre configuraciones patrón, y sue. len necesitar el pegado del paquete con la tarjeta, seguido del soldado por olas ele las conexiones (véase la sección 30.3.2). Después de haber sellado el chip en el paquete, pasa por una prueba final. Como uno de los objetivos principales del paquete es aislar del ambiente, en esta etapa la prueba comprende calor, humedad, choque mecánico, corrosión y vibración. También se hacen pruebas destructivas para investigar la eficacia del seilaclo. 3L}.
Tendencias
1 RENDIMIENTO Y CONFIABILIDAD El rendimiento se define como la relación de chips que funcionan entre la cantidad total de chips producidos. El rendimiento genera! del proceso total de manufactura de circuitos integrados es ei producto de los rendimicnlos de fabricación de oblea, ele pegado. empaque y pmeba. Este rendimiento puede ir desde sólo algunos punlos porcentuales, para los nuevos procesos, hasta n1ás de ~)(J 0k!, para lfneas de manufactura ya maduras. La mayor parte de la pérdida de rendimiento se presenta durante el procesamiento de obieas, por la naluraleza compleja de este procesamiento; las obieas se separan con frecuencia en regiones de chips buenos y chips malos. En esta etapa, se pneden presentar fallas debidas a dcfoci:os puntuales (como por ejemplo, ¡xrforaciones de óxido), contaminación de pelícuia o partículas metúlicas. y t.amhién a causa de defectos de :a·e:1, como deposición dispareja de película o falla de uniformidad en el grabado. Uno de los puntos delicados que tienen !os circuitos integrados terminados es su rnnffaMfülatl y su fíT\~cuenda de f2nas. Con10 ningún dispositivo tiene duración infinita, se usan métodos estadísticos para ca· rac1erizar la vjda esperada y las frecuencias de falla de los componentes ·microelectrónicos. La unidud de frecuencia de folla es el FIT, que se define como unu falla por cada nül millones de horas de funcionamient0. Sin embargo., los sisl"enws cornp!etos llenen JTmchos millones de clisposlt!vos~ por lo que la tas::i general de fallas 1,;11 !os sistcrnas totak::-: es proporcionalmente rnayor. el ~múlisis de falla tiene igual importancia la detenninación del rn.ecanisrnu cü:fa!la, esto es . los prnce::ios retik:·~ que hacen que falle el di~posiLivo. L(tS fallas <..:omunes debidas al procesamiento lrnplic<:1n lo :;iguicnte·. ~-
!Zcgioncs de difusión (flujo no uniforme de corriente e interrupción de la conexión). (":1pas de óxido (falla disn1ptiva dd dieléctrico y acumulación de carga surerficial).
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pane transistores bipolares, Entre otras diferencias entre estos dos dispositivos están las mayores velocidades de funcionamiento de los BJT y el menor tamaño (y en consecuencia mayor densidad de circuitos) y las me··
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nores corrientes en los MOSFET.
34.12 TARJETAS DE CIRCUITO IMPRESO Los circuitos impresos empaquetados casi nunca se usan solos. Más bien se suelen combinar con otros circuitos integrados que sirven como elementos de un circuito todavía mayor. Una tarjeta de circuito impreso es la base para las interconexiones finales entre todos los circuitos, y sirve como eslabón de comunicaciones entre el mundo externo y los circuitos microelectrónicos dentro de cada circuito integrado empaquetado. Además de circuitos integrados, las tarjetas también contienen componentes discretos como resistores y capacitares, que ocuparían mucho "terreno" sobre la limitada superficie de Ja oblea o que tienen requisitos especiales ele disipación de energía. Otros componentes discretos comunes son los inductores, que no se pueden integrar en la superficie ele! silicio, así como transistores de alto rendimiento. Una tarjeta de circuito impreso es básicamente un material compuesto ele resina epóxka con fibra de vidrio (véase capítulo 9) que contiene varias capas de lámina de cobre, Las figuras de concluccióa en las tarjetas de circuito se definen con litografía y ataque selectivo del cobre. Los circuitos integrados y otros componentes discretos, paquetes ele montura superficial, se fijan a conti1mación a la tarjeta con soldadura o unione:; aclhesivns primero y después soldadura. Esas tarjetas ele circuito son los cerebros de la'.\ comprJladoras y los grandes sistemas electrónicos modernos.
RESU;\/\EN
<> La industria de la microelectrónica se está de:;m-rollando con rapidez. Parecen infinitas las PV·'"-'""·'"-
mi~
dcs ck micvo¡, conceptos ele componentes y de diseños de circuito. En Ja fabricación de dispositivos croe.Jcctrónicos inlerviencn muchos procesos de distinto tipo, la mayor parte de los cuu.lcs se han adapt de oxidación o deposición de película, litografía y ataque, para abrir ventanas en la capa de óxido y llegar al substrato de silicio, Después de terminar cada uno de los ciclos de procesamiento se introducen dopantes en diversas regiode iones. nes de la e~.,iJ·uctura de silicio, por difusión e "' De0>pu0s de haber establecido las regiones de dopado, se interconectan Jos elementos con varias cape;.; metúlicas y el circuito terminado se empaca y se establece su acceso a través de conexiones eléctrica:;. " Por último, el circuito empacado y otros dispositivos discretos se esta'ñan a una tarjeta de circuito irn, preso para su instalación definitiva,
Litografía (definición dispmcja de los detalle;; y dci;alineamienlo ele la mas<:arilla), d. Capas metálicas (mal contacto y eiectromigración causada por grandes densidades de corriente). Otras faHas pueden originar montaje inadecuado del chip, conexiones con alambres ma! fonnadas Y pérdida de la hermeticidad del paquete, Como ias duraciones de disposicivos son muy graneles, no es práceico estudiar fallas bajo condiciones normales de operación, Un método parn estudiar con eficiencia las fafüls se !!ama prneba de vida acelerada, e implica acelerm las condiciones cuyos efectos causan la falla del dispositivo. Se recurre a variaciones cíclicas de temperatura, hwnedad, voltaje y corriente para forzar los componentes. La montura y el empaque de los cbips se deforman [JOr variaciones cíclicas de temperatura. Los elatos estadísticos obtenidos con estas pruebas sirven para pronosticar los modos de falla y la duración del dispositivo bajo condiciones normales de funcionamiento. Además de la estmctura de semiconductor metal-óxido introducida al principio de este capítulo, también se usa e[ transistor de unión bipolar (BJT, bipolar jwiction transistor), pero en menor grado, Si bien los pasos reales de fabricación son muy parecidos al del MOSFET y BJT, sus aplicaciones como circuitos son distint¡LS. Los circuitos ele memorias RAM y ROM y los microprocesadores, consisten principalmente en dispositivos MOS, mientras que los circuitos lineales, como los amplificadores y los filtros, contienen en su mayor
TEi'-lDENClf\S
" Se avanza en la rniniaturización de los dispositivos con anchos de línea menores que 0.10 ¡,;,m, y en ias escalas de integración, mayores que cientos ele millones de componentes por chip. " Se están desarrollando estrncturas apiladas y tridimensionales de dispositivos. " Se trata de crecer capas de arseniuro de galio sobre substratos ele silicio, para combinar las posibilidades ópticas del arseniuro ele galio con las propiedades eléctricas establecidas, y mayor resistencia y disipación térmica del silicio, " Se está investigando la integración óptica de dispositivos: la transmisión por impulsos de luz y no por señales eléctricas. para obtener mayores velocidades de funcionamiento. <> Un desa1Tollo activo en Ja actualidad es el del "transistor cuántico", en el que un solo electrón determi-
na el estado (ENCENDIDO o APAGADO) del dispositivo, y pudiera llegar a reemplazar la estructura convencional de los transistores en la actualidad.
~~
.,._
940
Ca¡)ítu!n J4 / fdb1icac1ó11 de dis¡;osi1ivos rnicroc--:lec1Tóniccx,;
Problemas cuali1J.tivos
941
• /.\ncbo de línea
Arseniuro de galio Chjp Circuito integrado Concxiún de alambre-.-: Confü1bilidad Contactos
Dado Depnsicion de pe!ícu In Depnsíción (jUÍmica ele vapor
Dif'usíón Dopan tes EleclTomigraci6n
Empaque Enrnascararnlcnto
Epitaxia Evaporación Folt'J!Ti_:sis1
Frecuencia de fo.Has Grabado Crabado en húmedo Grabado en seco 1mplantacic5n de iones Integración a muy gran escala Litografía
Metalización Oblea Oxidación Oxidación htlmeda Oxidación seca Oxidación selectiva
Paquete de montaje superficial Paquete dual en línea Pegado
PJanarización Po.sthorncado
Preborneado Procc.so Czochrnlski Prueba de vida ncelcrada
Pulido químico mecúnico Pulverización catódica Regisrro Rendimiento Retícula Selectividad Semiconductor Silicio
Taije1<1 ele circuito impreso Terminales Transistor de metal semiconductor
óxido de efecto de campo Transi::;tor de unión bipolar "Vías"
34.1 Defina "oblea", "chip", "elemento" o "díspositivo", y ''circuíto integrado". 34.2 ¿Por qué el silicio es el semiconductor que más se us¡2 en la tecnología de circuitos integrados? 34.3 ¿Qué significan VLSl, lC, CVD, CMP y DJP? 34.4 ¿En qué difieren los dopantes tipo n y tipo p? 34.5 ¿En qué difiere la epitaxia de otras técnicas ele deposición?
34.6 Compare las oxidaciones húmeda y seca. 34.7 ¿Cómo se usa el nitruro de silicio en la oxidación'?
34.8 ¿Cuáles son los ob}..::tivos de! prehorneado y el posthorneacio en la litografí3'? 34.9 Defina la selectividad y la isotropía, y :m importancia en relación con el ataque. 34.10 ¿A qué se refieren los término¡.; '"ancho de linea" y ''registro"'?
34.11 Describa las diferencias entre !a difusión y la implantación de iones. 34.12 ¿,Cuál es la diferencia entre cvaporaci(in y "sputtering"? 34J. 3 ¿Cuál es 1a definición de "rendimiento'"?
34.14 ¿Qué es prueba acelerada de vida? 34.15 ¿Qné significan 13.IT y MüSFET'?
PROBLEIVIAS 34.16 En un reactor í~pitaxial horizontal (véase la figura adjunta), las ohleJs (wafers) se colocan en una piataforma (susceplor) ciuc se inclina un poco, normalmente de l a 3 grados. ¿Por qué se hace eso?
Hnkoglu, i-LB., Circuits, lnterconnections, and Packaging for \ILS!. Adc!ison-Wesley, 1990. Jkrgcr, LJ., Semiconductor !Vlaterials. CRC Press, 1997.
J 'he ,)~hence and l;.'ngineering (~/ 111icroe!ec-
lmnir: Pabrication. Oxford University Press, !996. Chandraka:rnn, A., and R. Brodcrsen (eds.), Lov,: PoH:er Ctl10S 1.fesign. fEEE, i 998. Chandrakasan, A., and R. Bmdersen, Low Poi.-ver Digilaf CJ'vfOS Desig1t. Kiuwer Academic P1tb., ! 995. GhandhL S.K., VLSI Fabrication Principies Silicon and GalliwnArsenide (2d ed.). Wiley, 1993. Elt·ctronic Materials Handbook, Vol. l: Packaging. ASM In1ernational, l 989. í-farper, C.A. (ed.), Electronic Packaging and Interconnection Handbook (2d ed.). McGraw-Hill, 1996.
Hwang, J.S., Modern So/der Technology for Competilive Electronics Manufacturing. McGraw-Hill. 1996. Judd, M., and K Brindley, Soldeni1g in Electronics Assembly (2d ed.). Newnes. 1999. Lau, J.H. (ed.), Electronic Packaging: Design, Materials,
Pmcess, and Reliability. McGraw-HiU, 1998. Madou, M.J.. Fundamental.1· ofMicrofáhrication. CRC Press, 1997. Mahajan, S , and K.S.S. Harsha, Principies of Growth and Processing of'Semiconductors. McGraw-Hill, J998.
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//Bobina de c:.1!enwmiento por inducción @ @ © © ® @
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:Vfanko, H.H., Soldering Handbookfor Prilztcd Circuits nm/
Entrada ~-----------..., de gt~_j '·w·C~ \~tilación
Swfoce Jl/lounting. Van Nostrand Rcinho1d, 1995.
!V1aü.soff, B.S., Handbook of Electronics Nfaru~fócturfng, (3d ed.). Cbapman & Hal!, 1996. Mroczkowsk¡, R.S., Electmnic Connector Handho1Yk: and Application.s . .McGravv--HiH, 1997. PecM, tVf. (ed.), Elecfronic Packaging lvlate7·ials and lhtir Propertil'S. CRC Press, ! 998. Runyan, VVR., and T.J. Shaffner, Semiconductor il/easurcment.1· and lnstrwnemation (2d ed.). McGrnw--+lill. 1998. Schroder, D.K., Ch.aracterization (2d ed.). Wi1cy-1ntcrscience, J 99H. Taur, Y., and T.H. Ningi Fundamenta/s oflvlodern VLSJ Devices. Cambridge, 1998. Tummala, R., E.;. Rymaszewski and A.G. Klopfenslern, Microelectronics Packaging Fundamentals. Chapman & Hall, 1999. Wolf. W.H., Modern VLSI Design: Systems on Silicon (2d ed. ). Prentice Hall, 1998 Sze, S.M. (ed.), High Speed Semiconductor Devices. Wiley, 1993. - - - - , Modern Semiconductor Device Physics. Wiley, 1997. Wolf, S., and R.N. Tauber, Silicon Processing for the VLS! Era, Vol. l: Process Technology, 1986; Vol. 2: Process lntegration, 1990. Lattice Press. Yeap, G., Practica/ Low Power Digital VLSI Design. Kluwer Academic Pub., 1997.
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34.17 La tabla ele:: ahajo describe tres cambios en !a fabricación de obleas: aumento dei diámetro de !a oblea., reducción del tarmrño de chip y aumento de la complejidad de la tabla. Ll~ne la tabla con "aumenta", "disminuye" o "no camhia", para indicar el efecto que cada cambio tendría sobre el rendimiento de la oblea y la cantidad total de chips funclonale:~.
Efectos ele cambios en la manufactura Cambio
Rendimiento de oblea
Cantidad total de chips funcionales
Aumento en diámetro de oblea Reducción de tamaño de chip Aumenlo en complejidad de proceso
34 •.18 La velocidad de un transistor es directamente proporcional al ancho de su compuerta de polisilicio: una compuerta más angosta produce un transistor más rápido; una más (!,ncha produce un transistor más lento. Sabiendo que el proceso de manufactura produce cierta variación en el ancho de la compuerta, de ±Ü. l micras, por ejemplo ¿cómo debería alterar el tmnaño de compuertas de un circuito crítico para minimizar su variación de velócidad? ¿Hay efectos
negativos que produzca ese cambio? 34.19 Un problema común en la implantación de iones es la canalización, cuando iones de alta velocidad penetran mucho en el material a través de canales. a lo largo de los planos cristalográficos, antes de detenerse. ¿Cuál es el método sencilk' de detener este efecto?
942
(,ip(tu!o 34 / Fc1bricac1ón de disposilivos rnicroelect1ónicoo:
PARTE Vil
3~t2l
Un fabricante de obkas (wafers)produce dos obleas de igual tamaño, una con 500 chips y la otra con 300 chips Des, pués de probarlas, se observa que hay defectos en 50 chips de cada oblea¡, Cuáles son Jos rendimientos en estos dos casos? /,Se puede establecer una relación entre el tamaño de chip y el rendimiento?
Un proceso de atac¡¡¡e de poiisilicio, a base de cloro, tiene una selectividad de polisilicio:rcsist de 4:J, y una selecti, viciad de poiisilicio:óxiclo de 50: 1 ¿Cuánto resist y óxido expuesto se consumirán al grabar o atacar 3500 Á de po34.22 lisilicio? ¿Cuál debería ser la selectividad de polisilicio:óxido para reducir la pérdida sólo a 40 A de óxido expuesto? Durnnue una secuencia de procesamiento se hacen crecer tres capas de dióxido de silici\), por oxidación: de 2500, 4000 y l500 Á. ¿Cminiü se consume de! substrato de silicio? 34..2J Cierta regla de disc11o dice que las líneas mctálica.s 110 deben tener más de 2 micras de ancho, Si se va a atacar en húmedo una capa de metal de ! micra de espesor, ¿cuál es el ancho mínimo de fotonc,':Ísl permitido (suponiendo que t'l ataque húmedo es perfectamente isotnípico)? ¿Cuál sería el ancho mínimo de ro1orresist si se usara un prnce, ··;o ck ataque seco perfectamente anisotrópico?
! ,a de <'baje la sección tr;rnsvcrs;ll ¡fo l'n ,;cnciilo transi.stor bipoiar npn, 1eniendo los corles trni!swr, ,,,¡,,"'de! c¡cmp!o de la sección 1,¡,g como guia, Droponga un diagrama de proce:m para L1hr!car este dispositivo.
C\)l"(C transversal d'...'. un t.rr? ¿Qué reglas cic
m;i,o:;
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,Aspectos comunes en la nianufactura Hasta ahora hemos descrito los procesos básicos de manufactura que se aplican para obtener una gran variedad de productos industriales y para e.I consumidor, En los capítulos anteriores hemos presentado las técnica;" de modificación de superficies de componcutcs y productos, para obtener ciertas propiedades adecuadas y descrito las ventajas y limitaciones de cada técnico, Aunque fue descrita 1'l precisión dimensional obtenida en los procesos individuales de manufactura que presemamos, todavía no hemos explicado cómo se mielen e inspeccionan las piezas antes de armru,las_ ¿Por qué se deben medir con exactitud e inspeccionar !as piezas? Se miden las dimensiones otras propiedades de las superficies de una pieza para asegurar que se hayan fabricado en forma consistente y dentro del intervalo especificado de precisión dimensiona], La mayor parte de los productos manufacturados son componentes o subensambles de un artículo, y deben encajar y ensamblarse en forma correcta, para que ei artículo desempeñe la función asignada durante su vida en servicio, Por ejemplo, a) un pistón debe ajustar en un cilindro dentro de tolerancias especil'lcadas; b) un álabe ele turbina debe ajuslm' bien en su ranura en el elíseo de la turbina, y c) se deben construir b:'; correderas de una máquina herramienta con cierta exactiiud, para que ias piezas que produzca la -müquina sean, a su vez, aceptables respecto a tolerancias dimensionales especificadas, La medición de las dimens!ones y particularidades relevantes ele las piezas es un aspecto integral de Ja m:mufactura intercambiable, que es el concepto básico de la normalización y de la producción en gran escala, Por ejemplo, si "' gasta un rodamiento de bolas en una máquina, y hay que rc;emplazm-Jo, todo lo que se debe hacer es comprlli' uno igual, con la misma especificación o número ele parte, Lo mismo se puede hacer con productos como tornillos, llaves, neumáticos y bujías, En esta parle del libro describiremos los principios que intervienen y los diversos instrumento:, y máquinas parn medir propiedades dimensionales como longilUll, ángulo, planiciclacl y redondez. L.:i prueba y la ~nspección de las pa1tes son aspectos impo1tantes de las operaciones de m.anufactura, pu~· lo que también describiremos los métodos para prnebas destrnctivas y no destructivas ele las piezas, Uno de los aspectos más importantes ele la manufactura es la calidad dei producto, Explic:>... remo,, la importancia tecnológica y económica de construir la calidad en el producto, en vez ele peccionarlo después ele producirlo, Debe quedar claro d significado de este concepto, consicleranr!o la tendencia tan fuerte y sostenída hacia las piezas manufacturadas en la economía global y el cornecio internacionaL El último capítulo describe los aspectos de la ingeniería de factores humanos que tienen influencia especial sobre el equ.ipo y las operaciones ele manufocturn, Entre ellos están la ergonomía, estaciones de trabajo, ruido, ambiente y riesgos de seguridad, así como los aspectos legales de responsabilidad por el producto,
Tabla de reglas de diseño r-- ----- ~---------- --- -- ::;¡ Regtc1 i i Valor 1
#
L
---- -
Nombre de Lt regla ---~-
(µ,m)
-------t--1
__!_~-~~~~~~~~1hc1~------- _ _Q_5~) 1_B~- Esp~~~~~1~de pohs~i:H? l con~~~-~- _Q_!:~- ¡--1't:l,__ de contacto p01 d1íu<1ónf - R4_ _j An~ll!'.!_!I~~t~1'.S> ---~- __ _ _ Q_ 6Q_ 1 r-f~JQ>E!_c_12,~~Í11_J_nímm2_ic5_'!!
~f1_121<'.l!,'.1' '1-'!l l lma
!_B!!__J_§p.'..!_~l~E_~Tllm<~d_')_!_~!~~e~~~-
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943
etrología instrume ria!
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35.1
~;s.6
Introducción Patrones de medición ln:;trurncnlo~ con graduación Instrumentos rfo medición longitudinal rnmpar;itiva Propit:dades geométricas: rnedición de rectitud, pL:inicldad 1 redondez Múquinas ch~ medición por coordenadc1s y rn;:\quinas de trazado
3.S.7
Calgas
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Instrumentos ópticos /vleciición auiom,ltiLada
:5S.2 .3S.3 3S.4 35.S
1
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35.9
C,~r.tCl(;ristiCrlS U::nc·r;i)CS }/
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y perfil
sc.:--iz.i::c:ión de )es insuurn<.:.nfDS
Dii: i<'nsionJ.ni.i'.:::nto georne!.rico y es1·abl(-:cirn!e:-1fc de toir:::·anc:1;as
S. .Eslr.:: capítulo presenta 1os principio.':, mt,todos J car:1cterísticas de J1)s instrun1enlos que se uscu; rJ. hacer div0rsas mediciones dirncnsiorwks. Se define la lndn1l~?tds~ como rncdic),)n de dirncnsiones: loogiLud, esp0sor, tfoírnetro, inc1inaci<.'in, ~1ngu1o, p1anicidad, perfiles y d1ven;Ds cosa:·;. Por ejemplo, considérensG las correderas de 1as m:íquinas herramientas (fig. 35. 1); estos co1T.:~· ponentes deben tener dilnensiones. ángulos y p1anicidad específicos para que la rn:íquina funcione bien, y con la precisión dimensional deseada. En forma tradicional, las mediciones se han hecho de"J.niés de que la pieza se ha produciJo; a estos.o le llama inspección posproceso. En este caso, el termino "inspección" significa comprobar las dimensiones de lo que se ha producido, o lo que se está produciendo, para determinar si se apega a \a precisión dimensional especificada. Hoy, la tendencia es hacer las mediciones mientras se está prodttciendo la pieza, en la máquina; a esto se le llama inspección en proceso, en línea o en riempo real. Se ha avanzado mucho en el desarrollo de instrumentos nuevos y automatizados que c;ean muy sensibles a pequeñas variaciones. Un aspecto importante de la metrología en los procesos de manufactura es la tolerancia dimensional, que es la variación permisible en las dimensiones de una pieza. Son importantes las tolerancias por su impacto, no sólo sobre el funcionamiento correcto de un producto sino también sobre !os costos de manufactura; mientras menor sea la tolerancia, los costos de producción son mayores.
945
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946
Capítulo JS / Me!ro!ogíd e instru111enlación ir:1duslria)
1 F!GURA 35.1 Sección transversal de una corredera de máquina herramienta. El ancho, profundidad, ángulos y otras dimensiones se deben producir y medir con precisión para que Ja rnáquina funcione en forma correcta.
35.2 PATROf\ffS DE Nuestra primera experiencia con !a medición suele ser con una sencilla regla para medir longitudes (dimensiones iineate~:). Una regla tiene grabadas iíneas que guardan cierta distancia entre sí, con frecuencia de J mm (0.040 pLtlg). En este caso se usa la regia como patrón contra el que se miden las dimensiones. Por tradición, en los países de había in,sksa se han usado !as unidades de pulgada y pie (basadas originahnente en partes de\ cuerpo humano). En consecuencia no era raro encontrar variaciones apreciables en la longitud de un pie. Sin c,mhargo, t"n La mayor parte cid nwndo se ha usado d metro (y el sisterna 1.nétrico) corno patrón. Ank~s :--,(~ de~finía el rnctro como una diezn:üllonésim~ de la distancia entre el Polo Norte y e1 ecuador. La di~;.Lan cia original del metro se norrna!izü después como la distancia cnlre dot-: rayas en una barra de platino-iridio que se guarda bajo condiciones controladas en und construcción en las afuera::> de París. En l 960 definió el metro. en forn1d oficial. como 1.650,763.73 longitudes de onda, en e1 vacío. de la luz ;utaranjacfa emitida por 86 (un gas raro) excitado eléctricamente. Se estableció que la precisión Je rnedición es l parle en ..Hoy en dfa el IT1etro es !u unidad de longitud del Sistema internacional d~ unidades, o SR, y es el patrón internacjonal. Las dirnensíones m.ás pequeñas se ex.pre~;an en nanó1netros ( l nm =
¡ 1
l
SeE:ción 35.2 /Patrones de med"ición
Durante Ja Edad Media, casi cada reino y ciudad c;,tabkcieron é<\l propio parrón de longitud. algunos de ellos con ;10rnbrcs idénl icos. J. p,,,rneJ, fí<,ko fr;mcés. propuso en J528 que la referencia general pan! longitudes fucn1 Ja distancia entre Parb y Arniens (ciudad a 120 km al norte de París). Durante el siglo XYll algunos cicntiflcm .sugirieron que !a longitud de cierto péndulo se usara como patrón. Sir C.hrisropher Wrcn. arquitecto bri1;\nico. sugirió en 166 ! usar un péndulo con período de J/2 segundo. C. Huy gens, matemático akrnún. propuso un péndulo la tercera parte más largo (a¡mlximadarnente) que el de Wrcn y cuyo período fuda ! segundo. Para poner término a la confusión en la medición de longittÚleo; comenzó a desarrollarse un patrón dedel metro. de la palabra griega metron. que qui cfinitivo de longitudes, en Francia, en 1790, con el rié decir medida. Se fabricó galg;r de un metro de plminu pfüo :;cccíón transversal rcctangularque se guardó en los Archivos Nacionales, en París, en 1799. Se mandarnn cnpias de esta galga a otros
paf ses, a través de los años. Durante tres años de 1870 a J872 se reunieron comités int1.:rnacionalcs y optaron por un patrón internacional para el metro. La nueva barra ;;e fabricó con 90% de platino y i ()% de iridio, con sección trans-
versa\ en forma de X y dimensiones generales de 20 ~<'.'.O mm. En cada exlremo de ia barra se gr:tbaron trc·.; rnarc:1-;. El metro es la distancia entre las marcas centrales en cada extremo. medida a O"C. Hoy en ex.trema se hacen con base en la velocldúd de la 1uz en eí vacío. c~ku~
l;¡ua rnuHiplicando !a hngitud de 'Jnda de un rayo infran-ojo normalizado de un
1
llamada también resolndón, que e:; 1a rnínin10. difcn::nc.i.a de dirne1;sicmes que puede k,C\.
Vü~dición
1-.inenl
Sensibilidad
u.nn regla graduada de acero. Longitud cnrnpar.1Liv t
;?Jr""
RccLitlJd
Re~;b
d(: Jci.::rn Ca\Hm1dor \wrnier
fü;cuadta móvil
B<.irr;i de
P!anicidad
Redondez
Perfil
PASA. NO PASA
Microscopios
µ.m
-----
0.:5 mm ':5
2.5 1
Cllibr.idor ,~]cctrónico Galr;a» Autocnlimacior Trúnsito fnterferometrí.1
Indicador de car;ítula
Trazado circular Calihfaclor de radio:) o chatlan~s Micrómetro de carátula Comparador óptico Máquinas de medición por coordenadas Calibrador de tapón Calibrador de anillo Calibrador instantáneo Del herramentlsta Secciones ligeras Electrónico de barrido Barrido con láser
1-".P.::!~-----in. 1000 100
40
5 1nin
sclll).'i
Indicador du c;trútula
Rayo 1ásd
Ejemplo: Mediciones de longitud en la historia Se han establecido muchos patrones para medír longitudes durantekls últimos 6000 años. Un patrón en boga en Egipto, alrededor de 4000 a.C., era el Codo. Real. equivalente a 0.463:Í m. Un codo eqÚivaiía a J .5 pies (o 2 manos abiertas, 6 manos cer:radas o 24 dedos), Én llOJ d.C, ehey Enrique lestablecíó un nuevo patrón, llamado _varda !ü.9144 m), la distancia de su nariz" a la punta de sú pulgar:
ln~;trurnt~n1o ------~~----·---------
J\/iicrórnetru con vernier Rejilla de difracci611
Án::·uln
13~,,~r, por su frecuencia.
___________u__'s_a_d_<__)_~_._ ---------------------------------·-··
TAlf::íLA 35 ..1
m).
En la metroiogía industriaí se usan muchos instn1n1entos y clispositivos C
947
0.1
\}.05 2.\ 0.2 mm/m 2.5
0.03
40 4 2 100 0.002 in./ft
100 l
0.01
125
0.25
2.5 l 0.00l 0.1
40 5000 10
JOO 40 0.04 5
-"
948
Sección 35.3 / lnstrumentos con graduación
Capítulo 3.5 /Metrología e inslrum0nt;ición industriJf
~~
~lESTarnbor
(1))
35.3
35.3.1
Cami>a-•·
lm~, ~
lineales (lectura directa)
11
(e)
1
1 2
Loe instrumentos con graduación son empleados pcu·a medir longitudes (mediciones lineales) o ángulos (niecliciones angulares). Con graduación quiere decir marcado para indicar determinada cantidad.
949
1-0
_I
Para determinar dimensiones en forma directa se pueden usar diversos instrumentos comunes de medición lineal
a. Reglas. El instrumento más sencillo y de uso más frecuente para hacer mediciones lineales es una regla (regla de mecánico), bana o cinta de acero, con graduaciones fraccionarias o decinrnles. Las longitudes se determinan en forma directa con precisión limitada a la división más pequeña, que suele m· de l mrn o 0.040 pulg. Las regias pueden ser rígidas o flexibles, y algunas veces tienen un gancho en un extremo para facilidad de medir con uno ele los bordes. Los calibradores de prvfundidad de reglo separecen a las reglas, pero se deslizan por una cabeza especial.
o.
Calfürndonos vernier, en honor ele P. Vernier, quien vivió en el siglo XVIT. Los calibradores 1·en1w tienen una regla graduada y una corredera c.on un vernier. Esi"os instrnmentos también son llamado~~ ca .. g~bradorcs (fig. 35.2a)_ Las dos quijadas dei calibrador tocan la parte que se müie, y Ja dln1ert~:ión se
3S.2 (;1) CJ.librJdor con vernier. (b,i lJn vt:rnier que indica 27.00 + 0.42 = 27..:12 nnn, 0 bien .000 + O.OSO+ 0.0:29 == 1 .079 La l:dtima inedic:i6n se (1Pduce como sigue: prinv~·ro, se observ;.; que !as dns e<_.c1Ja'~ !ilÍrJiores tienen las de pulgc:idas. A conhnuación s0: observa qw.:'- la man>1 O (cero) d\:' {·:srd!a inrcrior ya pasó !a rn;·1rca de pulgada en L; c:scaía !1up0:rior. Por consiguiente, primero se anola un
eri ir1s dos coinddcn (:?'11 nunwro un;i de )¿¡s 50 graduacione.; de 11rt C"::icdla in1e1i()1 (:<¡uiv;tk' il 0.00 í pul¡.;, pcr !o que t;;1mbi(~11 se li¿·:m-::n 0.029 pulg. i)or lo ;rnt0•rior, /¿¡ ciirnens¡i:Jn 1·0Jal ; .OCiCJ prdg ·1· 0.05() pldg + 0.029 pu!g :-.; _ l .07() puír.;.
FIGURA 35.3 (a) Micrómetro para medir diámetros de varillas redondas. Fuente: L. S. StJrrct Co. (b) Vemiu en la camisa y el lambcll· de un micrómetro. El de arriba indico 0.200 + 0.075 + 0.()1O=0.285 pulg. El inferior indica 0.200 + 0.050 + 0.020 + 0.0003 =0.2703 pulg. Estas climensiones se leen en forma parecida a la que fue descrita en la íig. 3'! (c) MicrómeiTO digital con opacidad de O a ·1 pulg (0 a 25 mm) con resolución de 0.00005 pu!g (0.00·1 mm). Nótese que es mucho mi\s bcil ler;r las dimensiones en este instrumento que en micrómetro analógico de la parte a). Sin embargo, estos instrumentos se deben manejar con cuidado. Fuente: Milutoyo Corp.
lee en las líneas graduadas que coinciden (fig. 35.2b). Los caiibrndores vernier se pueden usar parn me> cii.r \ongitudef. interiores o exteriores. El vernier mejora la sensibilidad de la regía sencilía, indicando c10nes de ia dimensión mínima de la barra graduada. hasta a 25 ,urn (0.00 l pulg). 'También se consiguen calibradores vernier con indicador digitcl (unidades inglesas o métricas). los dispositivos electrónicos (véase ia sección 35.4.2) se pueden leer con más facilidad y estún menG:-; c;ujc\os ~.1 error bwnano r¡u1c los vernieres :malógicos. Una propiedad importante de ío» digitales se pueden acoplar a irnpresoras para de dato:;, y a Tamb;,csn tienen clones de
í.~ontrnl cstad.fstíco de proce;:-;o y
c. l'vikrón¡etms. Cornunmente son cmp!eados para medir espesores y dimensiones internas y cxterm:s piezas (fig. 35.3a): el micrómel.ro tiene una e;;pi.ga rrn;cacla, un t.arnbor graduado y una camisa gr:.:d::,<-· da (fig. 35.3\J). Con un micrómetro se pueden obtener indicaciones del vernier circunl'crencial con una sensibilidad de 2.5 µ.rn (0.00001 pulg). También se consiguen micrómetros para medir proh.:'> didades (micrómetro de y diámetros internos (m.icrórn,,Lro de interiores) con Ja rnisnu sensibilidad. Los topes o platinas de los micrómetros pueden tener contactos cónicos o de bola. Se usan para lllCdir oquedades, diámetros ele vcu·illas roscadas y espesores de pared de tubos y láminas curvas. Los micrómetros digitales también se usan y están equipados con indicadores digitales en unidades ingksas ,, métricas (fig. 35.3c). También estos se pueden integrar con microprocesadores para control estacllsticn de proceso y de calidad (véase sección 36.6).
r~jillas
(b)
d. .Rejillas de difracción. Las de difracción consisten en dos vidrios ópticos planos de distintas :ongitudes con líneas paralelas. muy próximas entre sí, grabadas en sns superficies. La rejilla dd vidrio corto tiene una ligera inclinación. En consecuencia, se producen franjas de interferencia cuando se ve
".'.i""l\l\\Yo\1\l''W¡\"Mj1'Mj1'fttjt~~HitiH~H/¡'LLifw.;cillili~illhl
a través del vidrio más largo. La posición de esas franjas depende de la posición relativa de los dos vidrios. Con equipo moderno y usando contadores electrónicos y sensores fotoeléctricos se pueden alcanzar sensibilidades de 2.5 µ.m (0.0001 pulg) con rejillas de 40 líneas/mm ( 1000 líneas/pulg).
C1pílu!n 15 /
1'v'k~l1ologf
imlrumentuc.iún incluslri,il
Sección 35.4/ lnstrumentos de rneclición longitudinal comparativa
951
(b)
l~loques
de g1rmrnito. Son ele hie!To colado o ele piedras naturales, como el granito; se usan mucbo en la metrología industrial. Las superficies de granito tienen]¡¡-' propiedades aclecuadas, de resistencia a la corrosión, no magnéticos y con baja dilatación térmica.
(t Otros métodos. También se pueden medir los ángulos con galgas angulares. Son galgas con distintas inclinaciones qL1e se pueden armar en diversas combinaciones, y usar en forma parecida a como se usan las mesas ele senos. Los ángulos de partes pequeñas se pueden medir con microscopios de oculm·es graduados, o con proyectores ópticos (sección 35.5.6). También se pueden medir ángulos de inclinación con un instrumento electrónico digital.
35.4'l l!'.l la) Ice corno 30'.Esquema de una oscu¿¡cJra ajustable para medir ángulos. (b) lvlec.lida en wmie1· anguli1r, que
35.3.2
linea
35.4 INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN LONGITUDINAL COMPARATIVA A diferencia de los instrumentos que acabarnos de describir, los instrumentos para medición comparaliva ele longitudes, llamados también instrumentos tipo desviación, amplifican y iniden las variaciones o desviacio-
Los instrumentos ele lectura indirecta pueden ser caíibrndores y compases sin escala graduada alguna. Se u"an para transferir la longitud medida a Lm instrnmento de lectura directa, como por ejemplo, una regla. Dcspue.\
pa~1s
nes ele distancia entre dos o más superficies. Estos instrumentos comparan dimensiones, ele ahí la palabra compo.rativa. A continuación describiremos los tipos comunes de instrurnentos utilizados para esta técnica.
de
Par~'
35.4.1
de cará..tula Los iru:Licudorcs de ('arúiu/a son clispos1livos
de
_)
~encinos
que convicrlen clesplazan1ientos lineales de un pa!pa-
dor a !a canlidad de rotadón de un indicador en una carátula circular (fig. 35.6). El indicador se pone en
de
cem en determinada superficie de referencia y ei instrumenlo, o la superficie por medir (sea '"xterna o interna) pse onr:o et1 contacto con el palpador. El movimiento del indicador se lee directamente en ia escala circu(pued.e ser posilivo o negativo) con una precisión hasta de l ¡.ttn (40 µ.pulg). Es oosible adquirir indicadores ele carátnla de diversos diseños, para ser usados corno unidades portáliles o de banco. El diseño básico consiste en un piñón y cremallera y un tren ele engranes que, en conjuntoJ, convierten el rn,_)vinüento !incai en 1novirniento rotatorio, con grandes ampUficaciones. Estos instrmnentos se usan tambi1Sn para calibrnr varias í..-hrnensiones de las p1ezas (fig. 35.6c). '1"'!11nbién se consiguen ü1strumentos con n1ecanisrnos de atnplificación eléctrica o fluíd.ica. así como con indicador digital.
;í.ngulos S
mct1 fa que se
ajtRst~ihle
Escuadra . Una csrnadm ajustable es ;m inslrumenlo ele lectura directa, parccid<.i a 1m portador C<)mún, exceplo que tici
35.·4.2
:aarn1
seams. La medición con una horra de senos, o barra para mesa de senos, implici. colocar l:.c par!c sobre una barra o piw:a inclim1da y <\justar el ángulo, colocando galgas en una plac:i n bloque·, o rnesa de superficir; (fig. 35.5). Después cíe colocada la pieza sobre la bam.i de senos, se r\:<:urrc- la supcrl'icie ';upcrior de la pieza con un rnicrórnetro ele carátula. Se agregan o quitan galgas (sección 35.7. ! ) hasta que la superficie superior quede pm-aleb a la superficie ele la placa. El ángulo en la pieza se calcula con relaci::>nes trigonométricas. Con frecuencia, es· l.ns dlculos se simplifican irnís si se usa una distancia de IO pulgadas entre los cilindros, para c¡11c c;ca fácil de calcular el seno clel ángulo de la ba1rn (ele aquí el nombre de barra de senos).
1 l J
o medidores A diferencia de los sistemas mecánicos, las galgas o medidores electrónicos sensan el movimiento del paipador por cambios de resistencia eiéctrica de un calibrador de deformaciones (o "galga cx.tcnsiométrica"), o por inductancia o capacitancia. A continuación las señales eléctricas se convie1ten y presentan digilalrncrne co·· 1110 dimensiones lineales (indicación digital). En la fig. 35.3c se muestra un micrómetro digital. En la fig. 35.7 se ve un calibrador electrónico manual, para medir diámerros ele barreno o perforaciom's. Cuando se comprime sl.l mango un poco, se puede insenar la herramienta en el brnTcno o perforación y apare·· ce el diámetro interno en fonna directa (en la fig. 35.7 se ve en milímetros). Un calibrador electrónico asistido
1
=~. ~J'icfiJ::__.---------~ . Micrómetro de carátula
íl
----~~· . O.e -:>eno;.;
__.-->-
Daffª
-----
1
1
F= .
-------~ª' ->t-i
FIGURA 35.5
---~~oque~":____ ___]
-
·-
Dispositivo
para usar una barra de senos y
medir con precisión los ángulos de una pieza.
1
l
l
L
FIGURA 35.6
Tres usos de los micrómetros de carátula: (a) medición de redondez, (b) de profundidad y
(e) dP.terrninación de varias dimensiones en una pieza.
(a)
Micróm.etro de
Á ~
carálula~b)
~~a---
00 Kd
.,,l l ....•.
952
Capítulo 35 /Metrología e instrumentJción industrial
(.
Sección JS.5 / Pmpiedades geométricas: fnedición de rectitud, p!anícidad redondez y perfil 1
(a) Medición directa del diámetro D
'Í
-·--~
~ ~ ----~e-'
... : ,: Rayo
···:~láser
FIGURA 35.7 Calibrador electrónico para medir diámetros interiores. La cabeza medidora tiene tres pernos con puntas de carhuro, para resistir el desgaste. La pantalla digital indica 29.1 Sil mm. Cortesía de TESA SA.
FIGURA 35.'l
953
(b) Excentricidad del eje al girar
'\
~\\'.!:
Dos tipos de mediciones hechas con un micrómetro de barrido con láser. Fuente: Mitutoyo Corp.
35.5 PROPIEDADES GEOMÉTRICAS: MEDICIÓNDE RECTITUD,. PLANICIDAD, REDONDEZ Y PERFIL
Las propiedades geométricas (rectitud, planiciclad, redondez y perfil) son aspectos importantes del diseño técnico y la manufactura industrial. Por ejemplo, ias bielas, los componentes de instrumentos y las correderas ele las máquinas herramienta deben cumplir con ciertos requisitos respecto a esas características, para que funcionen bien. Por esta razón es esencial su medida con precisión.
35 .5 .1 Rectitud
1 flGlJRA 35.8
Instrumento
i
dectróníco pJ.r.:i medir verliGt!1~s co11 se11sil:iil:1
sión pequeiías desviaciones anguJru·es en una superficie plana. Para alinear elementos ind[viduales de máquinas. al ensamblar componentes, se usan mdodos ópticos, como tránsitos y rayos láser.
35.5.2 Planicidad
1 ¡;,m (40 .upulg).
TESA SA.
con microprocesador se muestra en ia fig. 35.8, para medir longitudes verticales. Un calibrador electrónico de uso frecuente es el trnnsformador difeirendal Oi1'1eal v:wialble, para medir pequeños desplazamientos. Aunque son más costosos que los dern:ís tipos, los instrumentos de medición dC'ctrónicos tienen las siguien·· tes ventajas: facilidad en el manejo, respuesta rápida, lectura digital, menor posibilidad ele error humano, versatilidad, flexibilidad y la posibilidad de integrarse a sistemas automatizados a través de rnkroprocesadores y computadoras (sección 36. l !).
La rectitud se puede comprobar con una regla o un micrómetro de carátula (figs. 35. lüa y b). Un autocolimador, que se parece a un le'tescop[o con un rayo ele luz que regresa del objeto, se usa para medir con preci-
1 1
Se puede medir !a planicidacl con métodos mecánicos. con un bloque de granito y un micrómetro de carátu\a. También se puede usru- este método para medir la perpendicularidad; esta última también se puede medir um escuadras de acero de precisión. También se puede medir la perpendicular con el catetómetro ele la fig. 35.8.
lnterfornmetrfa. Otro método para medir la planicidacl es la interferometlia, meclianle un plano ó9fü:o. Este clispos.itivo es un elíseo de vidrio o ele cuarzo fundido con superficies planas y paralelas; se coloc:; sobre la superficie de la pieza (fig. 35.l la). Cuando se dirige un rayo de luz monocromática (luz de una soia
FIGURA 35.10
Sin embargo, como son más frágiles, los instrumentos y medidores electrónicos se deben manejar con cuidado, y se debe comprobar con frecuencia su calibración. Hoy se venden medidores electrónicos con caras recubiertas con diamante. El recubrimiento por deposición química de vapor (véase Ja sección 33.5.2) de estos medidores tiene mayor resistencia mecánica que la ele los bordes ele acero o de carburo ele tungsteno; también resiste a las sustancias químicas.
Medición de la rectitud con (a) una regla de cuchilla y (b) un indicador de carátula lijo a un
soporte que descansa ·en un bloque de granito. Fuente: F.T. Farago. (a)
(b)
Micrómetro de carátula
j
35.4.3 Micrómetros de barrido con láser Un desarrollo más reciente es el uso de rayos láser para medidas sin contacto (fig. 35.9). En este instrumento en particular el rayo láser barre a !a pieza 350 veces por segundo. Estos micrómetros pueden alcanzar resoluciones hasta de 0.125 µ,m (5 µ,pulg) y son adecuados para mediciones en línea ele partes estacionarias, giratorias o vibratorias, y también de piezas que se encuentren a temperaturas elevadas o que sean demasiado elásticas o frágiles.
Bloque
1
l~:
"
-
~~·"
~·~
.....
"
-
-.-,-
C1¡:;i1ulo
1
¡b)
955
.~
/ iVletrolog1;:i e rnstrumentación 111clustri,1I
(")
Sección 35.5 /Propiedades geométricas: medición ele rectitud, planic;dad, redondez y perfil
l
, Franja'>
'l ¡
(e)
(a)
-·Pieza
( __ ¡¡¿J~~
!
rv~
>Y/
·0~ordazas
rotatoria de precisión
de centrado.
(C)
(d)
(C/
flGURA 35-12 (a) Esquema ele una pieza "fuera de redoncle7'' (cxag0rada). Medición de la redondez usilndo (b) bloque en V e indicador de carátula, (e) la parte sostenida entre puntos y girada, y (el) trazado circular, con la parte girando respecto a un eje vertical. Fuente: Seg(in F. T. Farago
35,5,4 Perfil flGU!R'.A 35:! ·f {,:i) 1\!ldodo interferomélrico pJr;i rnc~dir pl
El perfil se puede medir con diversos métodos. En uno cie e1Jos, se compara la superficie con una plantilla o caJibr;1clor de perfil, para comprobar el apego a la forma. Los radios o los chafianes se pueden medir con este método (fig. 35.l3a). También se puede medir el perfil con varios inclicaclores de carátula o instrumentos equivalentes (fig. 35.l 3b) o con las máquinas que se describirán en la sección 35.6.
de roscas y dientes ele engranes
35,5,5 :ongitud de onda) hacia la superficie, en dirección ob!jcua, el plcmo óptico descornpon0 ¡J rayo en dos plirí_c.'.·;, qvc ven ::1 ojo corno bar.das claras y oscuras (fig. 35.l J b). í -~l c;:miidad de franj;.ts que ;.iparcccn se rdacfona con b distancia entre la superficie de ki pieza y b :st:· infcritir del piano 6pi-icn (Jig. 35.1 ! e). En consecuencia, una supecfiz:jc realrncnte plan;J de ia pieza (c~.; !Wa en la que el ángulo enire b.s dos superficies de !a fig . .35.1 l ~~sea cero) nrt dc.c_,compondrá el r<.1yo de y uo
.S.
i<:edondez Se suele describü- a !a redondez. como una desviación Je la forma redonda real, que se maojflesta rnaternáticamente en un círculo. El término fuera de redomiez (ovalamiento) es, en rcaliclael, más elescri.ptivo de la forma de la pieza (fig. 35. J2a) que "redondez". La redondez real es esencial para e.l funcionamiento correcto de los ejes giratorios, pistas ele rodamientos, pistones y cilindros, y de los balines en los rodamientos. Los métodos para medir la redondez caen en general en dos categorías. En la primera, la pieza redonda se coloca en un bloque en V o entre pumos (figs. 35. 12b y c, respectivamente) y se hace girar, mientras que el palpador del indicador ele carátula queda en contacto con la superficie. Después ele una rotación completa ele .la pieza se
Las roscas y los dientes de engranaje tienen varias propiedades, con dimensiones y tolerancias específlca''Se deben con precisión esas dimensiones para obtener a) funcionamiento uniforme de los engranajes, b) ia ,-ed1tcci6n ele las magnitudes ele desgaste y ruido y e) factibilidad de intercambio ele las piezas. Estas se miden básicamente con caRibraclores ele roscas de diversos diseños, que companm la rosca con una rosca patrón. Algunos ele los calibradores son los calibradores de tapón p'-1.r'n rnscm;, los r.a!lbradores de paso de rosca (parecidos a los calibradores de radios; véase la fig. 35.l Ja). los micrómetros comparadores para roscas y los ciiHbraclores instantáneos (sección 35.7), con topes cun h forma de b1s roscas. Los dientes de engranaje se miden con a) instrumentos parecidos a los micrómetros de carátula, b) calibraclor,,,; (fig. 35.14a) y e) micrómetros con pernos o bolas de distintos diámetros (fig. 35. l4b). También se consigue equipo especial para medición ele perfiles, como proyectores ópticos y máquinas ele medición por coordenadas .
35 ,5,6
ópticos ele contorno Los proyectores ópticos de contorno, llamados también comparadores ópticos se comenzaron a usar en la década de 1940 para comprobar la geometría de las herramientas de corte para maquinar roscas, pero hoy se usan para comprobar tocios los perfiles (fig. 35. 15). La pieza se monta en una mesa o entre puntos y la imagen se proyecta en una pantalla con aumentos ele lOOX o mayores.
(a)
-jf\
(b)
f\ ···.·Pieza·~·· \._J· ·-~ .· · ·. ..
~~<'
Calibradores
FlGURA 35,13 Perfiles de medición con a) calibradores ele radio y (b) indicadores de carátula.
956
j
Capítulo 35 / i\/íetrología e inslrurnentación industrial
f
(a)
957
Sección 35.6 /Máquinas de medición por coordenadas y máquinas de trazado
(b)
(a)
~
.i
ji Perilla de ,wance fino en el eje Z
ensor
~ JJ
~
Calibrador
_..;--~~ ~
I
I
Pieza
-~~
~.. ·---l~>~:~-.;;~::.=+~-:.--
l ~-:=::::=~~~-,¡
_..,___-
1
Husillo de eje Z"' -..._1 Adaptador ~l ' :I de sensor
¡~ . ·'"(t
~ [~~\/{esadcmcdición,~ ~··
Lif /.;. <-/ I
Perilla del sujetador de sensor
FIGURA 35.14
Medición de espesores y perfil de diente con (a) un calibrador de dientes de engranes y
{b) pernos o bo!as y un micrómetro. Puente: American Cear tv1anufacturers Association.
Tablero de operación
Soporte .---//de la máquina
//1
LV
,
Peril1a de avance fino en el eje Y/
t!GIJRA 35.Hi (a) Esquema de uno de !os tipos de máquinas de medición por coordenadas. Componentes clt; otro tipo de máquina de medición por coordenadas. Estas máquinas se consiguen en diversos tamaño'; y niveles de automatización, así corno con una diversidad de sensores (que se fijan al ~daptador correspondiente). Son capaces de medir varias propiedades de una pieza. Fuente: Mitutoyo Corp.
(b)
f!GURA 35.15 Proyector de contornos de banco, de rayo horizontal, con pantalla de 16 pulgadas e iluminación de halógeno y lungsteno ele 150 W. Cortesía de L. S. Starret
Cornpany, Precision Optical
FIGURA 35.17 Máquina de medición por coordenadas. Brown & Sharpe Manufacturing Co.
Division.
máquinas medidoras, son muy versátiles; son capaces de anotar mediciones de perfiles complicados, con alEn la pantalla se hacen en forma directa las mediciones lineales y angulares; la pantalla está marcada con líneas y círculos de referencia, y se puede girar para poder hacer medidas angulares desde l min. con vernieres como los de la fig. 35.4b.
35.6 MÁQUINAS DE MEDICIÓN POR COORDENADAS Y MÁQUINAS DE TRAZADO Las máquinas de medición por coordenadas y las de trazado son desarrollos importantes en la metrología. En forma básica consisten en una plataforma donde Ja pieza que se va a medir se coloca y a continuación se mueve en línea recta o se gira. Un sensor, fijo a una cabeza capaz dé moverse en sentido lateral y vertical, regis· tra todas las mediciones (fig. 35.16). Las máquinas de medición por coordenadas, que también se llaman
ta sensibilidad (0.25 µ,m; JO µ,pulg), y con alta velocidad. Estas máquinas tienen construcción rígida y son muy precisas. Tienen indicador digital y también se pueden conectar a computadoras para inspecciones de piezas en línea (sección 35.9). Se pueden instalar cercoi de las máquinas herramientas para hacer eficiente la inspección y tener retroalimentación rápida; de esta forma se corrigen los parámetros de procesamiento antes de fabricar Ja siguiente pieza. Las máquinas de medición por coordenadas se hacen cada vez más robustas, para resistir los efectos del ambiente en la> plantas manufactureras, como son variaciones de temperatura, vibración y polvo. En la fig. 35.17 se ve una máquina de medición por coordenadas para inspeccionar monoblocks. Con las máquinas trazadoras se pueden medir dimensiones de piezas y piezas grandes, y además tienen indicador de carátula digital. Estas máquinas tienen también punzones de grabar, para marcar dimensiones en partes grandes, con una precisión de ±0.04 mm (0.0016 pulg).
_,
-
Sección 35.7 /Galgas 958
(a)
35.7 HastrJ ahora sólo se ha mencionado de paso ia palabra ga~ga para desciibir varios tipos de instrumentos de medición como calibre plano, galgas ele profundidad, galga electrónica y galga de radios. Como hemos vis. to, la palabra calibrador tiene distintos significados: de presión, de deformaciones (galga) o calibradores de láminas, alambres, rieles de ferrocarril y cañones de arma. Esta sección describe unos calibradores que consisten en Cllcrpos simples macizos y que no se pueden considerar como instrumentos.
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(b)
PASA
NO PASA
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PASA
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35.7. !
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Las golgas, inventadas por C. E. Johansson a principios de la década de 1900, se llaman también bloques de .Johansson. Son bloqLtes individual.es metálicos, rectangulares o redondos, ele diversos tamaños (véanse las galgas en la fig. 35.5), fabricados con mucha precisión, con aceros aleados con tratamiento térmico y relevr,do de esfuerzos, o con carburos. Sus superficies se asienl
gran precisión es necesvrio C'.Onlrolar In
temper~tura
del arnbiente.
)
Grado 0.5 (antes AAAJ: galgas de rcCerencia, para trabajos de gnm precisión. Grado
J
(AA): grado laboratorlo. para calibnu· instrumento,s y otras galgas.
()rndo 2 (A+ J: grado de precisión, para cuartos de herramientas e inspección.
·Grado 3 (A y B): grado para tr::1bajar y usarse en producción.
35 .7.2
fijos Los calibradores fijos son réplicas de las formas ele las partes o piezas que se van a medir. Aunque son fáci· \es de usar y poco costosos, sólo indican si una pieza es muy pequeña o muy grande en comparación con un patrón establecido. No indican las dimensiones reales. a. Los calibradores de tapón se usan para orificios (figs. 35. 18 a y b ). El colibrador paso ( GO) es me· nor que el coíibrador no paso (NOT GO o NO GO), y se desliza en un orificio que tenga una dimensión menor que el diámetro del calibrador. El calibrador no pasa no debe entrar en e! orificio. Para esas medidas se requieren dos calibradores, aunque ambos pueden estar en una misma herrn· mienta, sea en sus extremos opuestos, o en fom1a de dos pasos en un mismo extremo (calibrador de es· calón). También se consiguen calibradores de tapón para medir conicidades internas (en los que las diferencias entre el calibrador y la paite se indican por la holgura del calibrador), estrías y roscas (en los que el calibrador PASA debe atornillar en el orificio roscado).
r.I
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NO PASA
\\ \~
,........., ~,'"--~ '-.~ '
fiGURA 35.13 (a) Calibrador ele tapón para or'1ficios, con PASA-NO PASA en extremos opuestos. (b) Calibrador de tapón con PASA-NO PASA en un extremo. (e) Calibradores de anillo simple para calibra1· varillas cedonclas. !'-lótese. la cliierencia en las superficies moleteadas, para identificar los dos calibradores.
(d) Catibradoc instanláneo con topes aiustables.
Las galgas individuales se arman con torsiún, que es en realidad nn mov]miento de deslizarnlenlo y giro. Las pcl ículas de humedad y aceite, adsorbidas entre las galgas, producen presiones negativas en ia in ter· fase y de este modo se hace que las galgas se adhieran entre sí. Este fenómeno se parece a la tendencia q•1e tienen los papeles a pegarse cnlre sí, cuando el ambiente e~, hü1ncdo. Aunque para usarlas se necesita cier'ta dcslre7-a, los conjuntos de gaJgas se emplean con frecuencia en b industria como precisión IongitucUnal de refereneia. Las galgas desgastadas o dañadas no se deben u.sw· cuando se requieran n1ediciones muy exactas, aunque pueden seguirse usando cuando se necesil<:; rnenor prt cisión. La::; galgas de ángulo se fabrican en la misma forma, y se usan para calibración úngulos. §.,os cuatro grado~~ büsicos de l{JS g¿1fgas, por precisión decreciente, son 1os siguientes:
illllll...:..._:
959
Capitulo 35 /Metrología e in~lruincntación ind11.-,trial
b. Calibradores de anillo (fig. 35. J8c) para medir ejes y demás partes redondas . .Para medir roscas ex ter· nas se usan c;ilibradores de anillo con rosca. Las funciones PASA y NO PASA de esos calibradores se identifican por el moleteado en los diámetros externos de los anillos, como se ve en la figura. c. Los calñl:Jraclores i11stantlÍJ.MoOS (fig. 35.18d) se usan con frecuencia para medir exteriores. Se fabrican con superficies ajustables de calibración, pai·a partes que tengan distintas dimensiones. Una de las su· perficies de 1.:alibración se puede ajustar a un intervalo distinto de la otra y obtener así un calibrador PA · SA-NO PA.S>I de una unidad.
35.7.3 Aunque hay varios tipos de calibradores neumáticos, llamados también calibradores de aire, su funciona·· miento básico se ve en la fig. 35.19. El cabezal del calibrador tiene orificios por los que escapa aire a presión, suministrado por una tubería de presión constante. Mientras menor sea el espacio libre entre el calibrador y el orificio, el aire liene mayor dificultad para escapar y la contrapresión es mayor. La contrapresión, ln cual es sensada e indicada con un manómetro, se calibra para determinas varia.cío· nes dimensionales de orificios. El principio de los calibradores de aire se puede comprender al soplar a lm· vés de un popote para bebidas, sujetándolo verticalmente sobre una superficie plana, y variando la di>tancia de la punta a la superficie.
Manómetro
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Parte
~/rificio
.L-E!Ji JiM!>
FIGURA 35.19 Esquema de un calibrador neumático.
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%0 Capítulo 35 /Metrología e instl'urnentoción industria/
:isJ3~NSTR!JMENmsorncos-----------------
Sección 35.11 /Dimensionamiento geométrico y establecimiento de tolerancias
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Los rnkrosc . --..._ - -----------.. . . . . et 1 ' opios son los rnst·ume t • Como resultado de estos factores, vanan las dimensiones de las piezas y se hace necesaria la vigilancia i 1enam1entas d d , nos opacos J , ' a os y piezas de p _ 1ai" ver y medir detall, contmua dmante la producción. equenas a media E es, formas y d " CU<1rtos de herr· . aa móvil e . amienta es e! microsco fo nas. l m1croscoo10 más , • unens1ones muy finas~-------~ delos, con ~u~~~ direcciones prmc¡pales y~u p~:l he~nunentista (tooJmak:e;"s c~~un y versátil que se usae135.1 O CARACTERÍSTICAS G Ei'-1 ERALES Y SELECCIÓi'~ 1 La mspecc~2:~ ~iversas para msp;ccwnes e~ ;~~~ ~.s d~ 2 5 µm (0.000! puJg) r~~c~;e~. T,ene unap/a11 DE LOS INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN
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1
dan rnspeccionar ob e:~ si~temas de med1c16n ó tlco ' ',z_a dS, mc!uyendo la present .. n,1guen vanos rno 1Jumrna:r pai ~etoo o superficies demas 1 p s se están desarrollando e t ~ acion d1gJ!al. ' a usar un m1c .1ac.o a1eJados d l , n a11orma qu t óptJCa hasta de Toscopio noríllal Ent"e , . e mstrn111ento, 0 que, e amb1én se pue. 6 m, con d1ámet"o d r. " esos mst.rumento " wean delicados o dif' ¡ ' lores, con diámetros de s esde 0.6 mm que se pu .1 , s i;stan los fibrascopios ( º , ' ici es ac ' 1 2 mm pai ·1 v, JUnto co euen rntroduc1 Sensores de fib · ll una d1ve1sidad de ec ' ' er superficies mternas JP ,r por pasajes) y los viso 'd : ra a ¡n1acenam1ento •. ¡u1pos accesonos de . equena, y p10Ji.mda res e mte. Y aoalisis de daros video Y computanzados 's. Estos apa1atos se usan . con progrn , . 'l11<1s con !unciones de
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Mkm;c<>pio de 1.., reiltj,d,. faYllilw'"· y b) d de y reo,b;i m iw>
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Las caractensncas y la calidad de los mstrumentos de med1c1on se describen con diversos termrnos espec1ficosque se defmen como sigue:
l. P1·ecisión. El grado de c01nc1dencia entre la chmens1ón medida y su magmtud real. 2. Amplificación. Véase Magmficación. 3. Calibración. Ajuste o adaptación de un insu-umento para obtener ind1cacwnes que sean exactas respec. to a un patrón de referencia.
4. Deriva. Véase Estabilidad.
5. Linealidad. La precisión de las indicaciones de un instrumento en todo su intervalo de medición. 6. Magnificación. Relación de la "salida" del instrumento con la dimensión "que entra"
7. Precisión. Grado con el que ei instrumento produce indicaciones repelidas en la medición del m1sim'
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tiene 1ma excelente profundidad de cam- '
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A diforencia ele los micmscopios ópticos ordinarios, e] micros-
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d. Errores humanos y cálculos equivocados.
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8. Precisión de re¡ietición. Lo mismo que la precisión, pero repetido muchas veces
"l'. Resolución. La dimensión mínima que puede indicar el instrumento.
:rn.
Regla ele 10 (regla del.fabricante de calibradores), Un instrumento o calibrador debe ser l O veces más exacto que las tolerancias dimensionales de la pieza que se mide. El factor de 4 se llama regla nonn({/ de mil (milésimos de pulgada), en el sistema inglés.
1l 1. Sensibilidad. La mínima diferencia de dimensiones que puede distinguir o detectar un insmunento. 12. Veiocidad de li:'<:s¡nJ.esta. La rapidez con que un instrnmento indica la medida. en especial cuando se mi-
den vnrias piezas en sucesión rápida. B. Estabilidad. La capacidad de un instrumento para mantener su calibración durante cierto tiempo; a falla de estabilidaJ se le llama deriva o corrimiento. También, la selección de un instrumento adecuado de medida para determinada aplicación depende de a) el tamafio y el tipo de las partes que se van a medir, b) el ambiente (temperatura. humedad, polvo, ele.), e) destreza requerida del operador y d) costo del equipo
35.11 DIMENSIONAMIENTO GEOMÉTRICO Y ESTABLECIMIENTO DE TOLERANCIAS Las partes y componentes fabricadas en forma individual terminan armándose y formando productos. Se da por hecho que cuando, por ejemplo, se fabrican mil podadoras de pasto y se ensamblan, cada pieza de la pucladora entrará en forma correcta en otro componente. Por ejemplo, las ruedas de la podadora se deslizarán con facilidad en sus ejes, o los pistones de un motor ajustarán bien en los cilindros, y en ninguno de los casos las piezas quedarán demasiado apretadas ni demasiado sueltas. En fonna parecida, cuando hay que cambiar un tornillo roto o desgastado en una máquina vieja, se compra un tomillo idéntico. Tenemos confianza que, por nuestra experiencia, el nuevo tornillo entrará bien en Li máquina. La razón de nuestra confianza es que el tomillo se fabrica de acuerdo con ciertas normas, y que las dimensiones de todos los tomillos equivalentes varían en cantidades pequeñas y especificadas. En otras palabras, los tomillos se fabrican con cierto intervalo ele tolerancia dimensional.; así, todos los tornillos semejantes son intercambiables. También se espera que el nuevo tori:illo funcione en forma satisfac-
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Capi'tulo 35 /Metrología e inslrumenlac:ión indus!Tial
Sección J5. 11 /Dimensiona.miento geométrico y establecimiento de tolerancias
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loria durante cierto tiempo, a menos que se abuse de ¿¡ o se use maL Los lomillos se someten en forma pe. ríódic.1 a pruebas, durante su producción, para asegurarse de que su calidad se apega a las especjficac:iones (véase también e[ capítulo 36). La tolerancia dimensional se define como la variación permisible o aceptable en las dimensiones (al. tura. ancho, profundidad, diámetro, ángulos) de L1m1 pai1e. La raíz de esta palabra es tolerare del latín. que quiere decir aguantar o planear de antemano. Son inevitables las tolerancias, porque es virí.ualmente imposible (e innecesario) fabricar dos piezas que tengan precisamente las mismas dimensiones. Además, como las tolerancias dimensionales son estrechas, pueden aumentar el costo del producto en forma importante, y son inconvenientes desde el punto de vista económico. Sin embargo, las tolerancias estrechas son necesarias para que ciertas piezas funcionen en forma correcta, y en consecuencia vale la pena el gasto adiciona·¡ asociado con ellas. Corno ejemplo de lo anterior están los instrumentos y calibradores precisos, los pistones hidráulicos y los cojinetes para motores de aviación. Una actividad llena de desafíos es la medición de tolerancias dimensionales en las piezas. con rapidez y confiabilidad. Por ejemplo, cada una de las 6 millones de piezas ele un avión Bocing 747 -400 requiere rn~, dir alrededor ele 25 propiedades, y la cantidad total de mediciones llega al total de 150 millones. Encuestas realizadas recientemente en Estados Unidos, por el Instituto nacional de normas y tecnología (NIS'1~ Nalional Institute o/Srandards ami Technoiogy) demostraron que h; tolerancias dimensionales de las piez.as manufa.cturadas con tccnologfas uHramodernas, bajan en un factor de 3 cada JO años, y que esa tendencia continuará. Se estirna que las preósiones de a) los tornos y las fresas convcncion~lles (capítuJos y 23) subin.in pronto desde ias actuales de 7.5 p,m, hasta 1 ,tirn; b) las cortadoras de oblea~ con rueda de diamante, en Ja fabricación de semiconductores, llegarán a 0.25 ¡.cm; c) los tornos de precisión, con diamante, llegarán a O.O i ¡Lm. y d) que el maquinado de u!traprecisión. con haz de iones, IJ.egará a menos ele 0.00 l p,m.
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dei control de
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(e)
1 1 1
Diversos métodos de asignar tolerancias a un eje. Fuente: L.
FIGURA 35.21
!1
lubricación y las variaciones en las propiedades de la materia prima. Si ahora especificamos un intervalo ele diámetros para la barra y el orificio en la n1eda, podremos anticipai-. en forma correcta, qué tipo de ajuste se lograr{\. Se ha establecido cierta tecnología pai:a definir con claridad esas cai1tidacles geométricas; como ejemplo tenernos al sistema ISO Organización internacional para la nor· rnalización). que se ve en la fig. 35 .20. Nótese que tanto deje como el orificio tienen diámetros mínimo y máximo., respectivamente, y la diferencia es la lOlerancia para cada miembro. Un buen dibujo técnico debéO
\
especificar cslos parárnclros con sus valores numéricos, como se ve en la fig. 35.21. En varias figuras y tablas de este libro se muestran Jos intervalos de tolerancia;; dimensionales posibies en los procesos de manufacturn. Hay una relación general entre las tolerancias y d tmnaño de la pieza (fig. 35.22)
1
í
flGURA 35,22
dimensionales
~~¡la parte debe armarse con, o debe conesponder a otra ¡nrtc. Las superí]cies que son libres y no intervienen en el funcionamiento, no necesitan de.un control cerrado de tolerancias. Asf, por ejemplo, la precisión de los orificios y la distancia en'Lre ellos, en una bleJa, son mús crfücos que d r.mcho y el espesor de la biela en varios lugares en su longü~ud (véase 1.a fig. 14. 7). Al revisar las figun-ts de 1ibro se pueüc determinar qué dln1ensiones y propiedades de las piezas ilustradas son más criticas que OU'J5. Para apreciar la importancia de las tolerancias dimensionales, imaginemos el ensamble de un eje rcdnn·· do sencillo en una rueda con orificio redondo. suponiendo que se desea que el diámetro del eje sea l pulg (!'ig. :!5.20). Uno V(l a una ferretería y compra barra redonda de 1 pulgada y una rueda que tenga un orificio de l pulgada de diámetro. ¿Entrará el eje en el orificio, sin forzado y sin que quede suelto en su imerior'l La dimensión de 1 pulgada es el tamaño nomina~ deJ eje. Si compramos esa barra en distinto:--; lugares o m tiempos distintos, o seleccionamos una dentro de un lote grand.e, es probable qm' cada varilla tenga un diámetro un poco diferente. Las máquinas, con los mismos ajustes, pueden producir barras de diámetros un poco cliforentes, dependiendo de varios factores. como por ejemplo la rapidez y la temperatura de funcionamiento. la
(b)
(a)
los muchos
Tolerancias en función clel tamaño de pi<;z,1,
L1ctorr~-; que inLervienen,
Las iolerancias dimensionale.s sólo son importames
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FIGURA 35.20 Tamaño básico, desviación y tolerancia en un eje, según el sistema ISO.
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Dimensión carncteristica ele \a pieza (mm)
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Capítulo 35 /Metrología e instrumentación lndustriai
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N4
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Scccién Js.·11 /Dimensionamiento geométríco y establecimiento de tolerancias
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N7
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N9 NlO Nll N.12 !SO No.
0.025 0.05 0.1 0.2 0.4 O. 100 -----r-r--,---,---¡
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Dimensión bisica o exacta
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y entre las tolerancias y el acabado superficial de las piezas producidas con diverso> procesos (fig. 35. 23). Nó·· tense los amplios márgenes de tolerancias y acabados superficiales que se obtienen; también, que mientras mayor sea ia parte, el intervalo de tolerancia obtenible es mayor. --=~:.s.
· ; .2
® Independiente del tamaño de la propiedad
1_cac10n --:;··-·-.-.,------·--·- -. _,
¡
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Excentricidad total .
1
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Zona de tolerancin proyectada
0 1
Zona o propiedad de tolerancia en diámetro
~Jiiis(f0)1~ ~~co
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de control de propiedad
~nbolo
Rugosidad superficial (Ra)
f!GURA 35.23 Tolerancias y rugosidades superficiales obtenidas en diversos procc:sos de manufactura. Estas lolerancias se apiican a. una pie.za de 25 mm. Fuente: J. A. Schey
Condición máxima de malerial
O
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63
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R~~~:~~;~ª -·----¡~p;-rn~srn-;,----=:-~---L!! -, Posición •$ .referencia) li .u.. . . , Conccntnc1dad \U1 . \~,~ce:::~~ '~}~~~~~~
32
Sfrnbo1o de propiedad de referencia
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ºI . ~Perfi1 d~ ~- ;-~···-1 1·e1'.~cionadl-~~~~J-····~1i~;~~~~~~'.ic-i~t!E~=
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de objetivo de rdcrcncia
FIGURA 35.24 Símbolos ele caracte1·ística geométrica que se deben anotar en el dibujo técnico de ias partes que se van a manufacturar. Fuente: The American Society of Mechanícal Engíneers.
7. Dimensiones límite. Las dimensiones máxima y mínima ele una parte; también se llaman límites. 8. Esliablecimiento de tolernncias de posición. Sistema para especificai- la posición, tamaño y forma re'1les de las propiedades ele una pieza, que incluye las variaciones admisibles.
9. Estab!ecimñento de to!eni:ncias geométricas. Tolerancias que implican particularidades de forma é;n la parte.
HJ. llfatahlecimienfo de tolerancias uniiateniles, Desviación sólo en una dirección respecto a la r.limens;(,¡¡
Para describir las características ele relaciones dimensionales entre partes correspondientes se usan varios término;.. En las nornrns ANSI 84.2, ANSI Y 14.5 e ISOITCIOISCS aparecen los detalles ele esas clefinicioncs. Por !a:; relaciones geométricas compiicadas que se rnanejan, entre las partes que se van a ;irmar, es inevitable que las definiciones de esos términos sean algo confusas.
H. Grado internacional de tolernncias, Grupo se tolerancias que varían dependiendo del tamaño básico,
En la fig. 35.24, se muestran los símbolos de uso frecuente para indicar las car-acierísticas georner.ricas. A continuación definiremos en forma breve los términos de uso frecuente, en orden alfabético.
12. Holgura: El espacio entre las piezas correspondientes.
nominal.
pero proporcionan el mismo nivel relativo de precisión dentro de un grado.
13, Interferencia. Holgura negativa.
1. Aji¡ste de interferencia. Ajuste que limita el tamaño de tal modo que siempre se tenga interferencia al armar las partes.
2. Ajuste de transición. Ajuste con holgura pequeña o interferencia, que permite Llbicar las partes correspondientes con precisión. 3, Ajuste flojo. Ajuste que permite giro o deslizamiento entre las piezas correspondientes. 4. Ajuste. Grado de holgura o firmeza que resulta de la aplicación ele una combinación específica de holgura y tolerancia en el diseño de las particularidades de las partes compañeras.
5. Característica. Parte ffsicamente identificable en una pieza, como orificio, ranura, perno o bisel. 6. Condición de material máximo. La condición en que una propiedad de determinado tamaño contiene l!l máxima cantidad de material dentro ele los límites establecidos para ese tamaño.
14. Línea cero. Línea de referencia a lo largo del tamaño básico, respecto a la cual se especifica un intervalo de tolerancias y desviaciones. 15, Referencia (Datum). Un eje, punto, línea o plano teóricamente exacto.
16, Sistema basado en-eje. Tolerancias basadas en una línea cero sobre el eje; también se llama práctica normal de eje o sistema básico de eje.
17. Sistema basado en orificio, Tolerancias basadas en una línea cero en el orificio. También se llama prdctica normal de orificio o sistema básico de orificio. 18. Tamaño básico. Es la dimensión de la que se derivan los límites de tamaño, mediante tolerancias y hol·· guras.
19. Tamaño estándar. Tamaño nominal, en enteros y subdivisiones comunes ele longitud.
~~~~~~~----------. . . . . . . . . . . "'\11!
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Tendencias
96(S
967
Cap1'1u!o .1.S / Metrologla e inslrumenlación industrial
Símbolo ISO Base eje
'.W. Tmnaiiio 1rnomiITT.3!l. Dimensión aproxiruacb que se usa para identificación genernL Toi1eranda
bñia~erali.
Es la desviación (positiva o negativa) respc:cto al tan1año
Bu.se orificio
bá~ico.
'fo!ernnda de ajuste. Es la diferencia especificada en !as dimensiones de las piezas que se ensamblan: también se llama dimensiónjúncionnl o dimensión de suma. Como las dimensiones de Jos orificios son más difíciles de controlar que !as de Jos ejes, se suele usar el sistema basado en orificio para especificar tolerancias en los conjuntos de eje y orificio. Los símbolos que se acostumbra usar para indicar las características geométricas se ven en !as fígs. 35.24 a y b.
Ajustes con holgura Sucllo, móvil Libre, móvil Estrecho, móvll Deslizante Holgura de loc;:ilización Ajustes de rransició11 De transición. locaHzación (exacla)
De transición, !ocoJización (mc1s exacla)
Hil/cll H9/d9
Cil/hl l
H8/f7
D9/h9 F8/h7 G7/h6 H7/h6
H7/k6 H7/n6
K7/h6 N7/h6
H7 /p6 H7 /s6
P7 /h6 S7 /h6
Ajustes de inre¡j'ere!lcÍl~
35.
De. intcrfer~ncia, locakr,ación De fuerza mediana
.3 Límites y Los límites y los ajustes son esenciales para especificar dimensiones de orificios y eje. Hay dos normas acerca de límites y ;~usles. de acuerdo con el Instituto nacional americano de normas (véanse las normas ANSI t'A. 1, B4.2 y B4.3). 1.Jna se basa en el sistema inglés y Ja otra en el sistema métrico, y se ha desarrollado con mayor detalle. En estas normas las letras mayúsculas siempre se refieren al orificio, y las minúsculas al eje. En el sistema ingks, los ajustes se dividen en las siguientes clasificaciones generales, cada una ele cuales l icne Límites de holgura, y el tamafio de orifióo es el tmnaño !xfojco:
Ajuste de fuerzas - - - - - - - · - - - - - - -H7 -/uó - - - - - -U7-/h6- - -
RES U1\1\E 1'-.J
sÜ~JUe
En 1a tecnología moderna de la rnanufactura se procesan muchas piezas con un alto grado de precj~ión, por lo que se requieren instrumentos de medición que tenga diversas funciones y características. ,. Se pueden conseguir muchos aparatos para inspecciones, desde simples galgas hasta medidores electrónicos de gran sensibilidad. La selección de cualquier instrumento de medición depende de factores como ei tipo de medición para el que se vaya a usar, el ambiente en el que se va a usar y la precisión
Clase RC.-3. Ajustes de pr('cisión con nwvimiento, para trabajo de precisión~ a bajas velocidades y pn:--
" Se deben comprobar los medidores en forma periódica, contra un patrón confiable. La humedad, el c:tlor, el frío. la vibración y el polvo pneden tróner efectos adversos sobre la precisión y Ja confiabilidad
¡\justes desli~:antes y giraLorios, que se subctividen en las siguientes da.ses: Clase RCl. Ajusics estrechos deslizantes. p::iraco!ocaclón exacla de las pieza~ por en:samblm·, go perceptible.
Close RC.2. Ajustes deslit.:antes, para pit.'jzas que giran y se inueven con facilidad.
G
requerida.
sioncs ligeras.
de los calibradores y sus mediciones. También son puntos importantes la destreza necesaria en el ope-
Close RC4. i\jus1es cs!'.reclws de movimienlo, para maquinaria de precisión con vc!ocidades y prc,si1¡-
rador y el costo de ln inslrumentadón. Se ha <:1vanzadü mucho en 1-:1 medición automatizada. conectando los dispositivos n1edidores con mic1\J~ procesadores y computadoras. para tener un control exacto dentro del proceso, de las operaciones de nrn·· nufactura. La interconexión confiable. la vigilancia, distribución y manipulación ele datos son factores importantes, as( como los costos incurridos ai implementar lo anterior.
rnodcrada~.
Clases RC5 y RCYi i~jn'.·fcs intermedios de 1novitniento, para mayores veioc]dades y pres.iones 8-lla~~.
Close RC7. Ajustes de movinüento libre, donde no es importante la precisión.
Clases l-?.C8 y RC9. Ajustes flojos dP f1'WVimienlo. Ajusles de ubicación con holgura, para piezas estacionarias que se van a ensamblar y a desarmar libremente.
Ajusfes de ubicación de lransición, donde es importante la precisión ele !a ubicación. " Ajustes de ubicación de inte1ferencia, donde es muy importante la precisión de ubicación, y para piezas que requieran rigidez y alineamiento correcto. <> Ajustes de ji1erza y de inte1ferencia, que se snbdividen en
" Las tolerancias dimensionales y su selección son factores importantes en Ja manufactura. Las tolerancias no sólo afectan la precisión y la operación de todos los tipos de maquinaria y equipo, sino también. en forma impo1tante, el costo del producto. ,. Mientras más reducido (más estrecho) sea el intervalo de tolerancias e>-pccificado, el costo de producción será mayor. Las tolerancias deben ser tan grandes corno sea posible, pero también deben apegarse a los requisitos de funcionamiento del producto.
las siguientes clases:
Clase FNI. Ajustes de ensamble ligero, para conjuntos que requieran presiones ligeras. Clase FN2. Ajustes de fuerza intermedia, para piezas ordinarias y ajustes de interferencia en secciones ligeras. Clase FNJ. Ajustes de gran fuerza, para piezas más pesadas e interferencias en secciones intermedias. Clases FN4 y FN5. Ajustes de fuerza. para piezas que van a quedar muy forzadas.
En el sistema métrico, la ISO clasi fíca en forma parecida a los ajustes, que se desc1ibcn como sigue·
TENDENCIAS " Se hacen estudios, en forma continua. de la precisión, confiabilidad y rapidez de los instrumentos de me .. dición, y ele las máquinas de medición por coordenadas, usados en forma individual o como componentes en sistemas de manufactura con cómputo integrado.
%8
Capítulo 35 /Metrología e instrumentac:ión industria!
Problemas cualitativos
"' La medición e inspección automatizada continuarán siendo partes esenciales de todas las operaciones ele manufactum. •w
Los calibradores de PASA o NO PASA están siendo desplazados por otros que producen una medición numética, requeridos en el control ele calidad y sus técnicas cstadfstieas en manufactura.
969
PREGUNTAS DE REPASO 35.l Explique qué quiere decir "patrones de medición". 35.2 ¿Por qué es importante controlar la temperatura mientras se miden las dimensiones?
" Las tolerancias dimensionales y su control durante la manufactura continuarán siendo factores importantes en la calidad y confiabilidad de los productos.
35.3 Explique la diferencia entre mediciones lineales de lectura directa y de lectura indirecta. Cite los nombres de los instrumentos que se usan en cada categoría.
" Los instrumentos electrónicos de medición, corno los micrómetros digitales y las rmíquinas de medición por coordenadas, se están integrando con diversos programas para el contrnl estadístico de los procesos de n1anufactura.
35.5 Explique cómo funciona una rejilla de difracción.
35.4 Describa el principio de un vernier. 35.6 ¿Qué quiere decir "medición comparativa de longitudes? 35.7 Describa las características de los calibradores electrónicos. 35.8 Explique cómo se mide la planicidad. ¿Qué es un plano ópticoº 35.9 Describa el principio de un comparador óptico.
CLAVE
------------
35.10 ¿Por qué la-; máquinas de medición por coordenadas se han vuelto insln1mentos
t&l
importantes?
35.11 ¿Por qué hay distintos grados de galgas? Ajustes Autoco1imador B¿irrn de senos Calibrador Caiibrndor de anillo Calibrador de tapón CaEbrador fijo Calibrador instantáneo Calibrador neumático Calibrador vernier Escundm ajusiable Ga!ga
Galgas o medidores electrónicos Indicación digital Indicador de carátula fnstrumento Instrumentos de línea graduada Instrumentos de medición longitudinal comparativa foterferometría Lectura total del Indicador Límites rv1áquina de medición por coordenadas Máquina trazadora
35.12 ¿Cuál es la diferencia entre un calibrador de tapón y uno de anillo? Metrología industrial Micrómetro Microscopio del herramenfista Patrones de medición Plano óptico Precisión ProyecLor óptico de contornos Rej[lla de difracción Resolución Sensibilidad Tolerancia Tolerancia dimensional
35.13 Desc1iba lo que quiere decir "inspección automatizada". 35.14 Haga una lista y explique las características generales de los instrumentos de medición. 35.15 ¿Qué son tolerancias dimensionales? ¿Por qué es importante su control? 35.16 Explique la diferencia entre tolerancia y tolerancia de ajuste. 35.17 Explique qué quiere decir "ajuste de partes compafierns (o coJTespondicntes)". 35.18 ¿Qué es una barra de senos? ¿Por qué tiene ese nombre? 35.19 ¿Cuál es la diferencia entre tolerancia bilateral y unilateral? 35.20 ¿Cómo se mide la rectitud'>
35.21 ¿Cómo
8e
hacen ]as mediciones indirectas?
PROBLEM.AS CU/dJTATIVOS
B
35.22 ¿Por qué se confunden con tanta frecuencia. en forma inconecta, las palabras "exaclitud" y ··precisión"?
35.23 Explique por qué determinado instrumento puede no tener la precisión .,uficiente. Bentley, J.P., Principies qf Ivleasurement Aúdison-Weslcy, 1995.
S~-vsLems
35.24 Explique cómo la presencia de humedad y aceite entre las galgas produce presiones negativas.
(3d ed.).
íljorke, O., Computer-Aided Tolerancing (2d ed.j. ASME Press, 1992.
Bo.sch, .f.A., Coordinare Measuring 1l1achines and Sysiems. Marce! Dckker, 1995. Crevcling. C.M., Tolerance Control: A Handbook for Developing Optima! Specifications. Addison-Wcsley, 1996. Farago, F.'L, and M.A. Curtis, Handbook of Dimensional Measurement (3d ed.). Industrial Prcss, ! 994.
Gooldy, G., Geometric Dimensioning and Tolerancing (Rev. cd.). Prentice Hall, 1995. Henzold, G., Handbook of Geometric Tolerancing: Design, lvlanufactw"ing and ln.spection. Wiley, 1995. Kennedy, C.W., E.G. Hoffman, and S.D. Bond, lnspection and Gaging (6th ed.). Industrial Press, 1987.
LiggHt, J.V, Dimensional Varia/ion l!1unage111cnt l1andbouk:
35.25 ¿Por qué los procesos de manufactura producen piezas con tolerancias con límites tan grandes?
A Guide Jor Qualily, Design, cmd Nfanufacturing Engineers, Prentice Hall, 1993. Machinery's Handhook. Industrial Prcss (revised periodically). lv1eadows, J.D., Geometric Dimensioning and Tolerancing.
35.26 Explique por qué se necesita la inspección automatizada.
Marce! Dekker, 1995.
35.27 Las tolerancias dimensionales de los materiales no metálicos suelen ser mayores que las de los materiales mctalico:-1. Explique por qué. 35.28 Comente sus observaciones acerca de la fig. 35.23. ¿Por qué aumcntn la tolerancia dimensional al amnentar la rugo sidad de la superficie?
- - - , Measurement of Geometric Iólerances in Manufacturing. Marce! Dekker, 1998. Too! and Manufacturing Engineers Handbook (4th ed.), Vol. 4:
35.29 ¿Se pueden automatizar los calibradores de la fig. 35.18 para usarlos en una fábrica con gran volumen de producción" Describa ejemplos.
Quaiity Control andAssembly. Society of Manufacturing Engineers, 1987.
35.30 Dijimos en la sección 35.7 .1 que hoy se están fabricando galgas de circonia. ¿Cuáles son las ventajas y las limitaciones de esas galgas'?
Whitehouse, D.J., Handbook of Surface Metrology. TOP Publishing, 1994.
35.31 ¿Cómo haría usted para especificar tolerancias dimensionales en una máquina de trazµr, para una puerta de automóvil? ¿Cuáles serían las consecuencias de rebasar esos límites de toleranciasº
Wi1son, B.A., Design Dirnensioning and 10/erancing.
35.32 Repase la fig. 35.22 y comente sobre el intervalo de tolerancias y ias dimensiones de partes que se obtienen con diversos procesos de manufactura.
Goodheart-Wilcox, 1996.
- - - , Dimensioning and Tolerancing Handhook. Genium, 1998.
35.33 Describa sus ideas acerca de los méritos y las limitaciones del equipo digital de medición, respecto al analógico. Describa ejemplos específicos.
97ff
Ca.µíiulo 35 / Mt:lrologív e
in~lrurnent,:ición industrial
35.34 Un eje clebe cumplir con un reqttisito ele discrlo: tener un diámetro mínimo de l.25 pulg. pero puede tener un lama1io de O.O J .Puig. Exprese la tolerancia del eje, corno se enconlrarfa en un dibujo lécnico.
sob1~
35.35 ¿Cu(iles son las diferencias entre las rcglns del fac1icante de calibradores y la regla normal de milésimas de pulga .. da. ¿Cuúles son las implicaciones para los dispositivos de medición que deben ajustarse a estas reglas) 35.36 f':n el juego de dardos, ;,es mejor ser exacto o ser preciso? 35.37 ¿C'u;;ik.s .son las ventajas de los calibradores PASA y NO PASA?
-------------
35.38 Suponga que
indícado de
~seg
--------------·---
ra iento, prueba e i ns pee i de 1a cali ad
una regla de acero se dila111O.15%. por el aumento de temperatura del ambiente. ¿Cuái será el dián1',lm
Lln
eje, cuyo diámetro a temperatura ambiente crn 2.000 pulgadas?
35.39 Haga un esquema de un vernier, parecido al que ,se ve en la fig. 35.3b, que indique 0.1 !lú pulg en la ilustración supe-· rior, y 0.3997 pu!g en la inferior 35.40 Trace el
c~c¡uema ele un vernier, parecido al de la fig. 35.4b, que indique a)
15') 17', y b) 2º 56'.
35.4! Cdcule el ángulo incluido ele !a parle que se mide en b fig. 35.5 si la altura ele la.s galgas es 4.2400 pulg y la disun cia enü·c centros de bs barras redondas bHjo la barra
¿cu~il
Para 1rna biirra ele senos rn donde las barras redondas están a 10 pulg de distancia. ¿qué altura de bs g1dg;cs [Yrnlucco un ángulo de 45º respecto a ia horizontal?
36.i
Introducción
36,.2 36.3 36.4
Calidad del
36.11 36.12
lnspí~cción
36.S -~6.6 -~c.
·~
_)0,/
36.8
56.9
Haga algunos esquemas de va1;11.s m1íquinas herramientas de formado y corte: (véanse hs partes fli y lV) e inliblcs dificultades que se ptt::,sente11 Dc:-;criba
36.·1 o
lo~ <~justes descri1os en este capf1ulo. Cmncntc su scii::~cci6n de qiuslc<..:
Obu.:ng;; una o más ck h'l siguil'Hlt;::; :')Ú.:za.'i., .Y í.lcscrib;.i cómo muJjri'a
~woduclo
Aseguramiento de la calidad Administración de calidad total Métodos d<: Taguchi Las norrms ISO y QS Mdodos estadísticos ele control ele calidad Control estadístico del proceso Confi.1biliclad Pruebas no d('slructiv;is Prueb,1'.:; destructivas
autornatizada
u1mensioncs ci
cluya ~~1 t¡po de [n.s!rurnentos que ~~e deben usar y el iné!odo de n1edici6n ..:t) Una baimtt de freno de ho1ella plás!ico para gaseos
au~omó" ti. bJ
36.l l
¡
! 1
En todo este h'xto hemos observado que un producto manufacturado desarrolla ciertas caractcrísLicas exlernas e internas causadas en parte por los procesos ele producción que se usamn. Las or;ic:crísticas externas ü11plican con .mús frecuencia dilnensiones y tamaño, así con10 acabado e integridad superficial. como daños superficiales por las herramientas de corte o ele fricción durante el procesamiento de' la pieza. Entre las características internas est<ín diversos defectos. como porosidad, impurezas, inclusiones, transformaciones de fase. fragilización. agrietamiento, desprendimiento de capas y esfuerzos residuales. Algunos de esos defectos pueden existir en la pieza bruta original; otros se introducen o se inducen durante las operaciones de manufactura. Antes de salir al mercado, los partes y los productos manufacturndos se inspeccionan revisando distintas características. Esta rutim1 de inspección tiene especial importancia para a) asegurar que !as piezas ajusten en forma correcta en su ensamblado, y b) identificar los productos cuya falla o mal funcionamiento tenga implicaciones potencialmente graves, como por ejemplo. lesiones corporales o muerte. Entre los ejemplos característicos está la falla de cables, interruptores, frenos. esmeriles, rucdaé; de ferrocarril. álabes de turbina, recipientes a presión y uniones soldadas. En este capítulo se identifican y describen distintos métodos que se usan con frecuencia para inspeccionar productos manufacturados.
971
)~)
972
Cupítu!o 36 /Aseguramiento, prueba e inspección de la cdlidad
Sección 36.3 /Aseguramiento de la calidad
:fl
973
)
)
Sin embargo, se debe tener en cuenta que los materiales que poseen mejores propiedades son, en general, más costosos y hasta pueden ser más difíciles ele procesar que aquellos con propiedades rneGos adecuadas. Además, como es tan amplia la variedad ele materiales y propiedades disponibles, los fabricantes han
'·
La calidad del producto siempre ha sido uno de los aspectos más imporlantes de las op.oraciones de ma. nufactura. Teniendo en cuenta la actual economía y competencia globales. el mejoramiento continuo de la calidad ha llegado a tener gran prioridad, en especial para las grandes corpornciones en Estados Unidos y otros países industrializados. En Japón, por ejemplo, el término lrnizen es el que se usa y significa la mejora nun. ca termina. La prevención de defectos en productos y en inspección en línea son objetivos principales en las actividades manufactureras. De nuevo subrayaremos que la calidad se debe incmporar en el pivducto, y no tan súlo se debe comprobar después de haber hecho el producto. Así, son vita!cs la estrecha colaboración y comunicación entre Jos ingenieros ele diseño y de manufactura, así como la intervención de, y patrocinio por la administración de la empresa. Se han hecho grandes avances eu ingeniería y productividad de calidad, principalmente por los esfuerzos de expertos en calidad corno Deming. Taguchi y Juran. La importancia de la calidad, confiabilidad y segmidad ele los productos en una economía global se reconoce internacionalmente, con el establecimiento dé la norma ISO 9000 y otras, y en Estados Unidos con el premio nacional a la calidad Malcolm Baldrige.
i
establecido algún límite de la clmación esperada para el producto. A continuación mencionaremos algunos ejemplos ele expectativas de duración: Billetes de un dólar: 18 meses Acumuladores ele automóvil: 4 años Secadoras ele cabello: 5 años Calefactores domésticos: 10 años Aspiradoras doméslicas: 10 años Unidades ele acondicionamiento de aire: 15 años Reactores nucleares: 40 años Frenos de disco automotrices: 65,000 km (40,000 millas) Silenciadores de escapes autornotiices: 50,000 km (30,000 millas)
36.2 CALIDAD DEL Todos hemos usado términos corno '·mala calidad" o "a.Ita calidad" para describir determinado producto, alguna lienda o productos ele determinada compañía. ¿Qué es la calidad? Aunque debemos reconocerla cmndo vernos o usamos un producto, a diff:rcncia de la mayor parte de los ténn.inos técnicos, e.s dlfícil de deíínir con ¡xecisión. Se ha definido !a c~üidad corno:
Neumáücos: 65,000 a 100,000 km (40,000 a 60,000 millas)
\
!
La adecuación de un producto para su empleo. La totalidad de las propiedades y características que inciden sobre la capacidad ele! producto para safo.f"acer determinada necesidad. En fecha más recJente se han identificado varias dimensiones de !a calidad. incluyendo d funcinnamienlo, lm características, el apego, duración. confiabilidad. facilidad de replisacjún, c:)lética y culidad percibida. ca.lich:;d es una c:.iractcrística o propiedad con base amplla; sus factores no sólo consisten en considernciones técnicas bien definidas, sino también en opiniones subjetivas. Por ejemplo: a) el asa ele Lm utensilio ríe cocina que se haya instalado chueca, b) un producto cuyas paredes son tan delgadas que se arruga cuando se somete a pequeñas fuerzas o a variaciones de temperatura, c) una calculadora o una báscula que funcionan en forma errática, y d) una máquina herranüenta que no puede mantener lM; tolerancias dimensionaJe,, de la pieza, por falta ele rigidez o mala construcción. Tocios estos ejemplos nos conducen a creer que el producto es ele baja calidad. La percepción por parte del público es que un producto ele alta calidad es aquel que desempeña sus funciones en forma fiable y durante largo tiempo, sin romperse ni necesitar reparaciones. Algunos ejemplos de este tipo ele productos son los refrigeradores, lavadoras, automóviles, bicicletas y cuchillos ele cocina "ele buena calidad". Por otro lacio, sí el vástago de un destornillador se dobla, su manija se mancha o se rompe o su pala se desconcha o se gasta con más rapidez de la que cabe esperar, diríamos que este clestornillaclor es de mala caliclacl. Nótese que para describir productos ele buena o mala calidad, no hemos dicho todavía las duraciones ele los productos o alguna de sus especificaciones técnicas. Hemos visto que los ingenieros de diseño y ele manufactura tienen la responsabilidad y la libertad ele seleccionar y especificar materiales para los productos que se van a fabricar. Así, al seleccionar el metal para el vástago de un destornillador, podemos especificar materiales con alta resistencia mecánica, al desgaste y a la corrosión. En consecuencia, el destornillador funcionará mejor y durará más que otro hecho con materiales ele propiedades inferiores.
1
l
El nivel ele calidad que escoge un fabricante para sus productos puede depender del mercado para el que se pretende sirvan los productos. Por ejemplo. las herramientas ele bajo costo y baja calidad tienen su propi" nicho de mercado. Sin embargo. aun esta clase de productos tiene sus cm·acterísticas necesarias de calidad. L"'' normas de calidad son en esencia un equilibrio entre varias consideraciones; a este equilibrio se le llama re-
tomo ec.onómico por calidad (ROQ, retum on quality).
Como se describirá en el capítulo 40, el costo total clel producto depende de var[as variables, fJUC incluye>~ el nivel de automatización en Ja planta manufacturera. Así, hay muchas formas para que c1 ingeniero revise y modifique el diseño general del producto, y los procesos de su manufactura, para mininüzar el costo sin afectar su calidad. Contrario a la percepc'tón del público en general. los productos de calidad no necesmiamcnte cuesum más. De hecho, una nmyor calidad puede rener como consecuencia un menor costo; recordemos que Jos prcductos ele mala calidad a.
tienen el importante costo integrado de la insatisfacción dei cliente,
h.
CclUS
<:.
clan como resultado la necesidad de reparaciones en campo.
clificultacles al ensamblar y mantener sus componentes,
36.3 ASEGURAMIENTO DE LA CALIDAD Se puede definir al aseguramiento de la calidad como tocias las acciones necesarias para asegurar que se satisfagan los requisitos de la ca!iclacl, mientras que el control de la calidad es el conjunto ele técnicas operativas que se aplican para cumplir los requisitos ele la calidad. El aseguramiento de la calidad son todas las actividades por parte de un fabricante para asegurar que sus productos se apeguen a un conjunto detallado cie especificaciones y normas. Estas normas cubren algunos parámetros, como dimensiones, acabado superficial, tolerancias, composición y color, así como propiedades mecánicas, físicas y químicas. Además, las normas suelen escribirse para asegurar un ensamble correcto, con componentes intercambiables y sin defectos, para obtener un producto que funcione como querían originalmente sus diseñadores. El aseguramiento de la calidad es responsabilidad ele tocios los que intervienen en el diseño y la manufactura. La afirmación muchas veces repetida, Je que la calidad se debe construir o incorporar en un produc-
:"111111"7·: ~·
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974
!
Célpftulo )6 / Asegurarniento, prueb
to refleja este concepto importante. Aunque se pllede inspeccionar la calidad de un producto terminado, su ins. pección 110 se puede incoqxirar al producto. La cornpetencia nacionnl y global ha hecho que el aseguramiento de la calidad sea cada vez más i:mportante. Todo aspecto del diseño y las operaciones ele manufactura (como selección de materiales, producción y ensarnbie) se está analizando con detalle para asegurar que verdaderamente se incorpore la calidad en el producto terminado. Un aspecto irnportan!e del aseguramiento de la calidad es la capacidad de analizar defectos y eliminarlos con rapidez. o redncirlos hasta niveles aceptables. En un sentido más amplio todavía, el asegnramiento de la calidad implica evaluar el producto y la satisfacción deJ cliente. La suma total de todas eslas actividades se llama contro~ de fa. caforlad totaf y es, en sentido más ampiio la ad:ministrad~h» delia ca~
Bid.ad (otaL
Sección 36.4 /Administración de la calidad totai
1
t
975
Los criterios principales del premio tienen que ver con dos elementos clave de la competitividad: entrega por el valor de siempre en mejora a los clientes. y la mejora sistemática y continua del desempeño operativo general de una empresa. lngenierfa de la calidad como una filosofía. Ciertos expertos en control de calidad han ubicado en una perspectiva más amplia muchos de los conceptos y métodos ele control de la calidad que hemos descrito basta aquí. Entre esos expertos sobresalen Deming, Juran y Taguchi. cuyas filosofías de calidad y costo del producto han tenido gran impacto en la manufactura moderna. A continuación se describirán esas filosofías, de ingeniería de la calidad.
1
Es cfaro que para controlar lil calidad se debe poder
36.4.1 Métodos de Derning
a.,
medir en fornrn cuantit::iJiva el níveJ de la calidad, y
IJ.
identificar todas las variC1bles de material y proceso que se pueden controlar.
El nivel de la calidad que se ¡ncorporn durante la producc.ión entonces puede ser comprobada al inspct:cionar el producto y determinar si cumple con las especitleaciones de tokranclas dim<"'nsionales, acabado super·ficial, defeclos y dem.ús caractcrfstJcas.
La adminis!racián de la calidad tola! es un sistema administrativo que se concentra en la idea (f!.W ia calidad E-ie debe diseñar í:.: incorporar en un producto. La prev•E:ndón de defott(~,s es su objetivo principal, y no la deiecr:ir)n de d{Jec!os. La administración di'.'~ la calidad tolal es un rnétodo sisternütico en el que admioislración :/ L :J/x~jadores hacen a-ctivid'1di..:·s concer~«.da::; para fabr]car productos ch.~ aJta caiid~id en forrrm consisternc. Son esenciales el liderazgo y ci !robqjo en equipo 1:.:n Ja organización; asegunrn que no se picnb el nbjcúvo dei de bs operaciones de mcm1.rfactur~L Ei lider~tt.t:.n y ei t:n equipo reducen la variabilidad dd produc!o y mejoran satisfocci{ín de! cliente. TambiCn. el conci:.:pt-z> administración íotal de la calidad requiere que se coaüro]en Kos pD*ocesos y n(1 las piezas que se producen, pa .. r~1 que las partes defectuosas no continuen avanzando en la línea de producción.
tJn concepto relacionado es el cfrclll~O de caHchuL Este concep(o consis1e en efectuar rcun]onc~, gul<1re;;,, de grupos de lr~1bajadores que discuten cómo mejorar y mantener Ja calidad de un prnduc10 en todas las etapas del proceso de manufactura. Se subrayan la participación y la responsabilidad del trabajador. y se proporciona capacitación detallada para que el trabajador pueda llegar a ser capaz de analizar datos estadísticos, identificar las causas de la mala calidad y tome acción inmediata para corregir la situación. Para poner en práctica este concepto se requiere el reconocimiento de que el aseguramiento de la calidad es una política administrativa a nivel ele empresa. que afecta a todo el personal y a todos los aspectos de la producción. Para reconocer la importancia ele !a calidad en la manufactura. en Estados Unidos se estableció el Premio Nacional de Calidad Malcolm Baldrige (Malcolm Baldrige National Quality Award) en 1988. Su nombre es en honor ele uno de los secretarios de comercio en ese país, y sus objetivos son:
Durante la Segunda Guerra Mundial, W.E. Deming ( 1900-1993) y otrns personas desarrollaron nuevos métodos de control estadístico de proceso para plantas manufactureras de la industria militar. Los métodos de control estadístico surgieron del reconocimiento que haiJía variaciones en a) eJ desempeño de ias máquinas y las personas. y b) la calidad y las dimensiones de las materias primas. Sus esfuerzos no sólo implicaron métodos estadísticos de análisis, sino también una nueva forma de percibir las operaciones de manufactura: desde la perspectiva de mejorar ia calidad. y bajar los costos. Deming se dio cuenta que las organizaóones manufactureras son sistemas de adn1inistración, trabajadores. máquinas y productos. Sus ideas básicas se resumen en los hoy famosos 14 puntos, de b tabla 36. l. Esos puntos no se deben considerar como lisia de comprobación ni menú para tareas; son las características que Dcming reconoció en las empresas que fabrican bienes de alta calidad. Nótese que Dcming hizo mucho énfasis en la comunicación, la intervención directa dei trabajador y en la educación en estaclíslica y en tecnología de la manufactura moderna. Sus ideas han tenido gran aceptación en el Japón. después de la Segunda GLterra Mundial, pero sólo hasta hace poco comenzaron a implementarlas en algunos s~gmentos de la corrtunidad manufacturera en Estados Unidos.
TABLA 36:! L
b. c.
~
Cre:J.r constancia de objetivos de mejoramiento de producto y servicio.
2.
Adoptur la nuevn tilosofi:.t.
3.
Terminar con la inspección masiva para conseguir la calidad.
4.
Terminar la práclic::t de asignar pedidos con base en d precio.
5.
Mejorar en forma constante y siempre el sistema de producción y servicio. para mejorar la calidad y la productividad. y asf disminuir el costo en forma continua.
6.
Implantar la capacitación en el puesto.
7.
Implantar el liderazgo (en contraste con b supervisión).
8.
Desterrar al miedo, para que todos puedan trabajar con eficiencia.
9.
Eliminar las barreras entre los departamentos.
10.
a.
Los -¡4 puntos de Deming
~~~~--~~~
Eliminar los slogans, exhortaciones y objetivos de cero defectos. o nuevos niveles de productividad.
11.
Eliminar las cuotas. la administración por números y las metas numéricas. Sustituirlos por liderazgo.
12.
Eliminar baneras que resten al trabajador el orgullo por su trabajo.
Reconocer a las empresas que se hayan distinguido en la administración y en los logros de la calidad.
13.
Instituir un programa vigoroso de educación y autornejoramiento.
Compartir información no patentada acerca de las buenas estrategias relacionadas con la calidad.
14.
Poner a trabajar tod.:t la empresa para lograr la transformación.
Promover la conciencia y la comprensión de la importancia del mejoramiento ele la calidad en la economía nacional (EE.UU.).
_....
1 976
Sección 36.5 /Métodos de Taguchi
97'7
Capllulo 36 //\seguramiento, prueb
36.4.2 Métodos de Juran J.M. Juran (l 904 - ), contemporáneo de Deming, subraya !Js siguientes ideas:
a. h. c.
Reconocer la calidad en todos los niveles de una organización, incluyendo los mandos superiores. Impulsar una cultura corporativa responsable. Capacitar a todo el personal en cómo planea1; controlar y mejorar la calidad.
La actividad de la a!ta dirección en una organización es de negocios y administración, mientras que los que están en control de calidad se deben preocupar por la tecnología. Estos mundos distintos han estado conu·apuestos con frecuencia, y sus conflictos han conducido a problemas con ia calidad. Los planeadores determinan quiénes son los clientes y cuáles son sus necesidades. Los clientes de una organización pueden ser externos (los usuarios finales que compran el producto o el servicio) o pueden ser in· ternos (las distintas partes de una empresa que se basan en otros segmentos en la organización que les suministran productos y servicios). A continuación, los planeadores desarrollan diseños de producto y de proceso para responder a las ne. cesidacles del cliente. Después, los planes se pasan a los que están a cargo de las operaciones, quienes son responsables del control y del mejoramiento continuo de la calidad.
36.S
DE TAGUCHI En los métodos ele G. Taguchi ( ! 924 -) la alta ca!iclad y los b
La mala calidad causa la insatisfacción en eJ diente.
S" incurre er1 costos de servicio y reparación ele productos defectuosos., algunos ele ellos en el campo. Disminuye la credibilidad de! fabricm1te en el mercado. Al finai, ei fabricante pierde Sll parte del mercado. métodos de Taguchi. de ingeniería de la calidad, subrayan ta üw¿c.rtm1ciu de 1
·:>
1\unic.utar ia interacción e,n equipos de fundones cruzadas. En esta interacción se comunican entre sí Jos ingenieros de diseño y los ele proceso o de manufactura, en un lenguaje común. Cuantifican las relaciones entre los requisitos de discfio y la selección del proceso de manufactura (véase también Ja sección 3 en la Introducción general). Implementar el diseño experiment.at en el que los facwres que intervienen en un proceso u operación, y sus interacciones, se estudian en forma simultánea.
En el diseño experimental se identifican Jos efectos de las variables controlables y no controlables del producto. Con este método se minimizan la variación en las dimensiones y propieclacles del producto, y en último término se lleva el promedio hasta el nivel deseado. Los métodos usados para el diseño experimental son complicados; implican usar diseño factorial y arreglos ortogonales, que reducen la cantidad necesaria de experimentos. Estos métodos también son capaces de identificar los efectos ele las variables que no se pueden controlar (llamados ruido), como cambios en ías condiciones del ambiente. La aplicación de esos métodos da como resultado a) la identificación rápida de las variables que controlan (observar los efectos principales) y b) la capacidad de determinar el mejor método de control de pro· ceso. El control de esas variables, que se hace a continuación, requiere a veces de equipos nuevos o modificaciones importantes al equipo actual. Por ejemplo, se pueden identificar con rapidez las variables que afectan las to!erancias dimensionales al maquinar un detenninado componente y, siempre que sea posible, se pueden especificar la velocidad, avance, buril y líquidos de corte correctos.
\
Un concepto importante introducido por Taguchi es que cualquier desviación de un objetivo de diseño constituye una pérdida de calidad. Imaginemos, por ejemplo, el establecimiento de normas ele tolerancia en la fig. 35 .24. Hay Llll intervalo de dimensiones dentro del cual una pieza es aceptadn. La filosofía ele Taguchi
l
pide minimizar la desviación o diferencia respecto al objetivo de diseño. Así, con la fig. 35.24a como ejemplo, un eje con 40.03 mm ele diámetro se consideraría normalmente como aceptable y podría pasar las inspecciones. Sin embargo, en el método de Taguchi. la pieza que tenga este diámetro representa una desviación respecto al objetivo de diseño. En general, esas desviaciones reducen la robustez (véase más adelante) y la eficiencia de los productos, en especial en sistemas complicados.
l
!
36.5.1 Robustez Otro aspecto ele la calidad es un concepto, sugerido primero por Taguchi, que ha cobrado cada vez más importancia; es la robustez. Un diseño, proceso o sistema robusto es aquel que continúa funcionando dentro de parámetros aceptables, a pesar de las variaciones (con frecuencia imprevistas) en su ambiente. En otras paiabras, sus resultados, como su función y desempeño, tienen sensibilidad mínima hac.ia las variaciones ele sus condiciones, como el ambiente, la carga y la fuente de energía. Además, robustez indica que et funcionamiento de un producto o máquina es insensible a cambios de tolerancia, y el funcionami•tnto no debe deteriorarse en forma importante c!Ltrante su vida esperada. Por ejemplo, en el diseño robusto de una pieza, ésta funcionará suficientemente bien aun cuando las cargas aplicadas o sus direcciones rebasen los valores establecidos. De igual manera. una máquina o un sisterna robusto sufrirá un deterioro mínimo en su desempeño aun cnando tenga variaciones imprevistas en las con .. cliciones ambientales. tales como la temperatura, la humedad y las vibraciones. También, una máquina robusta no bajará su eficiencia en forma importante clw·ante su vida, mientras que un diseño menos robusto tendrá menos eficiencia conforme pasa el tiempo. Como ejemplo sencillo ele un diseño robusto, imaginemos una ménsula ele lámina que se debe fijar en una pared con dos tornillos (fig. 36. la). La posición ele los dos orificios de montaje en la ménsula tendrá cier· to error, debido al proceso de manufactura empleado. Entonces, este error evitará que la orilla superior ck la ménsula sea perfectamente horizonta!. En la fig. 36.lb se muestra un diseño más robusto, en el que los agujeros de montaje se han recon:dn para que tengan el doble de c\isLancia que en el primer diseño. Aunque la precisión en la uhicación de los ficios es la misma, y el costo de manufoctura también queda igual, la variabilidad de la orilla superior de:: ménsula se ha reducido a la mitad. Sin embargo, si la ménsula está sujeta a vibración, los tornillos se pucélr.;rc aflojar al paso del tiempo. El método del diseño más robusto sería usar un adhesivo que mantuviera las cas en su lugar, o algún tipo de sujetador que no se aflojara al paso del tiempo.
FIGURA 36.1 Un ejemplo sencillo de un disel10 robusto. (a) Lugar de dos orificios de montaje en una
ménsula de lámina metálica, donde la desviación en la superficie superior, respecto a la horizontal, es±'"· (b) Nuevo !ugar de los oriíicios, donde la desviación de !a superficie superior de la ménsula, respecto a la horizontal, se reduce a± a/2. (b) (a)
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-~=±ª
\-L-~
~~zL-~
,
,,_,., 978
l
CJpítuio 36 / Asegura.mienlo, prneba e inspección de ld c;-1Jidad
36.5.2
pérdida
l
Taguchi
Ya que las prácticas contables tradicionales no tenían una forma rea! de calcu!ar pérdidas en piezas que curn. plían con las especificaciones de diseño, se introdujo la función de pérdida de Taguchi. En el método contable tradicional, una pieza es defectuosa e implica una pérdida para la empresa cuando rebasa sus tolerancias de diseño; en cualquier otro caso no hay pérdida para la empresa. La función de pérdida de Taguchi calcula una pérdida creciente para la empresa pura un producto que se aparta cada vez más de su objetivo de diseño. Esta función se define como una parábola en la que un punto es d costo de reemplazo (incluyendo costos de embarque, desperdicio y manejo) en un extremo de las tolerancias, mientras que un segundo punlo corresponde a cero pérdidas, en el objetivo de diseño. En forma male1nática, el costo de pérdida se puede expresar con10 sigue: Costo de pérdida =
k[(Y -
+
il 1
1
(36.1)
donde Y es ei valor promedio de la manufactura, Tes valor promedio de acuerdo con el rlisefio, ses Ja desvia-· ción estándar de partes de acuerdo con la manufactura y k es una constante que se define así: k
~~
(36.2)
979
Sección 36.5 /Métodos de Taguchi
~
Ejemplo: Manufactura de televisores en Sony Corp. Los ejecutivos de Sony Corporation enfrentaron una sitnación cünfusa a mediados de 1980, Los televisores producidos en las inst,ilaciones de Japón se vendían mejor que Jos fabricados en ¡.tna instulación de San Diego, Cal., aun cuando las dos fábácas trabajaban con diseños y planos idénticos. No habfa indicios que diferenciaran los televisores hechos en Jap6~ de los hechos. en Estados Unidos, por lo que no existía una razón aparente de .la discrepancia. Sin embargo, las investiguciones¡-evelaron que los aparatos prqducídos en Japón eran mejores que las versiones estadounidenses: era mejor la definición dci color, y Jos matices eran más briliantes. Como los televisores se exhibían en estantes, los consumidores podían esc()gcr con facilidad y comprar el modelo con la mejor imagen. Ya se había aclarado la difereücia de la calidad, pero las causas de ello no estaban claras .. lJn factllr más en la confusión era la constante afirmación de que la instalación en San Diego tenút un programa de. calidad total, que mantenía sus nonm1s de control de calidad, y que no se producían piezas defectuosas. La instóllación japoncsu no tenía un programa de control de calidad, pero hacían hincupié en reducir las varía-ciones entre las piezas. Con otras investigaciones se encontró que un grabado en un circuito integrado afectaba en forma crí tica la densidad del color. En la fig. 36,2a se muestra la distribución de las partes que cumplen con el objetivo de diseño en el col.or: en la fig. 36.2b se ve la función de pérdida de 'faguchi para esas piezas, En la
donde LfE es el límite inferior de especificación. Cuando los límitc;s de especificación inferior (L!E) y (LSE) están a la misma distancia (esto es, las tolerancias están baianccadas)) en esta ecuación se pucck usar cualesquiera de ellos. Sl~tema dt~
cómputo disiríbuido
Producción de tubo de polímero Se cst:ín produciendo tubos de polímero de alta calidad para aplicaciones médicas, donde el espesor prumc:dio de pared es 2,6 mm, con un límile superior dé especificáci6n de 3.2 mm y un límite inferior de pecificación de 2.0 mm. Si las uni
.E~
Planta
2 ..g
de S
en
1 w
So~udón:
Primero identificaremos las cantidades que intervienen como sigue: LSE =3.2 rnrn. UE = mm. T =2,6 rnm, s =0.2 mm y Y= 2.6 rnm.
(a)
UE
La cantidad k se calcula como sigue:
LSE
Targct
k = _J:~0.00)
(32 - i6>2 ""' $27.78.
i I
Entonces, el costo de pérdida es
I
I
Costo de pérdida= (27,78) [(2.b Después de Ja mejora, la: desviación estándar e~0:1
Entonces,. los ahoitos son ($1.l l - $0.28) ( 10,000) síón es $50,000/ ($8,300/mes) = 6.02 meses.
i.6 )2<'
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de la invef-
1 1
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FlGUR¡\.36:2: (a) .Distribución de val9resde .la función. objetivo, de densidad de cplor para televisores. (bJ Función de pérdida deTágtk:hi; mostrando el costo proí!led!O de í(!emplazo por,únidad, para corregir problen:ias de cµlidad. fuent~:... . Según G. Tagud11: •· ·
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I
Ctmo promedio
..._ ....:.._ _ ,
-
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---~
I I
Sección 36.6 /Las normas ISO y QS 98()
981
Capíwlo 56 /Aseguramiento, prueba e inspP.cción ele la ca!idad
instalación de San ,Diego, donde se minimizaba la cantidad de piezas,defectuosas (cero, en este casoJ. se logró una distribución uniforme. deno·o de loslfmhes deesg~élfic~Clún: En realidad, la instalación en Japón había P!«l41,lci~~·Plezasfüe~iYUe la esnecificacion de la desviación estándar respecto al promedio ér~ niéí1or. '· guchi (véase el ejemplo anterior) Ja fábri,c~ mientras que la de Japón perdía OA4 dólar. Los puntosd9 vista tra?icionalesrespef~~ fectos es mejor queiadiStribuci6n do?des6¡:ll'1 tes está más cerca de los valores que. cump).e~ ¡;ár pueden descubrir con facilidaá qué pr:od.uetQ .e~1!1' zar las desviaciones. L~ función pérdida de T~g~ct basa en minimizar las \1ariadones. Fuent(f: Seg~l)'
Ejemplo: Mejora de la calidad sin aumentar el costo de ün producto Un fabricante de losetas ha nolado que, por variacion6sdet~~{p~~~tura en el horno que usa para quemar !J.s losetas, se producía demasiado desperdicio. y que se afec1;~~g1(en fonna negativa las utilidades de la empresa. La primera ,solución que examinó el fabricante fue comprar hornos nuevos, con mejores con1To-
> .
.
,
le;; de. temperatura. . . .. ... . , .. , 2; Sin embargo. para esta solución se hubiera r~µert?ü tinu¡,;r~í!:imter$ión de qapital. Entonces se acometió un estudio parade1erminar si seyodíanhaqerino(fü¡ca~~of,ie"Senl~.co¡¡¡p<')sidón de la arcilla, para qoe fuera menos sensible a fluctuaciones fl<; ten,iper¡¡_fti,ra;•íl~~~p~~~~}•.Q\leJ:-¡itdo: •·• ,·., ,• , ., . · ., Con base en un diseño factorial de experi1geryto; º1.1.:PliqtJ,~.~~¡~~~~~j¡mm et1 forma simultánea los fac, lores implicados en el proceso y sus interacciones, $~ enc?11tis0~G~;lJ.lf"Íit1]C!lt
de uno o varios años.)
LAS NOR1\1AS ISO Y QS
calidad. La norma ISO 9000 ha influido en forma permanente sobre la forma en que efectúan sus negocios las compañías manufactureras, y ha llegado a ser el patrón mundial de la calidad. La serie ISO 9000 incluye las normas siguientes: "
ISO 9001 -Sistemas de calidad: Modelo para aseguramiento de la calidad en el diseFio, desarrollo, pro·
"
ducción, instalación y servicio. !SO 9002 - Sistemas de calidad: Modelo para aseguramiento de la calidad en la producción e instala-
"'
ción .• ISO 9003 - Sistemas de calidad: Modelo para aseguramiento de calidad en la inspección y prueba Ji-·
"
ISO 9004-Administración de calidad y elementos del sistema de calidad: Lineamientos.
nal.
Las empresas se registran en forma voluntaria para aprobar estas normas, y se les otorgan certificados. En general, se busca el registro para la lSO 900 l o 9002, y algunas empresas se han registrado hasta en la ISO 9003. La norma 9004 tan sólo es un lineamiento, y no es modelo ni base para registro. Para la certificación, las plantas de una empresa son visitadas y auditadas por terceros equipos, independientes, que certifican que los 20 elementos clave de la norma se cumplen y fonciouen en forma colTecta. Dependiendo del grado con el que una empresa no puede cumplir con los requisitos de la norma, se puede recomendar o no su registro. El equipo de auditoría no aconseja ni asesora a la empresa acerca de cómc corregir las discrepancias. sino tan sólo describe la naturaleza de la falta de conformidad. Para mantener la certificación se requieren auditorías periódicas. El proceso de certificación puede d
A.l aumentar el comercio internacional, la manufactura globalizada y la competencia en los precios, se han ampliado las opciones en los productos industriales y al consumidor. Cada vez los clientes piden productos y servidos de alta calidad a bajos precios, y buscan proveedores que respondan a esta demanda, en forma consistente y confiable. A su vez, esta tendencia ha creado la necesidad de conformidad y consenso internacional respecto al establecimiento de métodos de control de calidad, confiabilidad y seguridad de un producto. Aparte ele esas consideraciones, hoy se consideran asuntos de igual importancia respecto al ambiente y la calidad de vida, mediante nuevas normas internacionales. En esta sección describiremos las normas de importancia para la calidad de un producto y para los asuntos del ambiente.
36.6.1 La norma ISO 9000 Esta norma se emitió por primera vez en 1987 y se modificó en 1994; es una serie (Normas de administración y aseguramiento de la calidad) deliberadamente genérica de normas de administración de un sistema de
:.,.L,
36.6.2 La norma QS 9000 La norma de calidad (Quality Standard) 9000 se publicó por primera vez en agosto de 1992; fue desarroJ:ada en conjunto por Chrysler, Ford y General Motors. Antes de desarrollarla, cada una de las tres grandes empresas automotrices tenían su propia norma de requisitos de sistemas de calidad. Los proveedores "Tier I" (Grupo I) deben obtener registro de QS 9000, con terceros, antes de las fe· chas establecidas por cada una ele las Tres Grandes empresas. Con mucha frecuencia se ha dicho que la QS 9000 es un "chasís ISO 9000 con grao cantidad de extras". Es buena la descripción, en vista de que las cláusulas ele la ISO 9000 sirven como base de la QS 9000; sin embargo, los pequeños "extras" son sus· tanciales.
1t:
982
Sección 36.7 / ;V1.étodos esladísticos ele control de calidad
933
CZipítulo 36 /Aseguramiento, prueb~1 e inspección de \a calidad
La edición de QS 9000 de febrero de 1995 tiene tres secciones. La sección I contiene las 20 cláusu. las de la ISO 9001, pero casi cada cláusula tiene requisitos adicionales en la QS 9000. La sección H tie. ne tres secciones: Proceso de aprobación de producción de la pieza, Mejoramiento c0ntim10 y Posibilidade1, de manufactura. La sección lll se llama Requisitos específicos del cliente, y contiene tres secciones sepa. radas para Chryslcr, General Motors, Ford y fabricantes ele camiones, respectivamente. Los registros ac. tuales en QS 9000 se actualizan en forma continua, para apegarse a las nuevas ediciones de la norma.
En la lista anterior, los eventos qtie se presentan al azar, esto es, sin tendencia o paula alguna, sellaman vm:iadoncs aleatorias, o causa especial. Los gue se pueden atribuir a causas específicas se llaman
vadadon.es asign.~üllfoS, o causa corn.ún. La existencia de variabilidad en las operaciones ele producción se conocía desde hace siglos, pero fue Eii Whilney (1765-1825) quien primero captó todo su significado. y encontró que las partes inlercambiables son indispensables para la producción en masa ele armas de füego. Los conceptos estadísticos modernos relevantes a la ingeniería ele manufactura foeron desarrollados por primera vez a principios de i:: década ele 1900, destacándose el trabajo de W.A. Sbewhart (1891- l 967).
36.6.3 La norma ISO 14000 La ISO 14000 es una familia de normas que se publicaron por primera vez en septiembre de 1996. acerca de los sistemas internacionales de administración ambiental. Se ocupa de la forma en que las actividades de una organización afectan al ambiente durante la vida ele sus productos (véase también Ja sección l J, en la lntrodllcción general). Estas actividades pueden ser a) internas o externas a la organización, b) ir desde la producción hasta el desecho final del producto, ai terminnr su vida útil, y e) incluir los efectos sobre el ambiente. como contaminación, generación y desecho de desperdicios, ruido, agotamiento ele recursos naturales y uso de energía. Un rápido crecimiento en el número de empresas en muchos países (con Japón a Ja cabeza) han estado obteniendo certificación para esta norma. La familia de normas ISO 14000 tiene varias secciones: Lineamicn. tos para auditoría ambiental, Evaluación ambiental, Letreros y declaraciones ambientales y Administración 21rnbiental. La ISO 14001 contiene Requisitos del sistema de adminis1mción ambiental, y consiste de las seccion,:s sobre Requisi!os generales, Política ambiental, Plane
DE EJ esludio de 1a trata de b recolección, análisis. interpret1.1clón y presentación de grandes cantid<} de datos numéricos. Por la gr~n caní id ad de material y de variables de proceso que intervienen, u~ escncirli t..:l uso de las técnicas estadísücas en las operac]ones modernas de manufactura. A continuaci ..~n presentaremos algunas de las variables observadas en nwnufactura:
,. "'
La maquinaria funciona diferente, dependiendo del modelo, estado y mantenimiento. Las máquinas más antiguas tienden a vibrar, son difíciles de ajustar y no mantienen las tolerancias tan bien como las nuevas máquinas.
(11
Los fluidos de trabajo de metales (enfriadores y lubricantes) funcionan en forma distinta a medida que se degradan. De este modo se afecta la duración de las herramientas y los ciados, los acabados superficiales de las piezas y las necesidades ele fuerzas y energía.
..
.-..L.!.
Las herramientas de corte, dados y molde:-; están sometidas al desgaste: así, las dirncnsione.s de ta pieza y sus características superficiales varían a lo largo de cierto tiempo.
Las condiciones ambientales, tales como temperatura, humedad y calidad del aire en la planta, pneden cambiar de una hora a la siguiente, afectando a las máquinas, lugares de trabajo y empleados.
@
Los distintos lotes de materias primas pueden tener dimensiones, propiedades y características superficiales apreciablemente distintas.
"'
La habilidad y la atención del operador puede variar durante el día. de una máquina a otra o de operador a operador.
36.7.l
estadístico de calidad Para com¡Hender al control estadístico de calidad (CEC), repasemos primero algunos de los términos Je
uso co1nún en él: a.
Tamaño de muestra. Es la cantidad ele piezas que se van a inspeccionar en una muestra: se cstlldian \as propiedade:; de las piezas en la muestra para tener información acerca ele toda la pobhici.ón.
b.
Muestreo a!eatorin. E,; tomar una muestra de una población o lote, y en la muestra cada artículo tiene la misma probabilidad de estar incluido. Así, al tomar muestras de un depósito grande. el ins·· pecten- no sólo toma de ·¡a parte que esté a 3u alcance. f\¡IlJ!adím. Es Ja cantidad total de piezas individuales del mismo diseño, de donde se toman ias muestras: t:rn1bién se llama universo. Tamaño dk~ lote. Es un subconjunto de una población. Se puede considerar que uno o varios lutcs son subconjuntos ele la población, y se pueden considerar como ele la población.
La muestra se inspecciona ca diversas características y como tolerancias, acabad•,) :;u p<.;rlkial y defectos, con los instrumentos y fas técnicas descritos en d capítulo 35 y las secciones 36. i () y 36. i 1. Esas características caen en dos categorías: las que se pueden medir en forma cuantitativa totlo de variables) las qut: se miden en forma cualitaliva (métoüo de atributos). El méüMfo de vari:ihics es la medición cuantitativa de las características de la pieza: dimensiones. ce> íerancias, acabado superficial o propiedades físicas o mecánicas. Esas medidas se hacen para cada un:; de las unidades en el grnpo bajo consideración. y los resultados se comparan con las especificacírn1c:;. 2-
El método de atributos implica observar la presencia o ausencia de características cualitativas, como defectos exlernos o internos en partes maquinadas, formadas o soldadas, o abolladuras cen productos de lámina metálica, en cada una de las unidades del grupo que se considera. El tamaño del;\ mnestra para el método de atributos suele ser mayor que. para obtener datos para el método de variables.
Durante el proceso de inspección varían los resultados de la medición. Por ejemplo, supongamos que el lector mide el diámetro de ejes cilindrados, al salir ele un torno, con nn micrómetro (fig. 35.3). Pronto nota que sus diámetros varían, aunqne en el caso ideal se desea que todos los ejes tengan exactamente el mismo diámetro. Pasemos ahora a considerar las técnicas de control estadístico ele la calidad, que permiten evaiuar esas variaciones y establecer límites de aceptación para las partes o piezas. Si se hace una lista ele íos diámetros medidos en los ejes cilindrados de determinada población, se notará gue una o más de las piezas tienen el diámetro mínimo, y una o más tienen el máximo. El resto de los ejes torneados tiene diámetros intermedios entre esos extremos .
Sección 36.8 /Control estadístico del proceso
984
985-
Capitulo 16 / As0guramien!o, prueba e inspección de la calidad
Nótese que de acuerdo con el numerador de la ecuación (36.5), cuando se ensancha ia curva la desviación estándar es mayor. También, nótese que las unidades de 0 son las de dimensión lineal. Al comparar las ecuacicnes (36.4) y (36.5) se ve que el recotTido Res una medida más sencilla y más cómoda de la dispersión. Corno se conoce la cantidad de piezas maquinadas que caen dentro de cada grupo, se pueden calcular los porcentajes que representa ese grupo respecto a la población total. Así. la fig. 36.3b muestra que al medir
Si se agrupan esos diá1netros y se grafican, la gráfica es un histograma, o una gráfica de barn:is, que representn la cantidad de partes que tienen cada diámetro (fig. 36.3a). Las barras representan una dñstri~ l:mdón, que también se ilama dispersión de las mediciones de diámetro del eje. La curva enfonna de campana de la fig. 36.3a se llama distribución de frecnendas, o las frecuencias con que se producen las piezas de cada diámetro. Con frecuencia. los datos recabados en los procesos de manufactura encajan en curvas representadas por una e1:.rva de clñstril:mción norma!, deducida matemáticamente (fig. 36.3b ). Esta clase de curvas se llaman también campanas de Gauss o curva Gaussiana, en honor a K. F. Gauss ( 1777-1885), quien Ja dedujo con base en la probabilidad. La curva normal. en forma de campana, ajustada a los elatos en la fig. 36.3a, tiene también dos propiedades iJnportantcs. En primer lugar, indica que los diámetros de la mayor cantidad de piezas tienden a agniparse en torno a un vaJor promedio (media aritmética). Este promedio se suele representar C(lrno y se caJcula con la ecuación
los diámetros de eje 99.73% cae det1tro del intervalo de ±3cr, 95.46% c¡1e dentro del intervalo de ±2cr, y que 68.26% cae dentro del intervalo de± l
x
métricas.
:X=
(3Cd)
n
donde el numerador es la suma de todos los valores medidos (diámetros de eje) y /1 es la camidad de mediciones (cantidad de ejes). La segunda propiedad de esta curva es su amplitud, que indica la di!spersi1)n-,:¡ de los diámetros que se mi-dieron. fVüentras más ancha cs. la dispersión es n1ayor. La diferencia entre d valor inúximo y eJ mínimo es ei :;~ango.
--------------
1
36.8 COl'HROL ESTADÍSTICO DEL PROCESO Si aumenta la cantidad de piezas que no cumplen con las n.onnas establecidas (piezas defectuosas) durante un2, corrida de producción, se debe poder determinar la causa (materiales que enlran, controles de la máquina, degrndamiento de fluidos de corte, aburrimiento del operador u otros más), para tomar la acción adecuada. Aunque parece al principio que esta afirmación es obvia, sólo hasta los primeros años de la década de 1950, fue que se desarrolló un método estadístico sistemático para guiar a los operadores en las plantas manufactureras. Este método avisa al operador para que tome ciertas medidas y acciones, y le indica cuándo tornarlas . para evitar producir más piezas defectuosas. Se llama contNI estadístico del proceso (CEP), y consiste
1 1
R:
R
=
1
~
Xm;ix
l
.Xinm
tn1vés de la desviad ón ~stándar, G, con h1 ecuación
La dispersión se estirna
1
los siguientes e1ementos: a,
--· h
-
1
dow..Ic x 1 es d '/alor rncdjdo de cada picz;i.
flGU~~A ??G.3 (a) Histogr.:ima de k1 cantidad de ejes rnedidos y sus dic1metros respectivos. Esta clase de cunr(l;, se le !!an1a distdbur.:ión de frecuencias. (b) Una curva de distribución normal, donde ~:o(' indicun lr)s ,írc·:is en cadé1 etapa Je la desviación estándar. Nota: mientras mayor sea el recorrido, e! porcentaje de piezc1~.; que cden en él será mayor.
·c.
Gráficas de control y lírniles de control. Posibilidades dd proceso de manufactura en particular. Características de fa maqülnarja ernpleada.
>
36_8.
La curva ele distribución de frecuencias en la fig. 36.3b muestra que se produce un intervalo de diámetro'; de eje que puede caer fuera del intervalo de tolerancia de diseño. La fig. 36.4 muestra la misma curva de Gau:;s, pero ahora muestra ias tolerancias especificadas para el diámetro ele los ejes cilindrados.
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+4s
13.00 Diámetro de los ejes (mm)
13.05
FIGURA 36.4 : Curva de distribución de frecuencias, con los límites superior e inferior de especificación indicados.
mnwm-·w"-~-r;~
r.,ecc;ión 3(1.<3 /Control 0.stadístico del proceso
981[;
987
Capítulo 36 / 1\scguramienlo, µru8b¿-i e insp¡y e ion de I,) calidad
TABlA 36.2
~
Constantes
Tamaño de la muestra
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13.(Jc! ;? 13.IB
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de control A1
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1.023
2.575
0.729
2.282
0.577
2.115
0.483
2.004
JlA\9
d2 1.128
()
o
-----
1.693 2.059
\}
o
2.326 2.534
c.. 704
0.136
2.847
0.373
1.924 1.864
ü.078
1.816
2.970
0.337
0.184
1.777
3.078
0.308
0.22.1
0.266
1.716
0:284
0.22".\
1.652
0.348
(USO
1.586
J.2'.'i~
3.-P2 3.735
'f'Jempo (b)
donde A. se obtiene en la tabla 36.2 y
1)12 o.11J¡-···· - ·-·-·
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006
de los valores de R. Las cantidades
R
ll ' ......... ····- -- . ·········----···· ............... ········- ·-·--------·· -·-
Crti.fü.:as rle control e~;lacJí~¡ ico de la calidad. El proceso qut: se ve estc1 en control eslacifs1Í< o ¡Jorque 1odos los puntos c11en dentro íos Jímitcs de contrnl inferior y supe1 io1·. l:n esta iiu(;!ración el (;·Hnr:(in de cinco y lé1 cct1rildad de ·1 S.
pecto. La segun.da grúl"ica de control (fig. 36.Sb) muestra el rango, R, en cada subconjunto de La !ínea llena horizontal rcprescnla e1 de los valores de R en el lote, por y es una medid:.1 de límites superior e inferior de R se obtienen con las ecuaciune~..;
gn1/iu .'>' df' cof7!roi :-epr0si;-:-¡1tDn {,¡ s variac~oncs de un Lns g:·;:iric~idos du.raui.tc J;;1 pruducción. Acos1uff1bran
L,SCR
dio de c~Hfa suhconjumo de muestras ton1ndas inspeccionw..ias; por t:;jemplo, digamos que sea un subc:)njur1fo ck cinco piezas. Un tarnafio de rnuesLr~t enire '.2 y l O piezas produce la prcci.sión sufióenic, aunque e:.: mejor con rnüs piezas, siempre y cuan.do :)e mantenga constante e! Larnaño de muestra duramc !a inspección. La frccllencin de n:1uc:~treo depenUc Je h naturaleza del proceso. Algunos proceso,s rueden necc.,:il;H· el muestreo continuo, mícntras que es posibk que otros sólo necesiten una m.uestra por día. Los anali:·.Lt·· de control de calidad son los más indicados para de!erminar esta frecuencia para delcrminada aplicación. Cnmu
hAs mediciones en la fig. 36.5a se hacen en forma consecutiva, la abscisa de estas ,i?ráficas ele control de cnli dad también representa al tiempo. La línea llena horizontal en esta figura es el promedio de _prnme!lfos (promedio gencrnl) y se representa con representa al promedio de Ja población. Las líneas interrumpidas horizontales, supelior e ink· rior, indican los límites de control para el proceso, en estas gráficas de control. Los límites de control se establecen en esas gráficas de acuerdo con fórmulas de control estadístico, di señadas para mantener la producción real dentro de niveles aceptables de variación. Un método frecuente es asegurarse de que todas las partes queden dentro de tres desviaciones estándar respecto a la media (±3CT). La desviación estándar se puede expresar en función del recorrido. Así, para x se obtiene
= .i' + 3rr
=
~i' - 3rr
=
x+ A R 2
(36.6}
y
.Límite de control inferior (LCI,)
=
x
A2 R
(36.7)
~
(36.tn
DcJU
y
(3i,5o9)
UC11
D3R, 2
donde ias constantes D, y f.J se to1mm de la tabla 36.2. Esta tabla también muestra la constante d , que se usa 1 1 para cslimar la desviación estándar de la distribución del proceso: se indica en l.a rig. 36.4, y se calcula con la ecuación
x;
Límite de control superior (LCS,)
xy Rse csti·
nwn a partir de !as m.ediclones ton1adas. Estos Jlmitc:s de control se calculan con base en las de en el pasado, del equi· po mismo; no se relacionan ni con de tolerancias ni dimensiones de diseño. Indican los límites dentro de los cuales cabe esperar normalmente que se encuentre determinado devalores medidos. debido a las vciriaciones inherentes al proceso mismo, y los límites e,¿ basan en ellas. objctiv" dei control estadístico de proceso es mejorar con ayuda de gráficas de controL para diminar las causas La gráfica ele cnntroi ü1dica. en forma continua, el avance a esle res·
0.08
"'ª
Res el
2
-----·- -· ---- - LCSN
!? = ~G.
(36.W)
Cuarrdo la curva de una gráfica de control se ve como la de la [ig. 36.Sa, se dice que d proceso está "bajo control estadístico". En otras palabras, a) no hay tendencia discernible en la curva. b) los puntos (valores medidos) son aleatorios respecto al tiempo, y e) los puntos no salen ele los límites de control. Sin embargo, se puede ver que las curvas como las ele las fígs. 36.Sa, b y e, que hay ciertas tendencias. Por ejemplo, nótese qL1e a la mitad de la curva a) el diámetro de los ejes aumenta al paso del tiempo. La causa de este aumento puede ser un cambio en una de las variables del proceso, como por ejemplo, el desgaste de la herramienta .
!
988
Capítuio 36 / Asr~gur;:1mienlo, prueba e inspección dr~ i,1 c.1Jiciad Si:cnón _1(,.3
Cambio de hcrrnrnicnt
(a)
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~~¡- --~-- - . '"a' r----º' ,,o'-
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Ejcmpl~s ~~~:~~,i~"-
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:A~.<~ Cr,ifí\ .:is de cor!iroL (a) El proceso (:omienzt1 d. salir~,e rle control por fnciores t.des nm-10 he:r-1mient~ (dcrfro.L .Se c,1rnLJi,; Ja he:,rr;;in1icnta y e! proceso queda enlor1<.cs bdjo conrrni
es1ad 'sLwo.
!J<1!·;)rn('lros de proc0<.,o eslabiccidos v'n forma incorrecta; así,
tocbs Id:, ¡idrte:; est/in (en
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controi (desp/uzamienio de la media). (e) E! proceso se sale de control por (acto re~ 1;1!cs corno un cambio en las propiedad(::S de! rnaH~riaJ que entra (de.1plazamfr'nto en la tnl'diu).
!írniie superior
¡ 1
Si ta tendencia es consistente dentro de diámetros grandes, como en la curva b ), donde los puntos se estacionan en torno al límite de control superior, podría deberse a que los ajustes de la hetTamienta en el torno no sean correctos y que, en consecuencia, las piezas que se tornean salen derna5iado grandes en forma consistente.
La curva e) muestra dos tendencias distinta' que se pueden deber a factores como cambio de las propiedades del material que llega, o cambio en el funcionamiento del fluido de corte (por ejemplo, su degradamiento). Estos casos hacen que el proceso esté ''fuera de control". A veces se establecen límites de advertencia
en±2u.
Para analizar pautas y tendencias en las gráficas de control se requiere bastante experiencia, para poder identificar la o las causas específicas de una situación de descontrol. Esas causas pueden ser los cambios que
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de barras Lector de l·-6 ~·]í<:!o i;
FIGURA 36.7 Esquema de la integración de caiíbradores digdales con miuop1occsador1 p;.1ra <1dquisición de real y funciones de control estodístico de proceso y de la calidad. Obsé-rvense los ejernpio<> en las pantallas, que pueden ser dblribuciones de frecuenci;js (véase la flg. 36.3) y grJiicas de t:ontroi (véase fig. '36.4). Fuenfe: Mitutoyo Corp.
describimos a1 principio de Ja sección 36. 7. E! sobrecomrol del proceso de rnanufacwn1 C()11:-.isíc el cstf1blecer los ifmilcs de control superior e inferior dernaslrido cerca entre sí (en consecuencia. n1enor intervalo de desviaciones cstándar) y es una causa más de las situacirmt::s ! u era Je controí. Es Ja razón de calcular los límites de control basados en variabilidad del proceso. y no ~)obre criterios potencialmente !wtplicable::.. Es daro que la capacitación dci operador e'-J crftict.i para Lener una buena Íinpiemenfación del control estadístico de proce<;o en ei taller. Una vez estabkcid0& los iineamicntos de cnntrnl. los operadores deben. en interés de la eficiencia de operación, tener U11nhién cierta rcsp()n:-.abdidad de hacer ajustes en !os proce:::.os que comiencen a salirse. de control. Tainbie'.11 se dchen tener en cucnw pusihilidades de LJs operadores individu;:Üe$, par;-i no sobrecargarlos ..::on emracbs e inlerpretacioiH;,;; alie1:u;.1da:; de io;.:, datos. Esla tarea se facilita rnediante diversos progranu1s, que SI?. dcst-¡rroilan en forma C()_nstnntc. Por cjeJ11 plo, las indicaciones digitales en los dispositivos electrónicos de medición se_.. integran hoy en forma directa a un sistema de cómputo, para lener un control esladísticn de proceso en tiempo rcai. Las figs. 16.7 a y b muestran uno de esíos sistemas nrnltifuncionaks de cómr11110 en el que la salida de 1m calibrador o micrómetro digita1 se analiza en tiempo real por un microprocesador. y se presenta de di\ersas maneras. como por ejemplo, curvas de distribución de frecuencias y gráficas de comroL
36,8.2 Posibilidad del proceso
1
Se define a la posibilidad del proceso como el conjunto Je límites dentro de los cuales cabe esp<::rar, normalmente, que estén los valores de mediciones individuales obtenidos en un proceso determinado de manufactura, cuando sólo hay variación aleato1ia. Así, la posibilidad del proceso indica que éste ;iuc'de producir piezas dentro ciertos límites de precisión. Como un proceso de manufactura implica materiales, maquinaria y operndorcs, se puede analizar cada aspecto en forma individual para identificar un proceso, cuando las posibifafades del proceso no cumplen con las especificaciones de la pieza.
~"tlll!W~llli!'lilll'll'lll!!l\l!!l!'l!llll'-~~--'Wl'H~ >c-· . 7~Gti:~~~·~Rf~-~¡w.:&;·0&ór~.}ftJ~~'W'$~w.~~iJJJ:1:,,-i;is:rw : : ; : : ~-t<~
Sección :Vi.B / Contrüi 1~:~tad1siíco (Ü·;i pr·~<.eso
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desvfadón esl;imfav
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se an~ilix~1n c-on n:gt'·
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36.8.3 Muestre;· El
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.,· 1.,n:.)i:·.tc
m.uest;-r',·:
se consit._h:.ra va:i(J<-:a. ;1ccp1-(J<.:ión tiene uüfü:I:-ld esf!eclai par;i. inspeccionar piezas produc~das en gra11 cscah1, CiCJ'!( :,, d! •H\'~\toS e·¡ j{iCOS (GOlTJO rh.1i' :--:i11 cn1bargo. de se-e(;; •.'O~:~c·S~¡ nna !!1spr"' i;)n nl ; n~:rieccior:ar ;d ;_::spnci:1l ej~rri.p!u, 'nT'-' ;~pa~,o.\, ,1)r6í·esis y t;un;¡".11.1nc.r.t1., 100%. !nuchn~- plíme~; de ,·le ;¡cept;a.:ión. t.:omu ;;1il;t:;1rcs y uttnnnnk:..,, b:J.-· s;.1do':'. en un acept;,it:ilc-, pfC"(_iett:rmi¡¡¡t¡_h-1 y limitante de pjczas no acep .. 1dí.-i$ <~n ht rmw-stra. Si se rebasa este po~·
t~z·uacion
con--
i.01-rluü~~s
üiiidad obtiene curvas.
~' 1;~\;a
de un lote, i-1 proii;_,bi1i1, l3 prnhnbifoiad de H(':CpL1r ei
!Ol\',~.
i.:orn.:epto prnh1>como el acon1ecirnien10 rt:lalivn de un evento. L:\ probabilidad de acep!acic')n diversa:; curva.s cara{:teristí,__,i_s i>ncrnciór;· fi::::. ~6.8 se presenta un ejemplo de c.1..:~t;;
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993
Sr;-cc/,n Y-i.lü/ Prue!Ms nv des1n;c-t!v.as Cari!ulo ?,(;
1
Ase¡i,1J1",Htiiento 1 pruf•ba f' insp<=:cción de
i,:, calicl.Jd
El nivel de calidad de aceptación se suele definir como el nivel en que hay una probabilidad ele de que se acepte el lote. Esie porcentaje dice· al fobrican1e que 5% de las partes dei lole pueden ser rechaza. das por el consumidor (riesgo del productor). De igual manera, c1 consun1idor sabe que 9Yfo de las parte:.: son aceptables i riesgo del consumidor). EI productor puede rescatar los lotes que no cumplen con las normas deseadas de calidad realizando un rectificado por mc:din de una segunda inspección. En este método. se hace una inspección de l 00% del lote rechazado y se re!ir;u~ !a'; piezas defectuosas. Esk proceso, tardado y costoso, es incentivo para que el fabricante controle mej\ ,; proceso de producción. El mucsircc,
muestreo. En''',, ción autoroati/:/1{; !as piezas
36.9 CON Al final. y se vuc,
naria ce dueto k¡
la con! yor qi;' lulo. aurr,-
:1ceptación requiere ele menos tiempo y menos inspecciones que otros métodos de '"1cia, la inspección de las piezas puede ser más detallada. Las técnicas de inspec, a se están desarrolbndu rápidamente, de 1nodo que la lnspecci6n 10091ri de todas posible y ramhi
o ejcrnplo, los neumáticos automotrices se gastan ;"Omienzan a presentar fugas y la maquicomo la probabilidad de que un proy durante un tiempo especificado. -1. su confiabilidad debe ser mayor. Así. u1;--ienw méJico, debe ser mucho rn::. que hemos descrito en este capi':.;'i;xmente de un producto, tamhién depende también de si un prouna cadena ordinaria de acc11recida, la fiabilidad de cada en confiabHfrP.ad en sede. iividuales, la fi3biiidad de ';fi!raJdo. Este ú!tirno cc-rh~ep ·»·¡dueto siga funcionando en ,en '' hidráulico, por ejem· ,nip!ic~ reiadoncs y ~áicu ,,'lidad de los componentes unu línea de producción plicados co1nponentes mcfabricante.
ficm y se examinan en pantalia:' a colores, y los sist.e1nas iiencn divC'rsas funciones de mlquisición de dalos y de inspecóón y análisis cualitativo cuantitativo. A continuación :,e en listan los principios básicos tle 1as L•:cnicas de prue:ba8 ne deslruciivi1s. que cornún-
rnente se usan más.
36.10.1 Líquidos penetrantes En la técnica nm líquido penetrante, se aplican ciertos fluido:., a las superficies de la pleza y se pcrrnite que penetren en grietas, ¡¡niones y poros superficiales (ti¡;. 36.9). El J1aido penetrante puede introducirse por griefrecuencia tas hasta de 0. l µ,m (4 ¡tpulg) üe ancho. Son dos 11):) tipos de !íquid0" ¡-icnetrantes que ~e U'~ai1 en esta prueba y son a) líquidos penetmt11cs.fl11oresce11ies, de Jivers;i:; scnsihilidadc:;, que i1unrcscen bajo la 1uz ultravioleta. y h) [Jl¡uidos renctrantes i·isihles, con co1orantcs roj0s, cnn frecuencia, qm:~ aparecen en for-
ma de manchas nüidtts sobre la superficie. Primero. Ja superficie que se va a inspeccionar se limpia y se seca minuciosan1cntc. El líquido es aplicado t:on brocha o aspersor sobre la superfióe que se va a inspeccionar y se deja rcposur el dcmpo suficiente para que pase por las grielas. A continuación el líquido en exceso se limpia o se lava con agu:i u con solvente. Después se aplica un revelador. para permitir que el penetrante regrese a la superficie (por :icción capilM) y se extienda por los bordes de las aberturas. aurnen1ando así el tamaño de Jos defectos. Después :;e inspecciona la superficie, ya sea visualmen\e (en ci caso de líquidos penc:lranks con colorante) n con alumbr:iJo fluorcsccnle. par:l descubrir sus defectos. Con este método se puede deteci·ar una div{~r::,jdad de defectos superficja1c~. El ;.:.quipq nccest.irio es scnc1llo y fácll de u~ar, puede ser pon~ítil y e:' rncnu~, costoso operado que con olro~ n1étodns. Sio ernhargo, con él só!o se pueden dekctar dicfc..::tos que se abran ú la superficie, es decir. Jcrc.cuY~ cxlt:nH1~.
icas
36.10.2 Inspección con
La técnico de inspección con pm-dculas mag11éth:as consi::-tt' en colocar pnrtícuL1:-:
'extura superficial de ,,,.,"cisa de los resultadicas en computado:ramentos
se han .1mpli-
finas '..;ubre
ta sup1;rficie hace que las panículas se agrupen sensibk;rnenk a 'IU alrededor (fig. 36. Así. el defecto funciona como nn imün, debido a fuga~, ck flujo. donde las llnu1s d12 c1rnpo rnagn:~iicrJ son interrumpidas por d defecto. Esto. a su vc;.. crea un pa: de polos N-S a cada Jadn Je\ cuando¡;,,,, líne~is de carnpu afloran u hi superficie:. En gcncud, Lis ;1:~rtlcub·.; UHnan i;i forma y el tarn~iñ(J . lei
FiGURA 36.9 Secuencia de opehicioncs c.n la inspección con !1quidn penetrante, p¡ir,,; cieíc;:¡-\Jr l.1 grietas y otras irnp<-o•íeccioncs en una pie7J. Fuente: Metills 1i,rndhook, ·1985, /\SN'1 lnternational, f\'\dcds P0rk, Ohiu. S.z u.sd cqn ñtitor¡zaci(.Hi. Líquido
Rcvcia
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re'.·l~J;;da
_......,..____.,·--;:?'l ,~_,/ .··i...___
~~!~ ~~~~ Operación l Limpieza y secado de la supertlcic
Operación 2 Aplicadón de líquido venetrante superficie
aia
Operación 3 Eliminación del líquido penetrante de In superficie con un lavado c011 agua
~,~ B'- .
prt:~t:n{ ;,:
º'"" Editinn. De'"'''º ue .:iuior Disconti11uid~hl
Superficie
~za ~an\c /'
rcffül1);1fl_Hé!Ú.'8.S
la superficie de Ja pi<01.a. Em" partícula;; se pueden api icir con un portador que puede "'r :;ecc' u iiquidt '. corno agua o aceile. Omrnk ;;e magncliza la piew, con un campo aplicado, cuaiquicr discontimadtl(: (def"cciní téll
~71 ~11,, ·,.)' 7J /
Operación 4
Aplicación del revelador
Operación 5
Úu;pecci{1n
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amblén se .Pueden detectar defectos bajo la superficie. sit'.n1pre no ~st,_'.n ic1rear las pan:íc:.1!a:s ferrom::¡gnéticos con pigmentos, rmr~i visihilidnd so:ii:as. L.ns partfcubs húmedas son mejores para detecr~ir disconünui1fod.~'" corno son
·.::-ampos rnagnético:.:: '..,(:a con eon-icnte directa o con ror;:-1entc Ji.terna, con yugos. ha·· magné!1e,:'· üt:spués de la ·
JJn ia insn· ·, pb una b 1~·nergfo existan
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,·tos subsuperfic1alc'.; de detectan mejor con corriente d¡rectti. El 1nétodo de panicu:;6lo en materiales y las piezas se deben i.inl!'i<;r
El t=quipc puede ~<-r portátil o ~~~tacionrlrio.
un h:iz cíe r·«:corre fa pi':~:,:a. tr n 'nternn, '..''..d)lO por '.L;·1p!!1ud d haz y reríeja de regreso :tuna purtL: (!e '.~nergf~1 ultrasónica. 'nipo requerido r:1n~ ¡.¡u ;ep"esr.-. in.1.rcrn l.J. p;-.;·;.:X;-:cín y eJ lugar '.k f"r. dtas
t~~-ít::?t..ico ~::.:ulp~ar hi superficie dG un /njdadcs y folia .... E;.i principíc e:-. búsicamení"t~ d(,s Je ,livci,sos lu~;·;:re0. c::n d dedo o con un 1naI;dlo.,
eit~cLua
dt:ctor aceite,
Es 1'iíc:l usar L:t nc;sultadus dcpt•rnlen (!",' fe:"C:ncla p<..lra
\iLi1.1J111atiz:.E·.
especi;,,
Sin
identi!"i~. ·,·
36.10.5 Radiografía inspección con r~iyo~ >... p;;:ra detectar folla~ internas, corno gr1eta:, (/ p«i;<,,sldades. El usn es el dt.~ diferenciad~ der.siri;,i.ó1:::s: e: rnc:tal que rodea Hi defoc10 e.1; mtb. Jt.:;1.Ss X.. p<1rccc a la forma en que aparecen los hue\os y los rnás cforos que ei resto del cuerpo~ en ia;.; radi1.1gr:~;;·~,,\ La ft:cnti.~ de n:u..ii;1ci\)n ;;uc:le SCJ nn iul°HJ de 1·nyns X, y se lrnagen vi:-;il.:ile y pcrn1.;.mcnte en una pc-!ícui:.i o papel r~1diogrtifico: úg. ~16.1 ! a), Para producir ímagc.::\·" ";<~."ns X con rapidi -'.:~~usan los fiuoro'.',c}pio~. \ un:• técnica de radiCJgrafia en tiempo n.:ai que muestra lo:s e\enro~ en e! mc1 n1en!(1 en que ocu .. rren.) Una rndiogr;~{l;· einl"~.'.rgo, requiere equipo ....::ostos¡.\ reqüiere manejo)' proces1.uniento de pe\ícuh: b inlerpre1.~¡ción cnrreda de re'.;11l1ndos, y es un peii.!.UO Je rC:HJiacíc·i1. a. En la r:..u:Hograf:fa ~frgit,~~- b pe1icub se suslil.t;ye por un conjuntn }ine.:.l de detec!ures (fig ..~6. l 1 Ei haz de rayos X se colima y i'orrn~~ un ;-ayo cxtt~ndiJu y piano (cvtupi.lrcnsc Ja:; fig:~: J6.1 l ,J, ~; b), y 1::. pieVI'':;·, 7.J ~:e :nueve ~11 +:!;":.: :cn~s 1nue~.trean dlgitalmernc i~1 r:.1diadón y lo~~ datos .se gn¡Jr:ncrb de 1a cnp·1n11tar.:,,ra: ésu_ \ co1itim1~Kit;n. !YHic:,tra !ns datr;<-; :::r; üe un~l de b. pie la. EH 1;i. ran'io,~;n:ifflt ~~e )~\ex
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C:1píiulo 36 / /\segur.Jrnienlo, pnieh.J
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Se1~1--ión ;;().·¡ l / Prueba5 de,;ttuc1iv,.is
'j En la íornngrafí.tll fon1putada se usa el mismo sisten1a que acabllmos de describir pero la pieza gira en torno a un eje vertical y al misn10 1iempo ~e rnuevc en dirección vertical (fig. 36.J le)~ el monltor pro~ duce irnúgenes de rayos X de secclone~ transversales delgada5 de la pieza. La traslación y rotación de la pieza pcnniLcn tener varios ángulos df' perspectiva dd objeto.
b.
1
A partir ele los elatos ia cornpuíadora reconstruye matcrná1jcament.e una in1agen de la sección transversal de la piezci, y la presenta. Así se pueden determinar ci tamafio, ubicación y distribución de h<; imperfecciones con rnás confianza que la que se puede tener en la radiografía ordinaria. La tomografía asistida por cmnputadonTi, basu.da en el mismo principjo, se usa mucho en la práctica y en e1 dü1gnóstico n1édicos.
36:10.6 Inspección por corrientes de Eddy (corrientes parásitas) El n?étodo de inspección por corrientes parásitas se basa en el principio de inducciún eiectrorn3gné1ica. La pieza se coloca en o junto a una bobina eléctrica a través de la que se pasa una corriente alterna (corriente de ex:citaciónj a frecuencias de 60 Hz a 6 MHz. Esta corriente prodLtce corrientes parásitas en la parte. Los defocios en la pieza impiden y cambian Ja dirección de lm; corrientes secundarias líig. 36.12) y causa cambios en eI carnpo electromagnético. Estos cambios afectan al.a bobina de exc~Lación (bobina de inspección), cuyo voit~1je '-~:·.; monítoreado para dl"ternJinar Ja presencia de imperfecciones. Las bobinas inspección se pueden hacer de diversos tamaños y formas, para adccuorse a la gcomc·Lrfa ck la plcz~ que se inspeccion~i. Las piezas deben ser conductoras de electricidad, y las profundidades de imperfección que se detectan se l!mlian normalmente a] 3 mm (0.5 pulg). Adermis, la técnica nccesila d uso de una mue.sira patrón de referencia, para {.1.jusiar Ja sensihili(hld Je! probador.
]6.10.7
térrnica
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Fiítrn i.~:~p(Kial de niyo
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flGURA 36.13 f..sqi.:c:rit:1 de! sisten-:8 ópJíc0 búsico que se usa en ho!ogr,)ÍÍa, pi!ra de1ecU1 imperfE>1:r_;one~. c~1 las piez¡1s. Fuenle: Metals Handhuok, Oesk Edition. Derecho de autor 19 1 'Jl\5, i\SM lnlcm:\lionJl, MHais P;irk, CJhic. Se usa con Juluri;:.tción.
1
La in.sp!i:cdóa ~errn.na1é~rk~a cr;_1pk.a di~·.posillvos c,)ifo) tc:-rnoparcs, fi_.Kliórnetros. pi;·ómeír;.)S, y n ·.,rec:'":; n1.a\.eri¡1ks fusiblv~, cnrno pol· c_: . :mpln . cr~1yoncs
,__::1..::r<~-
3<1.'l n.e
Lz:. inspeccfr,~n «érntic·a implica e1 uso de dispositivos sensor2,:-; iérnÜ•::os, de tipt~ de por contacto n de p1oxirnidad . para d.e1cclar (~ambios de 1emperatura. Los dcf....:ctos en las piezas. crnuo J_:'lor ejernpic g!ictas. rr.giones d<..~~·lan1lnadas nw!a;: unicmes caus;-111 un -.::ambio ía distrjbución de la temper;11ur~t. En i<_¡ 1,t'tT:.14.t~hifilf~L, se ;;_iplican rn;itcria!es cc1n10 pinturas ·y papck.~: sen:~ihlc.s al C?kT e :is" tales líquidos y
99/'
¡
in:,peu ión de lo ca!icfad
recnbrirnienros a la superficie. 'i'odo ca1nbio en su coinr o apa:·iencia indica que h<-!:,:
fectos. El nH~1od~; ¡¡¡Üs cornün de in:)pcccí0u termugr{;fica sin conlaclo crnplea detcctofe:-; infrw:;·ojo!;. cámaras de barrido eu infrarrojo, •..'on pGco tiempo de n:,.(;pucs!<:t y scnsihi!idaties ha.;.,
suelen ser micro~:copios ta de J ºC {2'.)f).
Lr< Jfrnica de llníogm(i"r1 ctea una i;n:.iger triditnension.
;'!dicula fotngrúfica.
.Se ha cxtendiJ,: .)l\ ;~ \:¡ :ntr:rú.~rornetri.:,:;. i;;:~p1.·::c-)cn"P: f'j('./.:JS con y condiciones de ,;upcrfió:.. múlíi¡11c ·~xpns!ci•.\n nüenlr:Js l:l picz'' ,,e rnete a fucrza5 extt:rnd:-; '-~a viix~¡11.j1...wie:, lÍl:.~pcnJicnu·'.s del tien:po, cambio~ en k1::-i 11;1<"~.qcncs n.:·vehn )C,\
ú:.ctos en b p::ute. OJ, En lo hdngrnifa ¡;cústirn se ob1icm' \:\ infnrnvKi(q1 ,,0lne !os dc:'ec,ns intcrnps en fonrn directa de i" imagen del in1e1'or de i2 pieüi. En Li Jw!ogmfír; acústica .1u¡>c1jicic ífociriu. la pieza LÍ lores ullrasónic'.,:.:; funP para e! haz del objeto y l~i otro pura el (.k reXcrcrn:Íd) sumergen en un t:inquc lleno de agua. L., imagen hologdiica se obtiene 2 co!ítinunci<'·n a partir,¡., la:·. ondulacionws •en ei
b.
que.
En la ho!ogn1fia acústka de bard(\o sólo se usa un transductor, y el ho\ograrna se produce mediante detección de fa.se electrónica. Adenu'is de ser rnás sensible, e! equipo para este sistema sude ser portátil y pued¡;n caber en él piezas nrny grandes. si se usa una colwnna de agua en lugar de un tm1que.
36.11 PRUEBAS DESTRUCT!VAS FIGURA 36.12 Cambios en el flujo de corrientes de Eddy
1---
CorteA-A
(corrientes parásitas) causados por un defecto en una pieza. Fuente: Metals Handbook, Desk Edition. Derecho de autor© 1985, ASM lnternational, Metals Park, Ohio. Se usa con autorización ..
Como lo indica su oomhre, la pieza o producto que se somete a pruebas destructivas no mantiene su integridad, forma original o textura superficial. Los métodos con pruebas mecánicas (capitulo 2) son todos destruc·· tivos, porque una muestra o probeta se debe desprender del producto para probarla. Además de las pruebas
Términos clave
1: 998
999
Capítulo 36 / J\segurarnienL0 1 prueba e inspección de la calidad
mecánicas, entre otras se incluyen la prueba de velocidad para esmeriles, con objeto de determinar la veloci-
dad de estallido de la piedra, y la prueba de recipiel1tes a alta presión . para determinar el p!lnto en que ésto se
-RESUMEN " La calidad se debe incorporar ("construir") en íos productos. El aseguramiento ele la calidad con· cierne a diversos aspectos ele la producción, como el diseño, fabricación y ensamble, y en espe·· cial la inspección en cada paso ele la producción, para vigilar el apego a las especificaciones. " El control estadístico de Ja calidad y ei control del proceso se han hecho indispensables enlama· nufactura moderna. Tienen especial importancia en la producción ele piezas intercambiables y en
revienta. En las pruebas de dureza se dejan grandes indentaciones (figs. 2. J 2 y 2. J ~)y por eso se pueclen considerar como pruebas destructivas. Sin embargo, las pruebas de microclureza se pueden considerar como no
destructivas, porque dejan inclentaciones permanentes pequeñas. Esta diferencia se basa en la hipótesis ele que el material no es sensible a la muesca. La mayor parte de los vidrios, los metales con tratamiento térniico y los cerámicos son sensibles a las muescas:. esto es, que !as pequeñas oquedades que produce el penetrador probable.mente bajen su resistencia y tenacidad.
la reducción ele costos ele manufactura. " Aunque tocios Jos métodos ele control ele calidad tienen sus límites de aplicabilidad en la producción de ciertos artículos, la implementación ele la administración ele la calidad total y de la norma JSO 9000 son ele Jos desarrollos más importantes en el control de calidad ele manufactura. " Se dispone ele varias técnicas para pruebas no destructivas y destructivas, y cada una ele ellas tie· ne sus propias aplicaciones, ventajas y \imitaciones, para inspeccionar las partes y los productos
36, 12 !NSPECCIÓN AUTOMATIZADA
terminados. e El método trnclicional ha siclo inspeccionar la pieza o el producto después de haberlo fabricado, y aceptar determinado número ele piezas clefec.tuosas. Hoy en día, la tendencia fuerte es hacia la inspección de l 00% en línea, de todas las piezas y los productos que se fabrican.
En forma tradicional, las piezas y conjuntos individuales se han fabricado en lotes, se mandan a la inspección en los departamentos de control de calidad (inspección post¡iroceso) y, si son aprobadas, se mandan a un almacén. Si los productos no pasan la inspección se desechan o se guardan si se admite cierta desviación aceplahle respecto a la norma. Es obvio que este sistema carece de flexibilidad, requiere rnan¡ener un inventDrio y, en forma inevitable, da como resuitaclo la aprobación y pase ele algunas piezas defectuosas. En contraste, una d.e !as tendencias en Ja manufactura moderna es la inspección auwm.atizada. En e~Jtc método se usan diversos sistemas de sensores que vigilan los parámetros relevantes durante el proceso de ma· nufactura (hi!specdórn en. HR1ea). A contü1uacíón, con estas mediciones, el proceso se corrige a sí rnismo en fonna ai1lmnútica, para producir pie::-1'.:as aceptables. Por lo anterior, es innecesaria más ·inspección de Ja pit~!a en otro lugar de ia planta. 11nnbién, se pueden inspeccionar las piezas inmediatamente después de producidas (ñ1n;f;pccdón eJlJ! pwoceso). Se ha integrado 1a inspección automatizada a las operaciones de lnanufactura usando sensores de precisión y sistemas coJnputarizados de control (capítulos 38 y 39). Esos slstemas aseguran que no se pase una plc?;a de un proc.~so de manufactura a otro (por ejen1plo, una operación de cilindrado seguida por rectificcitfo cilíndrico) a rnenos que la pieza se fabr]que en forma conecta y que cumpla con. las normas de Ja primera orx>
ración. La inspección automatizada es flexible, y responde a cambios en el diseño del producto. Además, por el equipo automatizado, se requiere menos deslreza de! operador, aumenta la productividad y las pieats tienen m.:is calidad, fiabilidad y exactitud dimensional.
TEN Hoy se eWí reconociendo la importancia de Ja caliclacL fiabil.iclacl y seguridad de los productos en
i<1 econonüa y el comercio internacionaL '• El control total ele Ja cahclacl continuará siendo un concepto crucial en la manufactura. Sin ernbar·· go, por los apreciables costos implicados, la economía de la calidad es una consideración que co· brn cada vez más importancia en las operaciones de una empresa. En forma continua se e:;tán desarrollando sensores basados en diversos principios, para inspección cri línea de todos Jos aspectos ele la calidad. Se estudia e implementa en forma extensiva el con:rol del proceso de la calidad en tiempo real. Se ha establecido con firmeza ia tendencia de una inspección auton1atizacb en línea, y continw> rá siendo elemento esencial en las operaciones de manufactura. '" Los métodos de Taguchi se siguen aplicando en muchos países, para optimizar procesos y la c;1 .. liclad ele los productos. "' El apego a la lSO 9000 y otras diversas normas afines se está volviendo una necesíclacl, rápidamente, para Jos fabricantes en todas las industrias en el mundo.
36, 12, 1 Sensores para inspección automatizada
.-----·------- ·----··
Los continuos avances en la tec11ologfa de sensores (sección 38.8) están posibilitando la vigilancia en línea, o en tiempo real, de los procesos de manufactura. En forma directa o indirecta, y usando diversos sensores,
TÉRMINOS CLAVE
se pueden detectar dimensiones, rugosidades superficiales, temperaturas, fuerzas, potencia, vibración, eles· gaste ele herramientas y la presencia ele defectos externos o internos. Los sensores pueden funcionar con los principios ele las celdas ele carga, inductancia, capacitancia, ul· trasonido, acústicos, neumáticos, radiación infrarroja, óptica, rayos láser y diversos calibradores electróni·· cos. Pueden ser táctiles (ele toque) o no táctiles. Los sensores se pueden conectar a los microprocesadores y a las computadoras para presentaciones gráficas ele elatos (véase también controladores lógicos programables, sección 3825). Esta capacidad permite los ajustes rápidos y en línea de cualquier parámetro de procesamiento, permitiendo la producción ele piezas que estén, en forma consistente, dentro de normas de tolerancia y calidad especificadas. Esos sistemas ya se han implementado como equipo normal en muchas máquinas herramientas de corte ele metales, así como en rectificadoras (parte IV),
Adminjstradón de Ja calidad total Aseguramiento de la calidad Calidad Causa común Causa especial Circulo de calidad Confiabilidad Control de la calidad total Control estadístico de la calidad Control estadístico del proceso Curva de distribución normal
Desviación estándar Diseño de experimentos Diseño factorial
Dispersión Distribución Distribución de frecuencias Economía de la calidad Estadística Función de pérdida de Tagucbi Gráficas de control Gráficas de control de Shewhart
Inspección automatizada
Kaizen Límite de contTOl inferior Límite de control superior Límites de control Limites de especificación Mejoramiento continuo Método de las variables Método de los atributos Métodos de Deming Métodos de Juran
'·J ,."'''"'"·-·' -'-"'·"cr~'-'-'~'°"' .. ,
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Chapter 36 / Carítuio :~6 / i\se;.~urt'lrnienio.
Métodos de Taguchi l\1uestreo aleatorio !'.vluestreo de aceptación Nivel de calidad de aceptación Normas !SO Normas QS Población Posibilidad Jel proceso
Prevención de dcr(..~clos })robabiiidad Promedio gencrai Pruebas destructivas Pruebas uo dcsirnctivas
Rango Riesgo del consumidor Riesgo del productor
.Sensores Si:stema.s de adnünistración Tamaño de lote Tamaño de muestra Variabilidad Variaciones aleatorias Variaciones asignables
B!BUOCRAFÍA Addison-Wesley, 1998.
Anderson. D.lVI., Design .for M«.mufacturabilily, Optimiz)ng Cost. Qualíty, and 'lí111c-10-Market. CIM Press, i99L A.S1Vl Handbook. Vol. 17: !»/ondesiru.ctiFr' Evaluationand Quality Control. ASM 1nterrnHiona1, 1989. 3cn1iey, J.P., lntroducíion lo R1:/iabiiir~ 1 and Qualily Control (2d ed.). AJdison-Wec,lcy, 1999. Bcsterfíe1d. D.H., Qualily Comrol (51b ed.). Prcnticc Han, 1997. Boti~e,
D.R., Nieasuring Process Capability: Techniqucs and
Cafc!tlationsfor Quo/it_~· ond /V!anufacturing Engineers. íVlcGraw-HiU, 1997. Ho-.;. G.E.P., and A. Luceno. Sw1istical Control by l'v!onitoring and Feedback. Adjuslment. VViley, 1997. Bn::y, D.E., and R. K. Stani.ey. Nnnrlcstrucúve f-:,'valuatiou: A Too! in Design. ll1am~/m·turi.ng, and Senice (rev. ed.). CRC Press. l 997. Bn.:;yfogle. HI, FW.. S1ati:;Jicoi Methudsfor Te.sling, DcvelopiJU!ni, and f;/fmwji:Jc!;.trin,[;. \Vik·:1 Inter:~ciencc, i992.
Cnn1., L.. Nondcstrw:fivc Il 51Íli,i;. AS~VT International. J 995. Ckmcnts, R.B .. Tlu: Nandbook of Statistical Afrthods in Nlanufacturing. Pr1:mticC' HalL 1991. Dem!ng, W.E., Out ofilze Cris1:;. M!T Prcss, 198<:. 1
D0ly. L.A .. SPCfor Shorí Run 1Húrwfac1w·inx, J-Ian~tr Gardncr. 1997. ··~---, Sto1istical Process Contmi (2d c'
Reliability Engineering and Mano~ unen! i 2d McGraw-Hill, 1996. Juran, J.M., and A.B. Godfrey (eds.), Juran (5th ed.). McGraw-I-lill, 1999.
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Kaies, P.. l?.elíability: For Technology. Engineeri11g. dll(f 1i1anagcmenr. Prenlice HaB, J997. Kane. V.E .. Defcct Prevention: Use ofSimple . )'íatisrical . 'I'ools. Marce! Dekker, 1989. Kear, F.W., Statistical Pmcess Control in ,~,fanufacturing Practice. Marcel Dekker. 1997. Larnprecht, .LL .. lmplementing the ISO 9000 Series. Man:d Dekkc'f, l 993. Levinson, 'N.A., and F. Tumbe!ly, SPC Esst?ntials and ProdiN'tfri!y fmprovement: A lvlanufacruring Apprnach.
American Society for Quality Control, l 996. Lc\<.'Ís, E.E., fnfr(lducliun In Reiiabiíily Engineering (2U ed.).
Wiley, 1995. Mcnon, H.G .. TQ!v! in ,?\lew Pmduc1 Jilam1fácíuring. McGrnv;Hiil, 1992. Montgomery. D.C .. ln!roducfion to Sratistical Qualiiy CorJímf
(3d ed.). \\'iley, 1996. Uakkmd, J.S., Sülii.}ticol Process Cnnrro/ Ud (J. J. Buttcr\.vorih Hcinemann, 199(). Park, S .. Rob11st Design andAnalysis.for {'rwlliy Chapman & llall, i997, Quensenberry. C.P.. SPC J}fethoJs for Q1.wli1y ímprm·,_.n1er1:. Wiley, l 997. Ross, P.J., TtJguchi Tedmiquesjór Quaiitv Enginecrinx (2d cd.). í\·kGraw-Hi!i, !996. Roíhery, B., ISO 14000 ami IS'O 9fJOU. Gn\.ver PuL1 lisl1i11~! C\; .. 1995. Smilh, GJvL, Stnfistical Process Control and Quality !mprovement. American Society for Quulily ControL 1997. Taguchi. G., lntroduction Jo Qru.i./íty Engineering. UNIPUB/Kraus lntemaüonal, 1986. - - - , 'Iaguchi on Robust Technology Development: Bringing Quality Engineering Upstream, ASME Press, 1993. Too/ and Manufacturing Engineers Handbook, Vol. 4: Assembly, Testing, ami Quality Control. Society of Manufacturing Engiueers, 1986. Too! and Manufacturing Engineers Handbook. Vol. 7: Conrinuous Improvement. Socicty of Manufacturing Engineers, 1993. Wise, S.A, and D,C. Fair, Innovative Control Charring. American Society for Quality Control, 1997.
PREGUNTAS DE REPASO 36.1 Explique por qué se trata continuu1nentc de inn)rporar la calidad en !os ~·ruduclu~;. 36.2 Cjtc los nombres de algunas variables de material y de prncc~~o 4uc puedan infiuir snhrc ia C<1iidad
36.3 ¿Qué son variables aleatorias'? 36.4 Defina los térmü10s 1
,;¡
36.5 Explique la diferencia entre el método de variahJes y el métudo üe a!rlbutos.
t
36.6 Defina ia desviación e::;l;,indar. ¿Por qué
'~
~
Af\, LS,, Fundamen1a!s of lnd11siriai Quality Control (3d ed.).
Problemas etDiit<."l:ivos
.~
insperción :.il' i. 1. G1iichd
1 1
1
e~~ importante?
36.7 Describa que quiere decir "control cstadlst1~'n de proceso' 36.8 ¿Por qué se hacen las gráficas lle control de calldaJ? ¿Cómo ::.e usan? 36.9 ;,Qué indican los límites de control'' 36.10 Defina la posibilidad del proceso ¿.C6mo se usa? 36.11 ¿Qué es maesu·eo de aceptación? ¿Pc1r gutS se
de~atTolló?
36J2 ¿Cuál es la diferencia entre confiabilidaU t:n serie y en paralelo? 36.13 Describa las caraclerfaticas básicas Je 1as lécnicas de pruebas no dcstructi'\'US que emplean
fuente~; de
rnergía eléctrica. 36.14 kíentifíque cu3les pruehas no destructivas son capaces de detectar fallas intc;nas, y cuáles sólo pueden detectar fallas externas.
metálica~ tlencn \·:i mi:m10 color que 1o picz:l mis1J"Ja, ¿cómo haría usted para producir un color de coníras\e para detectar las irnpo.:rfecciones?
J().15 Si las partículas melálicas en una in::-.pccción de partícul.fls
3ú.l6 ¿Cómo se rnide la profundidad de una irnpcrfr:cciún en una prueba cnn u11rT-,1.1 iido<\
36.17 ¿,Cuáles son las limitaciones de tas técnicas radiogníficas? 3{~.18 Describa aplicaciones de las técnica-..; de inspr;cción üinnica, en la pnictica de la i11g1;ni:::r[a. 36.19 ¿Qué tan grandes son las piezas Liue se pueden acomodar 1;n 1a holografía
~l~'li>íica?
1wrte irnpc11,:mtc en la b;c-
'.16.20 ¿C:uálc" son las ventnja,; Je J,; iw;pccción autonu:lizada"' ¡,Por qué
36~2.i
nica de !a ill~d1U fac{Ura? Explique l:l diCc:rcnci:c entre inspección :;11 J;,:ncias
l;;;)
en e:~<~S in-:pccciom".:·
p;t)Cc~n y ¡)oslpnKc::-.o.
ptir\es
m:1nur~icl11ra1fa:. ;,Qw2 Le:11 ..
1
36.22 i.Qut es una !'trnt::t',n de pérdida de T;igudii? 36.23 Describa las pmics irnpntl'-mtc~ Je las fiiosuíTa;, de Dclning,
Jur~rn y 'fognátt.
3ú.24 ¿Qué es robustez'? ;.Cu«i! e:-. su signifo.:ndo? 36.25 ¿Qué indica una x cun doble harra en e! controi cst
nar
36.27 ~.Cuál e•; la lmponancia de la 150 9000'? ¿,De lu ISO !4001)0'? 36.28 ¿C11ül :;s ln Jifcrencia entre probabilídad y cnnflabilidad·:
36.29 ¿Qué es calidad?
PROBLEMAS CUALITAT!VOS 36.30 Comente las ideas de Derning, Taguchi y Juran. ¿,Qué
a~pectos de sus ..:onceptos s..;rf.an diflciies de im-
plementar en una in~talación manufacturera tfpica? ¿Por qué? 36.31 ¿Cuál es fo corn,ecuencia de establecer especificuciones inferior y superior m:i'l cercanas "¡ pico de :o
curva e.n la ng. 36.4'? 36.32 Identifique di,ersos factores que pueden hacer que un proceso se salga de conlroi.
36.33 ¿Se deberi di:,ei'íar y ..-.~onstruir productps para alcanzar cierta duraci6n espen.uJJ: Explique por qué. 36,34 Deseriba
en los que sea inevitahle la necesidad de usar pruebas destructivas,
'l!f)02
Síntesis y diseño
Capín.do 36 / As(:'f.~ur,imil'nlo 1 prueba e insp~cción rle la cJ!icL:id
36.35 ¿Cuál de !as técnicas de inspección no dcslructivas es adecuada para los materiales no metálicos? ¿Por lJUé? 36.36 Describa las ventajas de! sislema que se ve en La fig. 36.7. 36.37 Revise las publicaciones técnicas y póngase en contacto con diversas asociaciones: a continuación pare una tablu detallada acerca de la expectativa de duración de diversos productos al consumidor.
prL'~
36.38 Snponga que está a cargo de las operaciones de manufactura en una empresa, que todavía no ha adopta~ do técnicas de control estadístico de proceso. Describa cómo haría para desarrollar un plan para hacerlo, incluyendo la capacitación de su personal. 3639 Describa ejemplos donde se obtengan curvas parecidas a las de las figs. 36.6a y b.
36.40 ¿Por qué es importante !a confiabilidad en la ingeniería de manufactura? Describa algunos ejemplos. 36.4~
1003
36,55 Un fabticante está laminando pistas para rodamientos ele bolas (véase ln fig. 13.14). La superficie interna tiene una especificación de rugosidad de 0.10 {lm ± 0.05 µm. Unas medidas tomadas en anillos laminados indican una rugosidad promedio ele O.\ 12 µm con desviación estándar de 0.02 ,um. Se fabrican 30,000 anillos por mes, y el costo de desechar un anillo defectuoso es de 5.00 dólares. Se sabe que si se cambian lubricantes a una emulsión especial. la rugosidad promedio podría ser esenciahnente igual a la especificación de diseño. ¿Qué costo adicional mensual se puede justificar para otro lubricante? 31í,56 De los datos del problema 36.55, suponga que el cambio de lubricante puede hacer que el proceso de manufactura logre una rugosidad de 0.09 µm ± 0.01 µm. ¿Qué costo adicional mensual se puede justificar para el lubricante? ¿Y si el lubricanle no cuesta nada adicional? 36.57 Los fabricantes de ]alas para refrescos tratan de alcanzar frecuencias de fallas menores que una lata en diez mil. Si esto corresponde a una calidad n.~sigma, delermine n.
¿Sería deseable incorporar técnicas de inspección no destructiva en diversas maquinarias de !rahajo en mclalcs? Describa un ejemplo específico y haga un esquema de e:-;a máquina.
36.42 Describa ejemplos de la lécnica de inspección por impacto acústico, dístintos tk los que aparecen en el libro.
SÍNTESIS Y DISEÑO
36.43 Explique c6mo se puede tener, en forma simultánea, un proceso de manufactura que produzca piezas defccturn::as, y a la vez una calidad superior, en comµaración con otro proceso que tenga cero defectos.
36.58 Suponga que faltara ia introducción de ese capítulo. Escdba una introducción detallada donde describa
36.44 ¿Hay algun3. relación entre las especificaciones de diseño en los plano8. y los límites en las gráficas de control?
3659 Este capítulo describió en forma breve el concepto de diseño Je experimentos, que se usa para identifi-
36 . 45 Explique por qué los ca!füradores pasa-no pasa son incompatib!e.s con la filosofía de Ta!~ucbi.
36.46 Describa ejcnapíos de productos donde no sea posible el muestreo de ! OO{[fi. 36.47 ¿Cuáles son las po:-:ibi!tdades y las
limítacione~;
los punios importantes de Jos temas que se describen aqu{. car las variables que afectan la calidad de un producto. Revise las publicaciones técnicas a su alcance y describa esta Lécnic:i con mayor detalle: describa un ejemplo específico en el campo de la manufacturn. 36.60 Repase los procesos de rnaoufacLura que se describieron en las partes II a la V, e identifique tres operaciones distintas en las que se. puedan implementar los sistemas de ia fig. J6.7. Describa unos diseños que
de los líquidos penetrantes?
ilustren esas aplicaciones. 36.6á 'Muchos componentes tienen un efecto mínimo sobre la robustez y la calidad de una parte. Por ejemplo, las bisagras de la c¡,~a de guanLcs en un automóvil no impactan realmente la satisfacción del propietario, y esa caja se abre tan pocas veces que es fácil llegar a un diseño robusto, ¿aconscjarfa usted usar métodos ele Taguchi, como la función pérdida, en esla clase de corn.ponentes? :'.16.48 Suponga que en el ejemplo del problen1a que sigue a la sección 36.6.2. la cantidad de muestras foerJ 7. en luf.;ar de 1O. Con la mi1ad .superior de los dalos en la labla, vue!va a calcular lo~: límites de control y la desviación ct;t:índ~ir. Compare sw·; observac!oncs con lns rcsullados ~)hlenidos l'.on l O mucs!r:is
Calcule to.s lírnih:s de c01lirnf pma promedios y rangos :: .. 6). R ·=- 6.
1;n
el sif.u):.:11tc caso: c:m1idad
36.~){} Caícnlc los límites de con!to! pmu el siguiente ca,~o: cantidad de rrtuestr:.is:::: 5,
.t =
(k~
inucstr:1s-:::::
36.5, LíCn ::::::
F.J.
En una Jnspección con taniafio de muestra l O y ccmtidad de muestras 50, se encontró que el rccorridu pro·rnGdio fue 12 y que el pron1edio dt'. proJTH.:Jios fue 75. Calcule los límites de control para prornecl!os y para rangos.
X¡
X:_
X3
X4
---···-------·--------------0.55 0.60 0.57 0.55 0.59 0.55 0.60 0.58 0.55 11.50 0.55 0.51 0.54 11.57 0.50 0.50 0.58 0.58 0.60 0.56 0.61 0.55 0.6! 0.60
36.52 Delermine los límites de control para los datos de la tabla adjunta. 36.53 El promedio de los promedios en varias muestras de tamaño se calculó como 124. El recorrido prome-dio fue 17 .82 y la desviación estándar fue 6. Se tomaron las siguientes medidas en una mucso·a: l 20, l 32, 124, 130, 1l8. 132, l 35, 12 l y l27. Ese proceso, ¿está bajo control? 36.54 La tendencia en las industrias de electrónica y de cbips para computadora es hacia productos donde se pueda-decir que la calidad tiende a seis sigma (60). ¿Cuáles serían los rechazos por millón de piezas?
• Secdún -.; i .:? / !!;genierfa d-::~
f,;1
tmc~ !~unianos
HJ05
lesiones corporales. o de pérdidas físicas y finai,cien' causadas por un mal f11ncionamicnt<;, mal uso o falla
37
de un producto t véa:·;e wmbién la sección i2 en 1a lnlroducción genera~;. De acuerdo con Jos temas que describimos en d capítulo 36. es 'evidente'!'"' los c«mceptos y filosoffa,,
de calidad dei producto también son parte integral de \rn; ternas que describiremos en este capítulo. Ei ¡fo;cño. la ingeniería y los procesos de producción de un ar:ículo son parte de un sistema en mejor
iería e factores
anos, seguridad ponsabilidad por 37.
ln\Todu<.::_ción
37 .2
1ngenie:~f;;
37.4
(~c)nsideraciones ami)iení;1!es
:57
Rc~>\X:n:iahiliciad por el produc!o
de
asuntos de seg~_¡rjdad y de
37.2 !NGEN
OE FACTORES H
El objetivo Je la ingeniería defá«torcs hunwnos es aplicar el conoórniento adquirido en ,.,,tudios de fisiolo¡;'a y lrnmana, acerca de las caraclerísticas y capacidades dei organismo y la mente humanos. EnU«c es-
l:ls car:;ctcristicas eslán la es1atura, peso, visión. oído. postura. fuerza, edad, úheligenda. nivel vJucal.i,10. dc-.1reza y tiempo de rcac:ción. Se dispone de gran cantidad de datos es1aósticos aciere
37.2.1 Est
de dernandas ck' responsabilidad nur ef prciducLo
,fr.c~arse
1
1,a maquinari
desón:i~~nes traurmifü«>S
acumulativos snn wmunes en los Jugare« dé trabajo. Esa:, lesiones se pueden c\·itllf ··mr
sario. El movimiento mnecesariu :,e pue<.k reclucir a1 minirno. por ejemplo, ;1rrcg!audo en serie \
7 rnü:.T:i.ci..::ión que tiene;¡ hurnJnos con la~; rn~·iquin;is y el amhicmc de e,c., {~:-;c111.-~iaJ p¡-1.f;_~ Jiscfi.ar ii~,nr ~-'ll forma correcta 1:.1 roaq1ii11aria, así como par~t ei dcs~liTOll{l (Je diciones de ~rab.:\j:,i seguras y cficien1es, rn las plantas manuf'actun~ras. Independicnicrnen!e del r;j .. vd <_h:_, autornatización. :)icn1pre inlervienen traln~jadores en uno o müs aspectos de ia producci;,-.n_ L'!l use, fJli:H1ie:;irniento y reparai..:ión eficientes de ¡a maquinad~, herr:unicn1~1s y equipo. Lo. lngenkria de ft.~cíores hurnanos, lhimada t{.m1bién ingeniería humana. se ocupa de todos los aspectos de las interacciones entre eJ hombre y la m
E1
es l<.i e.rgonorufo. de ias palabras griegas ergo, que quiere decir trabajo, y nomía, a
a. Maximizar la calidad y la eficiencia del trab
'l004
s'7c1;enciak:-s. mMimientos repetitivos
e! lugar ck 1rahuj::, como por ejt:mpio en loi:: :.wh3judorcs de línea :k
e~:
sambk. y los de captura de datos, pm:ncn causar lesiones po-r iem;Jóu (si.re%) repetitiva. El resultado >l) inflmnaciones y dolores en br:iz.os, cuello. hombros. mul'íoca:; o manos: bi ternbior y m3rC<)S. e'; pó:Jidn de l'uer;c: >'" mc:i\cca." se
drnm~ de túnel carpaL es un t:stado en que se comprime ei nervio mcdinno y causa gran dolor.
ií""'" sin-
El adicstramicntoadccuaúo.1os cambios en la ¡¡m;tura y los moYirnienlos. y ei reniscño de h;:; hc::,·:.u,:ienlas, equipos y nrnquinar'«1s usad:u; pueden aliviar e! síndrome ai. f'11r ejemplo. ivs ledad:o:; de computadora se están redíseñan. Los controles y las pantallas se deben co\ocar eP lugares ;Hkcu,v.k's, y no dei:«:n in\l'rfcrir éÍ. D<> ben identificarse y marcarse con claridad, para poder enlcnderios y manejarlos sin lugar a confu:sión. La ilu·· mi1wción local y de fondo en la maquinaria debe ser adecuada, para minimizar la tensión ocular, y también
se debe reducir al mínimo el reflejo debido a alumbrado incoJTectn o superficies reflectoras. El tipo correcto de presenwr la información depende de la aplicación. Por ejemplo, son preferibles los contadores numéricos respecto a todos los demás mé!Od(Js de prese.ntación. cuando se desean valores precisos de información estática. Sin embargo. cuando la información cambia con rapidez, es prefetib!e una aguja moviéndose por una escala fija, y no un contador, por el corto tiempo disponible para ieer vnlores sobre la escala.Las estaciones de trabajo se deben disponer de tal forma que permitan el movimiento eficienre de personas, piezas y productos. Se debe asignar el espacio suficiente para almacenamiento, acceso, mantenimiento y equipo de manejo de materiales. cuando sean necesarios.
Sección 37 .3 /Seguridad
Hl06
(Jpi'i.ulo 37 /Ingeniería de factores humanos, seguridad y responsabilidad por el producto
37.2.2 Ru El ruido puede afectar en forma importante y adversa a la eficiencia y a la salud de los operadores. El ruido excesivo interfiere con las comunicaciones y puede causar malos entendidos en los mensajes. La intensidad del ruido se mide en decibeles (dB) con un medidor de sonido, y val"Ía según el tipo de equipo que se trate. Una exposición sos1enic!a a un nivel de ruido mayor de unos 90 dB puede causar pérdida de oído o sordera permanente. AunqL'e son algo controvertidos. se han establecido niveles permisibles de ruido por parte de diversas autoridades; en Estados Unidos la OSHA (Occupational Safety and Health Adminis1ration, Administración de seguridad y salud en el trabajo) ha publicado lineamientos, en donde se relacionan inversamente el llivel de mido y el tiempo de ex¡pnsidón del operador. Los altos niveles de emisión de ruido por parte Lle las máquinas podrían no ser objetables en sí, y lo que importa es la duración de la exposición del trabajador al ruido. Aunque todas las máquinas emiten ruido, las principales fuentes de ruido suelen ser los mecanismos accionados por aire, los engranajes, el equipo de manejo de materiales, las tolvas de transporte de artículos, la maqLiinaria de impacto, las bombas hidráulicas, los motores, los ventiladores y los sopladores. Se pueden reducir los niveles de ruido usando equipo silenciador, encerrando totalmente a· la maquinaria. forrando las cajas y las tolvas y modificando los componentes de la maquinaria. En zonas con mido excesivo, el equipo de protección personal, como tapones de oídos u orejeras. puede reducir Ja exposición del trabajador al ruido. El mantenimiento y el cambio regulares de componentes de maquinaria desgastados. como engranes y cojinetes. reduce en form;i eficaz los niveles de mido. Las vibraciones de la maquinaria y eI suelo no sólo emiten ruido, sino son perjudicüles para ta precisión dimensional y el acabado superficiaí de las pie¡;as producidas en ias máquinas ccrc::tnas.
37.3 SECURIDAD Se reconoce en general que no hay máquina ni producto a! consu111jdor o parn Ja industria que no put;~ dan estar implicados de alguna manera en un accidente o una fosión. Seguridad puede ser definida corno un juicio de aceptución de peligro, donde peligro (danger) involucra bs definiciones ''hazard" y "risk" que serán expitcadas a conünuaci6n. Así, la seguridad de una n:1áquina o un lugar de trabajo ch~pende del peh~.::ro ¡ el riesgo que implicad funcionamiento de la máquina. Se define peligro ("hazard") como productor de b:Í(> nes, mientras que riesgo ("risk") se define como la probabilidad de 4ue suceda la lesión. Las causas de his lesiones son diversas, pero incluyen los siguientes factores:
Hl07
Por su misma naturaleza. las operaciones de manufactura implican riesgos de segmidad de diversos grados; sin embargo, es imperativo que los trabajadores tengan un ambiente de trabajo razonablemente seguro. Hay algunos riesgos, y maneras de controlai"los, que son obvios, mientras que otros están ocultos y requieren precauciones adicionales. Las encuestas indican que 85% de los accidentes que implican maquinaria son causados por el operador, 5% por falla mecánica y el resto se debe a otros factores. Se pide a los patrones que equipen a las máquinas antiguas con defensas. Los fabricantes deben proporcionar defensas y dispositivos de seguridad adecuados en la maquinaria nueva. Además, los patrones que dan importancia a la capacitación tienen mucho más éxito en la reducción de accidentes. mediante técnicas de reconocimiento de riesgo y el desarrollo de prácticas de trabajo más seguras. La experiencia demuestra que, como hoy literalmenw todas las 1míquinas tienen defensas, los diseñadores y constructores de máquinas no pueden influir sobre la seguridad con el grado que pueden los usuarios. Los profesionistas y organizaciones de seguridad han creado la siguiente jerarquía para manejar Jos riesgos en los lugares de trabajo:
1. Reducir el peligro a un nivel razonable mediante el diseño. 2. Aplicar tecnología para proporcionar seguridad mediante barreras. 3. Usar letreros y etiquetas de seguridad. 4. Capacitar e instruir al trabajador. 5. Hacer obligatorio el uso de equipo de protección personal. Resulta tácito en la jerarquía de seguridad que los primeros pasos son los más efectivos: es mejor eliminar peligros o riesgos de lesión mediante et diseño, que usar ban-eras de seguridad, y éstas a su vez son más efectivas que los letreros, etcétera. Métodos de salvaguardia. Se han desarrollado varios métodos comunes para mantener segura lamaquinaria:
Barreras de seguridad. Cuando se diseñan y se mantienen lTien, las barreras de sguridad evitan la exposición del operador a puntos filosos y punliagudos de las máquinas. Estas barreras pueden ser fijas. o autoajuslabks. Las barreras ele seguridad identifican también las áreas peligrosas de lamaquinaria y, en algunos casos, evitan que salgan despedidas piezas de una máquina (como piezas rotas
a. Quedar atrapadas paites dd cuerpo en o entre componentes de máquinas.
de un esmeril). Se ban aplicado dispúsitivos de accionamiento (enclaves) mecánicos, eléctricos. hidráulicos y ópticos para evitar que funcione la máquina hast~ que las banerns de seguridad estén bien colocadas (fig. 37.l ). A menos que sean desconectados o no sean confiables, los dispositivos de accionamiento au-
b. Ser golpeado por un objeto.
mentan la efectividad de las barreras en la mayor parte de las aplicaciones.
c. La caída de cierto equipo, estructuras o escaleras. d. Resbalarse o tropezarse en las superficies de los pisos.
(b)
(,t)
e, Explosiones e incendios.
f. Exposición a niveles peligrosos de electricidad. g. Quemaduras o exposición a temperaturas extremas. h. Exposición a/o ingestión de sustancias tóxicas.
i. Demasiada tensión física. Los patrones (o "empleadores") son respons;ibles de proporcionar un lugar de trabajo razonablemente seguro. En Estados Unidos se han promulgado diversas normas de seguridad y salud, principalmente por parte del American National Standards lnstitute. Estas nonnas han sido la base de muchos reglamentos gubernamentales adoptados por la OSHA. Hay publicaciones sobre seguridad que se pueden obtener en el National Safety Council y en organizaciones similares. en Estados Unidos y en otros países industrializados. ,
Enclave de muelle
FIGURA 37.1 Barreras de seguridad: (a) el enclave de resorte desconecta la corriente de la máquina cuando se abre la puerta de la barrera. (b) La barrera sólo puede moverse si se quita el tapón, que entonces desconecta la corriente de la máquina. Fuente: Triodyne, lnc.
rnmi
Cé1pítulo :37 / lngenieríc:i de
faclort~s hurn,1nos, Sl~guridad '/ responst1b1lidt1d por e! producto Sección 37 .4 /
(a)
Con~.;ideraciones
arnbit·ntales
1009
(b)
bacer después de haber puesto el estado de energía cero. Una vez terminado el servicio o el mantenimiento, se deben reconectar todos los dispositivos de seguridad y comprobar que funcionen antes de li berar el equipo a producción. 4. Advertencias. Son letreros, señales e instrucciones que previenen a los operadores contra riesgos latentes, métodos para controhU" el peligro o las consecuencias que no son obvias. Aunque pueden ser inconsistentes en el uso real, el formato, tamaño y color de los letreros se han establecido mediante normas industriales y códigos gubernmnentalcs. 5. Equipo ele protección personal. Las gafas. caretas, tapones de oídos, cascos, mascarillas y ropa de protección (guantes y petos), son equipo de protección personal que reducen la exposición de riesgos al trnb<\jador. nGUR/I 37.2 (a) Disµositivo con sensor de p1·esencia, con haces de luz en formc1 de cortina, que dlraviesan la zona de operación. (b) Cuando las rnanos del operador rompen la cortina de luz, se c1ccionan el freno de la máquinér. y st~ desconectJ e! embrague. Fuente: Triodyne, lnc.
IlYi.s¡:msitivos de seguridad. Los dispositivos pasivos y ac1ivos de seguridad ayudan a reducir el riesgo o la severidad de una les1ón. Entre esos dispositivos están los siguientes: a. JV!ecanismos de retroceso, para las manos dd operador.
!>. Con1mles en caso de fallecimiento en el trabqjo (dead man controls), sistema en el que la energía ,,e desconecta en forma automática en caso que el operador se desmaye muera, cornu en el casn é:e los trenes subrcrrán.eo.s y sus condnctorcs.
Dispositivos con sensores de presencia (fig. 37.2). Scg[!rft!la!I d11nmte el mantenimiento de !a maquinarfo, A las máquinas se les deben dar divcrws tipos de servicio. localización de fallas, ajustes, mantenimiento y reparación, contemplando C]uc ias barreras de segmidad esu.5n fuera de servicio temporalmente, o desconc;clados sus dispositivos de seguridad. Los dispositivos de seguridad que son a I¡¡ vez compa
G
c0>!a-
1rfo de energía cenJ, antes de entrar a ella o exponer cualquier parte dei cuerpo en la trayectoria de uno pane móvil. El concepto de estado cero incluye las siguientes funciones:
:a. Asegurar Ja desconexión (asegurnmie1:lto) y colocar letreros en los ínterrnptores principales, tal como indican los reglamentos, para que un empleado no encienda inesperadamente el equipo mientras que alguien esté dando el mantenimiento. h. Deben restringirse o controlarse todas las fuentes de energía potencial y cinética, para que no ocurra una descarga inesperada de energía. Ejemplos de lo anterior son a) descargar aire compiimido a la atmósfera; b) aislar el líquido hidráulico a presión, c) restringir la energía almacenada en resortes, y d) descender las cargas que estén suspendidas. Con frecuencia es necesario y aceptable localizar fallas cuando la corriente está activada, al igual que quitar y desconectar los dispositivos de seguridad para fines de reparación. Por ejemplo, si la falla de un dispositivo de accionamiento el6ctrico es la causa del mal funcionamiento del equipo, es necesario desactivar todos los dispositivos hasta que el que tenga problema se aísle e identifique. Sin embargo, el proceso ele desactivar los dispositivos de seguridad para fines de mantenimiento sólo se debe
37.4 CONSIDERACIONES AMBIENTALES Los posibles efectos adversos que tengan las actividades industriales y operaciones relacionadas con la salud de los trabajadores, al igual que sobre et ambiente. se reconocen hoy por las industrias manufactureras, el público y los gobiernos locales, estatales y federal (véase también la sección 11 en la Introducción general). Las condiciones del ambiente y el control de la calidad del aire, el agua y el suelo son aspectos fündamentales de todas las activiclacles manufactureras, al igual que la conservación de los recursos naturales. La comprensión y conciencia de nuestro sistema ecológico debería ser parte integral de la actividad industrial. Entre los efectos potenciales están los cambios climáticos globales, la pérdida del ozono estratosféiico y la extinción de la diversidad biológica en la Tierra; también hay problemas menores. como son los de·· rramcs de petróleo, los tiraderos de desechos tóxicos y la difusión de los plaguicidas, así como las fugas de los tanques de almacenamiento subterráneos. Aunque hay muchos factores que intervienen en los problemas ambientales, los que tienen que ver principalmente con las actividades manufactureras se pueden dividir en dos categorías: a. Contaminantes procedentes ele plantas industriales, como desechos sólidos y líquidos, agua residual y descargas de diversas instalaciones, como por ejemplo, plantas de tratamiento térmico. h. Contaminantes atmosféricos, como los de las fundiciones y los procedentes de enfriadores. lubricantes y diversos fluidos que se usan en las operaciones de manufactura. En Estados U nidos. el congreso ha promulgado varías leyes que reglamentan una gran variedad de prácticas industriales, con el propósito de mejorar el ambiente. Las principales agencias federales y las leyes que les atañen, respecto a las industrias manufactureras, son las siguientes:
l. Ley de seguridad y salud ocupacional (OSHA, Occupational Safely and Health Act) se ocupa de las condiciones de inseguridad en el lugar de trabajo. Promueve que tanto los patrones como los empleados reduzcan los riesgos, incluyendo Ja exposición a sustancias químicas y tóxicas, y que implementen los programas existentes, o unos nuevos, ele seguridad y salud. Como ejemplos de los reglamentos de OSHA de importancia primaria en las actividades manufactureras están la norma de comunicación de riesgos, el derecho a conocer, la norma de calidad de aire en el interior de la planta, el programa de mantenimiento de respiradores, el plan de seguridad en el laboratorio, la norma de administración ele seguridad para sustancias químicas muy peligrosas, los reglamentos para entrada en espacio confinado y la norma de aseguramiento en desconexión y colocación de letreros. 2. Instituto nacional de seguridad y salud en el trabajo (NIOSH, National lnstitute for Occupational Safety and Health), que fue establecido por la OSHA; efectúa investigaciones, experimentos y demostraciones para identificar materiales tóxicos, determina los niveles seguros de exposición y desarrolla metodologías para identificar riesgos a la salud.
Sección 37.5 /Responsabilidad por el producto
·wrn
1011
Capítulo '57 / !ngenieda de factores humanos, seguridad y IT:sponsabi!idad por el producto
3, Agencia de Jllrnkcdón ambienta! (EPA, Environmenlal ProtectionAgency), con las responsabilidades relacionadas con sustancias tóxicas, aire limpio, contaminación del agua, agua potable segura y desechos sólidos. La Ley de control de sustancias róxicas reglamenta la manufactura, el procesamiento, \a distribución, el uso y el desecho de sustancias que presenten un riesgo notable para los humanos ene\ ambiente. La Ley del aire limpio (Clean Air Act) pretende establecer normas nacionales de calidad del aire, mediante el control de emisiones por parte de fuentes estacionarias y móviles, incluyendo, por ejemplo, la emisión de componentes vo.!átiles en lubricantes. La Ley.federal de contaminación de agua, llamada también ley del agua limpiu (Clean Water Act) prelcude limitar la descarga directa o indirecta de contaminantes en aguas navegables.
5. Los desechos sólidos se controlan en Estados Unidos con dos leyes. Una es la Ley de conservación y recuperación de recursos, que pide a la EPA que establezca y revise en forma periódica normas y reglamentos para generación y almacenamiento, transporte, tratamiento y eliminación de desechos peligrosos. Se consideran peligrosos los desechos si tienen una o más de las siguientes características: a) combustibilidad (causar incendio o explosión)., b) corrosividad (daño a recipientes que permitan el escape de los desechos) oc) toxicidad. La otra ley es l3 Ley de respuesta ambiental detallada, compensación y responsabilidad, que reglamenta la existencia de desechos peligrosos, incluyendo los sitios no autorizados y los derrames. Enu·e otros reglamentos más de la EPA están el Reglamento para tanques subterráneos de almacenwnirnto, Plan de conlrol y contrarnedidas de prevención de derrames y los Reglamentos para aceite usado. Estos reglamentos requieren de permisos para descargar los contaminantes en ias corrientes de agua o en el aire. El alcance de este programa es amplio, porque una instalación debe recolectar sus emisiones contaminantes al aire en un solo documento. El ingeniero de manufactura debe trabajar en estrecha colaboración con Jos asesores ambientales, porque un permiso puede contener ciertos límites y restTicciones que no se pueden modificar con rapidez. Se puede incurrir en costos importantes para implementar tan gran cantidad de reglamentos, obligatorios según los tres niveles de gobierno: locaL estatal y federal. Por ejemplo, el costo promedio por el desecho de fluidos de trabajo de metales (por ejen1plo, fluido de corte a base de agua) es de unos tres dólares p,,,- ¡;;,hín. Sin embargo, a la larga todos estamos interesados en asegurar un ambiente saludable y seguro.
Fabricadó11 de latas consciente de! ambiente Las operaciones ele formado de lámina que .se usan en la man~factura de recipientes p~1rn al imcnt(1s y hch1das se muestran en la fig. 16.31. Lo que no se ven scm la.s operacionei; que no son de fonnt1do de lámina. Por ejemplo, entre las operaciones de fonnaciótí de do~o.sy.tlfr (l()nstrucciones se hace una oprnición de lavado y recubrimíento: quita de la lata los residt10s ~e lulmcanrepara preservar el gusto del contenido y su duraci\)n en almacén, y también aplica un recubrimi~l}t(j!~~ie .al1.netal. Después de esta operación de ha.cen. una o in,á~ pá · · polímero al interiór de la iata. mobjeto del .polímero es proporcionar unatiaJ.TeI& ·y el: alhnento, para tener una :-,;-r:; , superficie segur~ de contacto C(Jri el contenidq,<. • : •.:..•.. La n'!sina de polímero es aplicada medíant~un_a:{) ritÓ,éohociado; disolviendo · el polímero en un catalizador, como metil~etfücet!)ni liltinUílCíónJas Jatas se cólo· can en un horno para cnrarlas, donde se evaplÍra•ta:íl.l' ~J'PfükErtfot:rna gaseosa, la cetona es un compues\ó orgánico volátil y co¡¡sc@x~ ~ve. P~t:rarisfonnar este c;om· puesto en dióxido de carqorió y vaporde ag · ·· Un método alternativo: en .la lnaúufactu :1Aét1ílif!i'~ó:f&tftblímero, ya sea. median.te eI rodado de p~Ivo o qn proceS? dé la¡}¡i1la~ '' · ~;~~!J~ii;eJ?iés propíeda.des de fricción; puede servir como lubric~nte ert el e;nb~Ííd.O chado, eHmínarido así la nec<~-
pfÓfí
sidad de usar lubricantes potencialmente peligrosos. Además, son innccesadas las operaciones de recubrimiento por rociado. de modo que se elimina Ja generación de compuestos orgánicos volátlles, Si bien se introducen algunos riesgos ambientales en la laminación o en la operación de rociado de polvo, son mucho mrnos graves que la generación de compuestos orgánicos voláúles. Además, ya que un proveedor puede suministrar el metal para muchos fabricantes de latas; &e consoÍidan los riesgos ambientales en üna sola instalación, hacíendo muc.bo más factible la admiúlstración y el control de los riesgos.
Vuentc: J.E. Wang, Wcirton Steel Corporatíon
37.5 RESPONSABILIDAD POR EL PRODUCTO Tan sólo en Estados Unidos hay un mínimo de 10 millones de personas (4% de la población) que sufren lesiones en el trabajo cada año. Miles de las lesiones son fatales, y 30% de ellas se clasifican como graves. En consecuencia, cada año ;;e pierden millones de días de trabajo, y se estima que los costos directos e indirectos son mús de 30 mil millones de dólares. Estas lesiones, muertes y gastos son el punto de atención de la res-
ponsabilidad por el producto. Supóngase que el lector acaba de comprar un martillo con mango de madera. Después de usarlo por al-gunos m~ses., el mango se rompe y la cabeza de dicho martillo le golpea causándole lesiones graves que requieren cirugía. Supóngase, además, que le lesión 1.e causa una deformación permanente y, en consecuencia, no puede usted continuar en su trabajo donde obtenía buenos ingresos ¿Qué recurso debería tener usted para recuperar-se de los d,1ños a su persona, el tiempo de u-abajo perdido y los efectos sobre su empleo y tren de vida futuro? Hasta hace unos 100 años, la teoría legal principal que se aplicaba a los fabricantes de maquinada se basaba en \a doctrina romana de caveat em¡:¡tor, que el comprador se cuide. Si se causaba una lesión al usar un producto que no tiene por qué ser peligroso, Ja parte perjudicada no tenía, virtualmente, posibilidad legal de obtener compensación por la lesión. Sin embargo, alrededor de 1900, la magnitud de la economía en Es-tados Unidos hizo nec.esar\a una teoría legal distinta, para comprometer a los fabricantes con sus productos. D0sde entonces, las decisiones juclicia'les han cambiado en forma gradual a las doctrinas de responsabilidad.
37.5.1 Negligencia
B?~jo la teoría legal de la negligencia, una de las partes es responsable por daños, si no actuó en forma razo" nabie y prudente corno la otra parle lo hubiera hecho en circunstancias iguales o parecidas. Para que se aplique la teoría de la negligencia, la parte lesionada, o demandante, debe demostrar dos condiciones:
l. Que se violó la norma de cuidado, por parte del acusado o defensor. 2. Que esta violación fue la causa inmediata del accidente. También, el demandante debe demostrar que no tuvo negligencia atribuída por su parte, al causar el accidente. Algunos estados (en EE.UU.) se basan en el concepto de negligencia comparativa, o falla comparativa, para decidir hasta qué grado es responsable de un accidente cada una de las partes. Por ejemplo, en la negligencia comparativa puede ser que un jurado determine que el demandante es responsable en un 50% del accidente, y que se debe reducir la indennüzación monetaria en ese porcent2Je. También, puede ser que el fa· bricante y el distribuidor sean responsables un 25 % cada uno, y en consecuencia, tengan que pagar por igual la indemnización ya reducida al demandante. Para cubrir los gastos y los costos que implican los litigios de responsabilidad por el producto, los fabricantes agregan cierta cantidad al costo de sus productos. Así, todo producto industrial y al consumidor tie-
]012 Copítulo 37 ! Ingeniería de factores humanos, seguridild y responsabilidad por el producto
dólan~s.
ne un costo que involucra la responsabilidad por el producto. Por ejemplo, se ha estimado que 500 delproducto. precio de venta de un automóvil normal, se dedican a cubrir demandas potenciales de responsabilidad por el
T 1
1 Responsabilidad estricta Bajo la teoría legal de la responsabilidad estricta, el demandante debe demostrar que: El producto contenía un defecto que lo hacía muy peligroso (por ejemplo, un perno rntL1 en una podadora de pasto).
1
¡
Sección 37.5 /Responsabilidad por el producto
1013
Advertem:ias e instrm::cfones. Se puede considerar que un producto es defectuoso si no contiene o no se incluyen con él las advertencias que hubieran evitado el accidente. Las teorías relacionadas con las aclvertencia.s son complicadas, y no todas ellas mejoran la seguridad del operador. Además, las advertencias no sustituyen la capacitación y las instrucciones. Las instrucciones relevantes para el uso y el mantenimiento de un productn se deben presentar en una forma clara y legible, Las advertencias deben instruir con claridad al usuario acerca de qné hacer y qué no hacer para usar con seguridad el producto. En los manuales de instrucciones, opcrnción y mantenimiento que acompañan al prodncto deben presentarse tocios los detalles.
2. Que el defecto existía cua11do el produclo salió de las mrmos del demandado (el fabricante usó el perno roro). 3" Que el defecto füe una causa inmediata de la lesión (la rotura se propagó cuando el demandante usó el producto, se rompió el perno y se lesionó el demandante) y en consecuencia, que el producto crn altamente peligroso.
Bajo las leyes de responsabilidad estricta, las acciones del demandante son irrelevantes (la pocladora se usó en un terreno accidentado). No tiene relación con la demanda si el demandante c1ctuó como parte razonable y prudente, basándose en la responsabilidad estricta. El énfasis está en el producto, y una defensa basada en la negligencia comparaiiva del demandante es inválida en Ja mayor parte de las jur!sdicciones. Ademrís, se pide a los fabricantes que anticipen rnzonablemente malos usos previsibles de su producto, por parte del con swnidor (dejar caer /.a podadora en el p:wimcnto al sacarla de la cajuela cid automóvil).
.3
37.SA Diseño y manufactura de productos seguros A través del tiempo, y con base en la experiencia acumnlada, se han cslablecido cicrlos lineamientos ele diseño y manufactura de productos seguros. Es esencial considerar la seguridad de un producto en términos de su diseño, manufactura, distribución y uso final. La seguridad del producto debe ser responsabilidad colectiva de todas las partes involucrnclas, incluyendo los ingenieros de diseño, materiales y manufactura, los operadores de máquinas, supervisores, inspectores, personal de transporte y administración. Se han desarrollado metodologías como el Análisis preliminar de riesgos, que se están aplicando para identificar riesgos potenciales asociados con el diseño del producto y el lugar de Lrabajo. Se deben implementar programas de seguridad ele producto y ele control de pérdidas, los cuales deben implementar comités que representen a todos los cleparlamentos y que tengan todo el apoyo de la administración ele la empresa. Los lineamientos básicos para diseñar y fabricar productos seguros son 1os siguien\es:
La definición de defecto ha evolucionado en el tiempo, Hoy se define a un defecto como fisura, griela o irre-· guiaridad que causa debilidad, falla o inadccua la forma y la función de un producto, y que tiene como con-· secuencia un riesgo de lesión. lln defecto puede resuitar del diseño ele! prnductci, Ja selección de su material y/u un c1rnr· de manufactura o ele producción.
ª"
Sin embargo. no todos Jos productos que presentan riesgos de lesión estiín defectuosos. lJn cuchillo :ifi .. !é,clo no es producto defectuoso ni es demasiado peligroso, [Jorque ei filo ele la hoja es nece:;ario pan el seúal'.ldo. riesgo de lesión queda compensado por la utilidad del cuchilln, ei cual es un efecto del füo. ,\demús, !a enscfianza nablenientc seguro.que recibimos en la niüez en el manejo de un cuchillo ayuda a que este producto sea r,Jzo.
!J. Todos 1os implicados en el clisefio y la manufactura del producto deben tomar en cuenta las normas
Las pruebas legales para definir que un producto es defectuoso implican, por lo general, los factores si· guientes:
e, Se deben monit.orear todas las etapas ele producción (materias primas, procesos de manufactura, procedimientos de ensamble y técnicas de inspección), en forma cuidadosa y continua, para asegurarse de que no pasen los componentes defectuosos tocio el camino en la línea de producción. Se debe enfatizm· e! aseguramiento de la calidad, usando métodos estadísticos de muestreo cuando no sea práctica o económicamente factible la inspección de J00% de las piezas (véase también el capítulo 36).
a, Utilidad y necesidad del producto.
b. Disponibilidad de productos o métodos de trabajo alternativos más seguros. c. Posibilidad de lesión y su gravedad probable. d. Presencia obvia del peligro. e. Conocimiento común y expectativas públicas normales del peligro implicado al usar el producto. f, Posibilidad ele evitar lesiones teniendo el cuidado normal con el producto.
g. Posibilidad ele e!inúnar riesgo sin perjudicar mucho la utilidad del producto,
h. Estado de desarrollo de la industria particular cuando se fabricó el producto, i, Costo de fabricación para que el producto sea más seguro.
j. Voluntad del consumidor para pagar un producto de mayor precio pero más seguro, k. Poder de negociación del fabricante en contraste con el del consumidor,
Los conceptos de disefio del producto deben prever peligros que son obvios y probables en el uso de dicho producto y también anticipar las lesiones que podría causar el mal uso de uno o más ele sus componentes. y
regbmenlos industri
di. Se deben preparar con gran cuidado manuales de instmccíón y letreros de advertencia que describan los riesgos ocultos conocidos. Los usos pretendidos del producto se deben describir en el manual de instrucciones, además de los malos usos previsibles, y del mantenimiento y cuidado del producto. e, Es esencial guardar registros completos del diseño, fabricación, pruebas y control de calidad de todos los componentes ele un producto y su ensamble, con fechas y números adecnados de identificación. Por ejemplo, si se ensambla un producto con un lote de componentes defectuosos, o si un competidor comienza a suministrar piezas semejantes pero sin apegarse a las normas, el fabricante del producto tiene un medio de demostrar si el componente defectnoso fue suministrado con el producto original. En caso de que sea necesaria una recuperación del producto o una campaña de reparación, la confiabilidad de los registros ayudan a minimizar Jos costos adicionales y a maximizar la eficiencia de Ja campaña.
Hlí4
Términos clave
Capítulo 37 / lngeniería de fac1ores humanos, seguridad y responsabilidad por el producto
37.6 EJEMPLOS DE DEMANDAS DE RESPONSABILIDAD EL PRODUCTO Troqueladora. El demandante fue lesionado al manejar una troqueladora fabricada por Niagara Machi ne and Too! Works en l 956. vendida ese año a Hammond Organ Company, patrón del demandante. La prensa se usaba en operaciones primarias y secundarias. Durante las operaciones primarias la máquina trabaja en forma automática mientras el operador alimenta la materia prima. No hay necesidad de que el operador tenga las manos cerca de las piezas móviles de la rnáquina. Durante la operación secundada, se terminan las piezas preparadas con anterioridad. El operador coloca una pieza en la posición correcta en el dado inferior y a continuación activa el vástago oprimiendo una pal.anca de pedal. Fue durante una operación secundaria que se lesionó el demandante. La troquel.adora, tal como se _vendió, no tenía dispositivo de seguridad alguno. La máquina sí tenía una función de no repetición para evitar que el vástago descendiera más de una vez cada vez que el operador oprimía el pedal. El patrón del demandante instaló un dispositivo de segulidad que se fija a un operador y que jala sus manos y las retira de la prensa antes de que descienda el vástago, En el momento del accidente, el dispositivo de jalón fijado al demandante estaba roto y no funcionaba. El demandante dijo que su mano fue aplastad.a cuando el vástago de la troque!adora descendió en forma imprevista una segunda vez. El ingeniero de fabricación de Harmnond testificó que el ciclo de no repcri ción funcionaba bien cuando examinó la máquina después del accidente. El demandante aseguraba que la máquina era exageradamente peligrosa porque Niagara no la equipó con un dispositivo de seguridad, y que esta omisión era suficiente para reclamar un derecho a indemnización con ba· se en Ja teoría de responsabilidad estricta. La demanda fue rechazada por Jos tribunales. Aunque los fablicantes deben producir artículo;, razonablemente seguros, la troqueladora, tal como se vendió, sin hernmlientas ni dados. no representaba un riesgo. Además, los aditamentos de tirón instalados por el patrón eran un dispositivo adecuado de seguridad, y di.minaron la condición exagerad.amente peligrosa de la máquina. Como no hay evidencia de que la causalidad relm:ione la lc~ión con el estado original de la máquina, no hay defecto. fi'uente: T:riodyne, 1nc. Referenci;.J: Rios vs Niagara Machin.e & 1/Jol Works.
Oelector de immo. La demall(lante afirmó que un detector de humo operado con pilas era defectuoso, porque las instrucciones en su interior no informaban al consumidor que el aparato necesitaba una pila p21·ra funcionar y tampoco advertía del peligro de quitar ia pila y dejarla fuera. La demandante admitió que el detector se había apagado tres o cuatrn veces cuando había humo cu la cocina, y que cada vez había abierto la tapa y sacado la batería hasta que se disipaba el humo, antes el.e cambiarla. También admitió que cuando la pila se agotaba y el detector comenzaba a chirliar, Ja sacaba del apa-rato y no ponía una nueva. Los tribunales no encontraron ningún defecto, porque para un "usuario consciente y prudente del pro·· dueto" era obvio el peligro que ocasionaba sacar la pila de un detector de humo que funcionaba a base de pilas y que, además, la demandante tenía conocimiento real de que este detector en particular no trabajaba sin pilas. Fuente: Triodyne, Inc. Referencia: Morrison vs Grand Forks Housing Authority,
Candelero. Este caso implicó una acción contra un distribuidor de cierto candelero que se cayó mientras lo limpiaban. Un tubo roscado que sujetaba el artículo a un soporte se había destornillado. El usmuio limpiaba el candelero girándolo media vuelta en cada ocasión. El experto del demandante dijo que a) el artículo no tenía un diseño razonablemente seguro, porque no había un dispositivo de segulidad que evitara la rotación, b) nada en el diseño evitaba la instalación defectuosa y e) nada en el diseño indicaría 311 observador casual que algo andaba mal. La Suprema Corte de Idalio re-
HJ15
solvió en favor del demandante, con base en el testimonio de su experto. Fuente: Triodyne, Inc. Referencia:
Curtis vs DeAtlcy.
RESUMEN " Como la tecnología sirve en último término a la humanidad, el bienestar de los seres humanos en calidad de operadores de maquinaria y usuarios de productos es una consideración integral en todas las actividades de manufactura. " Se pueden planear operaciones eficientes y seguras, y llevarse a cabo en el lugar de trabajo mediante estudios detallados de interacciones entre bombre y máquina_ " El diseño adecuado del ambiente físico, incluyendo calidad del aíre, alumbrado y ruido, pueden :mment¡u· la eficiencia en el trabajo.
" La seguridad debe ser preocupación de todo quien intervenga en el diseño y la producción. La operación insegura de una maquinaria y de productos es la fuente principal de las lesiones ocasionadas al trabajador y al usuario, así como de pérdidas financieras.
., Se ha desarrollado una diversidad de sistemas con barreras de seguridad, que se deben usar. '" La responsabilidad por e! producto continúa siendo un aspecto importante de la manufactura y e"I uso de los productos, y tiene un gran impacto sobre la economía ele las operaciones manufactureras.
TE!'-JDENCIAS " La ingeniería de factores humanos y la ergonomía continúan siendo elementos esenciales en el diseño y uso de maquinaria y equipo de manufactura, en especial considerando los avances en la automatización, que requieren un pape.\ diferente del empleado.
" La seguridad continuará siendo la responsabilidad de todas las partes que intervienen en la manufactura y uso de los productos. "' La responsabilidad por el producto continuará siendo un elemento importante en el diseño y la manufactura. La creciente tendencia en la cantidad de demandas, el alto costo de las indemnizaciones, el costo de defender un caso y el costo del seguro de responsabilidad por el producto han llegado a ser tema,·
principales de cuidado. " En Estados Unidos, las limitaciones sobre demandas e indemnizaciones por lesión, y la normalización a nivel nacional, continúan siendo tratadas en las legislaturas estatales y en el congreso.
TÉRMINOS CLAVE Advertencias Advertencia al comprador Afecciones de trauma acumulativo Agencia de protección ambiental (EPA) Aseguramiento contra arranque
Barreras de seguridad Defecto Dispositivos de seguridad Dispositivos de tirón Ergonomía
Estado mecánico cero Exposición Ingeniería de factores humanos Instrucciones Lesiones por tensión repetitiva Ley de Seguridad y Salud en el trabajo (OSHA) Métodos de salvaguardia Negligencia
Negligencia comparativa
Nivel de ruido Peligro Poner letreros Responsabilidad esnicta Responsabilidad por el producto Riesgo Seguridad Síndrome del túnel carpa!
Síntesis y diseño
016
Capítulo :37 / !ngenit:·1·ía de fortores
humano~;, sGgurkL~d y
-1017
responsabilidad por e\ producto
37.16 Haga una lista de los lineamientos básicos para diseñar y fabricar productos seguros.
81
37.17 ¿Qué es la jerarquía de la seguridad? 37.18 ¿Córno se relaciona la OSHA con 1a seguridad en el lugar de trabajo?
/\bbnu, H., and lVI. Tyler, SL{f"er by Design: A Guide fo !he l\!Iu11ag!:!mcnt and Law r~/ Designing for Product Sqfe(v (2d ed.J. Oower Pulo. Co .. J 997. /1n:idenr Prcvention !Vfanua! for lndusrrial Operation.Y. Natlona[ Sai'cty Councii (rcvi~~cd periodically). Baldwin, S., EH. Hare, Jr., ancl F.E. WkGovcm, The Preparalion f..~/a Pmducl Uabi/itv Case (2d cd.). Aspen Pub., !998. Ficst'.\· S'qf'ety J)irecuny, rev1scd pcriodically. Brown., S .. (cd.), Tlu! Pmducí Linhility JJa¡u/book: Preveniio11, Rislc, Co11sequence mu} Forensics r~f Product Failurc. Van Nostrnnd Rcinhold, ! 991. CarnpbeJL C. (cd.), fn1ernaúunul Product Liczbility. Centcr !'or l.nternational Legal Studies, 1998. Cattanach, R.E (ed.), The 1-fandbook (_f F.:nvironmentally Conscüms Jl!Jm1.14ac1uri11g: Fimn Desi8l1 und Producti.011 fo Loheling r.l!l(Í Recyding. fr\vin, 1994. Concurren! Produc! Design ami E1111irom1u n.!ally Consciow; 111anq/a(·furing. American Socic1y of Mccbanica! En.~!ineers., ! 997. and E.N. Corlcu., Tlie f;)-gonomir·s r~/Workspaces nnd Mw:h1.;ws: A !Jesign ('vfwwai (2d cd.). Taylor and 1995 Eughagcn, L.1< .. Pimdamenw/s qj' Producl linbi!i1y Luw .for 1
Hammer, W., Occupation.al Safery Managernent and Engineerlng (4th ed.). Premice HaH, 1989. Kanvowski, VV., and 'N.S. ~;farras. (eds.), The Occupational Ergmwmics Handbook. CRC Prcss, I999. Kan.vowski, W .. and G. Salvcridy, Ergonomics in J\!larwfcu:turing. Snciety of Manufacturing Engincers, 1998. Kolb, J., and S.S. Rm;s, Product Sqf'ety and liabilily: A f.)csk l?cjeren.ce. McGraw-Hill, 1988.
Lchto., M.R., and J.M. Milicr, WaminA's: Fu11damen1als, Design, and Evalu.ation !Wcthodo!ogh?s. Fuller Technlca[ Publications, 1986. Puiat, B.M., Furulamentals qf"!ncb1srriul Frgonon7.Íc.\ (2d cd.t Wavdand Preso. J997. Roiancl, H.E., and B. Moriarty, S'ystem Sq/ety En.gineC!ring and LVJa.1wJ.:<::men1 (2d ed.} Wiky-fnkrsdencc, l 990. Salvcndy, G., (cd.), Handhuok 1~/ Hu.man Facrors (.Wd E1gonomics. 'Wiley, ! 997. SüíiClt;;rs, lVtS .. and E.J. IVícConnick, Hunwn Fauors i11 Engineering ami Design (7th ~d.). ~1kGrnw-HilL ](,_\(}). \Vickens, C.D .. S.E. Gordon, aud Y L¡u, An !111mductio11 ír> Humun Factor,\· Engin.eering. J\ddis011-VVeslcy, 1997. \ii/oodsun, f!w11a11 Fauors Design Hnndbook ('.?.d ~el :
McCraw-HiJl. i99'.:?..
L'n,~i11.cers. Andm:lriai Press, 1992.
37.19 ¿Qué método se debe seguir en las operaciones de mantenimiento para evitar lesiones'? 37.20 ¿Cuál es la difercncía enlrn negligencia y falta comparnliva?
PROBLEMAS 37.21 Explique por qué la responsabilidad por el producto se ha vuelto un factor tan importante en la manufactun.i. 37.22 ¿Pueden ser peligrosos los mismos disposilivos de salvaguardia en !as máquinas? Describa algunos ejemplos y l.'.:Xpiíquelos. 37.23 ¿Deben !ínütarsc las indemn;zacioncs monetarias en los caso;; de responsabilidad por d producto'?
¿,Cuále~. son los
pros y los contras de esos límites? ¿Deben depender del tipo de accidente? 37.24 Arnerit'a.n Mach.inist, umi. revista rncnsual especializada tiene una página en cada número que presenta resúmenes de casos de demanda por responsabilidad por el producto. Repase los ültimos números de esa revista y escriba sus observaciones. 37 .25 Describa s11s ideas acerca de las consideraciones arnbienlales descritas en ta scccló:n 37.4. 37 ..26 En la ;.;e,;c1ón 37 .3 se describió algo dci equipo de protecc1ón personal. ¿,Cree usted que e:-.c equípo puede present.ar riesgos, por sí mismo, al trabajador? Describa algunos ejemplos específicos. 37.2'7 ¿Córno haría usted para medir niveles de ruido en las plantas ~·nanufacturera~? Haga cornen1Drios sobre ci tipo y la cantidad
37~29
37,.31\ Describa ejemplos de casos en los que no se puedu usar la cortina de luz de la íig. 37.2. 37,32 Suponga que usted es d fabriczmte de un producto, el cual recicla plásücos, trilurándo!os y formando granos peqncños. Se reconoce que d agitador de la trn.íquü·u¿ es ba~~tantc peligroso. Uno de sus ingenieros recomiGnda poner un ktrcro de advertencia que diga '"Peligro - ¡no se acerque al agiladorr·· Otro ingeniero recomienda poner una tolv::1 gn1;:-¡Jc con mn 1.apu. cmno protección conJra c1 riesgo. Entre las
37.2 ¿Cu;Jk:s
su ...:oncepto de los elementos de 1
~;011
37 .3 .Haga una 37.4
Dc~;niba
37.S
t.~:x.plique
ingc~niería
de l'actorl'.s hurnm.1os. ¿Pm
qu~ e~,
imporL-mr.c?
las cJ.racteríslic;is de una estación de lrntxijo, en In qne concierne al trabajaJ1,r'/
·fo-.t.~t
d('., y explique !us condicione:; ambientales que afect'-\n e! ck:sempefio de ios
(n.1b~\iadorc~;.
;;u corn.:epto del significado de segufidad.
qu(; quieren decir los términos riesgo ("'ris!(') y peligro (''ha1.anf} Describa algunu:--. ejemplos de cad;_i u•.w, de su propia experiencia.
37.6 Haga una lista de las causas comunes de lesiones en !os trabajadores. ¿,Cúmo haría u:~ted para evitarlas? 37.7 Descriha !os mélodos comunes para
traln~<.lr
con seguridad la maquinaria de trabajo
37.8 ¿Cuál es el principio búsico de los enclaves? ¿Se pueden desactivar? ExpHquc lo anterior con ejemplos. 37."J Haga una ]isla de algún equipo que se use para protección personal de los trabajadores. ¿Tjcncn algunas Uesvent;,.\jas esos equipos?
37.10 ¿Por qué los constructores de máquinas no pueden influir sobre el nivel de seguridad tanto como Jos usuarios de la máquina? 37.11 Explique el concepto de advertencia al comprador. ¿Por qué se aceptaba normalmente antes de 1900? 37.12 ¿Qué tendencias en responsabilidad por el producto se presentaron después de 1900 9 37.13 Explique lo que significa negligencia. ¿Qué es una negligencia comparativa?
37.33 Revise algunos de los instrumentos de rnedición con los qlle esté familiarizado y explique cOmo los modíficarfa para facifüar su uso y ser menos susceptible de leer en forma errónea. 37.34 Describa algunas situaciones o prácticas inseguras en su propio hogar. ¡,Por qué son in.c;cguros? 37.35 ¿Cree que unas tijeras filosas son un producto defectuoso? Explique pnr qué. 37.36 Describa algunas ele las máquinas que haya usted visto o usad.o. Explique las características, si !as hay, que !as hacen inseguras. Proponga algunos cambios en el diseño para hacerlas más seguras. 37.37 La mayor parte de las máquinas modernas se construyen hoy teniendo en cuenta consideraciones ergonómicas, mien·· tras que las anteriores en general no tenían esas propiedades. Describa sus opiniones acerca de cómo modificar las máquina& antiguas para asegurar su uso seguro y cómodo. 37.38 Suponga que trabaja como ingeniero de diseño y manufactura en una empresa. Le gustaría implementar los diversos temas que describimos en este capítulo. Sin embargo, sería costoso. y la administración no desea aprobarlos con el grado de respaldo que le gustaría ver a usted, ¿Cómo haría para convencer a sus supervisores de los méritos de sumétodo? 37.39 Hay una tendencia a limitar las indemnizaciones por daños a los defendidos, en casos de responsabilidad por el producto, en especial en la profesión médica. Describa sus propias ideas acerca de si esas indemnizaciones deben tener
37.14 Haga una lista
un límite.
--,, mm
Capítulo 37 /Ingeniería ele factores hum,111os, seguridad y 1·esponsabiiidad por e1' producto
37.40 Examine los dispositivos de las figo. 37. 1 y 37.2, y diseñe otros dispositivos para máquinas, herrarnientas y equipo que se describieron en distintas secciones de este libro.
37.41 Se dar;í cuenta usted que se debe tener una preparación legal para ir ajuicio, en los ejemplos de la sección J7.6. ¿Có-
T 1
1
PARTE
vm
1V\anufactura en ambiente competitivo
mo cree usted gue juzgaría los casos si fuera usted ingeniero o técnico de manufactura?
3'7A2 Los dispositivos ele retroceso son accesorios ele seguridad donde se usa una restricción de la mano o de la muñeca, Ji. gada por poleas al ariete de las trogucladoras. Cuando desciende el ariete, las manos del operador son jaladas fuera de Ja zona de! punzón, ¿cuáles son los inconvcnienlc¡.¡ de este dispo.sitivo?
37.43 Diseñe una barrera ele seguridad que se pueda usar en una troquel adora, donde el tarnafio de la pieza puede variar desde un contorno de 1 pulg X 4 pulg hasta I pie x 4 píes.
37.44 dispositivo. Imagine el caso de una bolsa ele aire en el asiento trasero de un automóvil. Opine acerca ele si se debe usar o no ese 37,45 ¿Cuáles son los inconvenientes de los cinturones ele seguridad en los automóviles? Sí friera usted funcionario, ¿qué excepciones incluiría en una ley sobre el uso de dnturones de seguridad?
Los procesos y las operaciones relacionadas hasta ahora descritos en este texto, constituyen los elementos más importantes para diseñar y fabricar productos. Aunque es fundamental comprender dichos procesos, tiene más importancia todavía considerar los temas técnicos en el contexto ele las fuerzas de competitivas que controlan la elección y la implementación ele varias tecnologías en b manttfactura. Hemos descrito y citado con regularidad muchos de los aspectos ele esas fuerzas impulsoras. en especial d costo de manufactura, la caliclacl del producto y el empleo de la automatización, en su relación con diversas operaciones ele manufacltmi. Los avances en la automatización ele los procesos ele tnanufactura, que se describirán en el capítulo 38, han sido impulsados por varias fuerzas ele competencia, com0 por ejemplo, la necesidad continua ele mejorar la procluctiviclacl y la calidad del producto, y ele disminuir los costos ele manufactura. La automatización comenzó con el desarrollo del control numérico ele las máquinas herramientas a principios ele la década ele 1950, y ha llegado a ser un factor clave en varias industrias, al permitir a los fabricantes invertir los problemas ele escalamiento ele costos, mantener la calidad del producto y así fortalecer sus posiciones competitivas, Gran parte del progreso en la automatización de las instalaciones ele manufactura procede de nueslrn capacidad de considerar que las operaciones manufactureras son un sistema. /\l implementar un método ele sistemas a la manufactura podemos i111tegnn diversas funciones y actividades q11c antes eran entidades separadas. De esta forma se puede optimizar todo el proceso de manufactura, no hay que limitarse a considerar elementos técnicos y humanos aislados. La integración de las operaciones de manufactura y las tecnologías que más prometen para kµ.rarla se describirán en el capítulo 39. También describiremos algunos temas que hoy son tan familiares qac se mencionan como acrónimos (en inglés), corno CAD, CAM, CN, FMS, DFMA, etcétera. Ca1la una de esas tecnologías tiene un impacto sobre la productividad, la calidad del producto, la flexibilidad de operación y el cosüi de la manufactura. Su integración total en un sol.o sislem~\ tiene profundas iinplicaciones para el futuro de la manufactura. El capitulo final se enfoca hacia los siguientes aspectos críticos de la competencia: a) econornJ:1 de la manufactura. subrayan Cumplir totalmente con los .requisitos de diseño y de servicio, y las especificaciones del producto. " Determinar los métodos más económicos ele manufactura, teniendo en cuenta el érn1biente,
" Incorporar la calidad en el producto en cada etapa del diseño y manufactura . ., Asegurar que los procesos ele rmmufactura sean lo suficientemente flexibles como para responder con rapidez a la demanda cambiante del mercado global, tanto en variedad como en cantidad de producto, " Considerar que la manufactura es un sistema para integrar sus partes y así mejorar la eficiencia. " Tratar en forma continua ele alcanzar mayores niveles ele calidad y ele productividad. Un repaso cuidadoso de estos objetivos nos proporcionará el contexto adecuado para estudiar los temas y ejemplos que presentaremos en la parte VIII.
1019
to ati ació de los esos e a factura 38.! 38.2
Introducción f\utomatización 38.3 Control nurr1érico (0'-1) 38.4 Programación clE~! control numérico :3H.'.i Control adaptable (Cf\) Manejo y movimiento ele materiales JH.6 '}b.7 Robots industriales 3éLB Tecnología de sensores 38.9 Soportes flexibl
'10
...,
.JU. 1
Hasl.J los primeros años de Ja üécada de 1950. la mayor parte de ias operaciones de manufactura cora efectuada con maquinaria trndicional corno tornos, fresadoras y prensas, que carecían de flexibilidad y necesitaban ele mucha mano de obra capacitada. Cada vez que se Cabricaba un producto difen>nte había que cambiar las herramientas y rearreglar el movim.iento de los materiales. El desarrollo de nuevos productos y de piezas con formas complicadas, requirió muchas pn1<ó· bas por parte del operador para establecer los parámetros de procesamienlo adecuados en la máquina. Además, por la intervención humana, era dillcil y tardado fabricar piezas que fueran exactamente iguales.
Estas circunstancias indicaban que por lo común ios métodos de procesamiento eran ineficientes y que Jos costos de mano de obra eran una parte importante de los costos generales de producción. Se hizo aparente la necesidad de reducir la pieza desempeñada por la mano de obra en el costo del producto, así como la necesidad de mejorar la eficiencia y la flexibilidad de las operacion<0s de manufactura, en especial por la mayor competencia nacional y global. La productividad también se volvió un asunto importante, y se define como el uso óptimo de todos Jos recursos (materiales, energía, capital, mano de obra y tecnología) o como la producción por empleado por hora, básicamente mide la eficiencia de la operación. Con el rápido progreso de la cien-
1021
Sección 38.2 /Automatización
Hl22
1023
Capítulo 38 / Autornatiz
Entre los clesanollos más recientes están los soportes flexibles y las opernciones de ensamble. Estos métodos nos permiten aprovechar por completo las tecnologías avanzadas de manufactura, en especial la de sistemas de manufactura flexible (sección 39. l 0), así como los principales desarrollos en los sistemas de manufactura trabajada por computadora y su impacto en todos los aspectos de las operaciones de manufactura.
cia y la tecnología en la manufactura, comenzó a mejorar la eficiencia de las operaciones de mam1factnra y a declinar el porcentaje que representan los costos de mano de obra en el costo total. ¿Cómo se puede mejorar la productividad? La mecanización de la maquinaria y las operaciones había alcamaclo, en forma abrumadora, un pico en la década ele 1940. La mecanización hace que un proceso u operación funcione Ltsando diversos dispositivos mecánicos, hidráulicos, neumáticos o eléctricos. Pensemos, por ejemplo, en el uso de un abrelatas simple, manual. El abrir mil latas a mano tomaría mucho tiempo, requeriría demasiado esfücn:o físico y resultaría tedioso, por lo que la persona perderia el interés y su eficiencia disminuiría. Si se usa un abrelatas eléctrico se necesitará menos tiempo y esfuerzo, pero el trabajo seguirá siendo Lectioso y es posible que la ct'icicncia baje después de cierto tiempo. Nótese que en los sistemas mecanizados, el operador sigue conlrolando en forma directa el proceso en particular, y debe revisa1· cada paso del funcionamiento ele la máquina. Por ejemplo, si se rompe una henamienta durante un maquinado, si las piezas se sobreca!ientan durante el tratamiento térmico, si comienza a deteriorarse el acabado superficial durante el rectificado o si ías tolerancias dimensiorrnlcs se hacen dcma.siado grandes en el formado de láminas, el operador debe intervenir y cambiar uno o más de los parámetros relevantes en el proceso. El s]guientc paso en ia 1nejora
38.2 AUTOMATIZACIÓN Se define la antorm:itizacíón, por lo general, como el proceso ele hacer que las máquinas sigan un orden predeterminado de operaciones con poca o ninguna mano de obra, usando equipo y dispositivos especializados que ejecutan y controlan los procesos de manufactura. Como se describirá en la sección 38.8 y en el capítulo 39, la automatización, en todo su potencial, se logra usando diversos dispositivos, sensores, actuadores, técnicas y eqLlipo capaces de observar y controlar todos los aspectos del proceso de manufactura, de tomar decisiones acerca de los cambios que se deben hacer en la operación y de controlar todos Jos aspectos de ésta. La arntomatización es un concepto evolutivo, más que revolucionario. En las plantas manufactureras se ha implementado bien en las siguientes áreas básicas de actividad: " l'rocesills «lle marmfactllli!'a. Las operaciones de maquinado, forjado, extrusión en frío, colado y rectifi-
cado, son ejemplos característicos d.e procesos que se han automatizado extc'ónsivamente. "' Mmwjo de mate!'iaies. Los materiales y las piezas en varias etapas de acabado se mueven por la planta mediante equipo controlado por computadora. sin conducción humana.
., fospecdómi. Las piezas son inspeccionadas automáticamente para comprobar su calidad, precisión dimensional y acabado superficial, sea cuando se fabrican (inspección en proceso) o después de termina-
Un aspecto esencia! de !a mannfactura es e! manejo de matcria"!es, esto es, el movüniento de la~ matc-
das (inspección posproceso ). E1t1.samMe. Las piezas individuales fabricadas se arman o ensamblan en forma automática para formar
prinms y lns pieza,', 1:~11 d]versas eta1x1~; de acabado a través de Ja pbnta. De:scribiremos cómo se ba de~a nwncjo de 1nateri::iles en d¡v(;rsos :~istem;:}s~ en especial de ~os que incluyen el uso de :rnbo!s (<-.wtómejnr;.ir ÍíJ c:ficicr1c¡a_ Después se descrihe et terna de la ~ecnoXo~;fa-11 de S(~nsor~~s: ~-;s un elcmcnio c.scncial en e1 control y la opt~rniz:~1ción de r:1r.i.quinari.a, procc:-)OS y sisterna:s.
lo~~ tern<.1~,
F:';c¡ucrn;J
subensambles y, por último, el producto. "' Empaqwe. Los productos se empacan en forma automática.
;! 1
qlK' Pxponc ei capítulo :HL
1
\
!
Automatización de los proceso:-> de rnanufoctura
IA-~l~~;tiE-ac"i7~ ··-------, -----:--.-[
~=gl ,~,:~:~~;~~[[
l:>roaramaciónl ::>
-·-
L0_~xibl:J:uave)
A;t;-~tizaci,S7i"·L__r--Ñtüq~iinas ·-·-]
-
1
1 Contr[J"
rígid~i
Manejo de materiales
numérico ---
1
_J-----1~ tram;ferencia
--4
~
Robots
~ - -1
--,--..J
;f i
'
Control
Control adapt~ble
compu-
con
tarizado
Secuencia fija, secuencia variable, reproducción, Manipuladores, vehículos control numérico, guiados aulomáticamentc
inteligentes
Algunos procesos de conformado metálico se inventaron desde 4000 a.C. (véa.se la tabla l en la Introducción general). Sin embargo, no fue sino hasta el inicio de la Revolución Industrial, en Ja década de 1750, que comenzó a introducirse la automatización en la producción de bienes. Las máquinas hen-amientas, como tomos revólver, máquinas automáticas de tomillo y equipos automáticos de botellas se desarrollaron a finales de ia década de 1890 y principios de la de 1900. En la década de 1920, se desarrollaron las técnicas de producción en masa y las máquinas de transferencia. Estas máquinas tenían mecanismos automáticos fijos y se diseñaban para fabricar productos especificas. Estos desarrollos se plasmaron mejor en Ja industria automotriz, que produjo autos en grandes cantidades
Armado] ---¡--
1 ~~
1
numérico
3i3.2.1 Evolución de la automatización
Diseño para ensamble,
de::.annado y servicio
(producción en masa) a bajo costo. El gran avance en la automatización comenzó con ei control numérico (CN) de las máqninas herramientas a principios de 1950. A partir de este histórico desarrollo se ha avanzado con rapidez en la mayor parte de los aspectos de la manufactura (tabla 38. l ). Estos aspectos implican la introdncción de las computadoras en la automatización, el control numérico computarizado (CNC), control adaptable (CA), autómatas industriales y sistemas ele manufactura integrados por computadora (MCI), que incluyen el diseño, la ingeniería y la manufactura ayudados por computadora (CAD, CAE y CAM).
..Z!'.0".
--r:1 Sección 3H.2 /Automatización
1024
Capítulo
J(\
! t\utornati7.(JCÍÓn
lA!l:LA 38.!
lABLA 38:.2
Historia de la automatización de los procesos
de manufactura ---------
Pecha
laminadora~,
acuñ~1ción
Torno de manddnar, cilindrar y 1..:ortar lornill1is, wiadn1 verlical.
1800-19011
Torno copiador. !orno de revólver. frcsétdora universal; calculadura.s mccánicns avanza
1808
1;1~jctas
Jz.;63
Pianola Tmnu con engranajes; irníquiua :.iutomütica dt' tornillos~ máquina automática de botellas. Uso de la pal<.1bra robot por primera VC7..• Máquinas de transferencia: producción en masa.
Potencia hidráulica para trnbajl) de metales:
Primera computadora electrónica.
¡943
Primera computadora t:Jectrónica digital. Uso de la palabra w11omatizr;ció11 por prit11esa ve1...
19'37 195l)
1%(),, 1%5 J96g
1970 jt\70s
Todo~
1a10
Aviones, maqulnari
Cam·1oncs, maquinaria agricola, motores ele
5000 a 100.000
Lotes o gnrn volumen
reacción. motores diet,c!; partc,o, de computad,m1,
artkulos ckportivo<>.
perforadas de lámina m1:1{dica par::i control automático del bordado en los telares
1940
1948 1952 195,1
parn band<:1s Je
lnvcnci6n del
tn~nsislor.
Primer prototipo de m~íquina herramienta con control numérico. Dcsnrrollo de APT (Autonrntically Programmcd Too]) . lenguaje simbólico: co111.iol adaptable. M6quinas herramientas con control numúico di~poniblc.s c11 d mcrcack:. Circuitos intcgwdos. El término ¡er:nolog{a de gmpo :;e u:<.a por primera w.z. Robots industriales. Circuitos integrados en gr;in e;;cala. Conr.rol11dmes !Cigicos program:d-::i'~~:. Prirner -;istema de manufactura integrado; soidadurn por punto.-, de cuTocerías <1uton10!rÍlTS con robots Microporccsn
JIJSf!s
Inteligencia artificial; 1obot
1990:-;
Sisl('mas
dt~ manufoctur~i
sin opemdur.
Jntcgn.~do.s
de rn:--tnufoctura; máquinas in1.digenic:,; y basa(hts en scnsur: tc!ecnrnunicacionc:; y redes gJobak:; de manufaclllra: disnosi1ivo.'> de lós.>,tca difu . . :¡1; redes neunnalcs ar1.ifici;;1ics; recursos de ínlenw:.
autornatización:
llnUegnff diversos a.spectos de las operaci<)ncs de manufactura para mejorar la calidad y la unifonnidad
Producción en masa
de pieza y parte es en tamaños ele lote de SO o menos. En lieres (job shop). La mayor parle de la la en !el.es pequeños, las cantidades suelen ir de lO a 100 y en ella se usan máquinas y centros general. con diversos conlroles
La
en foks suele ser
HGURA 311.'.! Flexibilidad y productivicbci de varios sistemas de manufactma. f.lótese la intersección entre ellos; se debe a los dive1·sos grodos de automatización y control computariz;ido que su11 posibles en cada grupo. Véanse lambién los cletcilles en el capítulo 39. Fuente: U. Rembold et al., CornpulCr lntegraiecl lvlanufacturinB and Engineering. Addison-We•.;!ey, ·¡ 99.1.
¡--------\ c.~~~~\~ ~1l~)nal
-S-.i-st-cn_m_ _
1
¡
d. Reduck la inte>·vendón humana, el aburrimiento y la posibilidad del error humano.
1
e. Reducir daños a las piezas, causados por el manejo manual de las partes.
·:o "'
f. Aumentar el nivel de seguridad para el personal, en especial bajo condiciones ele trabajo peligrosas.
"""'
Automatización y cantidad de producción. El volumen de producción es crucial para determimr el tipo de maquinaria y el grado requerido de automatización para producir piezas en forma económica. Primero definiremos algunos términos básicos en la producción.
hebiJ.as.
lumen (véase también el capítulo 19). Se pueden fabricar pequeñas cantidades al año (fig. 38.2) en los ta!Ilercs, usando diverr,as máquinas herramientas estándar, de propósito ge11ernl (máquinas imlependientes) o centros de maquinado (vé21se el capitulo 24 ). Esas operaciones tienen gran variedad en las piezas, fo que quiere decir que se pueden producir partes distintas en poco tiempo sin muchos cambios de herramienta y de operaciones de producción. Por otro lo.do, la maquinaria en los tal.lercs requiere, en general, mano de obra especializada, y la rapidez y la cantidad de producción son bajas; en consecuencia, el costo por cada parte puede ser alto (fig. 38.3). Cuando las partes implican un grnn componente de mano de obra, se dice que su producción es intensiva en mano de obra. La de pic~a componente suek implicar cantidades muy pequeñas y es adecuada en los t1-
d.ucción. Las piezas se cargan, alimentan y descargan de las máquinas con más eficiencia: b~' rmh¡uinas se usan con mayor eficacia y la producción se organiza con más eficiencia.
g. Economizar espacio en la planta manufacturera. arreglando en forma más eficiencia máquinas, el movimiento de materiales, y el equipo auxiliar.
alimentos
La e:mtidad tola! producida se define como el número tolal de pmtcs por fabricar. Esta cantidad se pue· ele producir en lotes individuales de diversos tamaños de lote. El tamaño de lote influye mucho en la economía ele la producción; este efecto ,;e deo;cribirá en el capítulo 39. La mpidez de produeciÓJil se define como la cantidad de partes producidas por unidad de tiempo; por ejemplo, por día, por mes o por año. En la tabla 38.2, se ven \os intervalos aproximados de volumen ele producción, aceptados en generaL para algunas aplicaciones típicas. Como cabría esperar, los productos experimentales o prototipos representan el mínimo vo-
dd produc1o, minimizar los tiempos de ciclo y esfuerzos y) con ello, reduó.r io";; 1.:ostos de nWJlu d\: obrü. Nfojonu· la prnductividao:I, reduciendo íos costos ele manufactura a través del n1<.:jor control de la pro·
c.. Mejorar !a calidad empleando procesos más r·epetibles.
Automóviles, elcctrodom!Sslicos, s11j('.1adorc~..
100,000 o más
d·:c maquinado ele
m1tom:.nizac1Óll 1iene tos sigui(..:.nte~.; objetivos principales:
------------·Productos característicos
------·
10 a 5000
Piezas o Jnles pcquci1os
1700-18110
L920
Canlidad producida
E:cpt.rimental (•de prololipo
Torno de madera paru madera; c1lculadora mecünica.
1920-1940
Vol':l_men an':1.al aproximado de produc.ción
Tipo de pro~~ción ____ _ Avance
1500-1600 i600·-1700
!900-19211
1025
de los procesos de rna11UÍcKtur¿¡
el "C
·:;: ~
~~hop") __
nexible de
_[ ¡--nr1anufaclura Celda de
1 ,--~~~1_n~~ Producción
\
con control numérico
j
manufr1ctura Isla de manufactura Lfoea de flujo convencional
independie~
~ o
Línea de
~
transferencia
§
-e:
lncrc1nento en la Productividad __,._
1o:u,
,.g
Ccl~útulo JU/ Au!otr1J1·ización de !os procesos de rnanufacturc1
Producción illlcnnítenlc
Taller
Propósito general ~------
Sección 38.2 /Automatización
Producción en masa
Equipo
---~
Espcci:il
1027
En general, mientras mayor sea el nivel de mano de obra disponible, la necesidad de automatización se reduce, siempre y cuando los costos de max10 de obra se justifiquen y haya disponibles los trabajadores suficientes. Por el contrario, si urrn instalación manufacturera ya está automatizada, el nivel de capacitación necesario es menor. Corno veremos en el resto ele la parte V lll, hay varios asuntos importantes y complicados que intervienen en la loma de decisiones acerca del nivel adecuado de automatización_
de proJucción
38.2.4 Automatización rígida (hard automation) Canlidad de prnc!ucci611------------>f!roci..:so
Distribución de planta·------'°""- Línea de flujo
--·--------··---Habilidad de mano de
Varicd<:id de las p i e z a s - - - - - - - - - - - -
MGURA.1fU y en masa
C,1racterísticc:1s generales de Jos tres tipos ele n1étodos de producción: 1.illC'1·, intern1i!"e111c
con tamaños de lo!c entre i 00 y 5000, usa maquinaria parecida a la de Ja producción en lotes pequeños, poro con soportes de diseño especial, para obtener una mayor velocidad de producción. La prndm;dón en m:is:i implica camidadcs que con frecuencia son mayores que l00,000; requiere maquinaria de propósito especial (máq¡,iu:is dedicmfas o especfalizadas) y equipo au!omatizado para transforir material.e::; y partes. Aunque la maquinaria, t=::quipo y herramientas especializadas son costosos, la ck:0irc:rn y !os costos rt:queridos en la mano de obra suelen ser relativamente b1.-ijos, por ei alto nivel de automaÜzíición embargo, esos sistemas de producción se organizan para una ciase específica de productos, por lo que utreccn de lkxibiiidarL La mayor parle de ias instaJadones manufactnrerns trabajan con diversas rn::íc¡uinas en con1binación, y con diversos niveles ele automatizaóón y controleb con1putarizado . . .
de la
En la automatización rígida, o m~tomatización de posición fija, se diseñan las máquinas para producir un artículo normalizado, como por ejemplo un monoblock, una válvula, un engrane o un husillo. Aunque el tamaño del producto y los parámetros de procesamiento (como velocidad, avance y profundidad de corle) se pueden cambiar, esas máquinas son especializadas y carecen de flexibilidad. No se pueden modificar en grado apreciable, para procesar productos que tengan distintas formas y dimensiones (véase Tecnología de grupo, sección 39.8). Como esas máquinas son de diseño y construcción costosos, para usmlas en fomia económica se necesita producir en muy graneles cantidades_ Las máquinas que se usan en aplicaciones ele automatización dura se suelen construir con e\ principio modnlac o de bfoqne constructivo. Se llaman en general máquinas de trnnsferencia y consisten en dos par\es principales: unidades de producción de cabezal motorizado y mecanismos de transferencia. Unidades de proo:l1u::ción de cabezal motorizado, Consisten en un bastidor o bancada, motores, cajas de engranes y husillos para herramienta, y son autoconteniclas. Sus componentes se consiguen en el comercio en diversos tamaños y capaddades normalizados: por su modulaiidacl inherente se pueden reagrupar con facilidad para producir partes diferentes, por lo que tienen cierta adaptabilidad y flexibilidad. Las máquinas de transferencia f'ormadas por dos o más Lmid~1des de cabezal motorizado se pueden arre· gtar en modelos ele línea recta, circular o en U, sobre el piso del taller. El pi;so y la forma de las piezas influ·ye sobre el arreglo que se seleccione. Este aneglo también es importante para !ener continuidad de la operación en caso que falle una herramienta o una máquina, en una o más de las unidades. En estas máquinas se incorporan funciones de wlcllón ("buffer") de almacenamiento para permitir la operación continua cuan .. do se presentan esos casos.
puc,cJe aplicar la automatilacirín a Ja mw1ufactura ele todo tipo ele bi,,nes, desde 1rn11crias primas ht1s1a pruduel\x~ :crrniua(ios y en l\)dos tipos d~ produc-;:,·ión, desde t~llercs hasta grandes instabcícmc:) ;nanufocturen:ts. L:i decisión de lill101m11izar una instalación nueva o cxis!ente de producción reljuia~ tener en cuenta ios sigoi:cnícs
puntos:
El tipo de producto rnanufoctu.rado.
"' La cantidad y la velocidad de producción reque1ida.
Mecan;snr~os de ~t2msferenda y flilíleas de transferenda. Los mecanismos de tran<.,.ferencia son pa·ra pasar la pieza de una estación u otra en la máquina. o de una a otra ináquina, para pern1itir efectu~w varías operaciones sobre ia parle. Las piezas se transfieren con diversos métodos: a) rieles sobre los que se empujan o jalan las piezas, comúnmente sobre "pallets", mediante diversos mecanismos (fig. 38Aa); 2) mesas rotatorias
indexadas (fig. 38Ab) y 3) transportadores aéreos. FIGURA '.Hl,4
Dos tipos de mecanismos de t1·ansferencia: (a) recto y (b) circular.
(,:} La ú1sc particular de Ja operación de manufactura que se va a automafr;;ar. El nivel
Cabezales
'" Todo problema de confiabilidad y mllIJtenimiento que se pueda relacionar con los sistemas automatizados.
e La economía.
Debido a que la automatización suele implicar altos costos iniciales de equipo, y requiere un conocimiento de los principios de operación y mantenimiento, para tornar la decisión de implementar aun bajos niveles de automatización debe implicar un estudio cuidadoso ele las necesidades reales de una organización. No es raro que una empresa comience a implementar la automatización con gran entusiasmo y con grandes metas lejanas, sólo para descubrir que las ventajas económicas eran en gran parte una ilusión y no una realidad, Y que, en la evalnación final, la automatización no fue económica. En muchos casos es conveniente la automatización selectiva, y no la automatización total de una instalación.
"Pallet"
localizadora rotatoria
.~ 02~{
T Cap(lulo
:rn / /\utornati.Lación de
los
¡
p1oceso~ de rnanui"aclura
Sl::cción 3B.3 /Control numérico ((.N)
1029
38.2.6
Fre<.ndora, taladro, ri111,1, fre~,adora dc penciraci(rn
de inteiforc.';.
ll1
f1·csado
acaln1do. escnn<1dor En~
En:mmbl~ido
fiGURA 3.il.S Uno g,-a11 línea do lr;:ms(orccncia para producir bloques do motor y Furd Motor Con1pJ.ny
cabez~:; de cilindms. Fuc·nie:
La transforencia de piezas de una cs!ación a otra se suele controlar con sensores y orrns clisposiíivos. fon·· licrrnmientas, en las máquinw; de lranstcrencb, se pueden cambiar con facilidad, en portabcrramicnlas ci1mes de cambio rápido. y se puede equipar a esas máquinas con diversos sistemas de medición e inspecci'\n. sislt:rnwo se entre 1'1s operaciones, para asegnrar que las dimensiones de las piezas producidas estación tengan lo!ercrncfos aceplables antes ele que 1.a parle pase a ia siguiertte estación. Como dcsci ibin:11ios en Ja secc]ón 31\.10. también se usan mucho las mcíquinas de transforencia en el ensambie aLliomátic;i
En !a fig. 38.5 se muestran unas ifoeas
~lle irnnsfen~nda o lfoeas tle fh.11jo de un 0isterna muy grande
para IJroducir cc;hezas de cilindro,, par;; motores, y están formadas por varias máquinas de trnnsíen:ncia. le
es capaz de producir 100 cabezas de cilindros por hora. Nótensc las diversas operaciones de 111;, .. quinado que se' h;1e,~n <íllf: fresado, !aladrado, escariado, perforado, lavado y medición
38.2.S o
automation)
Hemos vislO qL1e la automa!ización no flexible (hard automation) suele implicar máquinas de producción en masa que carecen de l1exibilidad. En ",\'l!fi automation" (flexible o programalJle) se alcanza más flexibilidad por el uso 1fo control computarizado de la máquina y de sus funciones, con diversos programas; en las secciones 38.3 y 38.4 describiremos algunos ejemplos detallados de esos programas.
La automatización flexible es un desarrollo importante, porgue la máquina se puede programar con facilidad y rapidez para qLte produzca una pieza con forma o dimensiones distintas de la> que acaba ele producir. Por esta característica. la automatización programable o flexible puede producir piezas con formas complica-· das, Entre otros avances de la automatización flexible están el uso extenso de computadoras modernas, que condujo al desarrollo de sistemas flexibles de manufactura o de manufactura t1exible (sección 39.10), con elevadas eficiencias y productividades.
El control ele un proc;.;so de manufactura en la secuencia adecuada, en especial uno que comprenda grupos de máquinas y ele equipo de manejo de materiales., se ha hecho en forma tradicional con temporizadores, inte. rruptores, reievadores, contadores y componentes parecidos, de conexión permanente, basados en principios mecánicos, decü·omecánicos y neumáticos. A partir de J 968 se introdnjcron los contrnladores lógicos pro,, grnmaMes (lPLC, de programmable logic controller), o controladores de lógica programable (también se les llama PC, de progranunable controller, pero no se deben confundir con computadoras personales), para reemplazar estos dispositivos ele conexión permanente. La NEMA (National Electrical iV!am.ifacturers Association, Asociación nacional ele fabricantes eléctricos) definió al controlador lógico programable como "un aparato ekctrónico digital que usa una memoria programable para almacenar internamente instrucciones para implementar funciones específicas, como lógicas. secuencia, sincronización, conteo y operaciones aritméticas para controlar, a Lravés de 111ódulos digitales o analógicos ele entrada y salida, diversas ciases de máquinas o procesos". Se considera que la computadora digital, que se usa para controlar las funciones de un controJ~,dor programable, es considerada como parte de esta definición. Como los controladores lógicos progranrnhles eliminan la necesidad de usar tableros de control con relevadore,;, y como se pueden reprogramar y usan menos espacio, se han adoptado ampliamente en los sistemas y operaciones de manufactura. Sus funciones búsicas son encender-apagar, rnovirniento, operaciones secuenciales y con1rol con retroalimentación. También se usan para controlar sisterrw.s, con funciones de procesamiento digital en alta velocidad y de con1unic::lciones. Esos controladores funcionan de manera fiable en arnb1entes industriales y inejoran la eficiencia general de la operación. Los controladores lógicos programables se usan cada vez menos en las instalaciones nuevas, debido ai progreso co m:Squínas de control numérico, pero siguen i·eprescntando una base inuy grande de instalaciones. Hoy existe una tendencia creciente hacia cJ uso d.~ rnicrocomputadoras en lugar de controladores lógicos progra111ables,. porque éstas son Inenos co~;tosas, rnüs fáciles de programar y fü.ciles de conectar. Este avance füc posible por las nuevas generaciones de sistemas de operación en "tiempo real", como Windows NT y SCADA (su.pclvisoty con.trol muí dula acquisition. sojtvPnre, programa de supervisión de con.trol y adquisición de dalos).
38.2,J /v\antenirníento La adminislración y el mantenimiento de una gran variedad de máquinas, equipos y sistemas son de los aspectos más importantes que afectan la produclividad ele una organización manufacturera. Los conceptos de rnlmtcnimiento total ¡mxluclivo y de admin1istrndófill total de eqai.ipo pnldm:frvo se están desarrollando actualmente. Esrns conceptos incluyen el análisis continuo de factores tales como descompostura y otros problemas del equipo, vigilar y mejorar la productividad del equipo, la implementación ele mantenimiento preventivo y predictivo, la reducción del tiempo ele preparación, ele! tiempo muerto y del tiempo de ciclo; ei uso total ele !a maquinaría y el equipo y Ja mejora de su eficacia, así corno la reducción ele los defectos del producto_ Por ejemplo, el trabajo en equipo, implementado por grupos de acciones de. mejoramiento continuo, es un componente importante de la actividad e implica la cooperación total ele los operadores de máquina, el personal de mantenimiento, íos i.ngenieros y la administración de la empresa (véase también kaizen, sección 36. l).
383 CONTROL NUMÉRICO (CN) El cofilltrol !lllJlmérico es un método para controlar los movimientos de las partes de las máquinas, insertando en forma directa al sistema, instrucciones codificadas en fo1ma de números y letras. El sistema interpreta, en forma automática, esos datos y los convierte en señales de salida. A su vez, esas señales controlan varios componentes de la máquina, por ejemplo, encendiendo y apagando el giro del husillo, cambiando herramientas,
T
¡ 1
í 030
C1pítulo 38 / /\ulomatizaci(ln rk:
lo~ proo~so.s dP rn,rnufact1.J1"a
Se~_ción
desplazando la pieza o las herramientas en trayectorias específicas, o encendiendo y cortando la salida df· los !'luidos de corte. Para apreciar la importancia del conlrnl numéríco de las máquinas repasemos en forma breve cómo se hacía en forma tradicional un proceso, como el ele maquinado. Después de estudiar los planos de una pane o pieza, el operado1· establece los parámetros adecuados del proceso (como velocidad de corte, avance, profundidad de corle, fluido de corte, etcétera), determina la secuencia de las operaciones ele maquinado que se van a ejecutar, sujeta la pieza en un soporte (como un 111anclri! o una boquilla) y procede con el maquinado. Según la forma y la precisión dimensional especificadas para la pieza, este método suele requerir operadores capacii:ados. El procedimiento de maquinado que se siga puede depender del operador en paiticular; por las posibilidades de en-or humano, basta las piezas producidas por el mismo operador pueden no ser idénticas. En consecuencia. la calidad de una pieza puede depender del operador en particular o (aun con el mismo operndor) del día de la semana o de la hora del día. Como se trata cada vez más de mejorar la calidad del producto y reducir los costos de manufactura. esa variabilidad, así como sus efectos sobre la calidad del producto, ya no se pLteden aceptar. Esta situación se puede eliminar mediante el co11trol numérico de la opernción de maquinado.
Se pltcde ilustrar l.mnbién la importancia del control numérico con el siguiente ejemplo. Supóngase que se van a taladrar varios orificios sobre una pieza, en las posiciones que se ven en la fig. 38.6.
3!3.3.1 Antecedentes históricos
1
El concepto básico del control numérico aparentemente fue implementado a principios del siglo XDC cuando se usaban tarjetas pecforadas de lámina metálica para controlar en forma automática los movimientos de las máqLtinas tejedoras. Las agujas se activaban al sentir la presencia o ausencia de la perforación en la tarjeta. A este invento siguió ci del piano automático (pianola) en el que las teclas se activaban con aire que pasa por orificio> pe1foraclos en L1n rollo de papel. El principio de controlar numéricamente los movimientos ele las máquinas herramientas lo concibió J. Parsons ( l 913 - ) por primera vez en la década de 1940. al tratar de maquinar piezas complicadas para helicópteros. El primer prototipo de máquina con control numérico se construyó en 1952., en el Instituto Tecno-lógico de Massachusetts. Era una fresadora copiadora en dos ejes con husillo vertical, adaptada con servomotort:s: las operaciones que hacía eran de fresado lateral y de cai·eaclo (capítulo 2.3) lm una placa gruesa ele
1 !
En el método tradicional manual para maquinar esta pieza, el operador ubica la broca con respecto a la pie7.a mediante puntos ele referencia obtenidos con cualquiera de !os tres métodos que muestra la figura. A cnnl"inuación, ei operador taladra los orificios. Supongamos primero que se deben taladrar 100 pitiles, todas con exactamente la misma forma y precis·ión dimensional. Es ohvio que esta operación será tcdiosn, porque el operador debe hacer los mismos movimientos en forma repetitiva. Además, hay una gran probabilidad de que . por ,¡;versas razones, algunas de las piezas maquin:trlas sean distintas ele las demá;;_
aluminio. Los elatos numéricos que serían perforados en las cintas de papel se generaban con una computadora di gital, otro invento que se desarrollaba al mismo tiempo en el M!T. En Jos experimentos, se maquinaron bien, con precisión y repetibiliclacl las piezas, sin intervención de un operador. Con base en este éxito, la industria de las máquinas hcn-amientas comenzó a diseñar, construir y vender máquinas con control numérico. Después. esas máquinas se eq¡üparon con conlroles numéricos por computadora, alcanzando mayor flexibiliclad, precisi<',n, versatilidad y facilidad de operación. Los úhimos avances son Jos centros de maq11iruulo, cuyos principios fueron explicados en la sección 24.2..
Ahorn supongamos que durante esta corrida d,; producción se cambia el orden de esas pie1as. y que diez de el.las necesitan los orificios en distintas posiciones. Entonces, el mecánico debe reubicar la mesa. esta opcraclón será tardada y estará sujeta a errores. Las operaciones anteriores se pueden hacer con facilidad usando máquinas ele control numérico, capaces ele producir piezas en forma repetitiva y exacta, y de manejar piezas distintas (tan sólo con cargarles ¡:iro-
fp·an1as para partes distinlas, coJno se descril)irá mjs adelante).
En operaciones e!ectuadas por control numérico, los datos relacionados con :odos los aspectos de la rcición lle rn:1quinado, corno ubicaciones, velocicbcles, avances y lluiclos de corle se pueclen guardar en me· dios magnÉticos, y cambiarlos de cintas a discos duros. El concepto del control numérico es que se puccia irnndar inl'ormación c.specífica desde estos dispo.';itivos ele almacenamiemo al tabíero de control de b m:íqui· na herramienta.
flGURA 38.6 Posiciones de orificios taladrados en una pieza. Se muestran tres métodos d
p~rte
(a)
(b)
r:------........,
(cj
r--::-::::-,-..-_,-,~::-
1031
Con base en la información capturada, se accionan reievadores y otros dispositivos ( contrnles por cableado) para obtener los ajustes deseados en la máquina Se pueden efectuar con facilidad las operaciones complicadas. comu tornear nna parte con diversos perfiles, o el embutido profundo en una fresadora. El control numélico tuvo un gran impacto en todos los aspectos de las operaciones manufactureras. Hoy se usan mucho las máquinas de control numérico en producciones de pequeñas a medianas (500 piezas o menos) de una gran variedad de partes, tanto en talleres pequeños como en grandes instalaciones manufaclureras. La maquinaria vieja u obsoleta puede ser adaptada para trabajar con control numérico.
j l
38.J /Control numérico (CN)
38.3,2
numérico En el siguienlc paso del desarrollo del control numérico, !os componentes de contrni, (mol1laclos en la máquina), se convirtieron en control local computarizado mediank programas. Se desarrollaron dos clases de sistemas compularizaclos. ele control numérico directo y Je control numérico por computadora. En el control numfrico direcl.o (DNC, de direct ;1u111erical control), tal como se concibió y desarrolle\ originalmente en la d
~
'f 1
1
Sección 38.J /Control numé1·ico (CN)
HH2
·1033
Capílulo ·)() / /\utomdtiz0ción de los proce'.;os de m,1nufactura
óón obtenida de programas de dibujo técnico y de
~imulaciones
de maquínado, para asegurar que no haya eno-
res. Sin crnbargo, el operador de la máqulna puede programar con fac11idad y manualmente !as computadoras integrad.as, puede modificar los programas en forma directa. preparar programas para diversas partes o piezas y guardarlo~:. Debido a la disponibilidad de computadoras pequeñas con gran memoria, microprocesadores y funcione~~ de c:dicjón de prograina, los sistemas de control numérico computarizado se usan rnucho en la actualidad. La disponibilidad de controladores programables de bajo costo también jugó un papel principal en el éxito Ue ia implementación del CNC en las plantas manufactureras. A lgumis ventajas de! control numérico computarizado sobre el control nuinérico convencional son las :;igu¡entes:
~frcn ck
(a1
Motor
~_:~_·.::J
_
l-~_j&1g;;;:J-='-:----:r¡JJ]J1IlllJ
-.~2'~~\10-º
Sinfín de avance
(b)
Mesa
Entrada+
--->--, . ·->
¡
··d
- - - - · - -·--
1
}1~-[5-ervomotor--!--Engro~1[L1JI~Ull·t} u::-J de CD _ naj~ IillLJ __ ~ t / Smlm de avance Sensor
on1pdViJ. 01
[
c------1
4
-·
¡ Mayor.flexibilidad: la rMiquina puede producir una pieza especifica y c!e.sp1Jés 01.n.1s pi.ezas con distintas formas, í.11.ln costo reducido.
-·--·---
:i_:irul'":'.:r¡
1
L__
--
..
.•
-(-'>-
Je piisición 1
Señal de retroalimentación
FIGURA 38.8 Esquema ele los componentes de un sistema ele control con (a) lazo abierto y (b) lazo cerrado, para una mác¡uin2 ele conlrol numérico. CDA quiere decir "convertidor digital a analógico."
lviayor precisión: las computadoras tienen mayor velocídad de mues1reo y funcionan m~ís dpidamenLe, Mayor versatilidad: es n1ás sencilfo editar y corrcgü- programas. reprogramar graficar e in1pr1mir la 1
forma de la pjeza. ") .)
de las
Tipos de droúlos de cootrnL Una máquina de control numérico se puede controlar mediante dos tipos de circuitos: de lazo abierto y de la~o cerrado. En el sistema ele lazo i1bierto (fig. 38.8a), el controlador manda señales al servomotor, pero no se comprueba la precisión de los movimientos y las posiciones finales
con control nurnérico
En la fig. :)8.7, se rnt.iestran los elementos búsicos y d runctonamiento de una múquina con control numén en. Los ckn1entos funcionaks en ese control, y sus con1ponentes son: :-~.
Eri1tra11:h~
rile datos~ !a informaci6n numéríca se kc y se guarda !a computadora.
un lector de cínta o en la memoria de
h., PnJlces21n1fonto dle rl2ltos: Los prognm1as pasun a b unidad
¡xnct~s;.1-
micn!o.
rr:ile
Esta
infonílZll~ión s~.'.
puiso; ;.d servomotor (fig. :rn.8).
tradnce en corrwndos (en forrn;l característica. cornand!.'1S de el Sl~rvomotor mueve la mesa . (en la cuai es12. ffH)ílL·:·
c~HHi.nuaci<)n,
{_i;¡ la pje;.;1), h<:isia posicione;;.; cspecfficas mediante nK.,virnfenlos if;-ie,dc:-:
roi~dorios,
motores de pasrn:,, tornillos de: avance y diversos dispnsitivos.
de fa mesa. El sislema de h!l:W ce1rorado (fig. 38.8b) tiene varios transductores, sensores y contadores que miden con precisión !a posición ele la inesa. Mediante ei colllltnilc eo11 ;retrnalimentación, se compara la posición de !a mesa con1n1 la señal. Los movimientos de la mesa terminan cuando se llega a las coordenadas adeCLiaclns. El sistema de lazo cerrado es el más exacto. porque Ja medición se incorpora en la máquina y no importa el juego entre los dientes de ~ngranes del mecanismo de la ináqulna. La medición de posición er1 máquinas con control numérico (CN) puede realizarse a través de métodos directos o indirectos. En los sistemas de medición dh'cdn, un dispositivo sensor lee mm escala graduada c:n Ja mesa de Ja máquina o corredera para movimienh) lineal Esle sistema es el rnás exacto porque la escala esl'1 cuustruída en la rnáqllina mtsma. y el retroceso (el juego entre dos dientes de c¿ngrnne adyacentes íKOplados) en los n1eccuTisrnos no es importante.
fiGURA 38.9
(a) Medición directa del despl<1zamiento linea! de una mesa de má[juina herram·1enlo. (b) y (e)
/v\é"codos indirectos de medición. Columna de !a máquina (a)
,,----_....__,_....
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Sinfín di..: bo!a~
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Mesa
1 1~ r~---~ ~+~Esda
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~~~-~delarnaquma .....
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FIGURA 38.7 Mesa
Esquema de los componentes principales de
una m<1quina herramienta con control numérico.
~
(b)
"""'
...
-
_-
~
~~''Sensor
Codificador
Bm1cada
(e)
rotatotio
Movimiento linea!
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Sección 38.3 /Control numérico (CN) ~ íl34
Hl35
Capitulo 3fl / /-\ulon1atii.:
Radio
l)ie;.:a
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1
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Pie,:;1
flGlJRA 38.H
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Superficie: maquinuda
CualEBd_rante ; ··~~--/ c~:~;;~o ~'A..
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de la fresa
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(b)
(a)
¡;rc:-.a
(b)
(a)
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X
/:.,
\
X
l
/
Segmento
Tipos de interpolación en el control numérico: (a) lineal, (b) trayectoria continua aproximada
mediante líneas rectas inuementales, y (e) circular.
flCURA 38.'l O i"/iovirnicnto de herramientas en el maquinado con control numérico. (a) De punto a punlo, donde Id broca hace un orificio en la posición ·1, se retrae y pas3 a la posición 2, y así sucesivamenle. (b) Trayectorii1 ·continua de una fresa. Nótese que esa tray(~Ctori.11.iene compensado el radio de !a fresa. En e:.ltt trayectoria 1·dr11bi('n SP p11ecle com1)ensar el desgJ.ste de la fresa.
En los sisterrurs de rnediciún indirecta uno." cod.Hficadores o ' 4 ecoders~' rotatorios (figs. 38.9b y e) convierten rnovirnien1os rotatorios a movimientos de Lraslación. En este sislerna el juego entre las parte:.; de la máquina puede afectar mucho 1a precisión de medida. Lo~s mecanismos de retroalimentaclón c!e poslci(}n us::n varios sensores que se basan, princlpal mente, en principios magnéticos y fotoeléctricos.
(a)
•1 punto
Punljo~
Taladrado
y~E
/6_i_~
L~:-~...__:.:_ __ _
LJ
6=~~~/
Pieza
Tray(:ctoria cunlinua en contorneado en 3 ejes
Fresado de contorno
dos
lxísico:, de si_stcrnas de control nun1érico: punto a ptwto
contorno.
En un sistema de ¡nm~o a p1mto, JL1rnado también de posicionamiento, cada eje ele la m
Fresado
¿-L~
Contorneado en dos eje:: con p!ano cambiable
de sistemas de c:ontro!
(b)
Punto a punto y 1[nea recta
O Fresado.de
~ontornn en J ejes
,Á~ é_:::_~~w f~GURA 38.12
(a) Eo,<.jucma del taladrado, peiforado y fresado con varias trayectorias. (b) Maquinado de una superficie esculpida en una máquina de 5 ejes con control num•'rico. Fuente: 1he lngersoll Milling Machi ne C:o.
'3S.l0a). [?esp¡,h~'·:;
b~
de perf'orar o pun:-'.onar ci orificio,
~a
herramicnla se retrae hacia arr¡ba y :.;e mueve
fios Jos incrementos entre los puntos (fig, 38.J lb). Sin embargo, para hacerlo es necesario procesar ur1'\
rapidc::c: otn.i posición, y la operación es repetida. La trayectoria de una pu.i.;ición a olr~i sólo es impc.¡· lame:: desde un punto de vis1a: ~.;e debe elegir parn núniinizar d tiempo de recorrido, con c1 fin de aumenta;, l.a eficiencia. l_,os sistcnms punto a punw son usados principalmenlc en el ialadrado. punzonado y raciones de frc;;ado recto.
gran cantidad de datos. b. En la interpolación dn:ular (fig. 38.11 e), los datos iniciales necesarios para la trayectoria son las coordenadas de los puntos extremos, las del centro del círculo y la dirección de la !lerramienta a lo largo de un arco.
En un sistenna de cont.orn.o (llarna.d~" l;.trnbién sistem~] rle trayetto:d:a contünlll.a), d poc.,i(·ionan1ie11l\} y las operaciones son realizadas a lo largo de trayectorias controladas pero ::i dislinlas velocidades. 1no la herramienta funciona al mismo tiempo que ;;;e desplaza a lo largo de una trayectoria predefinid;:¡ (fig. 38. ! Ob), son ¡rnportantes el control exacto y la sincronización de las velocidades y los inovirnientos. El sislcma de contorno es típicamente usado en tomos, fresadoras, rectificadoras, soldadoras y centro;'.
es muy útil en operaciones de broquelado profundo, para formado de láminas ele carrocerías automotrices. Estas interpolaciones también son usadas para los movimientos de los robots industriales, que des-
1
c. En la interpolad(m parabólica. y en la interpolación cúbica. la trayectoria es aproximada mediante curvas con ecuaciones matemáticas de orden superior. Este método es eficaz en máquinas con 5 ejes y
cribiremos en la sección 38.7.
de maquinado.
hl'lerpoladón.
El movimiento a to largo de la trayectoria (inte1polación) se hace enfornw íncremen· wl mediante alguno de los diversos métodos básicos (fig. 38. l l ). En la fig, 38.12 se ven Lmos ejemplos de trayectorias reales en taladrado, perforado y fresado. En toda interpolación, la trayectoria que se controla es fa del centro de rotación de la herramienta, En el programa de control numérico es posible compensar los distintos tipos de herramienta, sus distintos diámetros o su desgaste durante el maquinado. a. En la interpolación lineal la herramienta se mueve en línea recta de principio a fin (fig. 38. l la) en dos o lres ejes. Teóricamente, con este método puede ser producido todo tipo ele perfiles, haciendo peque-
38.3.5 Precisión en el control numérico La precisión de posicionamiento en las máquinas de control numérico se define con la precisión coo que la máquina puede ser ubicada en cierto sistema de coordenadas, Una máquina de control numérico suele tener una precisión mínima en el posicionamiento de ±3 µ,m (0,0001 pulg). La repetibilidad (el grado de concordancia de movimientos de posición repetidos bajo las mismas condiciones de funcionamiento de la máquina) .. suele estar aproximadamente en ±8 µm (0.0003 pulg) La resolución, que es el incremento mínimo de movimiento en los componentes de la máquina, es de unos 2.5 µ,m (0.0001 pulg.).
"'T 1 l!Bli
Cdp1hdo JD / J\ulomJtiz<1e16n de !os procesos de m<1nufactut <1
La rigide¡: de la máquina herramienta (véase Ja sección 24.4) y el juego entre sus engrnnes y tornillos sin fin de avance son importantes en la precisión dimensional. Aunque en 1Ríquim1s antiguas se eliminaba ei juego entre engranes mediante circuitos de absorción de juego (en los que la hcnamienta siempre llega;; un
38.3_6
y 1
del controí
control numérico tiene las siguicnles ventajas sobre los métodos convencionales de control ele máquinas hena1.11ientas:
I. Mejora la 11exibiliclad de operación, así como la capacidad de producir formas r<>mplicaclas con buena precisión dimensional, repetibilidad, menor pérdida por defectos, grandes tasas de producción, alta productividad y alta calidad de los productos.
2. Se reducen los costos de herramientas, porque no se requieren plantilias ni diversos soportes. 3. Son fáciles de hacer los ajustes de la máquina, con
e indicaciones digitales.
4, Es posible efectuar más operaciones con cada preparación. y el tiempo de inicio para preparación y n1aquir.ado es menor, en comparación con los métodos convencionales. Además, se facilitan los cambi'Jf. de diseño y se reduce el inventario.
5. Los programas pueden ser preparados rápiciamenlc, y pueden ser liamados en cualquier momento los microprocesadores. Una menor cantidad de i:rnbajo en papd puede ser involucE1cfo. 6. Es posible una producción más rápida de prototjpos (véase íambiéa d capítulo J9). 7. Se requiere menor capacitación en el operador., que la de un mecánico especializado., y el operador lic·ne n-1ás tiempo para atender otras tareas en su área de trabajo.
'
Sección 33.4 / Pmgramación dei control numérico
por computadora), las operaciones de manufactura que se harán y su orden. Se prepara entonces una hoja ele programa, donde se detalla la información necesaria para efectuar la operación particular. A continuación se prepara el programa ele la pieza, con base en esta información. La programación manual la puede hacer alguien que conozca el proceso particular ele manufactura, y que pueda comprender, leer y cambiar los programas ele la paiic. Como ya están familiarizados con las posibilidades ele las máquinas herramienta y del proceso, los mecánicos especializados (con algo de adiestramiento en programación) pueden también hacer la programación normal. Sin embargo, el trabajo que hay que hacer suele ser tedioso, tmclaclo y no económico; en consecuencia, la programación manual se usa principalmente en alguna.> aplicaciones de punto a punto. La programación de pieza asistida por computadora implica usar lenguajes de programación simbólicos, que determinan las coordenadas ele puntos como esquinas, bordes y superficies de la pieza. Un lenguaje de programación es un método para comunicarse con la compuladora; implica usar caracteres simbólicos. El programador describe. en este lenguaje, el componente que se va a procesar, y la computadora convierte esa descripción en comandos para la máquina de control numérico. Hay varios lenguajes disponibks en el comercio; tienen diversas propiedades y aplicaciones. El primero que usó declaraciones parecidas al inglés (llamado AJPT, dcAutomatically Programmcd Tools, herrnmien1.as programadas en forma automática) se ciesarrolló a finales ele la clécada ele 1950. Este lenguaje, en sus diversas formas ampliadas, sigue siendo el más usado para programación de punto a punto y de trayectoria continua. Hoy, 1a:; piezas complicadas se maquinan con programas ele maquinado basados 'en gráficas y asistidos por computadora. Ser crea Llna trayectoria de herramienta en un ambiente principalmente gráfico, parecido a 1.m programa CAD. El programa o código de la máquina (Código G) se crea en forma automática. Antes de iniciar la producción se deben verificar los programas, viendo una simulación del proceso en mw pantalla, o fabricando la pieza con un material poco costoso (como aluminio, im~dera, cera o pJú.,lico), y no con el material real especificado para la pieza terminada. La programación ele piezas asistida por computadora tiene las siguientes ventajas sobre los métodos manuales: a~
princ!¡n1lc.s limitaciones del conl1\•I numérico son el costo inicial del equipo que es relativamente ncC<,sidiici y costo d'.' ¡irogranw.ción, así como tic111po d1.: coniputac!ora., y ci ma111cnimicnlo especi;li qL:: 1-cquiere ci personal capacilado. Corno las máquiuas de control numérico son sistemas comp!ejos, sus d;;scomposluras ptieden ser costosas, así que es necesario .su mantenimiento preventivo_ Sin embargo, con frec¡¡cncia esas limitaciones son füci lmeme compensadas con ías vent;tjas econ6micas generales del control 1mmtÓrico.
1037
Uso de ienguajc simbólico (hoy se cuenta con varios prograrnas).
F:u. Nienor tiempo de programación. La programación puede acomodar una gran canlidad de datos acerca
las carncterísticns de ta rnúquina y '!as varjablcs de proceso, co1no potencia, velocidades, avance, forma de la herramienta, compen.sación por cambios de fonna debidos u desgaste de herramienta. deflexiones y uso de ,;nfriador. c. Nienor posibiJidad de cnor humano, que puede hacerse en 1a programación manual.
rl. Capacidad
N Un programa de contwl numérico consiste en una secuencia de instrucciones que hace que una máguina de control numérico efectúe cierta operación; el proceso más común es el de maquinado. La ¡irngr:m1ación iiie! control rmmél'ico se puede hacer en un depru-t;m1ento interno ele programación., en el taller, o se puede comprm al exterior. El programa contiene instrucciones y comandos. Las instrucciones geométricas se refierer1 a movimientos reia!ivos entre la hetramienta y la pieza. Las instrucciones de procesamiento se refieren a velocidades ele husillo, avances, herramientas de corte, Huidos de corte, etcétera. Las instrucciones de recorrido se refieren al tipo de interpolación y Ja velocidad del movimiento de la herramienta o la mesa. Las instrucciones de conmutación se refieren a la posición ele encendido o apagado para el flujo ele enfriador, la dirección o la suspensión de la rotación del husillo, los cambios ele herramienta, el avance de la pieza, la sujeción, etcétera. La programación manual de la pieza consiste en calcular primero las relaciones dimensionales ele la herramienta, la pieza y la mesa, con base en planos técnicos de la parte (incluyendo el CAD, diseño ayudado
e. Capacidad de cambios sencillos, sea de secr.iencia de maquinado o de una máquina a otra.
f. Menor costo, porque se requiere menos tiempo para programar. El uso de los lenguajes de programación (compiladores) no sólo produce mejor calidad de las partes, si-no también permite un desarrollo más rápido ele las instrucciones de maquinado. Además se pueden hacer simulaciones en terminales de cómputo remotas, para asegurar que el programa funciona como se necesita. Este método evita la ocupación innecesaria de máquinas costosas en los procedimientos ele enmienda ele errores. La selección de determinado lenguaje de programación para control numérico depende principalmente ele los factores siguientes: a. Del nivel cie conocimientos del personal en la instalación manufacturera. b. De la complejidad ele la pieza. c. Del tipo ele equipos y computadoras disponibles. d. Del tiempo y los costos incuniclos en la programación.
T Hl38
Secc"1ón 38.5 I Control adaptable (CA)
1039
Capítulo 38 /Automatización de los procesos de manufoclura Velocidad
¡ -------Posición
38.5 CONTROL ADAPTABLE (CA) En el contrni adaptabk, los parámetros de operación se ¡~ustan en forma automática a sí mismos para trabajar bajo nuevas circunstancias, como por ejemplo, cambios en la dinámica de los procesos particnlru-es y perlLirbaciones que se puedan presentar. Se aprecia de inmediato que este método es de retroalimentación. El lector puede percatarse que las reacciones lmmanas en la vida cotidiana ya contienen control dinámico por retroalimentación. Manejar un auto en una carretera no accidentada es relativamente fácil, y sólo se necesita. si es que se necesita, hacer unos pocos ajustes. Sin embargo, si el camino es muy accidentado, hay que conducir evitando los baches, y observar casi continuamente el estado del camino. El organismo siente los movimientos bruscos y las vibraciones del auto; a continuación reacciona cambiando la dirección y la velocidad del vehíClllo para mini rnizar Jos efectos del camino y aumentar la comodidad de conducción. El sentido en el que estas respuestas son adaptables, es que la estrategia de control se adapta a cambios en las condiciones de operación. Un c~m!rnl adaptable revisaría las condiciones de la can-etera, adaptaría mi perfil adecuado de frenado (por ejemplo, sistema de frenado antibloqueo y control de tracción) para luego usar la retroalimenbción e implementarlo. Se puede diferenci3r el control dinámico con retroalimentación y el control adaptable corno sigue. El control dinámico con retroalimentación tiene un mecanismo controlador fijo, que se adapta o ajusta sus señales como respuesta a cambios medidos en el comportamiento del sistema. Un controlador de ga-
1 i
1 ~
\
\
i-;:::- - ¡i -8" 1
l
rnrmufactura de la pieza
1 1
:
CNC
\
1
'~ l
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Comandos
1Codific~dor \
Tacóm etro
--
d~l AA""º
ServoaccionaMáquina \ Motor m1entos herramienla
% de carga en el busill.o
1
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Límites d c j parámetros - ---
__J
~
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BVclocidad del husill_c_>-
adap~ablc Control
Lectura
~
1
_J
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\
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Torq_ue_'_ _ __ Vibración - -
]
Esquema de la aplicación del control adaptable (CAi c,n una operación de cil;ndrado. El sistema vigila parámetros corno la fuerza de corte, el torque y las vibraciones; si son excesivos, modifica las voriables del proceso, corno avance y profundidad de corte, para regresarlos a niveles aceptables.
fUGURA 3ll.13
nancia constante es un caso especial del control dinámico con retroa.li.mentac'ión; se define a] térrnino ganaurn~ da como la relación ele Ja salida entre la enisada. en un amplificador. El con1rol adaptable no sólo ajusta las sefíales del controlador, sino también el mecanismo del controlador. La investigación sobre el control adaptable comenzó a principios de la década de 1950, y se ocupaba coii d diseño de autopilotos para nviones de alto rendinücnto, que funcionan dentro de amplios HrniLcs de allirudcs y velocidades. Se observó, durante las pruebas, que !os sistemas de control con ganancia collstan!e y 1·etroalimentación trabajan bien bajo ciertas condiciones de operación, pero no con otras. La gammd:l t!e seg1]imientif1 es quiz:.í fa fonm1 más simple de lo qll!c hoy se llama control adupLible. En esa programación de gm1ancia se selecciona una ganancia distinl.a de b retroalimentación, que depende de Jas condici0;)e:-; mcdi·das de operación.;\ cada región cld espacio de operación del sistema se le asigna una ganancia distinta. Con to.s controles adaptables avanzados. la ga.nancia puede variar en forma continua con íos cambios en h1s cond1ciones de oper::ición. Hoy se producen varios sistemas de control adaptable. para aplicaciones como pilotaje ele barcos, co11tro/ de reactores qul1nicos. la1nínadoras y tecnología médica. En ~a ingeniería de rnanufactura, en c:;pecia1~ 1o:-; objetivos del control adaptable son los siguientes:
1!. Optimizar la !osa de produccic!n. 2, Optimizar la calidad del producto. 3. ll./!inimizar el coslo. Aunque e! control adaptable se ha usado mucho durante algún tiempo en los procesos continuos de b inclust1ia química y en las refinerías de petníleo, el éxito de su aplicación al maquinado, rectificado, conformado y otros procesos de manufactura es relativamente reciente. La aplicación del CA en manufactura tiene importancia especial en casos donde las dimensiones y la calidad de la pieza no son uniformes (como por ejemplo, una fundición deficiente o una pieza con tratami.ento térmico inapropiado). El control adaptable es una extensión lógica de los sistemas de control numérico computarizado. Como se describió en la sección 38.4, el programador de piezas establece los parámetros de procesamiento con base en los conocimientos actuales del material ele la pieza y varios datos del proceso de manufactura que se trate. En las máquinas de control numérico computarizado, esos parámetros se mantienen constantes durante determinado ciclo del proceso. Por otra parte, en el control adaptable, el sistema es capaz de ¡rjustarse en forma automática durante el proceso, mediante la retroalimentación de lazo cerrado (fig. 38.13).
38.5.1
y
del controi adaptable
Las funciones básicas de Jos sistemas ele control adaptable son las siguientes: 1, Determinar !as condiciones de operación del proceso, incluyendo las medidas ele Ja eficiencia. Esto se snele lograr mediante sensores, que miden Jos parámetros del proceso como fuerza, torque, vibración y temperatura. 2. Configunir al control del proceso como respuesta a las condiciones de operación. Unos cambios grandes en las condicic,nes de operación pueden provocar la decisión de hacer un cambio grande en Ja estrategia de control. Las alteraciones más modestas pueden ser la modificación de los parámetros dei
proceso, como por ejemplo. cambiar la velocidad de operación, o el avance.
3. Continuar con el monitoreo del proceso, haciendo más cambios en el controlador cuando y como se necesiten. En una operación como la ele cilindrar en un torno (capítulo 22), el sistema de control adaptable siente las fuerzas de corte, el torque, la temperatura, la rapidez de desgaste de la herramienta. el desportiilado o la fractura de la lierramienta y el acabado superficial de la pieza, todo en tiempo real. A continuación, el siste·· ma convierte esta información en comandos que modifican los par{lmetros del proceso en la máquina herramienta, para mantenerlos constante (o dentro de ciertos límites) y optimizar la operación de corte. Aquellos sistemas que imponen una restricción sobre una variable de proceso (como fuerzas, torque o temperatura) se llaman sistemas de control adaptable con restricción. Así, si la fuerza de empnje y la de corte (por consiguiente el torque) aumentan demasiado (por ejemplo, por la presencia de una región dura en una pieza de fundición), el sistema de control adaptable cambia la velocidad o el avance para bajar la fuerza ele corte hasta un valor aceptable (fig. 38.14). Sin el control adaptable (o sin la intervención directa del operador, como en las máquinas tradicionales) las grandes fuerzas de corte pueden causar el desportillado o la fractura de las herramientas, o que la pieza se flexione o se distorsione demasiado. Como resultado de lo anterior, se deterioran la precisión dimensional y el acabado Lossuperficial. sistemas que optimizan una operación se llaman sistemas de control adaptable con optimización. La optimización puede implicar el maximizar la velocidad de remoción de material entre cambios (o afi-
HHO
C.1pltulo 3B /Automatización de Jos procesos
de~ rnanufactLm! Sección 38.G /Manejo y movimiento de materiales
(a) hofondidaJ de corte variable
~
!
~
·<
tificado, temperatura, acabado supeiticial y deflexiones de la parte. De igual modo, para el doblado de una lámina en un dado en V (sección 16.5) se deben guardar en la memoria de la computadora datos sobre dependencia de la restitución (spring back) respecto a la caffera del punzón y sobre otras variables de mateiial y de proceso. Se ve que, por los muchos factores que intervienen, es difícil establecer ecuaciones matemáticas para esas relaciones cuantitativas en los procesos de manufactura. En comparación con los demás parámetros qne se manejan, se ha visto que las fuerzas y el par en el maquinado son los más fáciles de vigilar en el co11trol adaptable. Hoy se consiguen diversos controles de potencia, de estado sólido, en los que la corriente o lapotencia se muestra o se interconecta con sistemas de adquisición de datos. Ei control adaptable, acoplado con el control numérico computarizado, es un medio poderoso para optimizar las operaciones ele manufactura.
----------¡
~
Fresa
1
1
Comrol adaptable
.Gs>QV_i'Qci_op,g ____
~ ____ -j1 --------1
Recorrido de la fresa (b) Ancho de corte variable
j~-----,
1~'"'''~'!!~"'~
38.6 MANEJO Y MOVIMIENTO DE MATERIALES
:::
Recorrido de la fresa
flGURA 38. 14 Ejemplu del control .1claptable en el fresado. A medida que aumentrn la profundidad o el ancho del coite, aumentan las fuerzas y e! torque en el corte. El sistema detecla este aumento y en forma automálica 1educe avance pera evitJr grandes fueu;¡s o 1·otura de manteniendo así la eficiencia ck~ corle. Fuente: Y. el!
bdos) de la o lll(:jorar el acabado superficial. En !a actualidad, la mayor parte de los sistemas se basan en el control adaptable con rcslfficción, porque es complicado el desarrollo y la implementación con-ecí.a deJ sistema con opümización. El tiempo de respuesta debe ser corto para que el conl:roi adaptable sea eficaz, Cfl especial en operaciones de alia velocidad (véase la sección 22.4). Por supóngase que una operación de torneado se con velocidad de husillo de l 00() qim, y repentinamente se rompe el buril y se deteliora el acabado superficial y !a precisión dimensional de la pieza. Para que el sistema de contrnJ adaptable sea eficiente, e.1 srstema de cic!ccci6n debe responder dentro de uu tiempo muy corto, porque ele no ser así sería extenso el daño en la piO,éL Para que d conirnl adaptable sea eíicaz en las operaciones de manufactura, se deben establecer y guardilt m/aciones cuantitativas en el programa de cómputo, en forma de modeios matemfüicos. Por ejemplo, si la velocidad deo desgaste de la herramienta en una operación de maquinado es excesiva, la computadora Jebe ser capaz de poder decidir cuánto debe ser la variación que se necesita en la veiocidad o en el avance,(y si el carnbio es de aumento o disminución), para reducir la velocidad de desgaste hasta un nivel aceptable. E! sistema también debe ser capaz de compensar cambios dimensionales de la pie?,a debidos a causas como des-· gaste de herramienta y aumento de temperatura (fig. 38. l.5).
h~.ice
Si la operación es, por ejemplo, de rectificado (capítulo 25), el programa de cómputo debe reflejar las relaciones cuantitativas deseadas entre las variables deJ proceso (velocidades del esmeril y de la pieza, avance, ti·· pode piedra) y parámetrns tales como desgaste ele la piedra, tapazón de los granos abrasivos, fuerzas de rec-
1
Cibeza
9
1041
Durante una operación manufacturera norma!, las materias primas y las piezas se pasan del almacén a las máquinas, de una a otra máquina, de la inspección al ensamble y al almacén, y al final al embarque. Las piezas se cargan en máquinas; por ejemplo, una pieza forjada se monta en una bancada de fresadora para su procesamiento, o la lámina metálica se alimenta a una prensa para su estampado; se guitan las partes de una máquina y se cargan a otra (por ejemplo, una pieza forjada y maquinada se rectifica para mejorar su acabado superficial y precisión dimensional) y las piezas tenninaclas son inspeccionadas antes de armarse en el producto final. De igual modo, las herramien12cs, moldes, dados, y otros equipos y soportes también se mueven en las plantas manufactureras. Las herrarnientas de corte se montan en tornos, las matrices o dados se colocan en las prensas o en martinetes, las piedras para rectificar se montan en husillos y las piezas se montan en soportes especiales, para la medición ele sus dimensiones e inspección. Estos materiales se deben mover, sea en forma manual o con medios mecánicos, y se requiere tiempo para transportarlos ele un lugar a otro. El manejo de materiales se puede definir como las funcio11es y sistemas asociados con el transporte, almacenamiento y control de materiales y piezas en el ciclo total de manufactura de un producto. El tiempo total necesario para la manufactura depende en cierta medida del tamaño y la forma, y del conjunto de operaciones requeridas. El tiempo inactivo y el necesario para transportar materiales pueden formar la mayor parte del tiempo consumido. La distribndón de _la pllmta es un aspecto importante del ílujo ordenado de materiales y componences a lrnvés del ciclo de manufactura. El tiempo y las distancias necesarias para mover las materias primas y las partes se deben minimizar, y las áreas de almacenamiento y los centros de servicio se deben organizar con ese fin. Para partes que requieran varias operaciones, el equipo se debe agrnpar en torno al operador o al robot industrial (véase Manufactura celular, sección 39.9). Por todo lo anterior, el manejo de mateiiales debe ser par·te integral de la planeación, implementación y control de las operaciones manufactureras. Además, el manejo de mateiiales debe ser repetible y predecible. Imaginemos. por ejemplo, lo que sucede si se carga una parte o pieza en fomia incorrecta a un dado para forjado, en una boquilla o en un mandril para torno. Las consecuencias de lo anterior bien pueden ser dados y heffamientas fracturados. piezas fabricadas en forma incorrecta o piezas fuera de las tolerancias dimensionales. Esta acción también puede constituir un riesgo ele seguridad, y es posible que cause lesiones al operador y al personal cercano (véase el capítulo 37).
medidora
[ - - Henanuenta de corte
~
: ;"
Pie-za
'
~)>.-
Unidad de control
38.6.1 Métodos de manejo de materiales Hay varios factores que se deben tener en cuenta al seleccionar un método adecuado de manejo de materiales para determinada operación de manufactura:
Máqumu herr.am1enta
Control del tamaño final de la pieza
FIGURA 38. 15 Inspección en proceso del diámetro de una pieza en una operación de cilindrado. El sistema ajusta en forma automática la posición radial del buril para obtener el diámetro correcto.
a. Forma, peso y características de las piezas.
b. Tipos y distancias ele los movimientos, y la posición y orientación de las partes durante el movimiento y en su destino final.
1 Sección J8.7 /Robots industriaJes
H!42
Capílulo 38 /Automatización de !os procesos de manufactura
1043
\
1 d. El grado de automatización, el grado de control deseado y la integración con otros s.istemas y equipos.
l'
e. La destreza necesaria en el operador.
1
c. Las condiciones del trayecto a lo largo del cual se deben transportar las partes o piezas.
1
f. Consideraciones económicas.
Pa.ra operaciones pequeñas de manufactura en lotes, las materias primas y las piezas se pueden manejar y transportar a mano, pero en general este método es costoso. Además, como implica seres humanos, esta práctica puede ser impredecible y poco fiable; hasta puede ser insegura para el operador, debido al peso y a la forma de las partes por mover, y debí do a factores ambientales (como el calor y el humo en las fünclicloras y en las plantas de forjado). En las plantas automatizadas de manufactura, se está implementando con rapidez el flujo de material y partes controlado por computadora. Estos cambios han tenido como consecuencia mayor repetibilidad y menores costos de mano de obra.
38.6.2 Equipo Para mover materiales se usan diversas clases ele equipo, como transportadores, rodillos, monorrie!es autorfüíticos, carritos, montacargas y diversos dispositivos y manipuladores mecánicos, eléctricos, magnéticos, neLt·· máticos e hidráulico'.;. Los mm1i¡mHadm:es c;e pueden diseñar para que el operador Jos controle en forma directa. o se pueden automatizar para hacer operaciones repetitivas, como por ejemplo, cargar y desccrrgar piezzs en máquinas herramientas, prensas y hornos. Los manipuladores son capaces de asir y mover partes pesadas, y orientarlas como se requiera entre !as operaciones de manufactura y ensamble. Las máquinas suelen estar en secuencia, por lo que las piezas se transfieren en forma directa de una máquina a la siguiente. Las combinaciones de máquinas que tienen laposibilidad de transportar partes sin usar aparatos adicionales de manejo de materiales se llaman d.is¡J1Jsitivos integrales de transferencia. El manejo y el movimiento flexible de materiales, con control en tiempo real, han llegado a ser una parte imegraJ de la inanufactura moderna. Se usan robots industriales, i·paHets" de diseño especial y veh.íc~liilos guda1fos a11tomiitkame11te (AGV's, Autornated Guided Vehicles) en los sistemas de manufactura flexible. para mover piezas y guiarlas segón sea necesario (fig. 38. J 6). Los vehículos guiados automáticamente, que son el último desarrollo en el movimiento de materiales en las plantas, trabajan en forma automálica a lo largo de rutas con cableado en el piso (o con cintas, para reconocimienlo óptico) sin intervención del operador. Este sistema de transporte tiene grnn flexibilidad y e,; ca" paz de bacer entregas aleatorias a distintas estaciones de trabajo. Optimiza el movimiento ele materiales y partes en casos de congestionamiento en torno a las estaciones de trabajo, o de descompostura de máquin;1s (tiempo inactivo), o cuando falla una sección del sistema. Los movimientos de los vehículos guiados automáticamente se planean de tal modo que se interconecten con sistemas automatizados cle almacenamiento y recuperación (AB/RS, Autoniated Storage!Retrival .s:ystems) para utilizar en forma eficiente el espacio del almacén y reducir los costos de mano de obra. Sin embargo, esos sistemas se consideran hoy como desfavorables, porque el enfoque actual es hacia inventarios mínimos y hacia métodos de producciónjusto a tiempo (véase la sección 39.11). Se han desarrollado sistemas de codificación para localizar e identificar piezas en todo el sistema de manufactura, y transferirlas a sus estaciones adecuadas, que describimos en forma breve a continuación: a. Código de barras, es el sistema de uso más extenso y el menos costoso. Las claves son impresas en eti quetas, que se fijan a las piezas o partes y se leen con aparatos portátiles que usan lápices luminosos. b. Bandas magnéticas (como las de la parte posterior de las tarjetas de crédito) son el segundo sistema más común de codificación.
Un vehículo autogui.1do (Caterpillar modelo SGC-M) cargando un "pallet" de máquina. E! vehículo se dlinea junto a un pedestal en el piso. En lugar de seguir una trayectoria marcada con alambre o cinta en el piso, este vehículo calcula ,;u propia trayectoria y corrige las desviaciones en forma au1omática.
FIGURA 38.16
Fuente: Cortesíd
de Caterpi!!ar Industrial, lnc.
c. En tercer lu¡;ar de lo' sistemas mús populares usa etiquetas de radiofrecuencia. Aunque son caras, no necerfrtan la banda visual libre de los dos sistemas anteriores, tienen gran alcance y se puede reescribir en ellas. Hay otros sistemas de identificación que están basados en ondas acústicas, reconocimiento óptico de caracteres y sistemas ele visión (véase la sección 38.8.l).
38.7 ROBOTS INDUSTRIALES La palabra robot fue sugerida en 1920 por K. Capek, autor checo, en su obra R. U. R (Robots industriales de Rossum); se deriva de la palabra checa robota, que significa "trabajador". Un robot o autómata industrial se ha definido como un manipulador mu!tifuncional reprogramable, diseñado para mover materiales, piezas, herramientas u otros dispositivos mediante movimientos programados variables, y para ejecutar tareas diversas. En un contexto más amplio, el término robot también incluye a los manipuladores que un operador activa en forma directa. Por lo general, un robot industrial ha sido descrito por la Organización Internacional de Normalización (ISO) como sigue: una máquina formada por un mecanismo que incluye varios grados de libertad, que frecuentemente tiene el aspecto de uno o varios brazos terminados en una muñeca, capaces de sujetar una herramienta, pieza o dispositivo de inspección. En particular, su nnidad de control debe usar un dispositivo de memoria y a veces puede usar aditamentos para sensar o de adaptación para tener en cuenta el ambiente y las
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1044
C1pi1u.Jo 38 / Au!omatizJción de los procesos de manufactura
circunstancias. Estas máquinas de propósito general se suelen disefiar para ejecutar una función repetitiva, y se pueden adaptar a otras operaciones. Se comenzaron a usar a principios de la década de 1960; los primeros se usaron en operaciones peligro. sas. como por ejemplo el manejo de materiales tóxicos y radiactivos, y catgar y descargar piezas calientes en hornos y fundidoras. Algunas aplicaciones sencillas de los robots son las llamadas las !res Den inglés Dark, Dirty. y Dangerow; (oscuras, sucias y peligrosas), inclllyendo tareas indeseables pero necesarias. y también ías tres H en inglés Hot, Hcavy y Hazardous (calientes, pesadas y riesgosas). Desde sus primeros usos para protección del trabajador y para seguridad en las plantas manufactureras, los robots industriales han evolucionado, habiendo llegado a ser componentes importantes en los procesos y sistemas de manufactura. Han ayudado a mejorar la productividad y la calidad de los productos, asi como a reducir los costos de mano de obra. Los robots controlados por computadora se comercializaron a principios de la década de 1970; el primer autómata controlado por microcomputadora apareció en 1974.
38.7:1 Componentes ele !os robots
T l 1
1 1
Sección 38.7 /Robots industriales
1045
Mani¡:miador. También se llama brazo y muñeca. El manipulador es una unidad mecánica que permite movimientos (trayectorias) parecidos a los de un brazo y una mano humanas. El extremo de la muñeca puede llegar a un punto en el espacio que tenga un conjunto específico de coordenadas, en una orientación específica. La mayor parte de los robots tiene seis arli.culacioncs rotacionales (véase la fig. 38.l7a). También hay robots con cuatro grados de libertad y otros con cinco, pero por definición. estas clases no son muy diestras. porgue parn serlo se necesitan seis grados de libertad. También se consiguen robots con siete grados de libertad (o ·'redundantes"). Existen robots con articulaciones de movimiento hneal, pero cada vez son más raros. La manipulación se efectúa con dispositivos mecánicos, como varillas, engranajes y vaiias articulaclcmes.
Hedor fü1al. El extremo de la muñeca de un robot tiene un efector final, llamado también herramienta de extremo de brazo. Según el tipo de operación, los efectores finales pueden estar equipados con lo siguiente:
Parn apreciar la.s funciones de los componentes de un robot, así como sus posibilidades, podríamos observar en forma simull<ínea la flexibilidad y capacidad de diversos movim.i.entos qlle tienen nuestro brazo, muñcc:l, mano y dedos, para asir o alcanzar un objeto de un estante, o usar una herramienta de mano o para manejar un coche o um máquina. A continuación, describiremos los componentes báoicos de un robot induslrial (fig. 38.17a).
a. Sujetadores, ganchos, palas, electroimanes, campanas ele vacío y dedos adhesivos, para manejar materiales (fig. 38.l 8a).
b. Pisto las de aspersión para pintar.
c. Accesorios para soldar por puntos y con arco, y para corte con arco. d. Herramientas motorizadas, como taladros, llaves de tuerca y desbarbadores. lnstrumcnl.os de medición, como indicadores de cm·átula.
flGURA JíU 7 (a) Esquema de un robot S-1 O CMF de 6 ews. Ld carga en ia muñeca es 1 O kg, y la 1epetibilidad es ±0.2 mm (±0.008 pulg.). El robnt liene fienos mecánicos en iodos sus ejes, que están directa111enl:c acopbdos. (h) Envolv12nte o voltmwn de ti·abajo del robo!, vista b1eralmentc2. Fuente?: Clv!Fanuc l
(b)
1073 mm (42.2
ll5mm
1--'._-j
470 mm (l 8.5 pulg)
Los efectores finales se suelen fabricar a la medida de necesidades especiales de manejo. Los sujetadores mecánicos son los que m:ís se usan y tienen dos o más dedos. La selección del efector final adecuado para determinada aplicación depende de factores tales como la capaciclacl de peso, el ambiente, la confiabilidad y el costo. Los ef
,.\1111. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .....
Sección 38.7 /Robots industriales
Hl46
1()47
C1pítulo 3H /Automatización de Jos procesos de manufactura (a)
Tubo de vacío
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~
LBrazodclroboL
Copa de succión ... ~
..
e~-:-,-,-,.....~.......:_:J -~
dl~/
y__
_
~
1. .,
Colocador
Pieza
Herramienta motorizada pequeña
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(a)
de tuercas
FIGURA 38.19
Electroimán
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(el)
-1--,é'-=---- =i
(~bt
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¿,
(o)-~)
(d)
~
Cuatro tipos de robots industriales: (a) cartesiano (rectilíneo, (b) cilíndrico, (e) Esférico (polar),
articulado (girDtorio o antropomorfo).
Desbarbadora
38.7 .2 Clasificación de los robots
., . ~ ,\,-'Indicador de caratula
~ .
Se pueden clasificar los robots por sus tipos básicos, como sigue (véase la fig. 38.19):
-==:i
J
!
a. Cartesianos o rectilíneos.
¡
!l. Cilíndricos.
ll
c. Esféricos o polares.
¡ ¡
(b)
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Fuerza de inserción
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Baja rigidez iatcrn!
__1-~·
1
1 Dma~1tc d ~rmado se producen
.. Uesalrneam1entos lateral y de penetrac1on
(a) Varios dispositivos y herramientas incorporados a efectores finales; para efectuar diversas operaciones. (b) Sistema de compensación por desalineamiento durante el ensamble automatizado. Fuente: ATI Industrial Automation.
Ja describiremos a continuación. Robots de sernenda fija y variable. El rnbot de secuencia fija (llamado también de tomair-y·poner) está programado con una secuencia específica de operaciones. Sus movimientos son de punto a punto y el ciclo se repite en forma continua. Estos robots son sencillos y relativamente poco costosos. El robot de secuencia variable se puede programar con una secuencia específica de operaciones, pero se puede reprogramar para efectuar otra secuencia de operaciones. Robot reproductor de movimientos. Un operador conduce o hace caminar al robot reproductor de mevimientos con su efector final a través de 1a ruta deseada; en otras palabras, e1 operador enseña al robot qué debe hacer. El robot memoriza y registra la trayectoria y la secuencia de operaciones, y después las put>
El com ensador alinea la picz:en el orificio
l'!GlJRA 38.18
Se pueden fijar al piso en fomm permanente, en una planta manufacturera, o se pueden mover sobre rie· !es (robots gantry), o pueden tener ruedas para moverse por el piso de Ja fübrica (robots móviles). Sin em· bargo, hay una clasificación más amplia de los robots que hoy se usan, que es muy útil para nuestros fines, y
1
1
de repetir en forma continua, sin acción alguna o guía del operador. Otro tipo es el de "teach pendant"(control remoto), que usa botoneras manuales conectadas al tablero de control. Los botones se usan para controlar y guiar al robot con sus herramientas hacia el trabajo a efectuarse. Esos movimientos quedan registrados en la memoria del controlador y el robot los reproduce en forma automática cuando sea necesario.
1 petibilidad de posicionamiento necesaria puede ser sólo de 0.050 mm (0.002 pulg), como en las operaciones de ensamble de circuitos electrónicos impresos. Los robots especializados pueden alcanzar tal precisión. aun·· que la mayor parte no lo hacen. La precisión y repetibilidad varían mucho con la carga y la posición den-· tro de la envolvente de trabajo, y en consecuencia son muy difíciles de cuantificar en la mayor parte de Jos robots.
l
Robot de control numérico. Este robot se programa y se opera en forma muy parecida a una máquina de control numérico. Está servocontrolado por datos digitales, y se puede cambiar con relativa facilidad su secuencia de movimientos. Como en las máquinas de control numérico, hay dos tipos básicos de controles: de punto a punto y de trayectoria continua. Los robots de punto a punto son fáciles de programar y tienen mayor capacidad de carga y mayor envolvente o volumen de trabajo (la extensión o alcance máximo de la mano o la herramienta de trabajo del
m
--1048
Capítulo .38 /Automatización de los prou::sos ele manufactura Sección ]8.7 /Robots industriales
(a) Rt::ctangn!ar
1049
zas se cargan y descargan de hornos y baños de temple; e) operaciones ele formado. en las que se cargan y dese<1rgan las partes en las prensas y en otros tipos de maquinaria de trabajo de metales. 2. Soldadura por pu!ltos de carrocerfas unitizadas ele automóvil y camión, produciendo soldaduras de buena calidad (fig. 38.2!). Tmnbién los robots ejecutan otras operaciones parecidas, como soldadura con arco, corle con arco y remachado (véase la parte V). 3. Operaciones corno desbarbado, rectificaclo y pulido (capítulo 25), con las herramientas adecuadas fijas a los efectores finales. 4. Aplicación de adhesivos y selladores; tienen gran utilidad, por ejemplo corno en Ja carrocería de automóviles, que se ve en la fig. 38.22. 5. Pintura por aspersión, (en especial de formas complejas), y operaciones de limpieza. Son aplicaciones frecuentes, porque las operaciones en una pieza se repiten con mucha precisión en la siguiente. 6. Ensamble automático, que también es muy repetitivo (fig. 38.23). Véase también la sección 38.10.
7, Inspección y calibración en diversas etapas de manufactura; permiten tener velocidades mucho mayores que las que pueden alcanzar los humanos.
fiGU1~A :lli,2(} [nvolvenlcs de trabajo par;i tres tipos de robot. La elección depende de l..· aplioci(m en pdr!!CUiar. V<·'.d tarnbién j¿:¡ fig. ](3 ../ 7.
Sdecdón de ios mbols. Los factores que influyen sobre la selección de los robots en la manufactura son los siguientes:
a. Capacidad de carga. b. Velocidad del movimiento. tuda:; dirccciuucs, Figs.
! 7h y
3~.20). LCJ;; robots
:rnycctorür comínua tienen mayr.>r precisión,
pero tienen menor rnpacidacl de carga. Los robots más avanzados tienen un sistema complic<.Klo de conlrol de trayectoria, que les permite hacer movimientos de gran velocidad con mucha precisión. Robot (sernsodal), El robot inteligente es capaz de efectuar algunas de la.s funciones 1:'1· que hacen los lmmanos. Tiene tllléi divcr:;idaJ de sensores con posibilidades visuales (Fisión compu.tari·'·ada) y táctiles (de ioqu") (véase la sección JS.8). En a los lmnwnos, el robot observa y cvallia é•11torno próximo y su prnxirnídad u olros objetos, "n cospcciai b maquinaria, mcdianle rh;r<:cpción y reconocimiento de !lgurns. A continuación torna las decisiones aclecuaclas para et siguiente movimiento y prnce de •Ofl ccmsccucncia. Como su Funcionamiento es muy complejo, se requieren computadoras podcro,rns para controlar este tipo de robots. En
lo~ robots inteligentes hay desm-rollos importantes para que puedan:
oi. Comportarse mús y más corno ios humanos, efocluando tareas como moverse c111rc varias m
flGIJRA 38.21 Soldadura por puntos de carrocerías con robots industriales. Fuente: Cortesía de Cincinnali Milac:ron, !ne.
h. Reconocer, seleccionar y asir en forma correcta el material. o Ja pieza adecuados. c.
la parte a
Ltna
máquina para su procesamiento o inspección.
d. Armar los componentes formando subensambles o el producto final.
38I3
icaciones y selección de los robots Las principales aplicaciones de los robots industriales incluyen las siguientes: l. Manejo de material, que consiste en la carga, descarga y transferencia de las piezas en las instalaciones manufaclureras. Estas operaciones las pueden hacer los robots en forma confiable y repetible, mejorando así Ja calidad y reduciendo las pérdidas por desperdicio. Veamos algunos ejemplos: a) operaciones de fundición y moldeo en las que se manejan metal fundido, materias primas, lubricantes y partes en varias etapas de terminación, sin interferencia con el operador; b) tratamiento térmico, cuando las pie-
FIGURA 38.22 Sellado de uniones en una carrocería, con un robot industrial. Fuente: Cortesía de Cincinnati Milacron, !ne.
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CaplLulo 38 /Automatización de los procesos ele manufactura
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Robots
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Centro remoto de verificación
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Línea de transferencia
rect~,...,..- Sensor del lorque
Línea de Lran.sferencia circular
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l
l Alimentador
S(::cción 38.3 /Tecnología de sensores
Hl51
38.8 TECNOLOGÍA DE SENSORES Un sensor es un dispositivo que produce una señal en respuesta a su detección o medida de una propiedad, como posición, fuerza, torquc, presión, temperatura. humedad, velocidad, aceleración o vibración. En forma tradicional, los sensores. los actuadores y los intem1ptores se han usado para establecer límites ele funcionamiento de las máquinas. Entre los ejemplos comunes de los sensores están los topes ele las máquinas herramientas, para restringir los movimientos de Ja mesa; termómetros y manómetros con funciones de desconexión automática, y los gobernadores en los motores, para evitar demasiada rapidez de operación. La tecnología de los sensores ha llegado a ser un aspecto importante de los procesos y sistemas ele manufactura; es esencial para ia adquisición correcta de datos y para vigilar, comunicar y controlar las máquinas y los sistemas con computadora (fig. 38.24). Como convierten una cantidad en otra, también se les llama transductores. Los sensores analógicos producen 1Jna señal, como voltaje. proporcional a la cantidad medida. Los sensores digitales tienen salidas numéricas'' digitales, que se pueden transferir en forma directa a las computadoras. Los convertidores de analógico a digital se usan para interconectar sensores analógicos con computadoras.
rrogramable de piezas flGUi!/\ 38.23
1
¡
Operaciones de ensamble automático ccin robois inclusirialcs y iíne;is de irrrnsferencir1
circui;rn:.:s y rcx:tcts.
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¡
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1 ¡
Confiabilidad.
38.8.'l Clasificación de los sensores Los sensores de interés para la rrn111ufactura se pueden clasificar en general coino sigue: Sensores mecánicos, parn. medir cantidades como posición. forma. velocidad, fuerza. torque. presión. vibración, deformación y masa. 2. Sensores eléctricos, para medir voltaje, corrieme. carga y conductiviclacl.
3. Sensores magnéticos, para medir campo, flujo y permeabilidad magnética.
d.. Repetibifüiad.
J).
del brazo. Grados ele lib0r1ad.
Sensores térmicos, para medir tcl1lperntura, flujo, conductividad y calor especifico.
S. Otros lipos, corno acústicos, nltras6nicos, qufmicos, ópticos, de rarliiición, láser y de fibra óptica.
g. Sis1.e1na de control. De acuerdo con su aplicación. un sensor puede csrar fornrndo por materiales metálicos, no n1etábc:0:~ orgúnicos o inorgánicos, y por fluidos. gases, plasmas o semiconclucores. Al usar caracterú;ticas especiales de esos materiales. los sensores convierten la cantidad o propiedad medida en una salida analógica o digital. Por ejemplo. el funcionamiento de un termómetro ordinario de mercurio. se basa en la diferencia entre la dilata· ción térmica del mercurio y la del vidrio.
hº l\/iernoria de programa.
ll. Envolvente o volumen de lrabajo.
l:com:imfo. Además de los factores técnicos, las consideraciones de costos y beneficios también son aspectos importantes en la selección y uso de l
1 Portahcrrarni~ntas
o cono
Circuitos electrónico.s para procesar señales
1 ¡
l ··-Transmisor indm;tivo
Galgas txtensiométricas
FIGURA 33.24 Portaherramientas (cono) equipado con sensores de empuje y de torque (portaherramientas inteligente) capaz de vigilar en forma continua la operación de corte. Esos portaherramientas se necesitan en el control adaptable de las operaciones manufactureras. (Véase la sección 38.5.) Fuente: Cincinnati Milacron, lnc.
....- ....................................................................................
--------~~~
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1 'HJlS2'.
C1pítuio
Sección 3B.8 /Tecnología de sensores
l
:rn /Automatización de los procesos (fo rnanufactur¡.i
Hl53
(b) (a)
cJ~cr (d) (e)
Controlador del
MGURA 38.25
Sujetador de robot cun sensmes dr-' conlacto.
A pesar de sus posibilidades, hoy se us<:in con menos frecuencid estos sensoH:s, por su alto costo y corla duración en apJ!cac1onw; industriak:s. Fuente: corl"esía de Lo1-cl Co1-poration.
igual numera, una parte de una máquina, o una ob~;lruccjón o barrera ffsicll. en el espacío se pucck:ii detectar interrumpiendo e! rayo de luz que capta una celda fotoeléctrica (véasC: la fig. J7.2j. Un sensor de proxinúdad, LJUC siente y mide la distanc~a entre él y un objeto o una parte móvil de una múquina. se pue~ ele ba:-:<.1r fenürnenos acLísUcos, magnéticos, de capacitancia u ópticos. 01ro;.; act"uadores tocan físicamente al objeto y actúan en fon11a adecuo.da (por !o general con anétndos electromecúnicosi. Los .sensores son esenciales para el control de los robots inlelig:enlcs; se están des~1ff1)Uando capacidades que recuerdan las de tos .seres hurnanos (scnson~.s inte~ligenJes). if::~ciHar. la deleccióu continua de Ú.H::rzas de con.lacto '-1ariahle~,, nnnn~:•rnentc rncdiante una serie de sensores. Este sisten1a es e<:11x1z de funcionar dentro de un espacio tridirncn-· sional arb¡trario. Las piezas f"1ágiks (como botellas cie vidrio y dispositivo~: electrónicos) ~;e pueden nianejar medianic rohots con í::fectores.fin.rtles dóciles (in.ieligentes). Estos efectores pueden ~entir !a fnerza aplicada al objeto que se maneja, mediante dispo1-;it.ivos plc::i:oc!éctricos, celdas de carga, inducción magnética, ultrasonido y sistemas de fibras ópticas y de t.L¡odos emisores de luz. Los sensores de contacto son capaces de medir y controlar fuerzas y momentos de sujeción en tres ~jes, y se ofrecen en el COffi.Crcio (fig. 38.25).
La fuerza detectada se vigiia y conLrola mediante dispositivos de circuito cerrado con relroaiimcnlación_ Sin embargo, los sujetadores dóciles con retroalimentación de fuerza y percepción sensorial pueden ser complicados y requerir poderosas computadoras; por consiguiente pueden ser costosos. Los efcr:roresJinales antropmnorfós se están diseñando para simular la mano y los dedos humanos, y para tener la posibilidad ele sentir el toque, la fuerza, el movimiento y la textura. El sensor táctil ideal Lambién debe sensar el deslizamiento, capacidad de los dedos y la mano humana en la que ni nos fijarnos; puede ser muy importante en el uso de los robots. b. Sensado visual (Sistemas de visión de máquina y computadora). En el sensado visual, unas cáma-ras sensan, ópticamente, Ja presencia y la forma del objeto (fig. 38.26). A continuación un microprocesador procesa la imagen (por lo ger1eraJ 1én menos de un segundo), la mide y se digitalizan las mediciones (reconocimiento de imagen). Hay dos sistemas básicos del sistema de visión de máquina: arreglo li-neal y arreglo matricial.
Conlrolador dt: visión
con memori<.1
flGURA 3H.26
Ejemplos de aplicac·io11es de visión de máquina. (0) lnsrección en línea de partes.
{b) Identificación de piezas con varias forrnas, e inspección y rech0zo de piezas defectuosas. (e) Uso de c6.rnaras
paril proporcionar datos de posición ;:r un robot, en relación con la pieza. (d) Pintado de piezas con distintas forrnZls rnediante !a señal de un~1 cc'.imara. L,l memoria del sistema que e! robot identifique la forma. detr,nrinacia que se va a pintar, y haga los movimientoc; correctos una pistola ele aspersión fij<> al efector final.
En él ai:Jrcglo fü1
Sección 38.9
Hl54
/Soportes flexibles
Hl55
Capítulo :18 /Automatización de los pwcesos de rnanubctura
J) SI! fuente ele energía y g) su costo. Otra consideración importante en la selección del sensor es el ambiente en el que se va a usar. Se han desarrollado sensores robustos para resistir temperatura, choque y vibración, humedad, corrosión, polvo y diversos contaminantes, fluidos. radiación dectromagnética y otras interferencias en condiciones extremas.
Sensores inteligentes. Entre los desiirrollos más recientes están los sensores inteligen./es q1.1e tienen capncidad de efectuar una función lógica, de conducir comunicaciones en dos sentidos y de tomar decisiones y las acciones adecuadas. Los elatos necesarios y los conocimientos requeridos para tomar una decisión se pueden incorporar a un sensor inteligente. Por ejemplo, se puede programar un chip de cómputo (véase el capí· tulo 34) con sensores para apagar una máquina hernnnienta cuando falla una herran1Jenta de corte. De igual manera. un sensor inteligente puede parar a un brazo robot móvil para que no llegue a tocar un objeto (o persona) por accidente, detectando cantidades eomo distancia, calor y mido.
---·4 Válvula
Lí~~; -~noide
Pieza
hidráulic<:"t
hidnlulico
FIGURA 33.27
Esquema de una instalación con soportes flexibles. La fuerza ele prensado es detectada con la
galga, y el sistema ajusta e:;a fuerza en forma autom6tica. Fuente: P. K. Wright.
38.8.2 Fusión de sensores Aunque no hay definición clara del término jusión de sensores, se entiende por lo general que implica bási camente la integraclón de varios sensores en fonna tal que se combinan los datos individuaies de cada uno (fuerza, víbración, temperutura, din1ensiones. etc.) para proporcionar un niveí más ;llto de información y confiab.llidJ.cL Si,; ha sugerido que un ejemplo común de fusión de sensores es cuando alguien toma en una taza de .té
o café caliente. Aunque ni nrn; fijamos en ese evento cotidiano., se puede ver con facilidad (.[He este proceso implica enirada de datos de los ojos, manos, b.hios y lengua de la persona. A través de nuestros diversos sentidos (vlscído, olfato, gusto y t.ac!o) hay una vtgitancia en tiempo real de to:-: movinüentos relativos, las posiciones y las temperaturas. Por ejemplo, si. d líquido está dernasiado caliente . el movimient0:, con la mano, de ia tuza hacia los labios se controla en forma adecuada. Las primeras aplicaciones de Ja fu.sión ele sensores fueron en el control del movimiento del robot y en ;1plicacioncs de raslreo de vuelos y otras parecidas, mililarcs (principalmente porque esas actividades imp1.ican movimientm~ que inli1an al comportamiento humano). Otro ejemplo de fusión de sensores es una opern1~ión de maquinado en la que un conjunto i.k sensores distintos, pero integrados, vigila a) las dimcnsiorH:.s y el :1cab;1clo superficial d1.: Ja picz{l, h) la;; Ctier/,l!S, vibraciones y desgaste en la herramienta de corte, cJ 1n km--
en díversas regiones de\ sistema herrarnlema-pi.c.;i;a, y d) la. potencia en e1 hu:-;i\10. Un aspecto imporütntc en la fu~íón de sensores es Ja wdidaci
aplicnción, es esencial la recepción de datos redundantes de sensores distintos. Se puede ver que la recepción_ 1ntegración y ¡:.irocesarniento de i-odos los dato~ procedentes de varios sensores puede ser un prohk:m:1 compl icaclo. Aunque hm1 habido aplicaciones limitadas de la fusión de sensores en las operaciones de manufacturn, se invesliga mucho en esta área, que tiene un gran impacto potencial sobre la manufactura en el futuro próximo. Con los avances en los tamaños, calidad y tecnología de los sensores, y con los nuevos desarrollos en los sistemas ele control por computadora, inteligencia artificial, sistemas expertos y redes neurales artificiales (véase el capítulo 39), la fusión de sensores se está volviendo práctica y a ia mano, a un costo relativamente bajo.
38.9 SOPORTES FLEXIBLES Los capítulos anteriores han descrito algunos dispositivos para sujetar piezas, como broqL1eros, pinzas. mandriles y diversos soportes, muchos de los cuales se suelen operar en forma manual. Otros dispositivos de sujeción de pieza se disefían y se operan con diversos niveles ele mecanización y automatización (como por ejemplo los platos motorizados, impulsados por métodos mecánicos, hidráulicos o eléctricos).
Los sujetadores de pieza tienen ciertos intervalos de capacidad. Por ejemplo. a) determinadas pinzas pueden tomar barras con cierto margen de diámetros, b) los mandriles ("chucks") ele cuatro mordazas pueden su-jetar piezas cuadradas o prismáticas dentro de ciertas dimensiones, y c) otros dispositivos y soportes se diseñan y fabrican para formas y dimensiones específicas de las piezas. T:cn las operaciones de manufactma se suelen usar con frecuencia, y en forma indistinta (y a veces por pares), las palabras prensa. plantilla y soporte. Las prensas son dispositivos sencillos y multifuncionales; Jos soportes o sujetadores se diseñan en general para fines específicos; las plantillas tienen varias superficies y puntos Je referencia para alineamiento exacto de partes y herramientas, y se usan mucho en la producción en
masa. La emergencia ele los sistemas flexibles de manufactura (que se describirán en la sección 39. l O) ha necesitado el diseño y uso ele dispositivos sujetadores que tengan llexibiliclacl propia. Estos dispositivos (sopor.. tes tlexillies) son capaces de acomodar con. rapidez una gama de formas y dimensiones de piezas o partes sin necesidad de cambiarlos o ajustarlos mucho, o ele requerir intervención del operador (ambas cosas afectarían en forma adversa la productividad). En la fig. 38.27, se ve un esquema ele un sistema ele soporte l1exibic. La galga extensiornétrica pegada a la prensa sensa la magnitud ele ]a fuerza ele sujeción, y el sistema la ajusrn para mantener la pieza bien sujeta a la mesa.
38.9.1 Consideraciones de diseño para el soporte flexible El diseño y la construcción adecuados de los sujetadores y soportes l"lexibles es esencial en la operación ck los sistemas avanzados ele manufactura. Estos dispositivos se deben ubicar en forma automática y precisa a 1'1 pieza, y deben mantenerse su lugar con precisión y con la fuerza suficiente de sujeción durante la operación de manufactura. Los soportes deben acomodar las partes en forma repetitiva en la misma posición y deben tener la rigidez suficiente para resistir, (sin demasiada flexión), los esfuerzos normales y cortantes que se desarrollan en las interfases entre pieza y soporte. Los soportes y las prensas deben tener bajos pediles, para evitar choques con las herramientas de corte y las matrices o ciados. (Evitar los choques también es un factor importante para programar las trayectorias de herramientas en operaciones ele maquinado. Véanse las secciones 38.3 y 38.4.) Los soportes flexibles deben cumplir con otros requisitos, para funcionar bien en los sistemas flexibles ele manufactura. A causa de la mayor eficiencia ele los centros ele maquinado, el tiempo de maquinado es muy corto. En consecuencia, el tiempo necesario para cargar y descargar partes debe ser mínimo para reducir los
Sección 3H. 'I O/ D!si.?1fo par
1056
dc'>~rnnar y dar
servicio
Hl57
C1p1·1ulo 3B / Aulo111u.t1z;)cion de los procc-~sos de rT1.:i11uL:ictura
tiempos de ciclo. La presencia de virntas sueltas entre las superficies de referencia de Ja pieza y el soporte puede ser un grave problema. Esta situación suele no exisür en las operaciones manuales., porque el operador cuida que estén limpias esas superficies. Como czm Jos sujetadores convencionales, la presencia hasta de una sola viruta u .csqujrfa met6J~ca puede cau~:,ar que una parte se produzca sin precisión dimensional adecuada. Las virutas se presentan mús en las operaciones de maquinado cuando se usan fluidos de corte, porque cuando son pequeñas 1ienden a peg~lrse a las superficies mojadas a causa de las fuerzas de tensión superficial. Un soporte flexible debe sujetar partes bed1as mediante diversos procesos, como fundición. conformado o metalurgia de polvos, en las que las di111cnsiones y las características supcrficbles varíen de una p~u·te a o1ra. La fuerza de sujeción, a su vez, se debe cstünar y aplicar en forma adecuada. Estas consideraciones tienen todavfn más ünportancia cuando la p]cza es frágil o está hecha con i11aterial frágiJ, cuando L]ern: un recubrimiento relativamente suave sobre sns superficies o cuando es de plástico. Los plústic1>S suelen tener baja dureza y bajo módulo de elasticidad, y cr1 consecuencia SOíl muy flexibles (véase el capilulo 7).
Analizar
el ensamble 2utoin.:1ll1.ado alta
d
Analízar por robol
FIGURA 38.28 Etapas en el an<ílisís del diseño para ensamble. Fuente: Product Oesign íor Assembly, edición
de 1989, por C. Boothroycl y P. Dewhursl. Se reproduce con autorización.
PARA
Y DAR
L;-is pí.c.zas y componentes indiv.iduales hecho;; con distintos procesos de manufacturase *~ns.rmJbhu1 para Cor mar produclos lerminados, con. v;irios mé'lodos. /\lgunos productos son sencillos y sólo tienen dos o tres com· pnfü:::nícs que se ensamblan: c:sia operación :~e puede hacer con rdaüva facilidad. Unos eje1nplo:s son del. pi;: ordinario con una goma, Lrnd sartén con mango de madern o unu hna de aiumin!o para bebidas. Sin embargo, h rnayor pmte de lo~, productos con;,isten en muchas piezas (vé1:ise lr: 1abb de Ja página 2: sección J, lntrnducci6n general) y para ensambladas se requiere mucho cuidado y p!::rneacíón.
Fn forrnn 1.n.HJicümaL el ensam.bk ha irnplicndo ~nuchn trabajo manuat, por lo que ha constilu-ido un;1 parte irnportantc del costo dd produc10. La operación total del ensrnnbte se suele Jc.scomponer en operacionc~~ individuales {subensambles), con un operador asignado pw-a cada paso. Los costos de ensamble son er~ i~>rnw cara~tcríslica de 25 a sor;;, del costo wtal de manufactura, y el porcentaje de trabajadores que intcrvi1> in~~ oper:.iciones de cnsJmble va de 10 a 60%'. !;;~s inúustrias elcc1rónjcas se pag~ de 40 ;J ó(Y}'é d.c nen suc:Jdos total.es a trabajadores de ensamble. Ai aunv.:::ntar !us costos y las canti.dadc::, de producción de lo:, artfculos que se van a arrnar, se vuelve ob·vi,a ja 11eccsidad de !ener ensarnblc automútico. Lns 1nétodos de ensamble, que cornenzaron con ei arn1ado rn'l·· nual de rnosqw.~tes a fin;;iles del sjglo XVII (y a principios del siglo XIX con las piezas intcrcambi,ñbles) ln:.; rnétodc::; de ensamble han nicjorado mucho al pdso del tiempo. La primera aplicación del ensamble moderno en gran escala fue armar magnetos de volante para e! f<'ord
tllodelo T; este ejemplo conduciría al final a la producción en masa del automóvil. La elección de un método y sistema de ensamble depende ele la tasa de producción requerida, la cantidad total a producir, la duración del producto en el mercado, la disponibilidad de mano de obra y del costo. El ensamble autumatizado puede reducir con eficacia el costo tolal de producción.
Como hemos visto, las piezas se fabrican dentro de ciertos intervalos de tolerancia. Si tomamos como ejemplo a Jos rodamientos de rodillo, sabemos que aunque lodos ellos tienen en promedio las mismas dimensiones nominales, algunos rodillos ele un lote serán menores que otrns, en una cantidad muy pequeña. De igual manera. algunas pistas de rodamiento serán menores que las demás del lote. Hay dos métodos para ensamblar tales productos de gran volumen: el ensamble aleatorio y el ensamble selectivo. En el ensamble aleatorio las piezas se arman seleccionándolas al azar en los lotes producidos. En el ensamllle selectivo. los rodillos y las pistas se separan por grupos de tamaños (del menor al mayor). A continuación se seleccionan las piezas para que encajen en forma adecuada. Así, los rodillos con menor diámetro se corresponden a pistas interiores que tengan el diámetro externo mayor, y de igual manera, con pistas exteriores que tengan Jos diámetros internos mínimos.
38.10.1 Sistemas ele ensamble Hay tres rnc5toclos básicos de ensamble: manual, :mtornático de aira vdocidacl y robólico. Estos métodos se pueden usar en forma individua] o, como es el caso de la mayor parte de las aplicaciones en h.1 práctica, en corn-· binación. Primero se debe hacer m1 análisis deí diseño del producto (fig. 38.28) respecto al método adccrcaclo económico de armado. a. En ei ensamble 'man'dna.! se nsan hcrra1nientas relativa1ntmte scnci.llas, y es econón-iico para 1oLes peqncños. Por ia destreza de la mano y los dedos humanos y su capacidad ele retroalimentación con varios sentidos, los trabajadores pucd,.:n armar en forma manual hasta partes complicadas sin gran dificultad (recuérdese, sin embargo, el problema potencial ele los desórdenes traumáticos acumulados, que describimos en la sección 37.2). A. pesar dci uso ele mecanismos compiicéiclos, robots y controles computarizados. la alineación y colocaciór1 de un simple cbvo cuadrado en un agujero cuadrado, con poca tolerancia. puede ser di fícíi en un ensamble autornaü:z.ado:, sin embargo. la rnano humana puede hacer c.sta senc.üb operación con relativa fac-ilidad. \J. En ei eJ]Samhle rnul.omatiz;;¡fo cle a!fa velocidad se usan mecanismos de tnmsforench;. diseñados especialmente para la operación. En la Ji.g. 38.29 se muestran dos ejemplos de ese método. en los cua-
flGURA 38.29 Sistemas de transferencia pma ensamble automatizado: (a) Máquina localizadora (indexadora) rotatoria, (b) rnáquina localizadora en línea. Fuente: G. Boothroycl. (a)
!\Jiment.ador de parles
I
(b)
Cabeza de trabajo / estacionaria
AlimenLador
de piezas
Mesa de localización
Cabezal de trabajo
Hl51l
Capi'tulo .3H / Aul"Clrnil.tizJción ele los
T¡
proce~o~ de manufactura
¡
del RoblJL"i d~ 4 grados
de libertad
Sujetador versfítil
l
Sección 38.1 O/ .Disefio para ensamblar, desarmar y dar servicio
(b)
(a) Pared de la taza ,
j Y
~
,,
'
A tolva de entrega'
Piezas presentadas en
. \"'-. ;;::;::¡ ~~I
~
/y~'\ ' . .-c6l, Y-j
' :?)'il), '""º'"'"º~' /
Pared de 1a taza Suque eu V
~~ ~-1:~~ / \Jvr
Camino angosto ,
1059
~
Al~
enancho . as sólo as, po1que d,e piezas .P . a auna lo fila largo
de
~~ / Parte rccbazada s. ~
descansa
enºtr~~.,
sobres~
p.:ir!c superior
o'
Hoja desviadora (d)
(e)
Mampara de presión Hoja desviadora Camino
. . ~.~~~. .,(·'k-)~-.:::. z )¿:::/~ Pared de b laza\
n1 Sopo11e de !a pieza Tnin.sp¡)riador
nara ens~unbics ;.erminado_.:.
Alí1ncn!ador d;; li:lz.'.l vihrawria
,
~
_,..
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1
1,;:::::
~,,,,_
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.)1·, Rrn1ura en el camino
\
·
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en os ' ,. · que dcsnn . acostados ' sen
T f;=2J . ormllos rechazad' . '' "'·
_,..-?--"" .....
' ......_:;/;1 ,.....
_---:::.J':!;,. \j...-,...-/~ Tornillos 'h·, ~---;:::>-:-n a 111 ,e a1,ados
('\ .. -·-'
IF' ,.....}::...-1'-"'='
~(t~'<' ~~~~ ,~J l;/~ ~:=)
fl)i
.?"'¿§¡_.:;J _.,..,,.,.;;:? _;::;-:.0=----
/ ¡...._\,..""~ -..,y;
;, tolva de entrega
Pareddela~a· \,za ¡~~;¡---l
·• ••,__
~r \
ranurndo.1
Onda
0
A lolva de cnlr
"ºª
Ei saque. rechaz.a las partes en f"onna de copa qllL; de::.cansen ;-obre sus partes superiores
para orientar' a los tonüllos
flGURA :>a.3o Una eslación ele en"1mb[c, con robot ele dos brazos. Fuente: Product Oesign íór Assemblv, edición de 19H9, pcr C. Booihroyd y P. DevvhursL S(~ reproduce con autorización.
!es el ensamble individual se hace en produclos que están marcados para su correcta colocación durnnle el armado. En el ensamMe nibotizado. en una estación de trabajo operan uno o dos robois de proposito generai (fig. 38.30), o los r0bots trabajan en un sistema de ensamble de varias estacione::. Hay lres tipos lxísicos de si::temas de ensamble: síncronos, asíncronos y continuos. a. En Jos sistemas si11crnnos (también llamados indexados), l<1B piezas y los componentes individuales se suministran y ensamblan con velocidad constante en estaciones individuales fijas. La rapidez de movimientos se basa en la estación que tarde más en terminar su pa11e del ensamble. Este sistema se usa principalmente para ensamblar productos pequeños en gran cantidad y con gran velocidad. Los sistemas de transferencia mueven los ensambles parciales de una a otra estación de trabajo, con diversos métodos mecánicos. En la fig. 38.29 se ven dos sistemas caracte11sticos (indexación rotatoria e indexación en línea). Estos sistemas pueden trabajar en modo totalmente automático, o en semiautomático. Sin embargo, una descompostura de una estación frena toda la operación de armado. Los alimentadores de piezas las suministran y la5 colocan sobre otros componentes, que son sujetados en transportadores o soportes de piezas. Los alimentadores mueven las piezas individuales (por
f~GURA 33_3·¡ Divc·rsas guías para élscg•Jrar que la.s partes estc~n bien orientada'> para su ensamble autom;:Jtico. F11c:'nte: C. Boothroyd.
vibración u otros medios)¡¡ \ravés de tolvas de entrega y aseguran su orienlación correcta mediante diversos e ingeniosos medios (fig. 38.31). Es esencial, en toclus las operaciones automatizadas de ensamble, la orientación correcta de las partes, así como evitar bloqueos. b. En los sistemas asíncronos, cada estación trabaja en forma independiente y cualquier desequilibrio se toma en el almacén ("bnffer") enLse estaciones. La estación continúa trabajando hasta que se llena ci siguiente "buffer", o se vacía el anterior. Además, si una estación no trabaja por alguna razón, la línea de ensamble sigue trabajando hasta que se hayan usado todas las piezas en el "buffer". Estos sistemas asíncronos son adecuados para grandes ensambles, con muchas piez1Ls por armar. Para tipos de ensambles en Jos que los tiempos requeridos para las operaciones individuales varían mucho, la producción será determinada por la estación más lenta. c. En los sistemas continuos el producto se arma mientras se mueve a velocidad constante, sobre "pallets ., (o portadores de piezas). Las piezas por ensamblar llegan al producto a través de varios cabezales y sus movimientos se sincronizan con el movimiento continuo del producto. Entre las aplicaciones características de este sistema están en las empacadoras y embotdladoras, aunque también se ha usado el mé· todo en líneas de producción para automóviles y electrodomésticos.
1 íl6íl
Sección 38.1 O/ Diseño par~t ensarnblJ.r, desarmar y dar servicio
CJpítu)o 313 / 1\u1orn;i1ización de los pmc(:-:so:; de manuf;,1ctura
Los sisternas de en:;amble se preparan en general par::1 cierta línec1 de producto~>: sin embargo st pueden mod¡ficar, para tener mayor flexibilidad y acma.r lfrieas
Incorrecto
lncorreclo
Correcto
Correcto
(e)
M~tT·S'iJ~"' ~'
1061
"?
(b)
0.2 Lineamientos para desarmado y servicio
de
Aunque !as func1ones de un producto y su disci'io para la manufactura han sido asuntos de gran írnportancia durante aigün tiempo, sóio hasta hace poco ha atraído la atención el diseño par.a ensamble) en especial para d ensamble automatizado, por la necesidad de reducir costos de mano de obra en las operaciones de ensamble. Se han establecido diversos lineamientos corno c!cmenlos aux.iliare·o parad diseño de pie1.as y la faciíi· dad de cnsarnb!e. Los linc~H1:iientos generales para el ens:amhfo mm.1ltllaA se resumen como :':iiguc:
(J)
MGURA 3H.32
Redisc:ic de
p~ates para facilitar el ensarnblc autornat1z8.do.
Reducir iu cantidad y tipos de pieza,s en un producto, _p¡1ra gue se requien.m menos pasos y soporll;s. Cnn método se bajan !os costos de cn.(;arnbllHkJ. pie1,~1~ por ensamblar deben leiwr un Qho gr~tdo de sin:clríu (redoncbs o ·":uadrudas} o a~imetrfo (ovaíadas o tectangu!ares). Se deben di:.;cñar en J~xma que no se pmxlan instalar m.aL o en forma qtie nu rn> ce:~:itcD ubicarse, alir;earse o ~~justarse.
A1gnnns reglas específicas adicionales son las siguientes:
rn .. Las piezac• se deben diseñar para que se pueda11 sujetar y manipular por el mismo "gripper" del robot (véase la fig. 38.18). Este diseño evita la necesidad ele sujetadores distintos; también, las piezas deben
Lrn; disd'í.os de.ben pcrmítir ensamblar las piez~1s sin obstrucciones ni \a carencia de una visna1 dircc\
,us lincr1n1icnt\JS d.isefío para el enusarnbKe ye]oddadt :1de~11;\~; paca el ensan1hle rm.1_nu8l, e! hecho que !as piezas d(•,ben ser manejac!;'tS no en fonna n11.inua.!, sino i.\Ul~:: müiic::1, us;Jndo diversos disposítivos. Los bum::1nos puedcD escoger con facilidad fnH'tes de un conjunto !por ejemplo, de uua ~olva cercana), pero d manejo auton1ático requiere que las partes estén separadé; de bs d(> mús y sean lransportadas con tdvas o aJimGntadores vibratorios (véase Ja fig. 38.30) en la ori:.:ntaclón cnrrecta para .su cnsarn'l':dado. En consecuencia . los lincamic~nlos udicionalcs .son los siguient(~:-;:
a!lmentnrse al sujelad()r con la orientacjón correcta. b. ;Se puede clific.tltar a \os robots el <0nsamble que implica sujetadores roscados, como tornillos y tuercas. Una excepción es el uso de tornillos auwrroscantes, para partes de lámina, plástico y madera. Sin em-
guno~)
Los discfíos de piezas se deben tener en cuenta factores como tamaño, forma, peso, flexibilidad, abrn· sión y adherencia con otras partes. b. Se deben clisefiar las partes de modo que se puedan insertar desde una sola dirección (ele preferencia vertical, para aprovechar la gravedad); el ensamble desde dos o más direcciones puede presentar problemas.
e, Los productos se deben diseñar, o los productos existentes se deben reclisefiar, para que no haya obstruc· ciones físicas al movimiento libre de sus partes durante el ensamble (fig. 38.32); se deben reemplazar las esquinas agudas, ex.ternas e internas, con biseles, lados inclinados o radios. Los lineamientos de diseño para el ensamblado robótico son reglas parecidas a las del ensamble ma· nual y el automatizado de alta velocidad, aunque las investigaciones recientes en efectores finales dóciles y manipuladores diestros ha relajado algo la inflexibilidad de los robots.
bargo, los robots sí pueden manejar broches, remaches, soldaduras y adhesivos.
Diseño para desarmado. La manera y la facilidad con las que un producto se puede sacar para su mantenimiento o reposición de sus partes es otra consideración importante en el diseño de los productos. lmaginemos, por ejemplo, las dificultades que se presenLan para quitar ciertos componentes bajo el cofre ele algunos automóviles (como bujías o filtros ele aceite); existen dificultades parecidas en el clesmmado de otros productos. En consecuencia, el diseño para desarmado se ha vuelto factor importante en el proceso general de diseño.
Aunque no hay conjunto establecido ele lineamientos, el método general de diseño para desarmado requiere considerar factores semejantes a los que fueron mencionados anteriormente, del diseño para el ensamble. El análisis de modelos de cómputo o físicos ele los productos y sus componentes, desde el punto de vista del desarmado, deben indicar problemas potenciales, como obstrucciones, tamaño de los conductos, falta de visibilidad y dificultad para sujetar y guiar con firmeza los objetos. Diseño para el servicio. La última tendencia en el diseño para el ensamble y desarmado incluye tener en cuenta la facilidad con la que se puede reparar un producto. Se llama diseño para el servicio, y este método se basa en el concepto que los elementos que con más probabilidad necesitan servicio estén en Jas capas externas del producto. De esta forma, es más fácil llegar y ciar servicio a las partes individuales sin tener que quitar otras más.
-~,··
Hl62
~
CapíLL41o 38 / Automatizzición de los procesos de manufacluríl
Proposición de rediseño para un registrador de presión
Términos clave
1063 .
RESUlvtEi'I
E! diseño original de Ja parte activa de un registrador electromecánico depresión :;e ve en la Jlg. 38.33a. Consiste en siete subensambles: regulador de presión. sensor, abraza'dera con cójfo de espuúia. conjunto del tt1bo, conector a tierra. conjunto de tarjeta de circuito y conjunto de perilla COJ) prisionero. Un análisis de c:ste diseño, que tiene 18 partes. indica lo siguíeiíte:J)la tapa de plástico no necesita ser de material distinto al del tiiarco de mctaL y la tapa no se mueve en rd:.foión con el rnarco; 2) el conjunto de! tubo no se mueve con respecto al cuerpo del regulador de presión, y puede ser del mismo material; 3) La abrazadera metálica (que sujeta al sensor) no tiene que ser uná píezHseparada: 41 ninguno de los com., ponentes en este disefio se autoposiciona, hay varias piezas de más y varios problemas de alineamiento y
"' La automatización se ha implementado con éxito en los procesos de manufactura, manejo de materiales, inspecciót1, ensamble y empaque, Hay varios grados de automatización, que van de la automatización sencilla de máquinas hasta las celdas de manufactura sin operador (véase Ja sección 39,9). " La verdadera automatización comenzó con el control numérico de las máqLlinas, que tien
f!CCCSO.
" Las operaciones de manufactura se optimizan más, tanto en calidad como en costo, mediante técnicas de control adaptable. donde se vigila la operación en forma continua y se hacen los ajustes necesarios
En ia fig. 3iU3b se muestra un rediscíio posible, donde el diseño¡¡)ii,genernl. se ha simplificado para que el conjunto conste sólo de siete partes: Se estima que el tiempo de armado para el nuev,i diseño es la cuarta parte del que fue utilizado en el diseño, original. (Se pide al lector reví se éstos diseños y sugiera otras posibilidades.)
en Jos parámetros del proceso. " Se han hecho grandes progresos en el manejo de materiales, en especial al implementar los robots industriales y los vehfculos de guiado automático (AGV's).
F11c11te: Product Design for Assembly, edición 1989 por G. Boothroyd y P. Dewhurst Reproducido con autorización.
"' Los sensores son esenciales en Ja implementación de estas modernas tecnologías; se ha desarrollado e instalado una gran variedad de sensores basados en diversos principios. " Entre otros avances están los soportes flexibles y las técnicas de ensamble automatizado, que reducen !a necesidad de intervención dd trabajador y que disminuyen los costos de manufactura.
11 Di:,i_:11onrigin:d
®
(b; Di,<;cño propue~to
La implementación eficiente y económica de esas técnicas necesita qLie se reconozca al diseño para ensamble. desarmado y servicio, como faclor importante en el proceso total de diseño y manufactura.
Corn:cror a tii.;rrn -150 X 8
TEi'\I " Debido <1 los altos costos del equipo, un área de estudio que adquiere cada vez mayor importancia es el análisis económico de diversos aspec!os de la automatización en las plantas man11factureras, asf como e! uso de autómatas o rohots industriales. @
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" Hay una tendencia creciente hacia usar computadoras personales en lugar de controladores lógicos programables, porque las primeras son menos costosas, más l'áciles de programar y más fáciles de interco-
25 X J8 Broches r
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Conector
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FIGURA 38.33
No a esCala Dimeflsionc-s en nún
énfasis en los sistemas electromecánicos. Los nuevos desarrollos incluyen la fusión de sensores y los sensores inteligentes, capaces de calibrar, calcular y tomar decisiones basadas en computadora.
1
,·, ,,•, " , . ,· , ~,' ~~K',,¡/;J<';)
, 20, x,:l,,,·,. ,., .'
<> Entre las tendencias en sensores están la miniaturización, compatibilidad con sistemas lógicos y menor
.
~·.,"~~¿;q,,d.~,:'Z..~~/,'
TUCt'<;á:-
Junlo con d uso extenso de con1putadoras y los avances rápidos en los programas, se continúan desarrollando nuevos conceptos de operaciones de manufactura, como el de control adaptable de sistemas de manufactura y el uso de sensores múltiples. La programación de las máquinas de control numérico computarizado se hace cada vez más con programas sofisticados. sin ayuda del operador.
" Continúa aumentando la impoiiancia del diseño para manufactura, ensamble. desannado y servicio, en las actividades de manufactura .
TÉRMINOS CLAVE Automatización Automatización !1exible ("soft automation")
Aulomatización rígida
~t~
Automatización selectiva
"Buffer" Compiladores Contorneado
Control Control Control Control
adaptable de lazo abierto de lazo cerrado numérico
-"~
yl ;'S
Hl64
Problemas cualitativos
Capítulo JU/ Auton-1t·)tiLaci6n de los procesos rle manufactura
Control numérico computadza
En:-;amble Ensamble akatorio Ensamble selectivo Envolvente o volmnen de trabajo Fusión de sensores Ganancja de seguimiento lnterpolaci\)n lnterpolación circular Interpolación cúbica foterpolación lineal 1nterpolacíón parabólica
Lenguaje Je progrnmaci{)n Líneas de tn:i.nsforenc~1a Manejo de materiales Manipuladores
Iviantcnimicnto producLivo total Máquinas dedicadas Múquina.s independientes Mecanización Productividad Programación de p!e1.as Repel ibilidad Resolución Retroalimentación Robol Robot indusirial Robot inteligente Sensado por contacto
Sensa'al motorizado Vehículo guiado ;_niinmüticarnenL~ Visión en compu!adora
Hl65
PREGUNTAS DE REPASO 38.1 Desciiba las diferencia.s entre mecanización y automatización. Describa ejemplos e:-.peclficos de cada una. 38.2 ¿Por qué se considera en general que la aulomalización es evolutiva y no revolucionaria? 38.3 ¿Huy actividades en las operaciones de manufactura que no se pueden automalizar? Explique por qué. 38.4 Explique Ja düerencia cnlre automatización suave o flexible y la rígida. ¿Por qué se llaman así? 38.5 Describa et principio del control numérico de máquinas. ¿Qué factores condujeron a la necesidad y al desarrollo del control numérico? De~,criba algunas aplicaciones características. 38.6 Exphque las ciifercncias entre corllro! numérico directo y control numérico cornputarizaclo. ¿Cuúles son sus ventajas relativas? 38.7 Describa los circuitos de control de lazo abierto y de lazo cerrado. 38.8 ¿Cuáles son !as ventajas de la programación de control numérico osi.stido por cornpuladora? 38.9 Describa el principio y los objetivos del ctm¡rol adaptable. Describa algunos ejemplos de las aplicacionc;s actuale:·) en la manufactura, y otros que crea usti.xl se puedan implcrnenlar. 38.10 ¿Qué factores condujeron al desarrollo de vehículos guiados automáticamente? ¿Tienen algunas desventajas? Explique sus respuestas. 38.11 Haga una ll:;ta y describa los factores a considerar cuando se escoge un sbterna de manejo de materiales adecuado para Jcterrnin<:1da instalación m:.umfacturcra. 38.12 Describ;1 hs propiedades Je un robot indu.c,lrial. ¿Por qué se necf;sitan esa~ carnctcrísticas?
Amie, P.J., C'ompuifT NwnericaL Cun.1roL Pror;rannning. PrenLice Hall, 1996. /\sfah!, C.R, Ruboti wu! !VionJ.{/lwtun'ng Aulomuiion (2d cd.). Wi ley, ! 992. }\strrnll, KJ., aml B. V+/ittc.nmark, ,.'\.da1'Jfive Control (2d cd.). Addison-Wcslcy. 19Q4.
Holhousc, V., Pwulcunenrafs rf Machinc Vision. Robolic lndu;;trie~; Associ~1tion. 1997. Hoothroyd. G., Assembfy Au.romatúm and Product Design. tvfiarccl Dekker. ¡9gq_
l)evvhurs;, and Vl. Knight, fJroducl i)csign for ~!lmnfacture and Assemhty. IYlarccl Dc.kkcr, ~ 994. Brooks, R.R., ami S. lyengm·, Mufti .. Sensor Fusion.: Fundt.unen.tals and Applications '>'Vilh Sq/i.·vyare. Prenticc Hal!, 1907. Burkc., IvL, fforulbook qf !vfaciúne Vision l~'n.¿;rnf!ering. Honthroyd, C.,
Chapman & ~foil, 1999. Busch-VJshniac, L E!ectrmncch.anicol Sen..wrs andAc1uators. Springcr, 1909. Chow, Vi/., Assemhly Lin.e Design: ií!fethodulogy and Applications. Marcel Dekker, 1990. y.::.·raden, .f., Handbook qf Modern Sensors: Physics, Designs, anJ Applications (2d ed.). Spriuger Verlag, 1996. Galbiati, L.J., /\!!achine Vision und Digital Imagc Processing Fundam.entals. Prentice HalL 1990. Gibbs, D., and T. Crandell, CNC: An lntroduction to Mochining and Par/. ProRramming. Industria! Press, 1991. loannu, P.A., RobustAdaptive Control. Prcntice Hall, 1995. Jain, R. (cd.), Mnchine Vision. Prentice Hall, 1995. Lynch, M., Computer Numerical Control for Machining. Mc()raw-Hill, 1992. Molloy, O., E.A. Warman and S. Tilley, Design jiJr Mamdf.lcturing and Assembly: Concepts, Architectures and !mpfeniemation. Kiuwer, 1998.
q/ Machin.t Vision. Society Fbnto-optical Instnnnentation Enginccrs, 199~\. Nanfara, F, T. UcccUo, ;rnd D. Mu113hy, 7/w CA'C VVork/Jook: An ln.troduction to Com¡n11er Nunu~rical Control~· Adclison-Weslcy, 1995. Nof, S.Y, 'N.E. Wilhelm, and H.-J. Vlameck:c., Imlustrlof Assnn/;ly. Chapman & Hall, 1998. Ran1pcrsad, H.K .. Jntf'gral an.d SimHltancuu.s Design {nr Rohotic A.ssembly. VVi!cy, 1995 :~chg, J.A .. /ntruducfion !O Roho!it:.)' i11 C!i\1 S) 1sír>!!IS Prenlicc Hall, l 997. .Sandler, B.-Z .. Nobotics: Designinf{ lhc /l.,dcdu.J.nisms jor Automated !vlachine;y (2cl eü.). Prcntice J-kll., 1099. Scnmcs. W., Compufer Numerical Control: Con{.epls und Progmmming (3d ed.). Del.mar, 1995. Sol ornan, S., .5ensors liwuihoofc McGrnw· H í! 1, 1997. Stenerson, J., and K.S. Curran, Computcr f'-htnu'rical Con.t1r11 Operation. and Prouramm.inf:;. Prentice Ha\!, l 997. 'Tbol and Man.i{ft:.u:Luríng Engineers lfwulbook. (4th cd.). Vot. 4 Assemhly, Tes1ing, and Quality Conlro/. Sociely Manufocturing Enginecrs, l 986. Tool an.d Man.r4acturing Engineers Handhook (4th ed.), Yo!. 9: JV/ateriaL and Part ftandling in Maru~foctu.ring. Socidy of Manufacturing Enginecrs, 1998. Valentino. J.V., and J. Go1denberg, lntroduclion to Computa Numerical Control. Regents/Prentice Hall, 1993. Williams, D.J., Mant1facturing Systems (2d ed.). Chapman & Hall, 1994. Zuech, N., Applying Machine Vision. Wiley, 1988.
1víyler, 11.R .. Fundanum.tafs
38.13 Describa los principios de diversos tipos de sem;ores, y dos aplicaciones para cada tipo. 38.14 Describa e! concepto de diseño para ensamble. ¿Por qué se ha vuelto factor i111porla11te en la manufactura? 38.15 ¡,Es posible Lcncr au{omatizaci611 parcial en el ensamble? Explique por qué. 38.ÍL{~ ¿Qu0 es crnHrol adapLah!e'? 38.17 ¿Cu(llcs son la:-, dns clases de articulaciones de robot'!
38.]8 ¿Cuáles son la:-, vcnla.ias de los .soportes flexibles? 3~t~9 ¡,Cómo se programan los robots pata que sigan cierta rnla'!
nc1
38.20 Describa sus ob~crvaclones s0bre la rig. 38.2, cilanclo ejemplos específico~. 38.2.1 ¿Cuülcs .son las vent::\jas y lirní1aciones relativas de !os dos <1rreglos de !os cabezales motorizados de la fjg. 38.4?
38.22 Describa rnétoch)s de medición i.::n !ínea de diá1r1ctros de pieza en operaciones de cilindrado que no sean las que se ven en !a fig. 3~~.15. Explique sus ventajas y limiluciones relativas. 38.23 ¿,Son el taladrad.o y el punzonado las únicas aplicaciones del sistema punto n. punto ele la fig. 38.1 Oa? Expl.iquc por qué. 38.24 Describa las posibles aplicaciones de robots industriales, aparte de !a~; que se citan en 1.;~:l~ capítulo. 38.25 ¿Qué determína la cantidad Je robots en una línea de ensamble autom;;1ti·1.ada como la de la fig. 38.23? 38.26 Descrihi casos en los que pueden ser crÍlicos la forma y el tamaño del volumen de trabajo de un robot (fig. 38.20). 38.27 Explique las funciones de cada uno de los componentes del robot que muestra la fig. 38. l 7a. 38.28 Explique la diferencia entre vebfculo guiado automáticamente y vehículo autoguiado. 38.29 Se ha reconocido normalmente que, en sus primeras etapas de desarrollo e implementación, se sobreestimaron la utilidad y la economfa de los robots industriaies. ¿Qué razones cree usted hay para explicar esta situación? 38.30 Describa el tipo de operaciones de manufactura (véase la fig. 38.2) que probablemente hagan uso óptimo de uncentro de maquinado (véase capítulo 24). Comcnle sobre la influencia de la cantidad de produclos y la variedad de piezas. 38.31 Describa dos ejemplos específicos, uno en el que sea preferible un sistema de control con lazo abierlo y uno con lazo cerrado. 38.32 ¿Porqué el grado de aulornatización en una instalación manufacturera depende de la cantidad y de la rapidez de producción?
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a -~066
Capítulo JH / Autornatizaciún de los prOG'!sos de manuí<:ictur0
~~
38.33 Explique por qué se h<:rn vuelto tan cscnciaies los :~c:nsorc:s en e! Jc:sarrol!o de sistemas automatizados de manufaclura. 38.34 ¿Por qué hay necesidad de soporles flexibles para sujetar las piezas? ¿Tienen algunas des ven Lajas? Explique por qué.
38.35 Describa situaciones en la manufactura donde
ust(~d
no apllcarúi el control numérico.
38.36 En la 1nbla 38.2 se ven algunos ejemplos de los productos característicos para cada cettc.goría. Agregue varios otros
ejemplos a esa lista. 38.37 Describa casos en los que seda preferible cada uno de los lrcs métodos ele ubicación .o posicionamienlo que se ven en !a fig. 3g_6. 38.38 Describa aplicaciones de !a visión de m~iquina para piezas e:;;pecíficas, parecidas a los ejemplos de la !1.g. 38.2(J. 38.39 Agregue olros
~jemp!os
l
1 1 i
i ~
t
: 1 Jos de la fig. 38.3 ·¡.
38.40 Trace el espacio de trabajo para cada uno de Jos autómatas de ia rlg. 38.19. 38.4..tl Describa algunas aplicaciones donde usted no usaría un a!irncnladür vibratorio.
\)i
Sistemas de manufactura i tegrados por computadora
1¡
·-------------
l 1
Y DISEr'lO 38.42 Describa un ejemplo de un,¡1 operación de formado que se pres1c ~ara el control adaptable. en forma pc.1recida a ll1 de hi Cig ..~rn.15. Diseñe dos sistc.rnns distintos de sujetadores rnccúnicos para ;_iplicaclon..::s muy difcrenies. 38A4 Describa algunas apl1cacinncs rara los sistemas que se muestran en la fig.
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]~L26a y
1
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!i 3'J.1
c.
J8.4i& Agregue otros ejemplos a los que 'ie rnueslran en la fig. 38.J2.
39.2 39.3
38.47 Describa cjcrnp!os
39.4
38.45 Diseilc un si,<;ícma de soporte llcxiblc para 1Jn mandril de torno, parecido al que se ve
38.-48
Dc~;cribn
(';fl
Ja fig. Jg.27.
39.5 39.6 39.7 39.tl
ejemplos L':n los qu\: no sean adecuados !os sensores táctiles o de contaclo. y explique por qué.
38..::.W1 Describa ejemplos en lus que no se pueda aplicar biGn. de una mm1era segura, los ~ls1emas de visión. Explique poi' qué. imagine qui..; u11 prodHC[{> sencillo .-;e va a rabricar mediante fresado lateral (sección 23.'.2) y prepare un programad~ 1.:nntwl numfair:o para C:L parecido al que se ve en el ejemplo de la sccdón :rn.4. Expliqtic por qué escogió es:l'.~ w.1ycclorins de];¡ fresa. Si es1a p::1rte se rcdiscfü1 para que tenga un orificio rnsc;.ldo, ;,cónio la maquinaría? /,Qut~ :ipü de rnáqui11a recomendaría que también tenga funciones de control nurnérico? una múquina en cJ.da tma ch~ l;1s parte~. li, Hl y IV y discfie un sislema en qui..; se pueda usar con c1lcaci;1 !n fu. s1ón de sensores. ;,Cómo cnnvem;eríu u::-;tcd de lo:-, m6rilos <1 un probable comprador? ¿Scn·a econónfr;o? JB.52 !gua!
qut~
el problema 38.5 l, pero parn un sislema de soporte flexible.
38.53 innginc un producto y di:-;eñc una línea de transferencia para él, parecida a la que rnucstrn ia fig. 38.5. [os lipo:-, de y la cantidad de rnúquínas ncc:esarias.
39.9
r
Especi!~1q 1 .1G
38.54 Sn !a sección 38.9 se describieron los principios básicos de los .soportes flexibles y se describió un ejen1piu. !:'.:n vista de !a gran variedad de piezas que ~,e fabrican, prepare lineamientos de diseño de :.;oporles ncxlbles. Haga e:-;qucrnas sencillos yue ilustren el principio de cada lipo de soporte, describiendo sus intervalos de aplicación y !imitacionc~. 38.55 Describa ~o que piensa acerca de la utilidad y las aplicaciones de los soportes modulares (fcirmados por diversas pn~n ::-;as, pernos, soporles y agregarlos inclividuaics, monlados sobre una _placa de base). 38.5~) l n~pcccione varjos productos del hogar y dcscrJ bala forma en la que se han armado. Comente sobre algunos cambios
que haría usted para simplificar y acelerar el ensamble, desarmado y el mantenirníento. 38.57 Aunque es difícil predecir con certeza las tendencias futuras, revise la tabla 38. l y describa sus ideas acerca de los nuevos y posibles desarrollos que se agregarfon a la parte inferior de Ja iista, durante la primera parte del siglo XXI. 38.58 Diseñe un sujetador de robot gue tome y coloque huevos comunes y corrientes sin romperlos. 38.59 Obtenga un tostador viejo de pan y desármei.o. H.aga recomendaciones para rediseñarlo, aplicando los !ineamienlOs para ensamble manual. 38.60 Diseñe una guía, del mismo tenor que Ja fig. 38.3 l, pero para alinear partes en forma de U
1I,
.l9.IO l9.11 39.12 39.'I 3 39.14
Introducción Sistemds de manufactura tv\anufoctura por computadora Diseño e ingeniería asistidos por computadora lv\anufactur<.t asistida por computadora (CAM) Plane;ición de proceso asistida por computadora Simulación de los procesos y sistemas de manufactura por Tecnología de grupos Manufactura celular Sistem<1S tlcxib!es de manuL:iclura (SFM) Producción justo a tiempo (JIT) Redes de comunicaciones en la manufactura Inteligencia artificial (IA; La fábrica del futuro
39 .~i-1 i'-lTRODUCCIÓN ____________ _ En varias ocasiones hemos descrito la implementación y las ventajas de la mecanización, automatización y control computarizado de diversas etapas de operaciones de manufactura. Este capítulo concentra la atención en Ja integración de las actividades en manufactura (véase también la sección 7 en la Introducción general). Integración quiere decir que los procesos y operaciones de manufactura, y su administración, se consideren como un sistema. uno que baga posible el control total de la instalación manufacturera para con ello aumentar la productividad, la calidad y la confiabilidad del producto, y reducir los costos de manufactura. En la manufactura integrada por computadora (en inglés CIM, computer-integrated mar¡ufacturing), las funciones tradicionalmente separadas de investigación y desarrollo, diseño, producción, armado, inspección y control de calidad, se relacionan entre sí. En consecuencia. la integración requiere comprender bien \as relaciones cuantitativas entre el diseño del producto, sus ma-
"
1067
~
Sección 39.3 / /Vbnufactura integrada por computadora (CM)
Hl68
'!069
Capítulo 39 / Sislc-:rna~ ele manufactura integrJ.Jos pm computaclor<:t
teriales, el proceso de manufactura y las posibilidades del equipo, as( como las actividades relacionadas. En esia forma se pueden adaptar cambios, por ejemplo, en requerimientos de material, tipos de producto o demanda del mercado. También, es mucho más factible lograr la alta calidad a través de la integración del diseño y la man u factura. Las 1miquinas, herramientas y operaciones de mannfactura deben tener cierta f!exfüifülail incorporada, para poder responder a los cambios y asegurar .la
DE
9
UFACTURA
pa1abnt sistema se deriva del griego syslema, que quiere decir cornbinar. Hoy s·ignifica un arreglo de entifísicas, que se caracteriza por su:s parán1etros identificables y cuantificable::; de interacción. La manu-faclura ilnp[ica una gran cantidad de actividades independ]entes, formadas por distintas entidades (corno mat~ria]cs 1 herramientas, máquinas, energía y seres hwnanos); en consecuencia, se puede considerar que es un sis1cma. Como hemos visto, la manufactura es de l1ccho un sistema complejo, porque cstú formado de muchos ekrnentos distintos, físicos y hmrianos, a1gunos de los cuales son difíciles de pronosticar y controlar, como el suministn} y eJ costo de materias prünas, ca:mbios en el mercado y la conducta y el desG111peño hmnanos. t :n e! caso ideal deberíamos poder representar un sisteina rnediantc modelios nrnatem3Jh.:os y físico~:; puedan ¡ndict.ir b1 naturaleza y eJ grado de interdependenóa de las variahles que intervienen. En un sisterna de n1anufactura, un cainbjo o perturbación en cualquier lugar del misrno requiere que se ajuste a sf rnisrnu, a nivd sistema, para continuar funcionando en forma eficjente. Por ejemplo, es reducido el suministro de detcrmjnada ma.teria prilna (por ejemplo, debido a maniobras geopoliticas, guerras o huelgas) . y en consecuencill mmKnla su costo, se deben seleccionar materiales alternos. Esa selección sólo se debe hacer dcspm~:~ de tene; en cuenta, con cuidado, el efecto que tiene ese cambio en la calidad del producto, h velocidad de producción y los costos de manufactura. De igual manera, Ja demanda de un producto puede fluctuar en forma aleatüria y rápida, debido a su estilo, tamaño o capacidad. Nótese, por ejemplo, Ja disminución del tamaño de los automóviles durante la década de 1980, a causa de Ja escasez de combustibles y de la popularidad de los autos deportivos utilitarios. Entonces el sistema debe ser capaz de crear el producto modificado con poco tiempo de demora y, de preferencia, con una inversión relativamente pequeña de capital en maquinaria y herramientas. Aunque la participación de lamano de obra directa sobre el costo del producto ha disminuido en forma constante a través de los años (en muchos casos, hoy es menos de 10% del costo total del producto; véase la sección 40.7), también el sistema debe ser capaz de absorber algo del costo si aumenta el salario de los trabajadores. Puede ser difícil modelar un sistema tan complejo, por la falta ele datos detallados o confiables sobre muchas de las variables que intervienen. Además, no siempre es fácil pronosticar ni controlar en forma correcta algunas de esas variables. Por ejemplo: a) las características de la máquina herramienta, su desempeño y su respuesta a las peiiurbaciones externas aleatorias no se pueden modelar con precisión; b) es difícil pronosticar con precisión los costos de la materia prima, y c) la conducta y el desempeño humanos son difíciles de modelar. dad.e~;
1
A pcsm ele esas dificultades, se ha hecho gran progreso en el modelado y en la simulación de los sistemas de manufactura. De esta forma, se pueden pronosticar los efectos de las perturbaciones (como cambios en la demanda del producto. la disponibilidad ele materiales y el desempeño de la máquina) con exactitud razonable (véase también Inteligencia artificial y lógica djfusa, sección 39. 13).
-·-
"-----·-----
39.3
------------------------11'-ITEGRADA POR COMPUTADORA 1ntegrated IV\anufacturi ng)
Se han ampliado los diversos niveles de automatización en la operaci.ones de manufactura (_que describimos en el capítulo 38), incluyendo funciones de procesamiento de información y usando una extensa red de computadoras interactivas. El resultado es la mamtfáctu.ra integrada por computadora, término amplio que describe la integración computarizada de todos los aspectos de diseño, planeación, manufactura, distribución y administración. La manufactura integrada por compuladora es una metodología y una meta, más que un ensamble de equipo y computadoras. La tecnología para implementarla ya se comprende bjen y es fácilmente asequible. Ya que (en el caso ideal) la CIM debe implicar la operación total de una empresa, debe tener. sin embargo, una extensa base de datos acerca ele aspectos técnicos y comerciales ele la operación. Así, si todo se implementa ele una vez, la rnanufactura integrad3 por cornputadora puede ser excesivainente cara, en especial para las empresas peqLiefías y medianas. La implementación de la Cli'vl en las plantas acwales puede comenzar con módulos en diversas fases de !a Para las plantas manufactureras nuevas, por otra pieza, es necesaria la p\aneación estratégi .. cct detallada y a largo plazo, que cubra todas las fases de la operación, para aprovechar todo el potencial de la CíM. Esas plantas deben tener en cuenta las siguientes consideraciones: a. Disponibilidad de recursos. ~'.D~ La misión, las metas y la cultura de )a (C~
Las tecnologlas ;:~xistentes y emergentes.
d. Eí nivd de integración deseado. Los sisternas de manufactura integrada por computadora consisten en subsistemas que se integran en un todo. Estos subsistemas son los siguientes: a. Planeación y respaldo comercial.
!J. Diseño del producto. c. Planeación dd proceso de manufactura. d. Control del proceso. e, Sistemas de rnonitoreo del taller. f. Automatización del proceso (fig. 39.1). Los subsistemas se diseñan, desarrollan y aplican de tal manera que la salida de uno sea la entrada de otro. En sentido organizaciona\, esos subsistemas se suelen dividir en funciones de planeación comercial y funciones de ejecución comercial. Las funciones de planeación comercial incluyen actividades como pronóstico, calendarización, planeación de necesidades de material, facturación y contabilidad. Las funciones de ejecución comercial incluyen la producción y el control del proceso, manejo de materiales, pruebas e inspección. La eficacia de la manufactura integrada por computadora depende mucho de Ja presencia de un siste·· ma integrado de comunicaciones formado por computadoras, máquinas y sus controles. Pueden surgir grandes problemas en la comunicación en la fábrica, por la dificultad ele interconectar distintos tipos de
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1ft7H
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C.ipílulo Y:l / Sislenia:. de rn,i11ufoc1u1¿1 1megrados por cornputacíora
Sección 39.4 /Diseño e ingeniería asistidos por computadora (CAD y (f\E)
1071
Plancación y control
Sístcma de cómputo distribuido
I
ingeniería
P!aneación
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(.'i;k::ndarizJ.ei6n
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Controi
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! Control ck ce] di\
Control Je celda
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·' ' 1 C011trol Con1·n:)] rdn1acenamie1JiO <.k t:ns;:¡_mbJc de medü;ión de artíc11k1s
llados y exactos acerca de productos, diseños, máquinas, procesos, materiales, producción, finanzas, compras, ventas, mercadotecnia e inventario. Este gran conjunto de datos se guarda en la memoria ele la computadora y se pide o se modifica cuando sea necesario, por pieza ele individuos en la orgrn1iwción o ele\ mismo sistema CIM, mientras controla diversos aspectos del diseño y la producción. En general, una base de datos consiste en los siguientes elementos, algunos de los cuales se clasifican corno técnicos y otros como no técnicos.
a. Datos del producto, como forma, dimensiones y especificaciones de la pieza. b. Atributos de administración de datos, como prnpietario, nivel de revisión y número de pieza. c. Datos de producciiín, corno los procesos de manufactura implicados para obtener las piezas o piezas y productos.
d. Datos de operación, como calendarización, tamaños de lote y requerimientos de ensamble. e. Datos de los recursos, como capital, máquinas, equipo, herrnrnientas y personal, así como sus posibilidades. Las bases de datos las elaboran individuos y diversos sensores en la maquinaria y el equipo que se emplean en la producción. Los datos ele éstos últimos se compilan en forma directa con un sistema de adc¡uisición de dato:;s que puede reportnr, por ejemplo, la cantidad de piezas que se est:ín produciendo por unidad de tiempo, su precisión dimensional, acabado superficial, peso, etc., a frecuencias especificadas de muestreo. Los componentes del sistema de adqllisición de elatos incluyen microprocesadores, transductores y conve1-tidores de analógico a digital. También, los sistemas de adquisición de elatos son capaces ele analizar los elatos y transfo1ir\os a otras computadoras para fines como amílisis estadísticos. presentación de datos y pronóstico de la demanda del producto. Hay algunos factores importantes en el uso y la implementación ele las bases ele datos: a. Deben ser oportunos. exactos, fácilmente accesibles, compartirse con facilidad y amigables al usuario.
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[squ1.:-~;1·;a de un ',isli:-. n.._¡ de manu(]ciura intc~;r,1do por cornpu1ador,1. 1
VC/\ =• vd1ículn guii!do auio111átíc'1nien1é·. fuenre: U. Rernbold et al., Computer-ínte."rannd Engineering. í99:L ter/
co1npulnclorns rnrn¡.;radas a dislinl';' proveedores e11 distintas fechas (véase la sección 39. 12). En consecuencia,''-' ila uolado una fuerl.l: lendencia hacin la normalización, para hacer que los equipo.-. de comunicaciones sean compatih!c:;. Los bendlcio;; que engloba Ja manufactura integrnda por computadoni son los siguiente:; capacidad ele respuesta a ciclos miis corten; ele vida del producto, demandas cambiantes de mercado ySucompetencia global.
b. En caso de que algo miele mal con los datos, deben poder recuperarse y restaurarse los datos correctos. c. Como se usa para muchos fines y por muchas personas, la base de datos debe ser flexible y responder a las necesidades de los diversos usuarios. d. Los diseñadores, ingenieros ele manufactura, planeadores ele proceso, autoridades financieros y la administración de la empresa deben poder enu-ar a sistemas ele manufactura con cómputo integrado con sus claves de acceso adecuadas. Las empresas deben proteger sus datos contra alteraciones o usos no autorizados.
39.4 DISEÑO E INGENIERÍA ASISTIDOS POR COMPUTADORA (CAD y CAE, en inglés)
"' ceso. Su éntasis hacia la calidad y uniformidad del producto, implementadas mediante mejor control del pro"' El mejor uso de materiales, maquinaria y personal. y la reducción de! inventario de trabajo en proce:;u, (WIP, Work in Proccss), todo lo cual mejora Ja productividad y reduce el costo ele! producto. ., Mejor control de la producción, calendarización y administración de la operación total de manufactura, que cla como resultado menor costo del producto.
39.3.1 Base rle datos Un sistema eficiente de manufactura integrada por computadora requiere de una sola base de datos, compartida por toda la organización manufacturera. Las bases de datos consiste¡¡ en la actualización de datos, deta-
El diseño asistido por computadora, implica el uso de computadoras para crear dibujos y modelos de producto (véase la fig. 6 en la Introducción general). El diseño asistido por computadora suele asociarse con gráficas interactivas en computadora, y se conoce como sistema CAD (ele Computer-Aided Design, sistema asistido por computadora). Estos sistemas son medios poderosos que se usan en el diseño mecánico y el modelado geométrico de productos y componentes. La ingeniería asistida por computadora, simplifica Ja creación de la base de datos, al permitir que diversas aplicaciones compartan la información de esa base. Entre esas aplicaciones están, por ejemplo, a) ei análisis de elementos finitos para esfuerzos, deformaciones, dei1exiones y distribución de temperatura en estructuras y miembros de carga mediante rodamientos, h) la generación, almacenamiento y recuperación de datos de control numérico (CN), y c) el diseño de circuitos integrados y otros dispositivos electrónicos (véase el capítulo 34).
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C·1píltilo 39 /Sistemas de nv1nufactura inleg1·:,1dos por comput<1dora
Sección 39.4 / Disei"io e ingen·1ería asistidos por cornputadoru (CAD y CAE)
1073
(lGES, de lnitíai Graphics Exchange Specijicaiion) llena la necesidad de un solo fonnalo neutral, para tener Estación de
trab~jo
mejor Los proveedores sólo deben proporcionar traductores para sus propios sistemas, reprocesar Jos elatos en el formato neutral, y postprocesarlos del formato neutral a su propio sistema. La IGES se usa para traducir en dos direcciones (entrada y salida de un sistema) y también se usa mucho para traducción
Cl\D
Tableta
~
de datos de líneas en 3 dimensiones y de superficie. Un desarrollo más reciente es una norma basada en un modelo de cuerpo, llamada Especificación de intercambio de datos de producto (!'DES, de Product Data Exchange Specification), que se basa en la IGES. Aunque la IGES es adecuada para la mayor pieza de las necesidades, la PDES necesita menor tamaño de memoria y menor tiempo de ejecución, y es menos propensa a errores. En la :ictualidad se usan distintas normas en disüntos pcúses, pero se espera que pronto se conjunten en una norma internacional, que se Llamará Norma para e! intercambio de datos de modelo de producto (STEP, de Standardfor the Excfwnge of
Servidor L ...-1)
Programación [uera de línea
GraficJdor
1
~---13--' -CY~J---~}
Procesamiento en línea Transmisión inlcrna de datos
tHseiñu asisll.ido por ,·nmpuüulm·a
'
~
1V1:.fr1urnas · herramientas
Product Model Data).
39A.2 Elementos de los sistemas CAD
"
El procew de diseño en un sistema CAD consiste en las cuatro etapas que se describen a continuación. Modelado geométrico. En el modelado geométrico se describe en forma matcmácica o analítica un objeto füico, o cualquiera de sus piezas. Primero, el diseñador construye un modelo geométrico emitiendo comandos que crean o modifican lineas, superficies, cuerpos, dimensiones y texto que, juntos, son una represcn-
JVfanufactura asistida po.r computadora
1ación exacta y complela, en dm. o en tres dimensiones, del objeto. Se muestran los resultados de esos comandos; se pueden mover por la pantalla y cualquier sección que se quiera se puede amnenlar para revisar detalles. Eslos datos son digitales y se gum·dan en la base de datos
iFrGUf
de !a mem.oria en Ja computadora. Los modelm; se pueden presentar en tres formas distintas: En el diseílo CAD, se sustituye al rcstirador por dispositivos electrónicos ele entrada y salida. un gr:iri cador y unn uibla de datos (fig. 39.2), que se divide en secciones. Cada sección representa una func¡(m ge'J· métrica definida ma!c1náticarnente (como coordenadas de puntos, línea, plano, círculo o cilindro) que se llama
a. En la de linea (representación o estructura cíe alambres, fig. 39.3), todas las aristas del modelo se muestran como iíneas llenas. Esta imagen puede ser ambigua, en especial cuando las fonrnis son complicadas, por lo que se usan en general distintos colores en las diferentes piezas del objeto, pa-
nmcrrú (.Menu Rtem).
ra que se pueda vi;~rn.dizar mejor. Los tres tipos de en estructura de alambre son de 2, 2 112 y 3 dimensiones. Una inwgen en 2 dimensicmes (2-D) muestra el perfil del objeto. Se puede obtener una imagen en 2 1/2 dimensiones (2 1/2 D) mediante una transformación ele extrusión (translational swecpt), esto es, moviendo el objeto de 2-D a lo largo del eje z. Para objetos redondos, se puede generar un moJelo en 2 l/2-0 tan so-
usu~:rio
puede generar seccione;-, un dibujo a partir del menú rne
d~gi1alizada.
AJ usar un sistema CAD el disefiador puede conceptualizar el objeto a diseñar, con más facilidad, en la
paniaHa de grá11co:), y puede con~iderar diseños aHcrnativos, o modlficar con rapi_dez determinado discfio, rn1ra cun1plir con tos requisitos o cambios necesarios. Después puede someter e] diseño a una variedad de análi·· sis técnicos, e identificar problen1as potencíaJes, como por ejemplo, demasiada carga o ne\ión. La velo<:ide.d
lo con girar un modelo de 2·-D en torno a su eje. b. En el modelo de superficie se muestran todas las superficies visibles en el modelo. e. En el modelo del sólñdo se muestran todas las superficies, pero los datos describen el volumen interior. Los modelos de sólido se pueden construir a partir de "sólidos prin1itivos" (flgs. 39.3b y e) o con las técnicas
y la precisión ele esos análisis superan en gran mccfüb lo que se puede lograr con métodos lradicionales.
El sis1ema CAD produce en forma rápida y exacla los modelos de definición para productos y sus com· ponentes. Uno de los resultados de este sistema es la generación de planos para fabricación (working drawings), que en general tienen más alta calidad y mejor consistencia que los producidos con el dibujo manual tradicional. Los dibujos se pueden reproducir cualquier cantidad cíe veces, y a distintos niveles de reducción y am·
phacién. Además de las propiedades geométricas y dimensionales del diseño, en Ja base de datos del CAD se guarda otra información, como una lista de materiales, especificaciones e instrucciones de manufactura. Al usar esa información, el diseiíador puede 'malizar entonces la economía de diseiíos alternos.
39A,1 Especificaciones de intercambio Como se consigue una gran variedad de sistemas CAD con distintas características, suministrados por diversos proveedores, ha surgido el problema de la comunicación e intercambio correcto de datos entre esos siste· mas (véase también la sección 39.12). En la actualidad, la especificación de intercambio die gráficas iniciales
FIGURA 393 Varios tipos de modelado para CAD. (a)
l
(b)
(e)
(d)
(e)
(l)
-2;- --~-r- --;~- -T-~--~--é- mo:10Je~slruc:~~=:,~!~:::1: modelo~~volumen
\1'é'L~Ji-7i:,ff'~~·ft~'~';" j"J~ v\ ~, ¡_gJ_!G}l~~----==~~~~{==·-
____ l______
Sec-ción 39.S / MJnuf<:iCtura aslsLida por compul
Hl74
11)75
CapíLulo YJ /Sistemas cli::: manuf,.1ctura inlcgrados por computadora
sólidos, huecos o parcialmente llenos. Los voxeles ("pixe!cs de volumen") parcialmente llenos se descomponen en octantes menores y se reclasifican. Al aumentar la resolución se alcanza un detalle excepciona! de la pieza. Puede parecer que este proceso es algo complicado, pero permite una descripción exacta ele las superficies complicadas. Se usa en especia! en aplicaciones biomédicas, como en mode-
(b)
<'§~'
lado de geometrías de los huesos,
Modelo sólido
Modelo sólido
Análisis y optimización de! diseño. Después de haber determinado las propiedades geométricas de determinado diseño, el resultado se somete a un análisis ingenieril. Esta fase puede consistir en analizar, por ejemplo, los esfuerzos, deformaciones, cleflexiones. vibraciones. transferencia de calor, distribución de temperatura o tolerancias dimensionales. Se dispone ele diversos y complicados paqLtetes de calendarización, con
FIGURA 39.4 (a) Representación de contornos de sólidos, mostrando IJs superficies que lo componen del modelo del sólido y el modelo gener;.idn. lb) l.ln modelo de sólido representado en íorn1a dP composición de primitivos. (e) Tres representa.~
la capacidad ele computar con exactitud y rapidez esas cantidades. Por la relativa facilidad con que hoy se pueden hacer esos análisis, los diseñadores cada vez pueden analizar con más detalle un diseño, antes de pasarlo a producción. Sin embargo, se podrán necesitar experimentos y mediciones en campo, para determinar Jos efectos reales de cargas, temperatura y otras variables, en los componentes diseñados, Revisión y evaluación del diseño. Una etapa importante en el diseño es la revisión y evaluación. parn comprobar si existe alguna interferencia entre los diversos componentes. Esta etapa se hace para evitar difirnltades Jurante el ensamble y el uso ele la pieza, y para determinar si las piezas móviles, (como por ejem-
ciones de !a misma pieza mediante CAD. Fuenle: I'. Ranky.
de b fig. 39.4. En i.3 represenladón de cmltonws (H-rep, de boundary represenlution) se combinan las superficies para desarrollar un modelo de cuerpo (fig. 3'l.4a). En la geomeü-fa cmistwudiv:~ dd sófüfo (CSG, de constructive solid geometry) se comblnan fónnas sencilla~~, como esferas, cubos. bloques, c1li11drns y conos (llamados ¡primitivos de sólidos) para obtener un modelo de sólido (fig. 39.4b).
Hay programus disponible:-.; en los que el usuario selecciona cualquier combinación y tnmafio de esos primitivos, y los combina para formar el modelo de sólido que desea. Aunque los modelos de sólido tienen ciertas vemaias (corno la facilidad de análisis de diseño y facilidad de preparación para fabricar ia pieza), requieren rnás memoria de cómputo y tiempo de proccsan1iento qne los modd0s cL: estructura de alambre y de superficie que se ven en la fig. 3~}.3. La re}Presentadólíl. "octrree~ (representación de formas tridimensiona1es :i través de pixeles una pantaíJa de comput;Jdora) ele un objeto macizo se ve ~n la fig. 39.5: es un análogo Lriclirncnúmrni u !os pixeles en la pantalla de un televisor. Así como cualquier área se puede descomponer en cuadrantes, todos ios volúmenes se puedt;n cle.scrnnponer i.;n octantes, que a continuación se identifican corno
clGURA 39.5 Representación de un objeto macizo en octree. Cualquier volumen se puede descomponer en octantes, que a continuación se identifican como macizos, vacíos o parcialmente llenos. Se muestra la versión bidimensional, o quadtree para rep1·esentar formas en un plano. 1
¡ :l
';
plo, las arriculaciones), van a operar corno se pretende. Existen programas que tienen funciones de animación, para identificar los problemas potenciales con elementos móviles y otras situaciones dinámicas. Durante la etapa de revisión y evaluación del diseño, la pieza es dimensionada con precisión y se establecen sus tolerancias, con todos los requerimientos necesarios pa-
ra su manufactura. Documentación y dibujo* (drafting). DespL1és ele terminar con las etapas anteriores, el diseño se reproduce mediante máquinas automatizadas de dibujo, para su documentación y referencia, En esta etapa también se desarrollan e imprimen los planos de detalle y de trabajo. El sistema CAD también es capaz de producir dibujo;, en diferentes vistas de la pieza, manejar escalas en los dibujos y efectuar transformaciones para presenLar (Üversas perspectivas de 1a pieza. Aunque gran parle dd procéSO ele diseño en Jos sistemas CAD se hacía antes en estaciones de trabajo conectadas a una computadora central, ha cambiado con rapidez la tendencia hacia estaciones de trabajo independientes, poderosas, de alto rendimiento y mucho menos costosas, UNIX. de 32 bits. También se consiguen procesadores de 64 bits. con fu11cionamiento todavía mejor.
39.5 MANUFACTURA ASISTIDA POR COMPUTADORA (CAM) La manufilctum asistida por computadora (CAM, de computer-aided manufacturing), implica el uso de computadoras y tecnología de cómputo para ayudar en todas las fases de Ja manufactura de un producto, incluyendo la planeación del proceso y la producción, maquinado, calendarización, administración y control de calidad. El sistema CAM abarca muchas de las tecnologías que describimos en el capítulo 38 y en este mismo. Debido a sus ventajas, se suelen combinar el diseño y la manufactura asistidos por computadora en los sistemas CAD/CAM. Esta combinación permite la transferencia de información dentro de la etapa de diseño a la etapa de planeación para la manufactura de un producto, sin necesidad de volver a capturar en forma manual los datos sobre la geometría de la pieza. La base de datos que se desarrolla durante el CAD es almacenada; posteriormente ésta es procesada por el CAM, para obtener los datos y las instrucciones necesarias para operar y con-
*
Para representación de geometrías en dos dimensiones.
r·~·1
Sección 39.6 / Planeación de proceso asistido µor cornputadorJ (CAPP)
-i!:l76
1077
Cd.pltulo 39 /Sistemas de manufricturJ integrados por computadora
trn!ar la maquinaria de producción, el equipo de manejo de materiales y las pruebas e inspecciones automatizadas para establecer Ja calidad del producto. Una función de CAD/CAM importante en operaciones ele maquinado, es la posibilidad ele desctibir la trayectoria de la herramienta para diversas operaciones, como por ejemplo torne;ido, fresado y taladrado con control mimérico. Las instrucciones o programas se generan en computadora, y pueden modificar el programador para optimizar la trayectoria de las herramientas. EJ ingeniero o el técnico pueden entonces mostrar y comprobar visualmente si la lraye.ctoria tiene posibles colisiones con prensas, soportes u otros objetos_ En cualquier momento es posible modificar la trayectoria ele la herramienta, para tener en cuenta otras formas ele piezas que se vayan a maquinar. También, los sistemas CAD/CAM son capaces de codificar y clasificar las piezas en grnpos que tengan formas semejantes, mediante codificación alfanumérica (véase Tecnología de grupo. sección 39.8)_ El surgimiento del CAD/CA.J\1 ha tenido un gran impacto en la manufactura al normalizm- el desarrollo de los produclos y reducir los esfuerzos en el disefio, pruebas y trabajo con prototipos: ha hecho posible red11cir los costos en fonna importante, y mejorar la productividad. Por ejemplo, el avión bimotor Boeing 777 de pasajeros, fue diseñado en su totalidad en computadora (diseilo sin papel) con 2000 estaciones de trabajo conectadas a ocho computadoras. Ese avión se construye en forma directa con los programas CAD/CAM (Jcsarro!lado (y eJ sistema ampliado CAT!A), y no se construyeron prototipos ni simulaciones, como los que se requirieron en los modelos anteriores. El costo ele este desarrollo fne del orden de 6 mil millones de dólares. Algunas aplicaciones características del CAD/CAM son las siguiente;):
HOJA DE RUTA Nombre de la pieza: Cuerpo de válvula Nombre del cliente: Midwesl Valve Co.
--------
No. de pieza: 302
Cantidad: 1. 5 Operación No.
Descripción de la operación
1----~--
m~dir Jureza
lO
[n:o>peccionar forjado,
20
Maquinado
30
Maquinado de acabado de
40
brida~
Perforar y contraperforar orificios
so
Tornear ranuras internas
60
Tal
70
Rectificar caras externas de bridas
Durómetro Rockwcll
Torno No. 5 Torno No. 5 Torno vertical No. Torno vertical No. 1 Taladro No. 2 Rectificadora No. 2 Rectificadora de interiores No.
80
Rectificar barreno
90
Limpiar
100
Máquina
Descngrasadora de vapor Probador ultrasónico
Jn::;pecciona1
HGURA 39_(, Ejemplo de u1n hoja sencilla de ruta. Estas hojas de opemc1ón pueden tener información Jc\icional acerca de materiales, hen-arnieni
Calenelarización para contrnl mnrnSrico. comrol numérico computarizado y robo1s industriales (capítulo 38). Diseiio de dados y molde~) para fundición en Jos que, por ejcrn.p!o. se preprogrnman tolerancias de conlrncción (pieza ll). Dados para operncioncs de trabajo de metales, por ejemplo, dados complicados para formad.o de láminas, y dados progresivos para estam¡ndo (capítulo .16). Diseño de herramientas y sopor!es, y elecLrodos para el.ecíroerosión (capítulo 26). Control de calidad e inspección (capítulos 35 y 36 ): por ejemplo, rnáquim.is de medición por cuordem: · das programadas en unn estación de tr:ibajo CAD/CAJVL á
Aunque en b piancac1on de proceso asistida por se r<:oquieren programas extensos y buccoordinaciór. con CAD/C;\M (y con otros aspectos ele los sistemas integrados de manufactura, que se dcscribir!tn en el rc:,,to de e:;te capítulo), es un medio poderoso para planear y programar con efíciencía las operaciones de mc¡rnü"actura. Tiene eficacia especial en ele piezas en peqllefío volumen y gran va-
PLrn(:-.ación y calendarización de proceso (~ección 39.6). Di,~;tribuciOn
riedad donclc se requieren
39.6
39.6.
de maqLtinado, forrnaclo y armado.
Elementos de los sistemas CAPP Hay dos tipos de sistemas de planeación de proceso asistidos por computadora: plilneación de procesos vay qpnp1-r111vu. a. En el sistema variante (llamado también sistema derivativo) los archivos ele cómputo contienen un plan patrón de proceso para la pieza que se va a fabricar. Con el número de clave de la pieza se hace la búsqueda de un plan regular; el plan se basa en su forma y sus características de manufactura (véase la fig. 39_8). El plan regular se llama, se presenta pm·a su revisión y se imprime en forma de hoja de ruta. En el plan de proceso se incluye información como tipos de herramientas y máquinas que se van a usar, secuencia ele operaciones de manufactura que serán desano!ladas, velocidades, avances, tiempo requerido para cada secuencia, etc. También se pueden hacer modificaciones pequeiias a un plan de proceso existente (que por lo general son necesarias). Si el plan regular para determinada pieza no está en los archivos de cómputo, se llama un plan parecido, con número ele clave parecido, y una hoja de ruta existente. Si no existe una hoja ele ruta, se hace una, para la nueva pieza, y se guarda en la memoria
riante
Para que una operación de manufactura sea eficiente, se deben planear todas sus diversas activiclacles. Es10 lo han hecho en forma tradicionai los planeadores de proceso_ La planeación de proceso se ocupa de Ja selección de mél.odos de producción: herramientas, soportes, maquinarias, secuencia de operaciones y ensamble. La secuencia ele Jos procesos y las operaciones que serán desarrollados, las máquinas que serán usadas, el tiempo establecido para cada operación y demás información simfüu- se documentan en una hoja de ruta (fig. 39.6). Cuando se hace en forma manual, esta tarea requieren de una labor muy intensa, y un gran consumo de tiempo, se basa mucho en la experiencia del planeador de proceso. Una tendencia actual en las hojas de ruta es guardar los elatos importantes en computadoras y asignar un código de barras u otra identificación, a la pieza. Después se pueden revisar Jos datos ele producción por medio ele una estación ele monitores. La planeación de proceso asistida por computadora logra esta compleja tarea de planeación al considerar toda la operación como un sistema integrado, ele tal modo que las operaciones y pasos individuales que intervienen en Ja fabricación de cada pieza se coordinan con otras y se efectúan en forma eficiente y confiable. Así, La planeación de proceso ayudada por computadora es n~ apéndice importante al CAD y CAM.
ele la computadora.
!:;..~
~
'i
Ül78
C.:i.pítulo 39 / Sistem,1s de m<111(1Íclctura integt·ados por compliladora
!·4 fi
. Sección 3(J.8 /TecnologíJ cif' grupos (TG) ..
En el sistema gimeniiivo se genera en rorma automática un plan ele proceso, con base en los mismos procedimientos lógicos gne seguiría un planeador rsadicional de proceso para fabricm· determinada pieza. Sin embargo. este sistema es complicado porque debe contener conocimientos claros y detallados de la forma y dimensiones de la pieza, las posibilidades de! proceso, la selección de métodos, maquinaria y herramientas de manufactura, y el orden de las operaciones que serán desanolladas. (Estas fon. ciones de las computadoras, IJamadas sistemas expe1·tos, se describen en Ja sección 39. tJ.) El sistema generativo es capaz de crear un nuevo plan, en lugar de tener que usar y modificur uno existente (como lo debe hacer un sistema varianle). Aunque en ía actualidad se usa con menor frecuencia que el sistema variante., tiene ventajas tales corno a) flexibilidad y consistencia en la planeación de prnceso para piezas nuevas, y b) rnayor calidad general de planeación, por la capacidad de la lógica de decisiones en el sistema, para optimizar la pfaneación y utilizar la tecnología actualizada de rnanufactura.
hacer la calendarización final de la producción. de vigilar los resultados reales en ténmnos de eficiencia y producción, y de coroparar esos resultados contra el progran1a maestro de producción. Un logro mús reciente es la phmeación de !"ecm·sos de !a empresa (ERI.'), (Enterprise Resources Planning) que involucra los asuntos de mercadeo y de comercio en el programa y la ba5e de datos. El programa ERP ya se puede conseguir. pero todavía se encuentra evolucionando.
39.7 SIMULACIÓN DE LOS PROCESOS Y SISTEMAS DE MAl'-IU RA POR COMPUTADORA Con el creciente desarrollo de los componentes y programas de cómputo, un ürea gue ha crecido con rapidez. es la simulación por computadora de los procesos y de los si~;tcmas de manufactura. La simulación de! proceso toma dos formas básicas: a) es un modelo de operación específica que pretende detem1inar la viabiiidad de un proceso o de optimizar o mejorar su desempeño. b) Modela varios procesos y sus interacciones, y ayuda a los planeadores de proceso y diseñadores de planta a distribuir maquinaria e instalaciones. Se Ita.~ modelado procesos individuales usando diversos esquemas matemáticos. Cada vez se ha aplicado el análisis de eiementos finitos en paquetes de program
La.> posibilidades de planeación de proceso por pieza de las computadoras se pueden integrar en la planeación y el control de lo.s sistemas ele producción. Esas actividades son un sistema de la manufactura con cómputo integrado, corno se describió en la sección 39.3. Se pueden efectuar varias funciones, como la pí:rn1eaclón de 'rnp21ddnd pm·a que .las con la calcndarizacián de la producción.
!01;
Hl79
programas de producción. el control de invenlarios, co1n¡m.1s,
C/\PP vcnujas de ius sislcrna:; CAPP sobre los métodos tradicionales de planeación de procc0so incluyen la:; ·;i. g!Jientes:
twnna!i:iación de planes de proceso mejora b prodLtelividad de los pianeadores, reduce loe, <:icff1· alrnso y io:; costos de pb.neación, y mejora la consistencia en la calidad y confiabilidad del pro
pos de duci.n.
pie;~:ls
Se pueden preparar planes de proceso para con formas y caraclcrístJcas parecida,,., y se lb1mar con foc-i!idad para producir nuevas piezas.
s,, pueden modificar los planes de pmceso, para ttciaptarse a necesidades específica;;. Las hojas r.lc rtlla se pueden preparnr
9
[
~-
..
')
)' .,_.J
de requerimientos de materiales planeación de recursos de manufactura (MRP-1!)
Los sistemas computarizados para administrar inventarios y fechas de entrega de materias primas y herramientas se llaman planeación de requerimientos de materiales. Esta actividad, que a veces es considerad,1 como un método de control de inventarios, implica mantener registros completos de inventarios de materiales, suministros, piezas en diversas etapas de producción (trabajo en proceso), pedidos, compras y calendatización. En un programa maestro de producción suelen intervenir varios archivos de datos. Esos archivos pertenecen a las materias primas necesarias (lista de materiales), niveles de estructura del producto (artículos individuales que forman un producto, como piezas, subensambles y ensambles), y calendarización. Un desarrollo más es la planeacián de recursos de manufactura que, mediante retroalimentación, controla lodos los aspectos de p!aneación de manufactura. Aunque el es complejo, el MRP-U es capaz de
s~~tema
39.8
DE CRU Hemos visto que muchas ele las piezas producidas tienen ciertas semejanzas en su forma y en su método de manufactura. En forma tradicional, se ha considerado a cada pieza como una identidad separada, y se ha prn·· ducido en lotes individuales. La /ecnología de grupos es un concepto que busca aprovechm· Jas semejanzas en disefño y procesamie11to entre las piezas que serán producidas. Este concepto. desarrollado p1imero en Europa a principios de 1900, se inicia clasificando las piezas y registrándolas (en esa época, en forma manual, en archivos de tarjetas o en catálogos)." Entonces se recuperaban los diseños en forma manual. conforme se necesitaban. Este concepto comenzó a evolucionar más en la década de 1950 y se usó el término tecnología de grupos por primera vez en 1959. Sin embargo el uso de la tecnología de grupos creció eo forma apreciable hasta que se extendió el uso de computadoras interactivas, en la década de 1970. La semejanta en las características de piezas similares (fig. 39.7) parece indicar que se pueden alcanzar beneficios mediante la clasificación y codificación de esas piezas en familias. Con encuestas en plantas manufactureras se ha demostrado en fonna repetida lo común de la semejanza en las piezas. Esas encuestas consisten en separar cada producto eo sus componentes, y después identificar las piezas sinúlares. En una encuesta, por ejemplo, se encontró que 90% de las 3000 piezas que fabricaba nna empresa quedaban clasificadas en sólo cinco familias principales. Por ejemplo, una bomba se puede separar en componentes sub-básicos, como el motor, la carcasa, el eje, los sellos y las bridas. No obstante Ja diversidad de bombas que se fabrican, cada uno de esos componentes
Sección 39.8 /Tecnología rle grupos (TG)
1 íl.81
1083
Capítulo 39 /Sistemas de manufactura integr,KJos pm computadoia
hcrrarnientas, soporte.~ y maqujnaria semejantes en la producción de una familia de pie:z,as. La calenda~ rización para c1 control nurn.érico aumenta su grado de autornafr,::ación.
e. Con b implementación de CAD/CAM, manufactura celular y manufactura integrada por computadora. la tecnología de grupo es capaz de mejorar la productividad y reducir los costos de producción en Jotes pequeños a tal grado. que se aproximan a los de la producción en masa. Dependiendo del nivel rle implementación, los ahorros potenciales en cada una de las diversas fases de diseño y manufactura pw>
las piezas
En la tecnología de grupos, las piezas son identificadas y Jgrnpadas en familias mcdianlc sistemas de dasificadón y codificación (C/C). Este proceso es un primer paso, crítico y compiicado, en Ja tecnología de gn.1pos. Se hace de acuerdo con los atributos ele diseño y de manufactura ele la pieza (véase la fig. 39.7). ~L
Los atributos
de~ diseño pertenecen a semejanzas en características geométricas y cons1sten en
da por computadora, al evitar esos problemas.
39.8.3 Codificación La codificación de las piezas se puede basar en el propio sistema de determinada empresa, o bien en uno de los diversos sistemas de clasificación y codificación asequibles en el comercio. Debido a la amplia variedad en los de producto, y a las necesidades de la organización, no se ha adoptado en forma universal ninguno de los sistemas de clasificación y codificación. Sea que se desarrolle en la empresa o se compre, el sistema debe ser compatible con los demás sistemas ele la empresa (como los de maquinaria con control numérico y los
den ir de 5 a 75%.
.B.2 Clasificación y
lidad. De hecho, según la experiencia del planeador del proceso, las hojas de ruta de manufactura de la misma pieza pueden ser bastante diferentes. Son obvias las ventajas del empleo de planeación de proceso ayuda-
Io:>
siguientes: l--:i'orm{.1S y dit11cns.i0nes externas e lnternas,
Relaciones de a:;peclo (longitud a ancho, o !ongi1ud a diúmcrro ).
,e. Tolerancias dfrnensionales. A.cabados superficiale:;. e,, Funciones de las pjezas.
sistemas CAPP). La estructura de código para familias de piezas consiste en forma característica, de números o letras, o una. combinación de los dos. A cada componente específico de un producto se le asigna una clave o código. Este código puede implicar sólo a los atributos de diseño (en general, menos de 12 dígitos) o sólo a los atributos de manufactura; sin embargo, los sistemas más avanzados incluyen a ambos, y usan basta 30 dígitos. A continuación se describen tres niveles de codificación básicos, que varían en complejidad:
L Codificación jerárquica. En este código (llamado también monocódigo ), la interpretación de cada dígito consecutivo depende del valor clel dígito anterior. Cacla símbolo amplifica la información contenida en el dígito anterior; asf, un dígito en el código no se puede interpretar por sí solo. La ventaja de este sistema es que una clave corta puede contener tma gran cantidad de información. Sin embargo, este método es difícil de aplicar en un sistema computarizado.
2. Policódigos. Cacla dígito en este código (llamado también tipo cadena) tiene su propia interpretación, Los atributos !le mam.ifa1dura impLican las semcjanz:1:s en los métodos y la secuencia de !us cpc· raciones de manufactura que se ejecutan en J.¡1 p!e:z.a. Corno hemos visto, ia sekcciún de uno o varios pron·manufaclura de¡x~ndc de muchos factores, entre !os cuales están la fonn;;t, dirnensioncs y otras upll'l.:<.te1c:; gc.omt~tric<)s de la pleza. En consecuencia, se inJ.errelacionan los {_ttrihutos de. manufr1ctUFi y dis Ji10. LA)S atributos de rnanufactura de una pieza con~!stcn en lo siguienk~:
que no depende del dígito precedente. Esta esu·uctura tiende a ser relativamente larga, pero pe1mite identificar los atributos de determinada pieza y se presta bien a su implementación en computadora.
J, Codificación en árbol d.e decisiones. Este sistema (llamado también códigos híbridos) es el más avanzado, y combina los atributos de diseño y ele manufactura (fig. 39.9).
1
HGURA 39.9 Árbol de decisioneó para ia clasificación de un soporte metálico. Fuente: G.
procesos primarios empleados.
proce:ms secundarios y de acabado usados. :olerancias dirnensionales y el acabado supcrfic¡aL
W. Millar.
d. La secuencia de operaciones que se efectúa.
e. Las herramientas, dados, soportes y n1aquinaria que se usan.
1:
Ln cantidad y la rapidez ele producción.
A partir de estas J istas se puede ver que la codificación puecle ser tardada, y que req1üere bastante ex·· periencia en el diseño y la manufactura de los productos. En su forma más simple, se puede hacer la codili· cación considerando las formas de las piezas en forma genérica, para después clasificarlas en consecuencia (por ejemplo. las piezas que tienen simetría axial, las que tienen forma rectilínea y las que tienen grandes relaciones de superficie a grosor). Las piezas que se revisan y clasifican deben ser representativas de las líneas ele producto de la empresa. Un método más detallado es repasar todos los datos y los dibujos de disel'io y de manufactura de todas las piezas. También se pueden clasificar las piezas estudiando su flujo de producción durante el ciclo de manufactura; a este método se le llama análisis de flujo de producción (PFA. Pmduclion Flow Analysis). Recuérdese que en la sección 39.6, dijimos que las hojas de ruta muestran con claridad los planes del proceso y las operaciones que se van a ejecutar. Sin embargo, una desventaja del análisis del flujo ele producción es que de .. terminada hoja de ruta no necesariamente indica que esté optimizada la operación manufacturera en su tola-
Ranura
1085
Sección 39.8 / Tr::cno!ogta de grupos (TG) ~084
C.:ip!lulo 39 / Sis·1em.:1s de manufactura integrados por compu1ado1·;;
Dimensiones
Código de forma
1cr. dígito
2do. dígito
Clase de rieza
~
J_ <
D ::- O J
------
ll'< {5
forma principal
a~o1 mn cxti:.:tn
1
-~' / -foun,icx\en;_J --,
------ I
f:; ~
1-..::.=--_
1
------ -
/
con dcsvnac16n.
/
~--;---1/
!
lcmenlos de
G--- :J
/
/
Fo1nlcl [Hmc1p~1l --
4to. dígito
Maquinado supl':rficial pl:1n11
formado
Foi ma
mtc1[Ja
de
Dígitc¡
Forma ..¡.
básica
--·-
fonnamtern.1
\
PosUdón
1
r
'
'
¡--------·¡
extremo y una ranura
g
f~GURA 39.~n
G
for Industrial
F~GURA 39. H~ Sisíem
de 4
¡ 1
1
. Eje \ Sin ekmei.ltOS secundan os (orificios, ranuras, caws
\Longitud: 12.5
~I
ca7~~tcción pre . ''da
. 14
15
16
1
1
17
18 1
' j º 1 º 1 '
Códigoi1J2]7\11\llj•l1l'lul2-;I
ro>;-} - - - [Maqu;nado cionaL elementos de forma micrna y externd ----
Una
Espc1;laJ
1
a 13.00 rulg
1
1
1
ll-r
Diámetro interno: ningu.110·1
Ace~o
de
1
1
26--57
\ a1ta reststencrn
planas. caras
curvas. ele.)
Tolerancia de
concentricidad geométrica:
lnlervalo de diámetro ex.Lerno: 0.251 a 0.371 ptilg
Definido por el
.dad de
íler~:.~1:'~;"¡E]p:.r1J
matenal
T lcrancias
º
Pieza n.:clonda, todos 1 Sin Jos diúmetro.s visibles d.iámetro desde un t::xtremo mlerno
rs::
"°'
Función
mnoufaclurn
(\'¡
\
Propi.cdudes quim1cas del
·l
generales
demento!> de
------
'~
/
Sto. dígllo Orificios auxiliares, dientes de cngnmnjc, 2 J
l 1
3cr. dígito
Maquinado surfi.cial rotacio1wl
n
1
usuario
19 1 ' 1 ; 1
1
1
Diámetro de rosca 5/16 pulg
Sin orientación de elemento secundario
<0.01
típico tv\uhiClass para una pieza maquinada. fuente: Organization
Forma
dasificación y codificación segl1n Opitz . form;:.ido por .5 dígitos y un código
Este código tiene rma longitud mucho mayor que Jos dos anteriores, pero clasifica dimensiones y relaciones dimensionales como longil.ud a diámetro de la pieza_ En la fig. 39_12 se ve la estructura de
supiemen12:110
dfgí10~'.
un sistema KK-3 para componenles rotatorios.
39.B.4 S1stc)rna de com:inuación dc;.;cribiremos lres de los prlr1cip;Jks sistemas de codificac]ón:
El si.st~m2 Opitz foc desarrollado por H. Opitz ( ! 905-1. 977) en Alemani« en Ja década de l 960, eJ primer s]stema de codificación detallado en pre~~entarse. E1 código bá~>]co consiste en nueve dfgilos (12345 6739) que representan ios datos ele disdfo y de manufactura (fig. 39.10). Para identificar el Lipo y Ja secuencia ele operaciones de producción se pueden usar cualru "'"ligos adicionales (ABCD). Este sistema tiene dos inconvenientes: a) que es posible tener código:; tlisrinlos para piezas que tienen atributos semejantes de manufactura, y b) varias piezas con l'ormas difcrcnles pueden tener el mismo código. b. El sistema MultiClass foe desarrollado originalmente con el nombre MILCLASS (de Metal !nstitutc Clasi¡!cation System) por la Orgmüzación Holandesa ele Investigación Científica, y fue vendido en Estados Unidos por la Organización para la Investigación Industrial (fig. 39.11 ), Este sistema fue clesurrollado para ayudar a automatizar y nonnalizm· diversas funciones de diseño, producción y administrnciónMultiC!ass implica hasta 30 dígitos; se usa en forma interactiva con una computadora que hace varias preguntas al usuario. De acuerdo con las respuestas. la computadora asigna un número de código a la pieza. Los programas están disponibles en módulos que se pueden interrelacionar. Cuestan de 50,000 a 500,000 dólares cada uno, dependiendo de sus posibilidades. c. El sistema KK-3 es de propósito general, para clasificación y codificación de piezas que se van amaquinar o a rectificar. Fue desarrollado por Ja Sociedad Japonesa para la Promoción de la Industria de Máquinas a finales de 1970, y usa un sistema decimal ele 21 dígitos.
1
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l. Longitud
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~~_!!~~e externa y !on~~~c'!1~ E~D2'~
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Pr~~-~ºE.-;~dd~ [-~1~~e~--~--~--=~~~Piezas con fornM extraordmana ------- - - - - - - - - ---
12 u F.:cºrrn=a:::clo:o_ __ 13- §.. Superficie c11índnca - - - - - - - - - ---14 ~ - ------ Forma mteroa nnmana ------- -------
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Orificios .. ________ Cl Proceso sin c.?~-----·--------Exactitud
FIGURA 39.12 Estructura de un sistema 1.
Kl<-3 para componentes rotatorios. Fuente: Japan Society for the Promotion of Machine lndustry.
~-
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¡'i:!i' l()(ll)
CapftuJo 39 /Sistemas de manufacturc1 integr;:idos por computadora Sección 39.9 / Manufzicl.urJ celular
1087
UF!\CTURA CELULAR Se puede implementar bien el concepto de tecnología de grupo en la manufac!ura celuiar, qLie consiste en una o más celdas de manufactura. Una celda dre manufactura es una unidad pequeña, con una o varias estaciones de trabajo, dentro de un sistema de manufactura. Una estación de trabajo suele contener una máquina (celda de 1ma máquina) o varias máquinas (celda de gmpo de máquinas), y cada máquina efectúa una operación diferente en la pieza.
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Las máquinas se pueden modificar, cambiar su .henamienta y reagrupar para distintas líneas de producto dentro de la misma familia de piezas. Las celdas de manufactura son particularmente efectivas en la producción de familias de piezas que tienen una demanda relativamente constante. Se ha utilizado Ja manufactura celular principalmente en operaciones de maquinado y de formado ele lámina metálica. Las máquinas herramientas gue se usan con frecuencia en las celdas ele manufactura son tornos, fresadoras, taladros, rectificadoras, electroerosionadoras, punzonadoras. dobladoras y centros de maquinado. Este equipo también puede estar formado por máquinas de propósito especial o de máquinas con control numérico computarizado.
FIGURA 39.13 Esquema de una celda de manufactura flexible, con dos máquinas herramientas, un sistema automatizado de inspección de piezas y un robot central que atiende a esas máquinas. Fuente: P. K. Wright.
La manufactura celular tiene cierto grado de control automático para las siguientes operaciones: "' Carga y descarga de ma!erias primas y piezas en las estaciones de trab,.jo. "' Cambio de herramientas en las estaciones de trabajo. Transferencia de piezas y herrnmienlas enfre las estaciones de trabajo. Caiendarización y control de fa operación 1.lHai en Ja celda.
Un sistema de manejo de materiales ocupa el centro de estas actividades . paca transferir materiales y piezas entre ias estaciones de lrabajo. En celdas de maquinado atendidas, el operador puede mover y transferir· los materiales en forma manual, a menos que las piezas sean demasiado pesadas, o los movimientos sean demasiado peligrosos; también puede hacer esta transferencia un robot induslrial localizado en una picZ
El resultado es una mayor productividad, beneficio importante de este tipo de celdas. Otra ventaja ele irnporlmicia es el menor tiempo y mano de obra para preparación, porgue las piezas hechas en la celda tie· nen cierto grtJdo de 0i milaridad.
9.1
de celdas de manufactura
Debido a las particularidades exclusivas de las celdas de manufactura, su diseño e implementación en las plan las tradicionales requieren la reorganización de la planta y el rearreglo de las líneas de füijo de producto existentes. Las máquinas pueden ser arregladas en una línea, en una U o en una L, o bien en un circuito. Para una celda de grupo de máquinas (donde Jos materiales los maneja ei operador), el arreglo en U es adewaclo y eficiente, porque el operador puede alcanzar diversas máquinas con facilidad. Con un manejo mecanizado de materiales, el arreglo lineal y en circuito son más eficientes. Para seieccionar el mejor arreglo de máquinas y equipo de manejo de materiales también se toman en cuenta factores como la velocidad de producción, el tipo de producto y su forma, tamaño y peso.
39.9.2 Celdas de manufactura flexible (FMC) En la introducción de este capítulo y del capítulo 38, se hizo hincapié en que, en vista de los rápidos cambios en la demanda del mercado y de la necesidad ele más variedad de productos en menores cantidades, es mu:; conveniente la flexibilidad de operaciones de manufactura. Las celdas de manufactura pueden volverse flexibles al incorporar máquinas y centros de maquinado coD control numérico computarizado, y mediante robots industriales u otros sistemas mecanizados de manejo de materiales. En la fig. 39.13 se ve un ejemplo una celda de manufactura flexible para operaciones de maquinado. En general, las celdas de manufactura flexible no están atendidas por humanos, por lo que su diseño y operación deben ser más precisos que los de otras celdas. Son importantes la selección de máquinas y robots, incluyendo los tipos y capacidades de efectores finales y de sus sistemas de control, para tener un ftrnciona·miento cormcto de la celda ele manufactura flexible. Se debe considerar la probabilidad de un cambio apreciable en la demanda de familias de piezas, durante d diseño, para asegurarse de que el equipo implicado lenga la flexibilidad y ia capacidad correctas. Como con otros sistemas de manufactura (que se describirán en la sección 39. 10), el costo ele las celdas flexibles es alto. La manufactura celular suele requerir más máquinas herramientas y por consiguienk aumenta ei costo ele manufacturo. Sin embargo, esta desventaja queda más que compensada al incrementar L' velocidad, flexibilidad y facilidad ele control de la manufactura. El mantenimiento adecuado de las hemunien·· tas y de la maquinaria es esencial, al igual que la implementación de funcionamiento de las celdas en dos o en tres turnos.
Ejemplo: Celdas de manufactura en un taller pequeño A continuación describiremos un ejemplo real de la aplicación del concepto de ce.Ida demanufacturn en un taller pequeño. L¡¡"empresaA tiene solo 10 empleados y sólo·r 1fresadoras y centros de maquinado. Estas máq\ü?as se. agrupan en .celdas (ce.ldas defresado y celdas .detomeado), Las máquinas en las celdas son arr~glhs.<:1~.P;(l,<\uct(l, ~n cqetidades.9ue van desde un¡¡" .ha~t¡¡ 35,,QOO. pie.~as.delmiSi:no;di~eñ(l, ~~ pi~¡¡"~s9nie~Iie(icf9nada~.¡¡".¡ne
el
Sección 29.1 O/ Si~temas flexibles de manufactura (SFM)
Hl88
1089
Capílulo :>9 / Sis1cm<1s ele nvinufactur,1 1r11c·grL1cJos por cornpul;:idora
39.10
FLEXIBLES DE MANUFACTU Un sislt'maflcdble de mm1l?/acruro. o sistenw de 1nanufacturaflexi/Jle (FJv'.IS, en inglés), integra todos los dcmenios principales de la manufac!ura en forma de un sistema inuy automatizado. Estos sistemas comen~ zaron a usarse a fines de Ja década de l 960, y consisten en vru·ias celdas ele manufactura, cada una con un roh~.>t induslria1 que da servicio a varias rnúquinas de control numérico computarizado, y en un sistema automatizado de manejo de matcríales, lodos ellos interrelacionados medümte una computadora central. Se pueden emitir distintas instrucciones desde la computadora, para el proceso de manufactura, sobre cada pieza consecutiva que pas,1 por la estación de trabajo. Este sistema es altamente automatizado y es capaz de optimizar cmfa paso de la operación total de ma . nuüictura. Estos pasos pueden implicar uno o mús procesos y operaciones (como maquinado, rectillcado, corte, formado, metalurgia de polvos, tratamiento térmico y acabado) así corno el manejo, inspección y ensamble ele las materias prinias. Hasta abora, las aplicaciones m:-ls con11mes de Jos sistem,as n1~xibles de manuf:.1ctura han sido en operaciones de maquinado y ensarnb.!e. Hay un área de tecno.logía ele SFM disponible para rnanufr1ctureros con máquinas herramientas. Los sistemas flexibles de manufactura representan el m~íximo nivel de eficiencia, complicación y productividad que se ha alcanzado en las plantas manufactureras (fig. 19.14). La lkxibiiidad de estos sistern;is es Wl que pueden manejar diversll:•: c01~figuraciones de piezas y producidas en cuolquier orden. Se puede cons]dernr que un sjstenrn flexible de manufactura es aquel que combina ías ventajas de o1ro,~ dos sistemas: a) las lineas de transferenc.ia que son de gran productividad pero inflexibles {sección 38.2.3 h) ln produccióu d~ lrabajo de taller (job shop), que puede manejar una gran diversidad de productos en mú .. quinas independientes, pero que es ineficiente. Las características relo.ilv~s de las Hneas de transferencí1J y de ::;is1emas f1exih!es de m~1m1ftictura se ven en la tabla 39. L Nótese que en los sistt~nias fkx]bks de irwnu · faclura liempo necesario para camhiar a una pieza diferente es rnny pequeño. Uno de los atributos princif)<:1lcs dL' íos SFfd es !a respuesta rápida <2 variaciones de producto y de demandas de mercado.
39.1
-¡
de si:;tema.s
de manufactura
eíeJnentos básicos de un sislC111'-l ílexiblc de manufactura son a) ~stacioncs ele trabajo, b) manejo porLc automatizados di.: materiales y piezas, y si:-:tc1nas de cuntroJ. Las estaciones de trabajo se arregl:rn forma d~ alc.mzar l.a 111üxin1a cficiencla en la producción, con un flujo ordenado d.e materiales, piezas y pn) ..
g<:n2r~:d
ir!CURA 39.14 Vist
cluci:ns por el sistema. Lo~
tipos de máqtünas en las cstdciones de trabajo dependen del tlpo
ncs de maquinado (pieza IV), suden consistir en varios centros de maquinado en tres a cinco ejes, torrnis, fn> sadoras, taladros y rectificadoras con control numérico computaiizado. También se incluyen olros equipos, c:omo d2 inspección automatizada (i.ncluyendo nuíqninas de medición por coordenadas), ensamble y limpieza. Entre otras operaciones adecuadas para un sistema flexible ele manufactura se incluyen el formado de l{J.rnina metálica, punzonado y corte, y el fo1jado: incorporan hornos, máquinas forjadoras, prensas ele recorinstaiaciunes de tratamiento térmico y equipo de limpieza. Para tener 11exibilidad en los sistemas flexibles de manufactura, son importantes Jos sistemas ele manejo de materiales, almacenamiento y recuperación. El manejo de materiales se controla con una compuiador:i central, y se hace mediante vehículos de guiado automático, transportadores y diversos mecanismos de transferencia. El sistema es c
quina a otra. También guarda elatos y proporciona terminales de comunicación que muestran los dalos en forma visual.
39.10.2 Calendarización Como un sistema flexible de manufactura implica una gran inversión de capital, es esencial la utilización eficiente ele las máquinas: no deben estar ociosas. En consecuencia, son fundamentales una calendarización y una planeación de proceso adecuadas. La ca!enclarización para el sistema flexible ele manufactura es dinámica, a diferencia de la que se usa en los talleres, donde uno se apega a un programa relativamente rígido para efectuar un conjunto de operaciones. El sistema de calendarización para la manufactura flexible especifica los tipüS de operaciones que se deben ejecutar sobre cada pieza e identifica las máquinas o las celdas de manufactura que se deben usar. La calendarízación dinámica puede responder a cambios repentinos de tipo de producto, pür lo que puede responder a decisiones en tiempo reaL
109()
Capflulo 39 /Sistemas de manufactura integrados por cornputadora Sección 39.1"1 /Producción justo a tien1po ()IT)
TAllH.A 39.1
Comparación de las características de las líneas ele _____tr_a_n_sf_erencia y de los sistemas flexibles de manufactura
Característica Tipo_.;; de piezas fabricadas Tamaño de lote
Linea de transferencia En general pocos
>IOO Tiempo de cambio de pieza
a 8 hora<;
Cambio de herramienta Control adaptativo
J11ventario
Manual Difícil Alto
Producción durante descomposturas Eficiencia
Ninguno
60-70% .lustificaclón para inversión de capital
Sencilla
., Los tiempos de inicio necesaiios para cambios de producto son más cortos. "' La producción es más confiable, porque el sistema se autocorrige, por lo que la caliclacl del producto es uniforme. <> Se reducen los inventarios de trabajo en proceso.
SFM Infinito
1-50
Ejemplo: Sistemas f!~xibles de manufactura en empresas grandes y pequeñas
1 min Automático
A causa de las ventajas de la tecrú)logfai:le los s¡stemas fiexibles ele rnan~factura, muchas empresas han estado coruiidetando, desde hace mu¡;ho, impleme;:itar u:i sistema en gran: escala en sns iiistaladones. Sin embargo, después de una revisión detallada y eón báse en la experián~ilt ele otras enipresa~ Ía mayoría de los fabricantes ha optado por un sistema menor, modular y más simple, menos co~tos~ y que; teng~ í:nás reitclimientó económico.Entre estos sistema~ están.las celdas t1exible.~ deihanufi~ct11ra (cuy(_) cqsto podría ser del orden de algún os cientos de.miles de dólares) y taml:iién 1os centros independientes de rnaquíhaélo, así como diyersas máquinas herramienta con control numérico computarizado que son más fác.íÍes de controlar que ún sistema flexible de manufactur
Disponible
Bajo
Parcial 85% Difícil
Por la flexibilidad en un sistema flexible de manufactura, no se de;,perdic:ia tiempo de preparación al cambiar entre operaciones de manufactura; el sistema es capaz de efectuar operaciones varias en distintos órdenes y en máquinas diferentes. Sin embargo se deben comprobar las características, eficiencia y confiabilidad de cada unidad del sistema, para asegurar que las piezas que pasan de una estación de trabajo a otra sean de calidad y precisión dimensional aceptables.
39. 10.3 Justificación económica de los sistemas flexibles de manufactura Las instalaciones con sistemas flexibles de manufactura son de precio muy elevado en forma característica suelen comenzar bastante por encima de 1 millón de dólares. En consecuencia se debe efectuar un análisis detaJla.. do de costos y beneficios antes de tomar una decisión final. Este ani.ilisis debe inc!LJir factores tales como e! costo de! capital, de energía, materiales y mano de obra, los mercados esperados de los productos que se van a fabcícar y todas las fluctuaciones previstas en la demanda del mercado y el tipo ele producto. Un factor adicional es el tiempo y actividades reqL1eridos para instalar y revisar el sistema. En forma característica, un sis terna flexible de manufactura puede tomar de dos a cinco años en ía i llS·· talación, y un mínimo de seis meses p2J"
39 . 1'! PRODUCC!ó¡-,.¡ JUSTO A TIEMPO (JIT) ¡
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Las piezas pueden ser producidas en forma aleatoria, en tamaños de lote desde una pieza y a menor costo unitario.
<> Se reduce la mano de obra directa y los inventarios, y se obtienen graneles ahorros respecto a los siste-
mas convencionales.
1091
El concepto de producciónju.sio a tiempo fue implementado en Japón para eliminar ei desperdicio de materiales, máquinas, capital, mano de obra e inventario en todo el sistema de manufactura. El concepto de JTT (del inglésjust-in-time) tiene los sigtricntes objetivos: 0 Recib.ir los suministros justo a tiempo que serán empleados. "' Producir piezas justo a tiempo para armarlas en subensambles. '" Producir snbensambles justo a tiempo pai·a armarlos y obtener los productos terminados. "' Producir y entregar los productos terminados justo a tiempo para venderlos.
En la manufactura tradicional, las piezas se fabrican en lotes, se llevan a un almacén y se usan cuando sea necesario. Este sistema se conoce como sistema de empuje, para indicar que se fabrican las piezas según un calendario y se encuentran en inventario para ser usadas si, y cuando se necesiten. En contraste, el sistema justo a tiempo es un sistema de tracción, cuando las piezas se producen a la orden, y la producción se hace coincidir con la demanda de los ensambles o productos terminados. No hay material acumulado, y la cantidad ideal de producción es uno (cero inventarios, producción sin existencias, calendarización con la demanda). Además, las piezas son inspeccionadas por el trabajador a medida que se manufacturan, y se usan después de un tiempo corto. De este modo, el trabajador contiene el control continuo sobre la producción e identifica de inmediato las piezas defectuosas; además reduce la variación del proceso necesaria para producir piezas de alta calidad.
~--
Sección 39·."l 2 /Redes rle comunicaciones en manufactura
rnn
1093
Cipíluio 39 / Sistcrnas de m,1nufoctura integrados por cornput.1dma
El trabajador queda satisfecho por la buena calidad del producto. También, se eliminan los movimientos adicionales para acrnmtlar las piezas, primero, y después sacarlas del almacenamiento. Para implementar el concepto de JlT se requiere revisar y monitorear todos los aspectos ele: las operacione.s manufactureras, para que Lo
1.1
ill
y reprocesamiento de piezas.
!v'fenor
" Producción de piezas ele gran calidad y bajo costo. Aunque puede haber variaciones importantes, la implementación ele la producción justo a tiempo ha re,sultaclo en reducciones: de 20 a 40% en el costo del producto, de 60 a 80% en los inventarios y hasta en 90% en los rechazos; ele 90% en los tiempos ele inicio y ele 50% en gastos de desecho, reprocesamiento y garantías. de mano de obra directa y de 60% en produc.Lividacl de Tambi0n, de aumentos Je 30 a 50% en mano de obra indirecta.
A11,iw;in:on1esde!
una <.k sus
¡nenia industria automotriz estadounidense
lm. asientos para automóviles son fabricados en ·1a planta de un
tan sólo dos hor:1s antes de que se neccs me" ccrc-... no posibie de las !íneas de ensamble. Sin embargo. esto represt:nta una :1ctívidad costosa e: ¡n!c:nsa en capi1"1 roor parte de 1os proveedores. Una alternativa es tener un sistema confiable y yue CUi"'· :il: cDn íos, üe.mpos. de r~.ntrcgc1 que funcione via camión y fcrrncarri1. para sus producl:os 1
.·12 rara mantener un all:o grado de coordinación y eficiencia ele
en \a mamtfacturn iniegracla, se 1·cquiere de una extensa ired de ele alta velocidad e interactiva. Un gran avance crt la lecnología de comunicaciones e:; la red de área local (LAN, de Local Area Network). En este sistema componentes y programas, se comunican entre sí grnpos lógicamente relacionados ele máquinas y equipo, corno por ejemplo, las de una celda ele manufactura. Una red ele área local enlaza estos grupos entre sí, y
com1.mi.c>~cio11c5,
Aunqne ei concepto búsico del JlTse i.xiginó hace varios dece1üos en Eslados Unidos. fue de:mostrado por primera ve;.:; en gra_n escala en la Tbyota Motor Com.pany. bajo el nombre de ka.nban, que quiere decir regístro visible. Eslos regi,tros suelen consistir en dos tipos ele laijetas (kanbans): a) la tarje~a de proo:i!Jttdóv1, que autoriza ]n producción de un rccip.i.ente o can-ito de piezas idénticas y especificadas t:n una estación de )rabajo, y b) la tarjeta die transmisióu, o de movimiento, que autoriza la transferencia de 11 n recipiente o carrito de piezas de determinada estación ele trabajo a la estación donde se usarán las piezas. Las tarjetas contienen información sobre el tipo de Ja pieza, lugar de emisión, número ele pieza y e anti.ciad de artículos en el recipiente. Hoy, esas taijelas se han sustituido por etiquetas ele plástico, con códi·· go de barras, así como por otros dispositivos. Constantemente está controlada la cantidad ele recipientes en circulación, y se puede programar según se necesite para obtener máxima eficiencia de producción.
39.11.2 Ventajas del sistema JIT Las ventajas del sistema JIT son las sigLlientes: <> Bajos costos ele inventario. <> Detección rápida de clefoctos en la producción o en la entrega de suministros y, en consecuencia, bajas
pérdidas por desperdicios.
fr~
lleva las distintas fases ele la manufactura hacia una operación Lmificacla. Una red ele área local pL1ecle ser muy grande y complicada, enlazando cientos o hasta miles ele múquiaas y dispositivos en varios edificios. Se usan diversas disttibuciones de rcü (flg. 39.l 5) ele cables de fibra óptica o de cobre a distancias desde algunos metros hasta 32 km (20 millas). Para mayores clisllmcias se usan las redes de cobertura amplia (WAN. ele Wide Area Network). Se pueden enlazar (o integrar) tipos distintos de redes mediante "compuertas" y "puentes". El control de acceso a la red es importante, porque de otro modo puede haber colisiones Cllanclo varias estaciones ele trabajo transmiten en forma simultánea. Es esencial el examen o barrido continuo del mediu transmisor. En la década ele 1970 se desarrolló e implementó como Ethernet un sistema de sensor de múltiple acceso con detección de colisiones (CSMA/CD). Hoy lo usa la mayoría ele las estaciones ele trabajo y mínicomputacloras. Ethernet se t¡a vuelto la norma en la indnstria. Otros métodos de control de acceso son las topologías anillo (token ring) y "bus" (token bus), donde un "token" (término empleado en la connotación, en inglés) o mensaje especial, pasa ele uno a otro dispositivos. Sólo se permite transmitir al dispositivo que tiene el mensaje especial, mientras que todos los demás sólo lo reciben.
-------------
---
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1 l
Sección 39.13 /Inteligencia artificial (if\)
1!094
1095
Célpítuio 39 /Sistemas ele manufactura integrados por computadora
(a) Eslrel18
[.
TT G,,,
CenLro de manufactura
Red de datos
Sistema de control rnaeslro
(el Bus
(b) Anillo
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1
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ó
l
[ ] Estación de usmu"io
flGURA 39.15 Tres tipos básicos de topología para una red de área local (LAN)
(a) La topología de estrella es adecuada para casos que no están sujetos a cambios frecuentes de configuración. Todos los mensajes pasan por una estación central. Los sistemas telefónicos en los edificios de oficinas suelen tener esta topología. (b) En la topología de anillo, todas las estaciones de usuario individual están conectadas formando un anillo continuo. El mensaje se pasa de una estación a !a siguiente h;,;1sta !legar a su destino asignado_ Aunque er cableado es relativamente sencillo, la falla ele una estación apaga toda la red. (c) En la lopología de bus o de barra, todas las estaciones tienen acceso independiente al bus. Este sistema es confiable y más fácil de mantener que los otros dos. Corno su arreglo se parece a la distribución de máquinas en la fábrica, su instalación
11., 1
l
-¡~~
l~~~i~fu~ \~·~ift\ Capa de aplicación
1
Capa de presentación ¡_,,__ _ __ Capa de sesión
...
Capa de transporte Capa de red
i-+
~\Capa di: conexión de dato~ Capa física
rc;;;;~ed
j
Capa de conexión de d~
4--_____,.... Capa física
1 Sistema final
_
_J-4
Sistema intermedio
"i Sistema final
Usuario B
Usuario A
FnGllRA 39.16 /vloclelo de referencia 150/0SI para con1unicación abierta. Fuente: U. Rembold et al., Computer fnlegrated Manufacturing and Engineering. /\ddison-Wesley, 1993.
es relattv.Jrnente se11cil!a y se puede 1ea.rreglar cuando se reacomoden las
máquinas.
12..1 i'formas
comunicación
forma caracterfstic~i., se forma una celda (k: manufactura con máquinas y eqqipo comprados a un prove\> doL otra ccicla con ;.;us máquinas compradas a otro proveedor, una tercera se cornpra a un proveedor distinto más. El resultado es que interviene una diversidad de dispositivos programables, dirigidos por varias computadoras y microprocesadores comprados en distintas ocasiones y a distintos proveedores, que tienen vm·i'" capacidades y niveles de complicación. Las computadoras de cada celda llenen sus propias especificaciones y normas patentadas y no se pueden cornunicm· con otras en el exterior de la celda, a menos que tengan interfases a la medida. Esta situación creó "islas de automatización", y en algunos casos hasta 50% del costo de la automatización se dedicaba a superar las dificultades en las comunicaciones entre las celdas individuales de manufactura y otras piezas de la
organización_ La existencia de celdas automatizadas que sólo pueden funcionar en forma independiente entre sí, y sin una base común de transferencia de información, condujo a la necesidad de una norma de comunicaciones para mejorar las comunicaciones y la eficiencia de la manufactura integrada por computadora. El primer paso hacia la normalización se dio en 1980. Después de bastantes esfuerzos y con base en las normas existentes, nacionales e internacionales, se desarrolló un conjunto de normas de comunicación llamado protocolo de automatización de la manufactura (MAP, Manufacturing Automation Protocol). Las posibilidades y la eficacia del MAP se demostraron en 1984, con la buena interconexión de dispositivos de distintos proveedores. El resultado fne que se reconoció la importancia de una norma mundial de comunicaciones, y los proveedores diseñan hoy sus productos apegándose a esas normas. A nivel mundial se aceptó el modelo de referencia Interconexión de Sistema Abierto (OSI, Open System lnterconnect) de la Organización Internacional de Normalización (ISO). El modelo ISO/OSI tiene una estructura jerárquica, en !a que la comunicación entre dos usuarios está dividida en siete capas (fig. 39 .16). Cada
capa tiene un cometido especial: a) medios mecánicos y electrónicos de transmisión de datos, b) detección y corrección de errores, c) transmisión correcta del mensaje, el) control del diálogo entre usuarios, e) traducción clei mensaje a una sintax!s común, f) verificación de que los datos transferidos se han comprendido. El füncionamicnlo de este sistema es complejo. En forma básica, cada parte ele mensajes o datos de tamai'ío normalizado, cid usuario/\ qtie se va a transmitir al usumio B, pasa en forma secuencial a través de tas capas sucesivas en el lado de A, de la capa 7 a la l. Al paso ele cada capa se agrega más información al mensaje original. El paquete complelo se transmite a través del medio físico de comunicaciones hasta el usuario B; a continuación pasa por las capas de la 1 a la 7 en el extremo de B. La transmisión se hace por cable CO;,\xial, de fibras ópticas, con microondas y con dispositivos similares. Se han ampliado también los protocolos de comunicación a la automatización de oficinas, con el desarrollo del protocolo técnico y de oficinas (TOP, de Technical and Office Protocol), basado en el modelo de referencia ISO/OSI. De este modo, se establece una comunicación total (MAP/TOP) entre la fábrica y las oficinas, en todos los niveles de una organización. Una gran tendencia es hacia e! uso de las herramientas de lntemet (componentes, programas y protocolos) dentro de una e1npresa, para enlazar a todos los departamentos y funciones en una Intranet autocontenida y totalmente compatible. Se venden en el comercio varias herramientas para implementar este enlazamiento; son poco costosos y fáciles de instalar, integrar y usar.
39,-¡ 3 INTELIGENCIA ARTIFICIAL (IA) La inteligencia artificial es la pieza de la ciencia de cómputo que se ocupa de sistemas que presentan algunas de las características que se suelen asociar a la inteligencia en el comportamiento humano (como aprendizaje, razonamiento, solución de problemas y la comprensión del lenguaje). El objetivo de la IA es simular esos comportamientos humanos en la computadora. El arte de trasladar los principios y herramientas relevantes de la IA en la solución de problemas difíciles de aplicación se llama ingeniexía del conocimiento.
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Capílulo
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Sccci
Sislemas de nv111uk1cluc:1 inli:.·grados por computador;¡
La inteligencia artificial está influyendo mucho sobre el discfio, la automatización y la economía general de las operaciones de manufactura, en gran parte debido a Jos avances en aumento de me1noria en las computadoras (disefio de chips VLSL de integración en escala muy grande) y sus costos decrecientes. Se han desarrofüido paquetes de inteligencia artificial que se cotizan alrededor de unos cuantos miles de dólares., muchos de los cuales pueden funcionar en computadoras personales. Así, la inteligencia artificial se ha vuelto accesible a las oficinas y los talleres.
E~eme.n1os de inteHgenda art~fidaL En general, .las aplicaciones de Ja inteligencia artificial en la mm1ufactura abarcnn las siguientes acbvidades: ::a. Sistemas expertos. bº Lenguaje natural.
d. Redes neuronales artificiales. e. Lógica difusa.
expertos
descubrimientos y revelaciones. y hacer proposiciones de gran probabilidad. corno lo haría una persona experta. La base ele conocimienLos se expresa en programas de cómputo (pm lo general en forma ele reglas sientlmces (if-tnen)) y puede generar una serie de preguntas. El mecanismo ele aplicación de esas reglas para resolver problemas se lla1mm motores de ÜJ[]ferenda. Los sistemas expertos también se pueden comunicar con
oLros paquetes de programa::; de cómputo. Para construir sistemas expertos y resolver los complejos problemas ele diseño y manufactura que salgan al paso, se necesita a) un gran conocimiento y b) un mecanismo de manipulación de ese conocimiento para crear soluciones. A causa ele la dificultad ele modelar con ex.actitud los muchos años de experiencia de un experto (o equipo de expertos) y las posibilidades ele razonamiento inductivo y toma de decisiones de los humanos (incluyendo la capacidad ele aprender ele los errores) se requiere mucho tiempo y esfuerzos para ele-
y tiempo. Desde la década ele 1970 se han desarrollado y empleado varios sistemas expertos, que usan compu-
Ladoras de diversas capacidades, para aplicaciones <>
Diagnóstico de problem;ts en varios tipos ele máquinas y equipo, y la determinación ele acciones co-
rrectivas. Mocleiaclo y simulación ele instalaciones de producción. <> Diseño, planeación ele procesos y calendarización ele producción asistíclos por computadora. •&
Ad1ninistración de ta estrategia de manufactura de. una empresa.
de
·¡ ·:, ) "¡ __,. · -
La forma tradicional de obtener iaformación de una base ele datos en la memoria de una computadora es usar pn0.grrarna1jo1!'es para que traduzcan las preguntas, hechas en lenguaje natural, a "consultas" en algún lenguaje de máquina. Las interfases entre el lenguaje natural y los sistemas de bases de elatos están desarrollándose en diversas etapas. Estos sistemas permiten que un usuario obtenga información tedeando comandos. por
Usuario
1'
L__~ lnterfose de lenguaje _ _ _n:ttim1ll_ _ _
j
l rE -st1uctu1a
----
con~~/,~,~~
'lltos 1 Reglas de conoc11niento
r
para eliminar la necesidad de teclear los comandos.
j
Base de datos
Reghls de rnfciem:ia
L-~------
(Fuentc de conocimientos)
ejemplo, en inglés, en forma ele preguntas sencillas. Se dispone ele paquetes ele calendarización y se usan en aplicaciones corno calendarización del flujo de material en manufactura y en el análisis de bases ele elatos de información. Se están haciendo importantes progresos en programas de cómputo que tengan síntesis y reconocí miento del habla (reconocimiento de voz),
de conuol
(Inteipretc de 1egbs)
como las siguientes:
0
El campo ele conocimiento recp.1cr3do para efectuar esta tarea se llan~a düiíl7.Ü1~0 dd sistema exc,-cno. sisten1as expertos usan una base ele conocimiento que contiene hechos, dmos. definicion(~s e hipótc:-;is_ "fombié11 tk-nen la capacidad de seguir un método hteinurfstko, esw es, de hacer bue11os juicios b:.1se en
e--
Hl97
~xpcriencia
Un sistenmn experto (llamado también sis[ema basado Ciíl conodmiefilfo) se define en genera! como un pro .. grama inleligente de cómputo que tiene la capacidad de resolver problemas dif:íctlcs de ia vida real medianLe e! uso de procedimientos de base de conodmíen.tos y de ir.aí'erenda (fig. 39. J 7). La n1eta que persigue un sistema experto es la capacülad de efectuar una tarea intelectualmente difícil como lo l1::ffia un ser hu·manc~ exper!o.
1
artificial (IA)
. sarro llar sistemas basados en conocimientos. Los sistemas expertos funcionan en tiempo real, y su reacción en tiempos cortos que permiten tener respuestas rápidas a los problemas. Los lenguajes ele calendarización que más se usan para esta aplicación son C++, LISP y PROLOG; también se pueden usar otros lenguajes. Un desarrollo imporwme son contrnlaclorcs núcleos o ambientes ele sistemas expertos (llamados también sistemas de cstruduras). Estos paquetes de calenclarización son en esencia esquemao de sistema experto, que permiten a una persona escribir aplicaciones específicas que se adapten a necesidades especiales. Para escribir esos programas se requiere mucha
c. Visión ele müguirrn (computadora).
39 . i .1
f lnLeligcncia
(Estado del .si.stema)
Entrad~ de datosl
FIGURA 39.17 Estructura básica de un sistema experto. La base de conocimienlos consiste en reglas de conocimiento (información general acerca del problema) y reglas de inferencia (la forma en que se llega a las conclusiones). Los resultados se pueden comunicar al usuario a través ele la interfase de lenguaje natural. Fuente: I<. W. Goff, Mechanícal Engineering, octubre de 1985.
39 .1 3 .3 Sistema de visión Las funciones básicas de los sistemas ele visión se describieron en la sección 38.8. Las computadoras y los programas qne implementan la inteligencia artificial se complementan con cámaras y demás sensores ópticos. A continuación esos sistemas ejecutan operaciones como inspección, identificación, clasificación de piezas y glliaclo ele robots (robots inteligentes, fig. 39.18), operaciones que de otra manera requerirían la intervención humana.
1093
Se(cir'.m :)9.14 /La fúbrica del futuro
Capítulo 39 /Sistemas de manufoctura integrados por computdc!ora
1099
Otras clases de redes neuronales artificiales son a) memorias asociativas, b) redes neuronales autoorganizantes y c) redes neuronales adaptativas de resonancia. La propiedad común de esas redes neurales es que se deben adiestrar con ejemplos concretos. En consecuencia, es muy difícil formular en forma matcmálica relaciones entre entrada y salida y predecir el comportamiento de una red neuronal artificial cuando ias entra-
Entrada de habla formateada
e---~
Base de conoci-1 miento' 1
t
j
AJquisiclón de ~onocim1entos Resolución de problemas R
,~:~%~!-
Cámant
---~ Conlro!aclor ...;.. Programa de control
,S1stemd expetto
del robot
_1
Procesamiento [ del de sens~ ----. -----
l1 @' ~ L¿~t \
Cálwira
1
-
datoFL--=---
[:ij/'
artificiales.
Objeto
39,13,5 Lógica difusa
f!GURA 39:18 Sistema experto aplicado a un robot industrial. guiado con un ~-isten1a de visión.
39.~!3.4
das no se han adiestrado. Las redes neuronales artificiales se están usando en aplicaciones como reducción de ruido en los teléfonos, reconocimiento ele voz y control de procesos. Por ejemplo, se pueden usar para predecir el acabado su-perficial ele una pieza obtenida con fresado laleral, con base en parámetros de entrada corno fuerza de corte, par de torsión, emisión acústica y aceleración del husillo. Aunque todavía es controversia], la opinión de muchos es que 1a inteligencia artificial real va a evolucionar sólo a travé'-i de progresos en 1as redes neurona.les
neuronales
A.unque ias computadora~-; son rnucho rnás rápjdas que ei cerebro humano para hacer tareas secuenciales, lo~; hurnanos son mucho mejores en tareas basadas en modelos o patrones~ que se pueden atacar con procesa-miento en paralelo. corno por ejemplo reconocimiento de propiedades (en caras y voces, aun hajo condiciones de mucho ruido), evaluación rápida de situaciones y en ajustarse a condiciones dinámicas nuevas. Esa.<_; '.;cntr\l~~s tar::ibién se deben en parte a la L~apacldad de los humanos para usar varios sentidos (vista, oúJo. c:i-· rato, gusto y tacto) en forma sünt1!tánea (fúsir511 de datos) y en tiempo real. La rama ck~ la inteligencia arh~ ficiu] llamada r1edes neuro:rrn~fles artñfíl.daflcs, trata de adquirir algunas de esas capacidades a través de imitación . con computadora, de la forma en que los datos son procesados por el cerebro humano. El cerebro humano tiene unas 100 mil millones de neuronas interconectadas (células que son las unidades funcionales del tejido nervioso) y más de mil veces esa cifra, de conexiones. Cada neurona sólo ejecma una sola y sencilla tarea: recibe señales de entrada desde un conjunto fijo de neuronas, cu;1ndo se relacionan esas señales de entrada en determinada forma (específica a la neurona particular), genera una señal electroquímica de salida que va a un conjunto fijo ele neuronas. Hoy se cree que el aprendizaje hmm.no se logra por cambios en la intensidad de las conexiones de señal entre neuronas. Una red de alimentación positiva, totalmente desarrollada, es el tipo más común de red neuronal artificial . y se construye siguiendo este principio, a partir de varias capas de elementos ele procesamiento que simulan las neuronas. Los elementos en Ja primera capa (entrada) se alimentan con datos, por ejemplo, de fuerzas, velocidades y voltajes. Cada eleme¡1to suma todas sus entradas: una por elemento en la capa de entrada, muchas por elemento en las capas siguientes. Cada elemento en una capa transfiere entonces los dalos (de acuerdo con una función de transferencia) a todos los elementos ele la siguiente capa. Cada elemento de esa capa recibe, sin embargo, una señal distinta, a causa de los distintos factores de ponderación o pesos de conexión entre los elementos. La última capa es la de salida, dentro de Ja cual cada elemento se compara con la salida deseada: Ja del proceso que es simulado. La diferencia entre la salida deseada y la calculada (el error) se retroalimenta a la red, cambiando los pesos ele las conexiones en una fonna que reduce ese error. Después de haber repetido varias veces ese procedimiento, la red se ha "adiestrado" y ya se puede nsar con datos de entrada que 110 se habían presentado antes a este sistema.
Un elemento de la inteligencia artificial que tiene aplicaciones importantes en los sistemas de control y de reconocimiento ele paulas, es la lá¡;irn difúsa (mode.\os difusos). Se introdujo en 1965, y se basa en la obserwdón de que las personas pueden ton-1ar buenas decisiones con base en información üuprecisa y no numérica: 1o:s rnodclos difusos :)on rnétodos rnaternúticos de representar la vaguedad y 1a informac1ón ·imprecisa (de ahi' el término "difoso"). Estos modelos tienen la capacidad de reconocer, representar, manipular, interpretar y utifü:ar elatos e formac:i6n que son vagos o que carecen de precisión. Eso~ métodos se ocupan cid razonamiento y !a toma de deds',oncs a un nivel más alto que el de las redes neuronales. Entre los ejemplos lingüísticos líp-icos están \o;; siguientes: poco, mucho, más o menos, pequeüo, mediano, extremadamente y casi lodo. Las tecnologías y dispositivos dílusos han sido desarrollados (y aplicados con éxito) en án;as como ¡·oh6lica y d conlrol del movirnicnlo, procesamlento de imágenes y visión de máqu1na~ aprendizaje de rnúqui-n~1 y el diseño de sistemns inteligentes. Algunas aplicaciones son a) en !a transnrisión automática del autonió vi1 Lexus, h) una máquina lavadora que njus\J1en fonna automática el ciclo de lavado para el tamaño de la c~r;p., dpo de tela y cantidad de rnugre. y e) un hdkópiero que obedece coff1andos vocales para avanzar, subir_ i:- ~1 la izquu:rda y a lu derecha, qucchtrse :mspendic}n y aterrizar.
39.14 LA
DEL FUTU
Con base en los progresos en todos los aspectos de b tecnología de rnanufactura y de la integración rne
""
~· Tendencias
·11 !l!l
11íl1
C1pí!ulo 39 / Sislern,.
Hay varios asuntos complejos que surgen ele las siguientes consideraciones: intervención directa de menos personas en la manufactura de productos: en encuestas entre instalaciones modernas ele manufactura se demuestra que sólo de 10 a 15% de la fuerza laboral interviene en forma directa en la producción; la mayoría interviene en la compilación y el procesamiento de la información. Las celdas de manufactura. virtualmente sin ser atendidas, ya fabric;m producws como monoblocks, ejes y cajas prn-a embragues y compresoras. Aúo contempiando los sistemas flexibles de manufactura en gran escala, será necesario el personal con mucha capacitación y destreza para la planeación, el mantenimiento y b supervisión de las operaciones fuluras. La confiabilidad de máquinas, equipo, sistemas ele controL fuentes de poder y redes de cormmicaci6n crucial, para Ja automatización total de una compañía. Sin la rápida intervención humana, una falla local o general, aunque sólo sea de uno de estos componentes, puede parar la producción. La fábrica del futuro, i11legrncla con computadoras, debe ser capa~: de redirigir en forma automálica los ílujos ele materiales y producción a otras 1náquinas, y de controlar otras computadoras en caso de emergencias. l\i 1mplementar tos conceptos avanzados de manufactura (con su impacto respectivo sobre la opcnJ.ción de Ja f;íbrica del futuro) se deben continuar ciertos desarrollos y mejoras, a un paso acelerado:
a. Las caracierísücas de cada nación industrializada, en
su historia, estructura social y demográ-
fica y su nivel de vida. h. La naturaleza. el nivd educativo y la lealtad de la fuerza laboral. c. Las relaciones entre la gerencia, la mano de obra y el gobierno. d, Las interacciones entre empresas, investigación en universiclade2 y organizaciones socinlcs.
e. Productividad y el uso efectivo del capital y el equipo. l'. Las misiones y las fi losotfas ele operación, ele !a administración ele organizaciones industriales y comer-
ciales. g. Las actitudes ele los accionistas.
a. Redes de comunicación co1nún prograrnas y nonnas, para cada aspecto de Ja tecnología de manufaci·u-· ra, desde el diseño hasta la manufücturn del producto.
El término dase mmulial se usa hoy con frecuencia para describir cierta calidad y nivel ele actividades rnanufactureras, y quiere decir que Jos productos deben cumplir con normas internacionales que sean aceptadas en todo el mundo. También se debe reconocer que la clase mundial, al igual que la calidad, no es un blanco [ijo para qwc lo alcance una o un país, sino un blmtco móvil que sube a niveles cada yez más altos a medida que pasa el tiempo. Las organizaciones manufactureras deben percatarse de este blan-
h. Reducción de tamafio y aurncnto en la eficiencü1. de conl..roladores, y su. integración a máquinas, en vez
l:O
de funcionar
coJJlO
móviJ, y en consecuencia, planear y ejecutar sus programas.
unidades separadas.
Aumentm la disponibilidad d.e los componentes de control de uso general. Inc¡·cmento en la confiabilidad de las posíbiliciades de reconor~ínüento de voz, para que las máquina;.; dan entender e iirnple111en1ar mensc.~jes hablados. T\!fayor incorpor•.1ción de sensores) que emplee sensores müs robustos, y mejora de los _métodos de rr:::> truaHrncmación, para rnonitoreo y diagnóstico de todos los aspectos de las operaciones de rn; ambos desarrollos reforzados con avances en la tecnología de inteligencia arüficiaL
1n~mufactu·
f. inlegración económica del sisten1a en todos los nive1es de b organiznción.
y in1pnrtante en u1w fríbrica totalmente automatizad.a es l:a rn;Jur~lle:ra y grado de su 10 sui>r<' e/ empleado, induyf:ndo todas im; ramificadoncs sociale~: y poiltic.:i.s. Aunque h.:.s proyecciones indican que hahrü una disminución de operadores de n1áquina herrar:nienta) y de trabajadores de berrm11lcntJs y matrices) habrá grandes incren1entos en trabajos de servk:io (como técn1cos de servlciD de cómputo y manteni1nicnlo eléctri1..:o). Así, fuerza !;:y.boral, en general cie poca capacitación y con esfuerzo nianual~ que :;e requería en 1~ nHW tradici,mal en la manufactura, evoluciomrrá hacia una fuerza laboral de esfüerzos hacia el conocimienio . que tenga la experiencia requerida en actividades como programación de c0111putadoras, procesamit::nto de infonnación, CAD/CAM, ciencia y tecnología de la infonnación y ou:as tareas de alta tecnología. El desarrollo de programas ele cómputo más amigables al usumio está facilitando mucho la capacitación de la fuerza laboral. !-lay muchas opiniones muy divergentes acerca del impacto ele las fábricas no atendidas. En consecuencia, es difícil pronosticar la naturaleza ele las estrategias futuras ele manufactura con alguna certeza. ALmque las consideraciones económicas y los compromisos son ele primera importancia, las empresas que no instalen operaciones integradas por computadora cuando sean económicas están bajo un riesgo obvio. Hoy se reconoce que en un mercado global muy competitivo, la adaptabilidad rápida es fundamental para la supervivencia ele una organización manufacturera. Los contínuos avances en tocios los aspectos ele la ciencia, ingeniería y tecno.logía de la manufactura, se analizan en forma constante por parte ele las administraciones corporativas, revisando el impacto económico a corto y largo plazos sobre sus operaciones. En los últimos años se ha escrito, discutido y debatido mucho acerca de las tecnologías relativas ele manufactura y las fortalezas inclustriaies en muchas naciones industrializadas. Una
Se están implerne11tanoo sistemas integrados de manufactura en varios grados para optinilzar ias
operaciones, rc;dueir \os cosios y mejorar la calidad del producto. la manufacrnra integrada por computadora se ha transfonnado en d método müs ii:nportante pa .. ra mejorar Ja responder a las demandas cambiantes cle'I mercado y controlar me.ior las ftmcionc:s de 111l1!1Ufoctura y aclrninistración. Con el extenso uso de computadoras y Jos rápidos desmro)los en programas complic2,dos. discoños ele prodncw (y su análisis y simulación\ son ~1hora rnús det::1lla. cle:;arrollos Cll las ;iperncioncs de mam1factura . C()lllf) por r;;jeniplo la tecnología de grupos, sis1cmas de rnanufaclura celL
rncjor proln1ble que la inteligencia arlificial crea nue,;<\>
en todos Jos aspectos de Lr
c](::nci.a, ingenicri~1 y tecno1ogfo. de manufactura.
"' La tendencia en la manufactura es hacia la mayor variedad y rnenor vida ele productos, y mayor y continuo énfasis hacia la alta calidad de un producto con bajo costo. "' Continuará creciendo el uso de computadoras en todas las fases ele la manufactura. Una tendencia creciente es el uso ele métodos de intercon.::xión en redes (componentes, programas y protocolos) dentro de una compañía, para enlazar tocios los departamentos y funciones en una red
independiente y totalmente compatible. or Las actividades de planeación ele requerimientos ele material están incorporando asuntos de mer-
cado y comercio en forma directa a la base de elatos, y esas acti viclades se llaman planeación de recursos de la empresa (ERP, Enterprise Resource Planning). e El apoyo ele la administración y ele tocios en una organización continuará siendo un elemento esencial en la buena adopción de tecnologías nuevas.
{"' F'reguntas de repaso
¡-¡()',!
Por Jo:¡ altos costos incurridos, continuará siendo importante un arníllsis detallado de los co:c>tos y hc:neficios., relacionados con la ünplcm.enlación de diversos aspectos de !os sistemas de rnanufoc .. tura integr;1da por coinputadora. Es probable que los operadores de fa fábrica del futuro ejecuten lareas como supervisión, mejoramiento de computadoras y programas de cómputo, m:.mlenirniento de equipo, :
foston, J\_L, C.L. Smilh, and T. Au. Fundamcnw.ls of Computer-Jntegraled A1anufacturing. Prentice Hall,
1991 Goldrall, E.M., Theol}' of"Constrainls. North Rivcr Press, 1990. Gu, P., and D.H. Non-ie, Intelligen1 Manii:fácturing P!am1ing. Chapman & HaJL 1995. Hannam, lt., Cif'vl: From Concept lo Realisation. Adclison-
Ambientes /\núiisi::; de flujo de producción Alribu1os de discfio J\tribtrtn.:; de manufactura Base de daws
Cn1end¡tri.zación Celda de 1na11ufacturn Cdda ch.- rnaiiu facwrn
C1ast: 111undií.IÍ Codi hc:1cl(in Coi11ru!adrn·c;, '-h:I c;;rlnrnu operativo :·
a:;iqidm; pnr
compu1a,lor;.<. nr.\ei'io ·~11~ ¡x1pcl
Distrjbuej(in de f'rnpus Dis1rihución fti.ncinrn!I de f·~~;peci f \caclonc!·; Edacrnet
1ngcnierí:.i del conocimicntci Integración Tn!eligcncia aniricial lnvcntario cero
Isl:.is de ;mtomatizaci{in Kan han Lógica difw,a
Manuf<.ictura asistida por comp11t;.Ldora ManuJacturn c~1u·lar rvh;nufoctura integr~iciíl por de infercnci::c
Si~;tem;,1
Mock\acio N1HTna de co1nun]cacioncs "Pal!ct" (Tu.rima)
Plancaci6n
procesos
Sisrcn1a de t'mpuje S~st.ema
a~i.\!.ida
por
c01nputadon1
i !·1b.::.rc•11l1¡1io
Phmc<:1~i()n de re.curso~, de la emprcsu P'ürncaciúH c11.:' rccutsos de n1millfr,ctum
P!;mc,¡ci(m de
Rcpn.=:scntacíón "octrcc''
Si:-ítcma basado í~n cnnocirnJ{.'.;fll<> de adquisici<)n de da10~;
computadoni M;:iquin~l
Programación de demanda Prntocolo de ¡.1UH.)rnalizaci6n de manufac111r
rcqucrirnicnto~
dt:
n1aiiL1faclt1r~:
Hcrran;i(;nta.'; ck bitcrncf
Proccs;_urijciüo dt: lenguaje nJlllr~d
rhij:.i de rut.1
Producción justo a tiempo
de manufa-::tura rk:xible
Sistema de lracciün Sistemas de annaz.6n Sislcrrws {le dasifícaciún y cudific;;c1ón Sis!t:mQs !.!xpcrlos Tccnc[ogfa de grnpos Vísión de 111aquin1
Hitomi, K., Mam((acturing Systems Engineerin.g (2d ed.).
Taylor & Francis, 1996. lranl, S. (cd.), Han.dbook of Cellular i\;fanufacturing Sys!ems.
- - - , /ntmduction lo Robolics in CIM Sy.stems (3cl ed.),
Wiley, 1999Kasabov, N.K., Foundations of Neural Net1·vorks, 1"-uz.z.y Systems, wu.l Knowledge Engineering. The MTT Press, 1996. Krishnarnoorty, C.S., wd S. Ra¡ccv, Artificial lntelligence wuJ E:rpert Systems/or Engineers. CRC Press, 1996. Ku:.iak, !'.\., Concurrent Enginecring: Au1onw.tion, Tou!s. and
Tedu1iques. Wiley, l 993. -··-····-··-, lníclligent Design aiul Nhui1.!/ÚCluring. Wiley, 1992. -----··-, ln1t!Ugcni Marwfacturing Systerns. Pn:nticc Hall,
190()_ Leon.dcs, C.T. {ed.), Fuz.z.v Logic and Expert S} \·tnns Appfications. Academic Press. 1998. Liebowilz, J. (cd.). Tht' f-Jandbook <~/A.pp!icd f:).:perf Systerns. CRC Prcss, !997. Lo.iis, R.S .. !nregrating Kanhan with MRF' lf: Aut.onwting a Puf! System for En.hanced .f!T lnventory ManagemenL Productivi1y Press, l997. Luggcn, W. V1/.. Flexihle !v!am~/adurin¡; Cells an.d Sys!nns.
Prenlicc Hal 1, 19~> l. l\·faus, R., and J. Kc:yes (eds.), florul/Jonh
ult:;. \,f.)('i"/ S.L ;1
fl1un.1-{/{.1ciuring. l\1cGr:.t1N-HilL l ~)9 i.
l994-
Prentice Hall, 1997. Rernbold, U., B.O. Nnaji, and A. Storr, Compuler lntegrated Munufacturing wuL Engineering. Addison-Wesley, l 993. Sandras, W.W., Jusi-in Time: Making 11 Happen. Wiley. 1997. Singh. N., SysteJn\· Approach to COín¡nlter-lntegroted Design and Mwwjactitring. Wilcy. l 995. Singh, N., and D. Rajam'JnÍ, Cel/.ufar P4anufácturing Sysrems:
Design, Pfanning and Control. Chapm'm & Hall, 199(-L J{;of and Nfanufacturing Enginecrs Handbook (4Lb ed.). '-!ni. 5: Jvtam{fucturiHg J\!lam1g.:mu:nt. Sociely of Manulactur-
1
ing Enginecrs, l 988. 1(;ol and fyfanL~facturing Enghieers fland/.wok (4th ed.), Vol. Contilri1ous Jn1provemenl. Socicly of Manufacturil}g En-
gineers, 1993. Vajpayee, S.K., Principies Mam.1jác· turing. Prenüce Hail, 1995. Vv'il!i
I-la!1., !994. YVu, .L-K., Neural Ncrworks and Sirn11hlíi01t 1Vlc1hods. JVlarct:l Dekkcr, 1994.
DE 39_J 3~U
Ch.eng, TC.E., and S. Podoisky, Just~in-Tl"me lvfanufacturing. An Introduction (2d ecL). Chaprnan & Hall, 1996. Chürafas, D., Erpert Systems in Afan.ufacturing. Van Nosirand Reinhold, 1992Corbett. J., M. Dooner, J. Meleka. and C. Pym, Design fór 1'vfanufacture: Strategies, Principies and Techniques. Addison-Wesley, 199 L Driankov, D., H. Hellendoorn, and M- Reinfrank, Introduc!ion to Fuzzy Control (2nd ecl. ). Springer-Verlag, 1996. Famili, A., D.S- Nau, and S.H. Kim, Artificial !nte!ligencc Applications in Manu.factu.ring. American Associaliu1t for Artificial Inte!ligence, 1992.
Hall,
1
PREGU
l\rnirrn1cbe, .F.IV!.t,., Om1puter-Aided Design ami !Vla.111,ifactur;nr;. Prentíce Hall, t 993. Aslcin, R.O., and C.R. Slandridge, Mode/.h2g and 1inalysis of f'vfaru~facturin.g Systems. Wiley, 1993. Badiru, A.B., Expert Systems Appiications in Engitieering and klam~far:turing. Prenlice Hall, 1992. Betlworth. D.D., h1.R. Hen
McMahon, C.. and .l. Browne. CADC4M-From Principies to Practice . .1\ddison-Weslcy, l 993. Mitchell. F. H. 1 Jr., CI!vf Systems: An lntroduction to Compuler~ lntegrated !vlamdácturing. Prentice HalL 1991. Monden, Y., Toyot.a Production System: An Integrat.ed Approach to Just-in-Tirne (3d ed.)_ lnslitute ol- Industrial Engineers, l 998. Nee, A.Y.C.. K. Whybrew, and A.S. Kumar, Advunced Fixture Designfor F'MS. Springer, 1994. Popovic, D-, and Y. BhaLkar, Methods and Tools jór Applied Artificial lnte/ligence. Marce! Dekker. J994. Rehg, J.A .. Co111puttr-!nrcgrated 1\1anufácturing. Prenlice
Vlcs1ey. 199¡._;_ Higgins, P., L.R. Roy, ancl L. Tierney. Mam(/'acruring Plnnning and Control: Bcyond M/IP !l. Chapman & Hall, l 996.
<:~:cfio
Híl3
=....;·i¡)ítu!o Jg / Si<.tem2s ele m
39.3 39.4 39.S 39,6
39.7 39.8
39.9
¿En qué frn·mas hm1
tcn~do impacto Ja;;, compuwdoras en
¿Qué ventaja:~ buy en considerar que la manufactura es \111
ln
rnanufaclur~1?
~;i::;Lema'? ¡,Cuüles son los Gomponentes de un
sistema de manufactura? Describa las ventajas de tas operaciones
nas limitaclones'? Describa los objetivos de la planeación de proceso:-:. ¿Cómo se usan las computadoras en esa planea· ción? Explique las funciones de dos tipos ele sistemas CAPP (planeación de proceso ayudada por computa-
dora) Desciiba 1as características de una hoja de ruta. ¿Por qué es necesaria?
~
H
Sínle~is
·C1píiulo 39 / Sis!en1as de m.,·11iufac1L¡¡-;:i in:cgrados poi· compu1ador<¡
J9.líl 39.l! 39.U 39.13 39. ~4
¿Qu~ es r.ecnología de grupo? ¿Por qrni se de;;arroll(i? Explique sus ¿Qué es una celda. el¡; manufactura? ¿Por qué se desarroJ1ó? Dcscríb
39.Hi
39.17 39.18
J'J.19 39.20
39.43
si-"tcma'~ flexibles de rn<.muf:.lctw·c~. ¿,Porqu0 re-quieren Dr;rndcs inversiones
¿,Por qué nn sistema flrxiblc de manufactura e:-; capm'.: de producir una am.p!üi grnna de tarnafios de lote? ;.Cuáles son las Lr;icción?
39J5
ven(:~jas.
ven1.l~jas de la producción justo a tiempo? ¿,Por qué se considcrn que c·s un sistema
39.44
39.45 39.46
Explique la Canción de una red de área hcai. ¿Cuáles son las vcnt::~ja.s de una norma de comunicaciones? ¿,Q{té significa el término ''fábrica del futuro''? ¿,Cuáles son Jus difcrcnc-ias entre redes de aniHo y de estrella? ¡Qué es Kanban'?
39A7
¿Qué se una ce!
1rns diferencias?
39.48
39.il'J 39.21! 39,22
Describa !ex.; elcn;enlos ele Ja inJclif!encia ar1iilcüiL ;.Por qué Ja vi~:i(m de rrnk¡uin;t e.s pieza de eJla'J Fxpliqth: por qué los humanos scguinfo siendo necesarios en b. f;íbrica de! futuro. ;,Cómo describir{;:¡ usted el principio de fa
manufa(~iUGt a.-;istida por computador;¡ a
un
tni.b;.~jado1
edad, cu u11a inst;:dación rnanufac1urera que no cs~é fomiliariz.aJu con las compt!!adora:<.' Dcscrilx1 ejemplos de primitivos de sólidos di.sün.1ns de los qu;.: se ven en !a::-; figs. 1º.4a v h. Explique la lúgica de los arreglos que ven en la fig. 39.ób. D:..:~;cribn Sti.'; observacwnc.i.; acerca de fo rig. 39_ J,:~/,Cu(!lcs deben .ser la:-.
Z<:ldo'!
J9.28
can1c1crfs1ica~; de:
un
si~lema cí'icaí': de. guía
p :ru un vellícuJo guiado
39.50 rfr
39.52
:iutornati~
Dc~;cribs cj . ;mplo.'> en manufactura en los que poclrfa ser eficaz la inteligencia artificial. U1.~scriha su:~ opiniones accrt:a !w; posibilidades de re<..'.onocimiento de voz de las rnáqufr1;1:s y lrn; -.:on-
~rnlcs e11 el hHtiro.
~\dccuado:-; los CCJJl.i'O.<:.: de rnaquinaclo parn !;~ pn.;clucción .Ju::-,lo ;1 Ucmpu? [' ;q!lií~UC por un'
c:j~n1pl;) Je un .)isienw (k crnpuje y
de lran:iór:, parc1 aclarn1,
rundarnen-
dos mélodm,.
l.h~.'~cril"J<1 un t:.j1.;niplo c~;pcdfico en pc~~·ierihk el :~is(cma generativo.
39.J.é;~ 39.36 39.37 39.38 39.3\l
39.40
SlN-Ti~SlS y
pn.:Jeriblc el
siskrn;_~ variante. de.
y un() l·n q¡1¡_;
especial ctiando los probkinm; c:·;tán cJcfinid<1." .\ e~;tc sen el c;.iso_ ¿Hay un mínimo ele canlickd de müquinas en una celda ele manufactura? Exp!r;_¡m: por q1w Haga un3 list
39.35
t"~! que
d.;:110:-~
neuronales arLiiiciale:->
tient:1i utU!dad
lil')
son difusos. Dt::)<:riba Gjc:mplos en manufactura donde
¿Yor f]tlé los robots son piei:a principai de una celda de manufactura ílcxlh1c? ;,Es posible usar el sistema justo a licmpo en las empresas globales? Un término que a veces se usa p<.lra describir fábricas de! futuro es "fábricas no o.tcndklas" ¿.Podní alguna vez una fübrica ser no aicnc.llda? Explique su respuesta. ;,Cmiles son las ventajas de la codificación jerárquica?
DISENO ______ 39.41 39.42
Revise varías piezas manufacturadas que se describan en este libro y agrúpelas en una forma parecido a la de la fig. 39.7. Imagine un producto y forme un árbol de decisiones parecido al de Ia fig. 39.9.
395~
y diseño
1105
imagine una línea de productos de mucho uso y diseñe una celda de manufactura para fabricarla, desc1ibjendo las propiedades de las máquinas y el equipo usados. En encuestas se ha visto que 95% de todas las piezas distintas fabricadas en Estados Unidos, son producidas en lotes de 50 o menos. Haga comentarios sobre esta observaóón y describa sus ideas sobre la implcmentaclóo de las Lecno!ogfas que se presentaron en los capítulos 38 y 39. Suponga que se le pide escribir la sección 39.14, sobre la fábrica del futuro. Describa en forma breve sus ideas sobre este tema. Suponga que es el dueño de una empresa manufacturera. y que se percata de que no ha aprovechado en rorrna totaí los ~wanccs tecnológicos en fo manufactura, pero que ahora le gustaría hacerlo; tiene usted c1 capital necesario. Describa ..::61110 haría para analizar las necesidades de su empresa y có1T10 planearía la implementación de esas tecnologías. Tenga en ctwnta los aspectos técnicos y también los humanos. Imagine un producto sencillo y haga una hoja de ruta, parecida a la de la iig. 39.6. Si la misma pieza se pasa a otra persona, ¿cuál es la probabilidad de que Ja hoja de ruta que h.nga si::.a la misma? Explique
por qué. Describa, con ejemplos específicos, sus ideas. acerca del avance de la manufac!ura eíl su país, en comparación con el estado de usted y con otros paises industrializados. Describa las tendencias en características de producto que hayan tenido un gran impacto en Ju manufactura. Algunos han sugerido que los sistemas de inteligeocia artificial acabarán por reemplazar al cerebro humano. ¿Está usted de acuerdo? Explique su respuesta. Véase la fig. 39.6, y a continuación sugiera una boja de: n!la para uno de los :~iguientes artículos: a) una biela aHtornotriz. b) un aspa de compresor, 1.:) una botella de vidrio. d) cm dad'-i para rnol
....
T
Seccifin 40.2 / Se\ección de materiales
1107
---------------------
40.2
J'v1ATER!ALES Para seleccionar los materiales de un producto, debemos tener una idea clara ele los requerimientos fimdonales de cada LLnO de sus compone11tes. Aunque el criterio general para seleccionar materiales fue descrito en la sección 5 de la IntrodL1cción general, en este capítulo será discutido con más detalle.
,~-
40.2.'i Propiedades mecánicas, físicas y químicas Como vimos en el capitulo 2, entre bs propiedades mecánicas están la resistencia, tenacidad, ductilidad, ri-
P\s ectos ¡
1
rn
m etiti
s
et ra
l 1 40.1
40.iJ
lnlroducción Selección de rnateria!c:s Diseño de! producto y canticbd d2 matc:::rizdes Sustitución de materiales Solec:ción de los procesos de manufactura Posibilidades del proceso Costos de rnanu{3ctura Coslos de rnanufactur;;1 y vc:lurnen de p1-odtJCci()n
-~n.
!ng('.;niería (fr~ vaioff:S
40.2
40.3 40.4
40.5 40.6
1 •1\J.7
¡ l
fdel v.:1lor intrínseco)
gidez, durez.a y resistencia a la fatiga, a la cedencia y al impacto. Las (capitulo 3) incluyen densidad, punto ele fusión, calor específico, conductividad térmica y ekctrica, expansión térmica y propiedades magnéticas. Las propiedach:s químicas (capítulo 3) de primera importancia en ia manufactura son la susceptibilidad a la oxidación y a¡,, corrosión. La relevancia de esas propiedades en el diseño y lamanufactnra del producto se descrihieron en diversos capítulos en la parte J. Hoy es más fácil y nipicla la selección de materiales, por la disponibilidad ele extensas bases de datos computarizadas que permiten mayor accesibilidad. Sin embargo, para facilitar la selección de materiales y otros parámetrns que se describirán auís adelante, se han desarrollado programas de sistema expertos (bases de da!os iHrtel!ge11tcs). Con dalos adecuados de diseño del proclucl.O y requerimie11tos funcionales, esos sistemas son capaces de identificar los materiales apropiados. de igm1\ manera corno lo haría un experto o un grupo de cxpcrt.os.
40,2.2 Formas ele
en el
Dcsptll!s de sckccionar los maler[aics se necésitan conocer las formas y íos tamai\os que cstin disponibles en el comercio (tabla 40.1 ). Éstos pueden ser obtenidos en varias formas: fundiciones, extrusiones, piezas forja-
das) varilla, placa, brnina, hoja, barro., ~dambrc y polvo metálico.
1 1
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TABLA 40:1!
1
1 i'arn fabricar prodHctos de ¡¡)t:i calidad ai cosln mínimo posible se requiere comprender bs r'l:hciones,
1
1 j
1
1
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frcn~encü.1
con cornpleja.s; entr7 rnuchos factores.1-Ic:Tios visto .que el dis.cfio (lc.1 producto, !r1 sciccc(ó.n de matcnak.'-; y la seiecc1on ele 10s procesos de ma..nufuctura se mterrelacmnan cnrnpkLamente. Los dr" seños de un producto son modificados en forma periódica para mejonu- su funcionan1iento, para aprovechar !as caraclerfsticas de los nuevos materiales, para facilitar la 1mmufactnra y armado de los productos y tratar ele eliminar completamente los rechazos y desperdicios. A causa de la amplia variedad de materiales y procesos ele manufaaura disponibles hoy, la tarea de hacer un producto de alta calidad seleccionando los materiales y los procesos óptimos, y minimizar a.I mismo tiempo los costos, ha llegado a ser un gran desafío, así como una oporluniclacl. El costo ele un producto clelermi na con frecuencia su venta y su aceptación por el cliente. Para vencer este eles afio no sólo se requiere un conocimiento detallado de las características de los materiales y los procesos, sino también métodos innovadores y creativos para diseñar el producto y la tecnología de su manufactura. Aunque se ha descrito el aspecto económico de diversos procesos de manufactura al final de los capítulos individuales, en este capítulo se presenta una perspectiva más amplia y se resumen los factores de costo de importancia general en manufactura. Investigaremos los métodos de reducción ele costo, en especial la ingeniería de valores, poderosa heirnmienta para evaluar el costo de cada paso de manufactura, en relación con su contribución al valor del producto.
Formas de materiales en el comercio
Material _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _!=1isponib1e C'.'..1_~.Aluminio Cob1T: y \ató11
Magnesio Aceros y aceros ínoxiJabJcs Metales preciosos
Zinc Plásticos Elastórncros
Cerámicas (alúmina) Vidrio
P, F. 13, T, W, S. l P. f, B, T, VY. ~~- 1 P, B, T,
w, S, [
P, B, T. W, S, [ P,f,13.t,W.l P,F,D,W.l P, f, B,T, w P. b,T p. B,T.s
P,B,T,W,s P,B,T,W,s
Grafito Nota: P: p1aca o lámina, F: hoja, B: barra, T: tubo, Vl: a1arnbre, S: perfil estructurnl, I: lingotes para fundición. Las letras minúsculas indican disponibilidad limitada. La mayor parte de estos materiales tambifo se consiguen en forma de polvo.
l ()6 ~-;:~.1'21·
Sección 40.2 / Sclecclón de rnaterit:1.!es
1"fi{)8
1109
Capítulo 40 / ;\spectos cornpc:ti1ivos de Id rnanuí~Klur<.J
Una consicleracióll irnporlante es la compra ele materiales en sus fonrnis que requieran un mínimo de procesanüento adicional. Sin embargo, también se deben tener en cuenta características como la calidad super·ficiaL tolerancias dimensionales y rectitud de esas materias primas. Es obvio que mientras mejores y m:ís consistentes sean esas características, se requerirá menos procesan1iento. Por ejemplo, si se desea producir ejes sencillos con buena precisión dimensional, rectitud, redondez y acabado superficial, podrfumos comprar barras redondas torneadas y rectificadas sin centro a ias dim.ensiones especificadas. A menos que nuestras instalaciones tuvieran In capacidad de producir barras redondas en fornw económica, es menos costoso con1prarlas. Por otro lado, si se necesita hacer un eje escalonado (con distin1os diámetros en su longitud) podríamos comprar bmi-a redonda que tenga un diá1netro mfnimo igual al diámetro 1náximo de1 eje escalonado, y cilindrarlo en un 1.orno, o procesarlo con otros n1éloclos para reducir e] diámetro. Si la pieza bruta t]ene gn:wdcs to-· lernncias dimensionales o está torcida o fuera de redondez, debemos pedir un tamaño mayor, para asegurar un buen control dimensional del eje terminado. Como hemos visto, cada paso de manufactura produce parles con formas, acabados s11pcrficiales y tolerancü1s dimensionales específicos. Por ejemplo, a) los producLos laminados o estirados en caliente tienen un <1cabado superficial más rugoso, y mayores tolerancias dimensionales que los productos laminados en frío o estirados en frío; b) las barras redondas cilindradas en un torno tienen un acabado superficial más burdo que las que se procesan en rcctiricadoras {~llfnclrjcas; e) el espesor de pared de la tubería soldada es. en gener;il, nüis unifonTit: que el ele la tubería sin costura; d) las exlrusjones tienen n1cnor tolerancia en las secciones tn..i.nsvers~t.les que Jas partes fabricadas por lan1inado. Sr: puede encontrar coo facifü..1ad b inforrnación acerct Je esas carnch.~rfsl".icas en los cat6.logGs de los proveedores de materias prin1as (artlculos de alniacén o invc11 tario).
de rnanufactura
11.0.2
i1ropie.do.des ma11.1,~fli('furcrus de los rnaieri.alE·s ab<-i.rc~m., t~n forma caraclerística, la facilidad rnc~al, ,j trnba_j.~!do n1tx.:8nico., pura cvnfornrnr, rnecanizar. -~·,oldar y endurecer por tratn.rnicnw (rnccanizar), rcctific~r, fabricar o trni·n.r ténnica1rn.:1J indivltluaies que tc.n~:.an Formas y dirncn:-.,iones espcdflca~:, esJ.~~ propicd;Jde:-i darncnLi.dcs p.;..;.r:~ hacer ufüi buena selección del.o~; rnaü::.ri;J]e~. ·ranibié:1 ri;;cuérdcsc que Ja calidad de un;1 malcri<:i prima pu•.:dc infl.1.:i; miy..:ho sobre
te para
Ve.~m10.s
40.2.4 Confiabiiidad del suministro de materiales En la Introducción general se resaltaron los factores geopolíticos que pueden afectm· el suministro de material e' estratégicos. Otros factores (como huelgas, escasez. y la retisencia por parte de los proveedores a suministrar materiales en determinada forma, calidad o cantidad) también afectan la confiabilidad del suministro. Aun cuando !et disporübi\idad de materiales pueda no ser problema a nivel país, sí puede ser problema para ciertas em¡xesas, por la ubicación de determinada planla manufacturera.
40. 2 5 Costo de los materiales y del procesamiento A causa de su hisloria de procesamiento, el costo unitario de una materia prima (costo por unidad de peso o de volumen) no sólo depende del material mismo, sino de su forma, tamaño y condición (véase la to.bla 6.1 ). Por ejemplo, corno se necesitan más operaciones para producir alambre delgado que barra redonda, el costo unitario del alambre es mayor. De igual manera, los polvos metálicos son más costosos que los metales sólidos. Además, en general el costo de loé; materiales disminuye a medida que aumenta el volumen de compra (como íos productos alimeny las bebidas embotelladas en los supermercados). De igual manera, ciertos segmentos de ticios Ja industria (como las fábricas de automóviles) comprai1 sus materiales cu cantidades muy grandes; mientras mayor sea la cantidad, el costo por unidad de peso será menor (descuemo por volumen). El costo de determinado material está sujeto a fluctuaciones causadas por foctmes tan simples como la oferta y la demanda, o tan complejos como la geopolítica. Si ya un producto no compit·~ en costo, se pueden seleccionar materiales alternativos y menos costosos. Por ejemplo. la escasez de cobre en Ja década de l 940 forzó a\ gobierno estadounidense a acuñar monedas de acero galvanizado (véase la sección 5.3 en la IntrodL1ccuando aumentó bastante el precio del cobre durante Ja década de 1960, ción genera!). De manera el cableüdo eléctrico que se instalaba en \os hogarc:s fue, durai1te algCm tiempo, de alumini(J (véase el ejemplo en la ~ección 3.7). Cuando se produce c!tatarra o d
se produce un rn.fni1no de chatarr~l.
continuación algu11c\·) ejemplos·:
TABLA 40.2 .a" Unc1 b8!Ta o varilla con costun:1 longitudinal dcs~uToliará gridas durante las opernciuncs senci1Li:·, dl· calcaclo y C{;1beceado. b. Las barras con defectos e inclusiones internas se agrietar6.n a! producir tubo sin costura.
~---
Cantidad manufactura
Proceso Maquinado
Fo1jn en calienlc con d<.1do cerrado
levación de esfuerzos, se distorsionarán durante las siguientes operaciones.
f. Las materias primas laininadas con variaciones en condiciones de trabajo en frío presentarán restitución (spiing back) durante el doblado y otras operaciones de formado, por las diferencias en los esfucu.os de Duencia. g. Si se suministran piezas troqueladas de lámina metálica prelubricada, con dist!ÍbL1ción 110 uniforme de lubricante y de espesores, se afectarán en forma negativa su facilidad de formado, acabado superficiai y calidad general. .:
en diversos procesos de
--------------------Desperdicio
c. Las piezas fundidas porosas producirán un acabado superficial pobre cuando ésta_s sean maquinadns.
e. La materia prima con vaiiaciones en la composición y la microestructura no se pueden tratar térmicamente ni mecanizar en fonna consistente.
de
Formado de lámina Laminado, laminado de anillo
(%)
Proceso
_______
l 0-60
Extm~ión en !"río o en caliente, fo1jaclo
20-25
Fundición en
i0-25
Metalurgia de polvos
mold~ permanente
Desperdicio ('fo) 15 1O
Ejemplo: Efecto de la dureza de las piezas sobre el costo de taladrado
troquelada.~
(J naspie:zas para engr¡majes, 1'orJadas con ácero aleado 8617, cuya.dureza estaba e11tre 149 y 156HB., necesi¡.aban taladrarse para fo1mar un agujero de 75 nun (3p¡1lg) en el. cub(}. Las piezas troqueladas· fueron taladrada.~ .e\l\1 una broca de hélice: noi:maL Sin ~mbatgo, aJ cabo
do~ tenían ¡m acaqado ínteroq l:mrdo.
~
rn
T C:-ipí1'ulo 40 /Aspectos Cü!Tl/)(':tifivos de la m;:inufoc!ur;i
Sección 40.4 /Sustitución de mziterialE s 1
:JUnien!«r la maquinabilidad y reducir el mellado fu(; L1umcntada la dureza de Ja,: piezas troque-!::d;i., haq.a 2 i 7 a 241 HB, calén1úndola:, a 84fY'C ( !54(YF) para templarlas c11 aceite. Cuando fueron taladradas la., piezas con esa dureza, se redujeron las melladuras, fue mejorado el acabado superficiaL la duractón de la broca aumentó a 50 piezas y el costo ele taladrado se redujo en un 80'/i-. Fuente: ASM lnh:rn~u ionaL
-------DEL
Y CANTIDAD DE MATERIALES
Con las altas iasas de prodL1cción y la menor mano de obra, el costo de materiales se vuelve una pan e importwüe del costo del producto. Aunque et costo de los materiales no puede ser reducido por debajo del valor que se encuentra en el mercado. se pueden obtener reducciones en la cantidad de material empleado para aque-llos componentes que se van a producir en masa. Como la forma general de la pieza se suele optimizar durante las etapas del diseño y del prototipo, las reducciones posteriores en la cantidad de material empleado sólo se pueden lograr 1·educiendo el espesor del componente. En este método se requiere seleccionar materiales con grandes relaciones de rcsi.stcncia a peso o de rigidez a peso (véuse la sección 3.2). Nótese que también se pueden obtener relaciones mlis altas mejorando ei diseño del producto. y seleccionando mejores secciones transversales, como por c:jemplo, los que tengan 1.111 momeato de inercia alto (como en las vigas I). o usando componentes tubulares o huecos, en lugar de sóli dos. La;: técnicas como amílisi;; de elementos finitos, disefio con peso mínimo, optimización ck discfio, y diy rtu111ufactura asistidos por computadora han facilitado mucbo el anrílisis del disei1o, e! uso de materiales y:;efü, ra optimización. Sin embargo, la i111ple111cntació11 de cambios cko diseüo y minimización de la cantidad rlic: materiales mi-ii:c:idos pueden causar problemas apreciables en la manufactura, como los que se describen en los siguien:e.1 ejemplos:
Aunque los productos nuevos aparecen en el mercado en forma continua, la mayor parte de los esfuer;oos ck disefio y manufactura se ocupa en mejorar los productos existentes. Las graneles mejoras en los productos pueden ser el resultado de la sustitución de materiales, o de implementar nuevas o mejores técnicas de procesamiento, mejor control de los parámetros de procesamiento y mayor automatización en la planta. Existen varias razones para sustituir los materiales en los productos actuales: L Reducir los costos ele materiales y ele procesamiento. 2. Mejorar la manufactura y el ensamble. la instalación y la conversión a ensamble au1omatizado. 3, Mejorar el desempeño de los productos, por ejemplo, reduciendo el peso y mejorando su resistencia al desgaste, la fatiga y la conosión. 4. Aumentar las relaciones de rigidez a peso y resistencia a peso. S. Reducir la necesidad de mantenimiento y reparaciones. 6, Reducir la vulnerabilidad por poca confiabilidad del abastecimiento de materiales, locales y de importación.
'7. iv!cjorar el cumplimiento de la legislación y los reglamentos que prohíban el uso de ciertos materia!es, lJOf razones ambientales. 8. Reducir las variaciones de eficiencia o la sensibilidad ambiental en el producto, es decir, mejorar w ro-bus tez. Sustitución de maieriaies en la in~fostria automotriz. El automóvil es un buen ejemplo de la e11ca;--
sustitución de
forjar partes delgadas se requieren graneles fuerzas, dehidas a causas como fricción y endurccimiende ias secciones dclgad;;i;.; (véa.-;c Ia ecuacíón 14. J ). .'Xlldar !{;mina;; o cé;truc1uras dclglldris puc.:de causar distorsiones debidas a gradicnü:s rérmicos.
f"tmdici6n de secci oncs delgadas puede causar dificuítades en el Uenado de cavidades de molde (por Ja y en el mantcnimic:nto de la precisión dimensional y el buen acabado supc:rficinl. Lr1 fociliclaci de Lmnado de lámina se puede reducir al disminuir el espesor de ésta y esa mducción pu e-de Ja causar pandeo sc .')ección I 6.4).(durante el moldeado) debido a csfüerzos c0111prcsivos en ei plano de la lrímin<1 (vc'asi se usan partes con secciones transversales gruesos se puede hacer rnris lenta la produc-ci6n en procesos como la fí.mdicicín y moldeo por inyección, por ejemplo, por el mayor tiempo requerido 8!l el enfriamiento y en sacar la pieza del molde. Adernás, Ja facilidad de doblado de las láminas disminuye amedidn que Jument¿¡ su grosor (sección 16.5). ¡\ 1 contrario,
--------
40.4 SUSTITUCIÓN DE MAT En Ja actualidad, casi no hay producto en el mercado para el que la sustitución de materiales no haya desempeñado un papel principal para que las empresas puedan mantener sus posiciones competitivas. Como ejemplo de grandes industrias en las que la sustitución de materiales es una actividad importante y dinámica, están las maJJufacturas de automóviles y de aeronaves. Una tendencia parecida se ve en los artículos deportivos y otros diversos bienes al consumidor.
nrnxeriak~~
con objeto de alcanzar uno o más de los objetivos mencionados arriba_ Algunos
ejernplos son los siguientes: @
~o
1111
Cierta~
piezas de la carrocería metáEca se han sustitu1do por otras de plástico o de plástico reforzado.
Las defensas, engranajes, bombas. tanque~> de con1bustible, cajas) cubiertas, broches y dlvcrsos compr:~ nemes metálicos se han reemplazado por sustitutos de plástico . " Se han cambiado componentes del motor por otros de cerámica y de plástico reforzado. "' Los ejes de impuísión, 1otalmentc metálicos . se han reempia:r.ado por otros de materiales compuesto'.-:. "' Los "monoblocks"dc vehículos, fabricados con fundición gris, se han sustituido por otro;, de fundici
I'
('',
--'1
C1¡Jílu!11 1j() í /\srwclu:,,
cnn~1petilívos clr:? la n"1crnuf,:1clur;1 Sc-;cc\ón 4(),5 / Sek~cción ele los p1·ocesos de
4CL5 SELECC!Ó1·:~ DE LOS PROCESOS DE
-
Estructura dec PRF
llilillilill
Estructura tipo panal de PRF y
UFACTURA
En esta sección se describe la irnportancia de Ja selección correcta de los procesos y rnaquinaria de manufactura, y la forma en que el proceso de selección se relaciona con las característicns de los materiales, las tolerancias dimensionales y el acabado superficial logrado, así como con el costo de la manufactura. Como acabamos de ver, la mayor parte de los procesos de manufactura se han automatizado y cada vez tienen más control compuUtrizado para optimizar todos los aspectos de las operaciooes. También, la computarización hace que aumen1e positivamente la fiabilidad y la calidad de los productos, y que b¡tjen los costos de mano de
C.--=:J ~;~ Metal a metn.i
C===1
1113
ma.nufoc.lura
Estructura tipo panal con ¡;ar¡¡ de
obra.
La elección de un proceso de manufactura quedé1 determinada por diversas consideraciones, algunas de éstas sou:
"' e " "
Las característica:; y propiedades del material de la pieza (tabla 40.4), La forma, tamaño y espesor de la parte. Los requerimientos en la tolerancia dimensional y de acabado superficial. Los requerimientos de funcionamiento de la pieza. © El volumen (cantidad) de producción. " El nivel de automatización requerido para cumplir con el volumen y la rapidez de producción, @ Los costos incurridos en aspectos lnd1viduales y cornbinados de la operación ele n1anufactura.
iflGIUIRA 40.1 fV\aterizdes avanz;:.i.dos empleados plti!Jl.ico re10t7c)do con fibra de vidr¡o.}
carnhios de materia! en aviones
f~n
el Dvi(m de
tr~1nspor1e
TABLA 403
dos nvloncs, c(m 1as
H. B ..AU!son, í
Cambios de rnatería!es en los
C-S/\
Pieza \ fatcrial en C~SA --···--------------------1
P~111el
de-1
7075-T653 J
::..7
de carga C-5A C-5B
L.t t3bL..1. 40.3 muc.<~tra los c~1mbios d0 rnateriah.~s en divcrSí.i.'> cornporn::·mcs uríg.ínaron.
Lockheec! C-SA. tPRF
ducto con acubado sHperficial, precisión cfünensional y calidad aceptables.
C-SB de
Se!ecdón del proceso para fabricar lma parte
Motivo del cambio 7l75---173.51 J
Dur:1dón
princi¡n11:
F:c1.a·:; for.i;1é.b:-i
7075--F
7049-0J
BastídDrns maquinJ.dos AbrJza
7ü75-T6 Ploca 7075· T6
7U41LT73
Placa 7050·T765 I
Ldminas de fu~elaje
7il7'l-T6
7475.:fü¡
Piezas extrema'-;
Forja 7075-1'6
Rc;;i~.1ei1cia a
b;.ijo
,;orrn:;,i6n
de a!ay pilón
Ganchot- de seguro \le rampa posterior
Acé:ro aleado ·B40
Oisponibiiidad de{ material
,Prevenci'óll de la c;(mTr¡>Úfü
D6-A¡:;
,Pre~t~nC.:ífm.d~ la c;orrósi6n
Tubos hiddulicos
Acero inoxidable AM35Q
¡\cci:? ino~idapl~,2l-6'9
Abrazaderas segura$ de
Titanio 6Al-4V
Aluminio 7475·'.f61
Suponga que se le pide fabricar ia parte de h\ fíg. 40.2. Primero elche dclcnninar la función de la pieza, los tipos ck carga y de ambiente '1 los que será somcti
r~nsiünt~s
d.,;: füsebjc inferior
Adaptador de fi jaci6n
Hemos visto que algunos materiales se prteden procesar a temperatura ambiente, mientras que otros re-quieren temperaturas elevadas (por coosiguiente, la necesidad de hornos y hemnnientas adecuados). Algunos mm_eriales son fáciles ele trabajar. por ser suaves y dúctiles; otros, porque son duros, frágiles y abrasivos, requieren técnkas especiales de procesa1niento y rnateriales especiales de herran1ientas y dados_ Los distintos materiales tienen diversas características de manufactura (como facüidacl para fündirse, forjado, trabajado, maquinado y soldado) y pocos son los materiales que tienen características favorables en to-das las propiedades importantes. Por ejemplo, un material que se puede fundir o fo1jar, puede presentar después dificultades al maguinarlo, rectificarlo o eo las operaciones de acabado que se requieran para obtener un pro-
campo
vadas temperaturas), esta pieza dehe ser metálica_ ¡.Qué proceso de manufactura seleccionaría usted. y cómo iirganízaría las instalaciones para fabricar un producto a un costo competitivo y de alta calidad? Recuerde que, hásta donde sea posible, las piezas se deben producir con o cerca de su forma final (manufactura a forma neta o casi neta), método que elirnína mucho el procesamiento secundario (éomo maquinado, rectificado y otras operaciones de acabado) y de ese modo reduce el tiempo total de manufactura y el costo ia de polvos. b) recalcado, c)extrusión: d) maquinado o e) unir dos piezas separadas. Para el procesamiento a forma,neta los dos procesos lógicos a·~inplear son la fonclición y la metalurgi;i de polvos; cada proceso fone sus propias característica.;, n~ce~i~ades ele hernuni,entas y mano de obra especializadas, y costos. También, esta parte se ¡medefabrica~~on formado en frío, en ti):Jio o en caliente.
o
..............,,
~~~~~~~~~~
~ .1
Sección 40.6 / Posibiiidacles del proceso
~I
Por ejemplo, un método es recakar ( fo~jar con rnatríz plana) una barrn redónda de 25 mm ( 1 pu1g) de dhi-
i] :~ ~
n.1eLro en un dado adecuado para fornia.J el ex1re1no mayor (cabeceado}. Otra po$ibilidad es la extrusión par-
e fa] de unJ barra de 38 mm ( 1.5 pulgi de diárnetro para reducido a 25 m.m .. Nütesc
o
:~
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procesos m.oldea al m.ateóal con poco o nada de desperdicio. También se puede hacer est1parte1m1quina11do una barra de 38 mm para Qbtener una pieza de 25 mm en ella. Sin embargo, el n1aquínado durará mucho más que el fonrfa y unirlas después con soldadura. iawnado o pegado con adhesivos. Pür las operaciones necesarias para producir las rnatcdus primas, 1os costos no sólo dcpen·den dci tipo de 1mitcrid (l.ingole, polvo, barra estirada, extrusión). sino también de su tamaño y su forma iwhia 5. l ). Asi, por unidad de peso, a) las barras cuadradas wn más costosas que las redondas.hila placa iamina
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40.6 POSIBILIDADES DEL PROCESO
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En todo el libro hemos visto que cada proceso de manufactura tiene ventajas y limitaciones. Por ejemplo, la fundición y el moldeo por inyección pueden producir, en general, formas más complejas que el forjado y la metalurgia de polvos, porque el metal o el plástico fundidos pueden llenar cavidades complicadas de 1rn1trices o moldes. Por otro lado, las piezas forjadas se pueden fabricar con formas complejas, en general, con operaciones posteriores de maquinado y acabado, y tienen una tenacidad qL1e suele ser mejor que las de las piezas fundidas o de la metalurgia de polvos. Recuérdese que la forma de un producto puede ser tal que lo mejor es fabricarlo a partir de varias piezas, uniéndolas con sujetadores o con técnicas como latonado, soldado y pegado. Lo inverso puede ser lo v
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Sección 40.6 / Pos'1b1li(fades de! proceso
Capí!ulo r.JO /Aspectos competit¡vos de la ni(1nufaclurd
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f-!GURAllOA flGK..JR./\ Pusibilidades de procesos de m<:rnufactura para partes con dimensiones rnínirnas. fueníe: Schey, fntroduction to /vJ;:1rndacturing Processcs (2:.: Ed.j 1 tvlcGraw-Hi!! 1 J 987.
i. ;\. mm 0.25
0.5
0.75
rníninv..>s de sección que se pueden prnducir en forma saüsfac1mia (fig_ 40.3). Por ejemplo, con laminado (:!r frío
pueden producir secciones muy delgadus. pero con los procesos con10 la fundición en arena o fó~jachi pueden obtcnicr secciones dc.lgadas. líofouanctla :dfrner¡1sioniaJ
y acabado
Las tolerancias djmensionales
y el acabado
sup\~rfi-
ciaí (jUC se produ1,can tienen mucha jmporta11cia en las operaciones subsecuenlc.) de ensamble, y en el buen fu11donan1!cnto de máquí nas e instrumentos. Los intervalos de acabado superficial y toierancias dimensionales oblenidos por diversos procesos de manufactura aparecen en otras partes del texto, y se resumen en las figs. 40. L 35.22 y 35-23. Hemos visto que perra obtener un acabado superficial más fino y toleranciw; m:ís cerradas, puC·· den requerir operaciones adicionales de acabado. mejor control de los pa,-ámetros de prucesamiento y el uso 1
de equj pe de mejor calidad. Cuanto más cerrada sea la toleraacia dimensional requerida, el costo de la manufactura será mayor (fig.
405); también, mientras más tino sea el acabado superficial requerido, el tiempo de la manufactura ser;í mayor, y también el costo del producto (fig_ 40.6). Por ejemplo, para maquinar miembros estructurales de ale21ciones de titanio para aviones, se gasta hasta el 60% del costo de maquinado de la pieza c0n la pasada final, ¡x1ra mantener las tolerancias dimensionales y el acabado superficial correctos. A menos que se requiera específicamente de otra forma por medio de una justificación técnica y económica adecuada, las piezas deben hacerse con un acabado superficial áspero y en una tolerancia amplia que resulte funcional y estéticamente aceptables. En este sentido, la importancia de la interacción y comunicación continuas entre el diseñador del producto y el ingeniero en manufactura resultan obvias. Volumen de producción. Según el tipo de producto, puede variar mucho el volumen, o cantidad de prvducci6n (tamaño de lote). Por ejemplo, los broches para papel, tornillos, arandelas, bujías, rodamientos y
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FIGURA 110,5 Relación entre el costo relativo de manufactura y las tolerancias dimensiondles.
bolígrafos se producen en canlidacles muy grandes_ Por otra parte, los motores de propulsión a chorro para los grandes aviones comerciales, Jos motores diese! para las locomotoras y las hélices para barcos se fabrican en cantidades limitadas. La cantidad de producción desempeña un papel importante en la selección del proceso y del equipo. De hecho, se dedica todo un campo de la manufactura a determinar en forma matemática la cantidad óptima ele producción: es la cantidad económica de pedido_ Tasa de producción. Un factor importante para seleccionar el proceso de manufactura es la tasa de producción; se define corno la cantidad de piezas que se deben producir por unidad de tiempo (por hora, por mes, por año, etc.). Los procesos como la metalurgia de polvos, fundición en dados, embutido profundo, es-
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C.';:q:ii'tulo 1-1-0¡ As¡Y:cros con1pc!1tivo.s d{' l<·J rnr1nuf;1ctura
Sección 40.7 /Costos de manufactura
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FIGURA 40.6
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superficial, obtenido con diversos procesos de
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!\cahadn su¡x:rficial (¡.tn1)
i~111dición
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1~,Es capaz el m~1terfol de sufris defornrnciún a, grandes vclocidade0 sin fracturarse?
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b. ¿Tiene la gr.aJ1 rapid'-2Z de dcfrirmacíón algún efl!cto pe1judiciaI subrc las propiedades fina"Jes de la parte moldeada?
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d.
L~J vida del dado o mmriz ¡,es suficientemente ia.rga bajo las a1tas presion~s transitoria~ que se gene1an en este proceso?
2•
.;'.Puede efectuarse esta ope:·uci(in en una planta rrnmufacturera dentro de una ciuclad, o 2:;e debe hacer -.::n campo abierto?
¡
relativo de produn ión en
quepan cs:is n'wirices 1an grandes? ¿Tie.ne que fabtic1rsc la parte de una sola pi~?~a? ¡,Cu~Ues sqn los n1é10
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c. ¿Pueden mantenerse las tolerancias dimcnsionale.s dentro de límites aceptables?
f. A.rn:qut; el rormado por cxpJo?-,íón ;-,ólo rnql1iere una marríz (venwja obvia) ¿es económica la operación
lirado y lar11j¡1ado o;on operaciones de gran tas;1 de producción, En contraste, la en arena, c:l nwquinado convencional y el reclinado, el k>nnado superplástico y el pegado adhesivo y por difitsión. asf cnmo el procesarniemo de plástico;; reforzados ,w.m opcr1ciones relativamenl:c lentas.
en general?
En esta discusión geoeraJ se puede apreciar que. para cada parte o componente .se .reqtüert un 1nétodo parecido para Heg~.ir a i.a conclusión d~ cuál proceso e~ el n1ás adecuado y econümico.
Desde luego, eslas t;is
quc iuw lasa menor de producci!in no neces'1riumc111e quiere
(al
Fuerza
de inicio (ie de 1ipo cnmo de ca1Hic!ad.
fabricación de una pieza de
(b)
Dado
Pieza
por diversos métodos
Hc:11'" ,, isi<> que con frerncnci<1 lwy müs de un método para fabricaruna parte,
por ejemple,.
d siguicmc cóncgva, a partir de l;ímina metálica (li.g. 40. 7 J. E.si a panc se puede fabricar poníendo una lámina metálica entre un par de dados macho; hembra. cernindolos aplicándoles una fuerza vertical en prensa (capítulo 16). Con esté métÓdo s.e puedc:n moldear las piezas con una gran tasa de producción: .oado. ·, · es ki que_engeneraJ se llama esfompado o pren-
~na
_ ahora que e! tamailo de la pieza es inuygi!Jllde; poí: ejemplo, de 2 m (80 pulgadas) de diúrnetro, y que sólo se necesitan 50 piezas, En este .caso ha}> que reconsiderar toda la operación y comc.\!ar :J v;1rias preguntas: ¿es económico fabricar tm conjtthto,de da,c!os d,9 2 indedíiímetfo(serfan muy cos ""º í siendo Ja corrida (cantid:1d) de producción tari bctja? ¿Hay mác¡Úinas':Con <;apacidacl suficiente para que
FiGURA 40.7
Dos rnc~todos para ft1bricZlr unél µarte de J¿.ímina me1J!jca en forma de disco: (a} rrensado
con dados macho y hembra, (bi formado con expiosivO, só1o con un dódo.
40.7 COSTOS DE MANUFACTURA Para que un producto se venda con éxito, su costo debe competir con el de productos semejantes, en especial en el mercado global. El costo total de un producto consiste en varias categorías, como costo de material, de herramientas, costos fijos, costos variables, costos de mano de obra directa y costos de mano de obra indirecta. Hay varios métodos de contabilidad de costos que se emplean hoy en las organizaciones manufactureras, Las metodologías de varios procedimientos contables pueden ser complicadas (hasta controversiales) y su selección depende de la empresa en patticular y de su tipo de operaciones. Además, por los factores técni-
Sección 40.7 /Costos de manufactura
120
1121
Capítulo 40 //\speclo~:; com¡x,::li!ivos de l;i n1,111ufac:tur,1
cos y operativos qne intervienen, el d.lculo de los factores individuales de costo es dificil, tardado y no siunpre exacto ni viable. Las tendencias recientes en los sistemas de costeo (jtoo'l.ilkación de wslo) incluyen las siguientes considernciones: beneficios intangibles de mejornmientos de calidad y reducción ele inventarios, costos de ciclo ele vida, uso ele máquinas, el costo de compra en comparación con el de rentar la maquinaria, íos riesgos financieros de implementar la automatización y 1.as nuevas tecnologías disponibles. Se dobe tener en cuenta iodo lo a!llerior y mucho m:.s.
Los costos que son directamen!e atribuibles a la responsabilidad por et producto y a Ja del'ensa contra demandas han sido temas de preocupación y de discusión entre Jas partes involucradas. Cada producto rnodcrno tiene un costo agregado incorporado, parn cubrir posibles demandas de responsabilidad por el produc!o. Por ejemplo, se estima que las demandas contra los fabrjcantcs de autos en Estados Unidos le agregan unos 500 dólares ele costos indirectos a cada automóvil, y que 20%, del precio ele una escalera de mano se :,11ribLiye a costos potenciales ele responsabilidad por el producto. Los costos de los mateR·liaies se describen en la sección 40.2, y algunos datos de costos se presentan en varias tablas ele este libro. Los cosí.os de !:is herrnmien!:is son los que se incurren al fabricar he1rnmientas, dados o matrices, moldes, modelos y soportes y sujetadores especiales, necesarios para fahricar un producto. El costo de las mientas t's fuertemente influenciado por el proceso ele producción que se seleccione. Por cjcrnpio, en fundición, ei costo de las berrarnienlas para la fundición en cfado:-i a presión es mayor que para el de fundición en arenJ. De igual manera, eí custo d.c herramienla en e1 maquinado o el rectificrtdo mucho menor que en !a metalurgia de polvos, el fo1jado o !a extrusión. En las operaclones de Jnaqui11ado, his herramientas de carburo son más costosos que las de acero para ait~i velocidad, pero su vida útil es mJynr. Sis(;; va a fabricar una pieza por rechazado, el costo de hcrrnnüe~lta con el rechazado convencional e,<.; muchr1 menor que con e.l rechazado por cortante. Las herrarnientas para formado de hule son menos costosas que ln~1 p
TABlA 40.5
Intervalos aprrncimados de precios de máquinas
Tipo de maquinaria Brocado Taladrado Descarga eléctrica Electromagnética y electrohidriulica Modelado por deposición Je fundido Tallado de engranajes Rectlficado
Cillnclr!co Recto Cabeceadoras Moldeo por inyección Barrenado Taladro de plantilla Barrenado hor~zontal
Sjstema flexible de m.anufo.ctura Tomo AutomúL1co de uno y varios husmos
Intervalo de precio (miles de dólares)
Tipo de maquinaria
Intervalo de precio (miles ele dólares)
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Fresado Conformado de anillos
50-1000 20-250 10-250 500
Robots Laminado Formado con hule Eslereolitografía Fmmado por esürado Máquinas de transferencia
20-200 5-100 50-500 80-200 400-> 1000 l00->1000
lü-300
Centro de maquinado
10-100 30-150 50-150
Prensa mecúnica
60-120 100-200 40--150 20--100
!00-150 30-150 50-150 !00-400 :>1000 10-100
Soldado
Haz de elec1.rones Puntos
Ullrasónico
200--!000 10-50 50--200
30-250
Vertical de revólver l 00--400 .---·--------------·-------Nota: Los prcci
ele producuón, parajusti.ficar tan grandes gastos y mantener los costos de en o por abajo del nivel competitivo. Se pueden lograr menores costos unitarios con cont.imia, tocio el día, pero sólo Es esencial el mantenimiento adecuado del equipo para asegurar alta promientras la demanda lo ducüvidad (véase la sección 38.2.7). Todo desperfecw en la maquinaria que cause tiempo muerto puede ser muy cosioso, en forma característica desde algunos cientos hasta miles ele dóiarcs por born. Los costos de mano de !li:JJra se dividen en general en mano de obra directa e indirecta. El costo de mano de !lbrn diireda es para el personal que interviene en forma directa en la manufactura de la parte (man.o de obra En este costo se incluye toda la mano ele obra desde que se manejan por primera vez las materias primas hasta cuando se termina el producto. A este periodo se le suele llamar tiempo de piso a pis-0. Por ejemplo, el operador de nna máquina toma una barra redonda de un anaquel, la maquina para formar una bmra roscada y la pone en otro anaqueL El costo de mano ele obra c!ireda se calcula multiplicando el sueldo por hora, incluyendo las prestaciones, por el tiempo que el operador dura prodncienclo la pieza. El tiempo necesario para producir determinada parte no sólo depende de su tamaño, forma y exactitud dimensional, sino también del material de la pieza_ Por ejemplo, se elijo en la parte IV que las velocidades de corte para aleaciones de alta temperatura son menores que para el aluminio o los aceros al carbono. En con·· secuencia, el costo de maquinar materiales aeroespaciales es mucho mayor que el de maquinar aleaciones más comunes, como las de aluminio y aceroLos costos de mano de obra indirecta son los que se generan para dar servicio a la operación total de manufactura. El total está formado por actividades como supervisión, reparación, mantenimiento, control de caliclac!, ingeniería, investigación y ventas; también incluye el costo del personal de oficina. Como no contribuyen en forma directa a la producción de piezas, o sns gastos no se pueden cargar a un producto específico, a esos costos se les llaman generales y se cargan en forma proporcional a todos los productos. El personal que interviene en esas actividades se considera como mano de obra no productiva.
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Ca¡)Í1ulo ~¡.() / As¡K•Clo~ cornpcl.itivo;; ck~ ),1 m
Sección 40.9'/ Ingeniería de~ vJ!orcs (del vaio!' intrínseco)
40,fl
DE MAN
1123
e, Uscu· materiales menos costosos. d, Investigar métodos alternativos de manufactura.
Uno de los faclorcs más importa1Hes de los costos de manufacturn es el volumen de producción. Es obvio q11c un gran volumen de producción requiere grandes UAsas de producción. A su vez, rai:l grandes tasas de producción requieren el empico de técnicas de producción en mw;a, que implican maquinaria especia! (m.aquinaria dedicada) y emplean una proporción menor de mano de obra directa, así como pbntas que trabajan dos o lres turnos. En el otro extremo., un volumen pequeño de producción implica una intervención mayor de !a mano de übr:.i directa.
e. Usar máquinas y equipo más eficientes. La introducción de más automatización y tecnología de punta en una instalación manufacturera es un método obvio de reducir algunas clases de costos. Sin embargo, este métodü se debe acometer con el cuidado debido y sólü después de análisis económicos o ele costos y beneficios, con datos confiables y consideración ele los factores técnicos y humanos que intervienen. La implementación de !a tecnología avanzada, que puede ser muy costosa, sólo se debe hacer después de un análisis corn[Jl<,lo de los factores más obvios de costo, en Ja técnica llamada retorno sobre la inversión. El lector habrá notado, sin duda. que al paso del tiempo han bajado los precios de algunos productos (como calculadoras, computadoras y relojes digitales), mientras que los de otros produclos (automóviles, aviones. casas y libros) se han elevado. Esas diferencias son el resultado general de cambios en los diversos costos p
Con10 descrlhimos en Ja sección 38.2, la producción en lotes pequefios ~e efectúa norrnalmente en rná.quinas de propósito general, como tornos. fresadoras y prensas hidráulicc1s. El equipo es versátil y se pueden producir p¡u·tes con distintas formas y tamaños, con cambios adecuados@ ias herramientas. Sin embargo, iüs costos de mano de obra directa son altos. porque esas rn8.quinas suelen ser manejadas por personal capa-· citado.
Para mayores cantidades (producción cn lotes medianos) se pueden equipar !as misnias máquinas de propiisito general cün diversos soportes y sujetadores, o tener control computarizado. Las alternativas importan1.es parn reducir müs los costos son los centms de maquinado y los sistemas nexibles de manufactura. En generlJ, para I00,000 piezas o más, !a~, máquinas se diseñan parn fines específicos y ejecutan una Jjversiclad de operaciones específicas con muy poca mano de obra directa. 1
Lu reducdón rle costos se plan!c2 en la fon11a en cómo se rclacúman ¡os costos que describirno~ arri-ba. y los tostos relativos dependen de muchos factores. En consccttencia, eJ costo unitario dci producto pue-· mucho. Por ejcrnpl0, algunas parte:-,; '>t: pueden hacer con m
Diseno fvI.atcrialcs ~/Iano d(; obra directa
Costos indirectos
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lr~GENI
DE VALORES
Hay vr:u-ias áreas de actividad en la manufactura, en 1as que es posible reducir costos. La 1nanufuctun1 agrega valor a los materiales, cuando se transforman en productos discretos y después se venden. Como esle valor se agrega en etapas individuaics durante la creación del producto. es importunle L\Sar la ingeniería de valores (anáíisis de valores. wmrol de valores y administración de valores). Lu ingeniería de voforcs es un sisLema que evalúa cada paso en el diseño, materiales, procesos y operaciones en la manufactura de un producto que llena todcis sus funciones que se pretenden~ y lo hace al mfnirno costo pnsibk. Se establece 1m valor monetarío para cada uno de los siguientes atributos del produclo: a) valor
30% a, La fase de informadón, para reunir datos y determinar costos.
En la década de 1960, la mano de obra ocupaba hasta 40% ele! costo de producción; hoy puede bajar llm: la 5%, dependiendo del producto y del nivel de automatización. Nótese, en la clasificación de arriba, Ja con" iribución tan pequeña de la fase de disefio; sin embargo, en el sentido detallado de diseifo para manufacturo y ensamble, incluyendo la ingeniería concurrente, la fase de diseño tiene, en genera!, la máxima influenci8 sobre la calidad y el éxito de un producto en el mercado. Se pueden lograr reducciones de costo mediante un análisis detallado de todos los costos incurridos en cada paso de Ja manufactura de un producto. Los métodos que se emplean se describen con detalle en algunas de las referencias bibliográficas al final de este capíllllo. Hemos subrayado las oportmiidades para reducir costos, en varios capítulos de este libro. Entre ellas están las siguientes:
b. La fase de análisis, para definir las funciones e identificar las áreas problemáticas y las oportunidades. c. La fase de creatividad, para buscar ideas que respondan a Jos problemas y las oportunidades, sin juzgar el valor ele cada idea. d. La fase de evaluación, para seleccionar las ideas a desarrollar, y pma identificar los costos incu!Tidos. e. La fase de implementación, para presentar hechos, costos y valores a la administración de la empresa; para desarrollar un plan y para motivar una acción positiva. todo ello para obtener un compromiso de los recursos necesarios para lograr la tarea.
f. La revisión de todo el proceso de análisis de valores y de los ajustes que se puedan necesitar. a. Simplificar el diseño ele piezas y la cantidad de subensambles necesarios. b. Especificar mayores tolerancias dimensionales y permitir acabado superficial más burdo.
La ingeniería de valores es una actividad importante y muy general. La suele coordinar un ingeniero de valores y se efectúa en conjunto: personal de diseñadores, ingenieros, control de calidad, compras y merca-
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Ca¡;ílulo 40
I A.spectos competitivos de la rnanufadurJ
Sección
dotecnia. así como los directores. Parn que sea eficaz la ingeniería ele valores, debe tener todo el apoyo de la ai1-a nd.rninislración de una empres~1. La implementación de la ingeniería de valores en la manufactura da como resultado ventajas tales co. mo una apreciable reducción de costos, menores tíempos de inicio, mejor calidad y mejor eficiencia del produclo, menor peso y tamaño del producto y menores 1iempos de manufactura. Para evaluar en forma conecta el valor de cada paso en la mannfacLura ck un producto) habrá que responder a vaóos grupos de preguntas: DISEl;:IO DEL PRODUCTO
¿Puede simplificarse el diseño del producto sin 3fcctar en forma adversa sus funciones pretendida.'.',' ¡,Se han investigado lodos los diseños alternativos? ¿Pueden dilninarse las características innecesarias (o algunos de sus componentes), o combinarlas cou otras? ¿Puede ser más pequeño y más ligero e) di· sefio?
2. ¿Son necesarias 1a~ tolernncias dimensionales y el acabado superficia~ especificados? ¿Se pueden aílo-· jar? ¿Scrú dlffcil ensamblar y desanna:r el producto, para su mantenimiento, reparación o reciclado? ¿Se 1111-" riimizó h¡ cantidad de sujctadore~;?
;,Debe fabricarse en fa plan la cada con1ponente de1 producto? ;,s~ consigue11en1.::l comercio nlgunas dt: su:,: p~.irtcs corno artículos esuindar, en fuentes externas?
4o.9 /Ingeniería ele valores (del valor intrínseco)
Ejemplo: ingenierfa concurrente para recipientes de soluciones intravenosas '•, ,, ''"hcarc fabrica mú' de un millón de recipíentcs para solución intravenosa (!V) por día. en Estados :;e m•an en terapias críticas del cuidado de la salud. Reconociendo.qt¡e hs v.idas de los pacientes de h entrega segurade soluciones médicas, se regula mucbo la introducció_n de productos nuevos o mejorados. mediante normas internas de la empresa y por las agencias gubernamentales en el exterior. U11 proceso bien definido de desarrollo ele producto proporciona el marco de referencia para cumplir en forma consisti:ntc con los requerimientos reglamentados de calidad, co11fiabilidad y discflo de manufactura. Lo rn:is importante es que un ambíente de ingeniería concurrente catali1.a el proceso de desmTollo para mini-· 111.izarr:l co»to dd mismo dcsamillo y el tiempo para llegar al mercado. En Ja década ele ,1990. la empresa enfocó sus actividades de desarroll.o hacia un nuevo conjunto de nrntcríales para contenedores IV flexibles. Se esperaba que el sistema de contenedores que se desarrollaba rucra mús amigable al ambiente. compatible con ,una mayor variedad de nuevas medicinas para cuicladc,,.; críticos. qLtc rebasara todos los requerimientos de calidad y que siguiera,sicndo económico. Algunos de los asuntos clave de diseño que se ven en la tabla permitirían que el producto fuera seguro para Jos pacientes y se mtmtuvicra la viabilidad económica.
'*
ímplerrn.:'.nta1-el nuevo productil .con el equipo y el
Propmcl{mar vi1.L fí:-::ic::i. y quírnic:1 en e! almar:én hasta v«rin.s ,J\10<;. afectar ia s
Ll~ <©
rnatcri<.iks sdecclonados, ¡,tic.:ncn propiedades que ~nnecesarü1n1entc sean mejore:~ que los rcquci J. micntos y las cspec;ificacloncs n1foüna~;?
¿Pueden rccrnplazarsc algunos nmterialc:s por otros que sean rnenos costcisos? Los rnalcrialc:·« G1.:kccionados, ¿tienen !as características adccw1das para L1 manufactura?
;,Se deben pedir !a~; in;;.teriw) prirnas en tam::.ü1o:~;, dimcn~.:.ioncsl acahwl
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Pcrrr:iür b adidón y ina.clado de diye:r;;;;s
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PROCTSCY; DF Mf\l'IUFACTUR,A,
rn.
¿Se han investigado Lodo;; los procesos de m.:inufactura alternativos?
lL ¿Son económicos los métodos elegidos para el tipo de materiaL forma a producir y velocidad de pro· ducción requerida? ¿Se pueden cumplir en forma consistente los requerimientos de tolerancias dimen s.ionales, acabado :;uperticial y calidad del producto? 12~
¿Se puede formar o moldear la parte a sus dimensiones finales sin necesitar el uso de procesos de re· moción ele material? ¿Son necesarios el maquinado. los procesos secundarios y las operaciones de aca-
bado? 13. ¿Se con:;igue en la planta la herramienta requerida? ¿Se puede comprar como mtículos estándar? 14. ¿Se producen clesechos'I En caso afirmativo, ¿cuál es el valor de los desechos? 15. ¿Están optimizados los parámetros de procesamiento? ¿Se han explorado todas las posibilidades de automatización y de control por computadora, para todas las fases de la operación de manufactura? ¿Se puede implementar la tecnología de grupos para piezas con atributos genmétricos y de manufactura semejantes? Hi. ¿Se han implementado en forma adecuada las técnica~:de inspección y el control de la ca1ídad?
1125
de
mccii~m1i.:ntos.
pcrnonai de pluma existente:~. Pernririr Ja rmmüfactura del productn con capw:::idadc:.; h~1;:Lc.i
~t~~~~;¡'~t~~~:~1~.:~~~:::: ~~~:r;1~~:· y licrr:·1, en úrc~s tan üivi.;,rs;i;-.; cn:110 :'\ril'on:1 y Ah1.ska.
'fl equipo en matriz. Dada la gran 'cantidad de requerimientos, Bax1cr fórmó un equipo rnuilifuncionaJ de inús de 25 pc-rsonas. Corno indicaban los requerimientos y los Objelivos, miembros de los equipos de mercadotecnia, manufactura y dcsan-ollo trabajaron hombro con hombro con especialistas en Ja ci,encia de materiales, asuntos ele regí amentos, asuntos clínicos. toxicología. estabilidad química y aseguramiento de Ja eslerífafad. Los miembros del equipo de! producto reconocieron, cada uno. su responsabilidad en el éxito o fr
El equipo activo. Todos los miembJ·os del equipo contr\buyero11 en la definicífüide los requerimientos maestros, durante la fase de co'nceptualización del producto. Todos los miembros de los equipos condujeron lm; actividades de prueba y desarrollo dentro de sus campos respcctívos, y las comuniearona1 equipo general dur;inte la fase de desarrollo. Todas hL'i disciplinas ofrecieron y acep· taron críticas en la revisión de los diseños del producto o del proceso en las principales etapas d~ desarrollo. Todos los miembros ele, los equipos se aseguraron de que los diseños del producto; Jos rnétodosde evah¡ación de la.caJidad y ,las tecnicas ele fabricación se transfirieran en fonna e.ficiente a las. plantas designadas duranté la fase de impk:mentación. El equipo del productó evitó iteracioc nes y revÍsi()nes (hmteos) costosas del diseño, y minimizó la ínultipÍicación de,esfuerzos conser· vandO UÍl equipo activo y unido entodo el procCS():
f -~ 26
13ibliogr<1Ífa
Capítulo 1.JO / Aspeclos cornp("~1ilivos d(' 1<1 rndnUfdc:lur,1
e Hay una necesidad cada vez mayor de reducir el tiempo neccsaiio para el desarrollo de los productos y su introducción al mercado.
E! equipo virtual. 1\;luchos miembros ele equipo estaban en plantas mminfacturcras o en ccn· tro'-1 de desarrollo en el norte del estado de IH~nois en todO Esl~1dos Unidos. Por neccsida(~ !as juntas Je los equipos se hicieron por teleconferencias y vidé(iconfe~encias, con lo que también se minimizaron los gastos de viaje. El correo electrónico permitió una coinunicacitin rápida y arnpii11 de los asuntos y resoluciones urgenLes. Se partir documentos y copias de diseño, con lo recientes avances en el proyecto. El equipo personauzo el desarrollo concurrente de 11ucvos ·materiales.
" La SLLSlÍlución de materiales y las modificaciones al diseño de los productos son temas que continúan estudiúndose con detalle, e implementándose cada vez con mayor frecuencia. Hoy en día se consiguen diversos paquetes de programas para ayudar en el proceso de selección y en la optimización de las operaciones de manufactura.
., La ingeniería ele valores continúa siendo una herramienta poderosa para reducir costos y al .mismo tiempo mejorar la función y la eficiencia ele los productos. " Continuarán siendo aspectos muy impmtantes de la actividad en las empresas la ingenierfa concurrentei e) diseño para manufactura, armado, desarmado y reciclado, así como la manufactura consciente del ambiente.
Artículos terminados. El esfücrz.o de ingeniería y
cquipr)s. dio como resultado Ja introducción de un producto ensólo·tres años. Se desarrollaron nuc· vos materiales y componentes que cumplíeron con todos los requerimientos de proceso y de pro· duelo. y en último término satisfacieron 1as necesidades del paciel)tc. El nue\>ü ptoduclo ruc: transparente y los profcsionistas en cuidados al pm:iente continum·oil capaciüím)ose y desmn>· llando sus habilidades técnicas. El desecho del productb tom6 nuevos horizontes; los nuevos 1rn1· tc1iales se pueckn desechar o reciclar con seguridad. La confiabilidüd y fa satisfacción del usu,ufo p~rrnancc1eron altas. Los nuevos mak'riales eran compatihles Con vn gran conjunto de medkinn:·, en formato de soiución, empacadas en contenedores IV. En reaJid~d~ el .éxito del equipo se rn.cdi n.i con la cantidad de productos adicionales ser~.'ín introdtH;j~os en los próximDs años. Fucute: Kcith Anderson, Baxter Corpo'rátion y Shc1ly Petro~is, antes en t3axH-·1 1-kal1.h1..·~.;re Curporatioll, hoy en Zim;ncr lnc .. una empr~sa Squibb.
TÉRMINOS CLAVE Anúlisis costo-beneficio Bases de dalos inleligcntc:;\ Cantidad Gconómica de pedido Costo;.; fijo'.-> Costos relaüvus Desechos
inJircctos íugenic:rla de v;.dorcs
Los aspec:tos competitivos de la producción y íos costos son de las consideraciones más importan les la manufacturél. Independientemente ele lo bien que un producto cumpla con las especificaciones de sf~fio y las normas de calidad. t~unbién ckbe cumplir con criterios ccon61nicos para ser COff'1petitiv~.; ..~~1 e1 mercado nacional y global. El cosLo lota! d~ un producto incluye varios elcm.entos, como coslo de n1ateria!es, de herrarnienias, capiuiL de mano de obra y de gastos indirectos. Los costos de rnateriales se pueden reduclr mediante una selección cuidadosa, para que se pueda identificar y usar ci material menos costoso: sin cornprnmetcr los requerimientos de diseño y de servicio, las funciones, especificaciones y normas para ia bue na calidad del producto. ©
Justificación de costo Mano de obra directa lvíano de c
" La automatización requiere grandes gastos de capital; sin embargo, una instalación productiva bien pla· neacla puede aumentar mucho la productividad.
TENDENCIAS 1
:j i
1
j¿
Tiempo rnuerlo
Valor Volumen de producción
Retomo de la inversión
Addioon-Wesley, 1991. <> La naturaleza tan competitiva de Jos mercados nacionales y globales continuará desafiando a los ingenie-
Tiempo
Máquinas dedicadas Posibi!idacics de! pnwcso Reducción de costo
U.M .. Design .fór Ma11i~/úcf1.1rabili1y, Optimi.úng Cosí, ()uolity, am.I Timc-·lo·.flfurlu't. ClM Pres.s, 199 ¡. ASM f-lnwibouk. Vol. 20: f1rfureri.ols Seleciiu11 and Dc.l"i,1~n. !\SM Inlernation.a!, ! 997. Bnxtcr. l'ví., Pr.or.!uct Dcsign.: A Pmctfr·ul Guidc ro Sysum1a!Ü: JYh:thods (~j'New Pmduct Dew?Íopment. Chaprnan & HalL 1995. Billalos, S., and N. Ba:-;aly. Green Techno!ogy and Desf.~nfor rhe HnvirmuneJlt. Taylor & Fnu1ci.s, 1997. Bleach, R., Pr(lduc1 Design and Corparate Strategy: /llfonaging 1hc Conneclion for Cornpetilive Advantage. McGraw-Hill, 1993. Boothroyd, G., P. Dewhurst, and VV. Knighl, Producr Design /br Manufacture a/1(1 Asscmbly. Marccl DekkeL·. 1994. Bralla, J.G., Design for Malll"(fácturabi/ity flandbook. McGraw-Hill, 1999. Cattanach, R.E. (ed.), The Handbook 0 ( Environmenta/ly Conscious Manufacturing. lrwin, 1994. Corbett, J., M. Donner, J. Maleka, and C. Pym, Design for Man14"acture: Strategies, Principies and Techniques.
" Se ban establecido lineamientos para diseñar artículos cuya producción sea económica. Aunque ios costos de mano de obra se vuelven cada vez un porcentaje ménor de los costos de producción, se pueden reducir más usando maquinaria automatizada y controlada por computadora.
Tasa de carga Tasa de producción
1\!Inno de obra no productiva
/~nder.son.
Los métodos importantes para reducir costos son sustitución de n1aLeriales: modificación deJ diseño r.k! producto y la reducción de las tolerancias dimensionales y requerimientos de acabado superficial.
ros de manufactura a reducir los costos del producto. Estudios recientes muestran gran potencial ele reducción de costos en materiales e indirectos; una oportunidad está en los cambios organizacionales de la empresa.
1127
Demaid, A .. and J.H.W. DeWit (eds.), Case Studies in Manu· facturing With Advanced Materials. North-Holland, 1995.
Deltrncr, \N.H., Breaking the Constrainls 10 V\iorld-C!ass Pe1/ormancl:!. ASQ Qua[ity Press, 1998. Erhoin, C., and ."l. Slark, Con1peiin.g b),.. Dr:'sign: Crcati11,g Vah1,z' and 1'V!arket Advaniage in Ncrl' Product Devcloprnení.
Wilcy, 1995. Farag, M.l\11., Ma!crio!s Selection for Engineering De.úgn. Prcntice Ha[L 1997. Fleiscbcr, I\!L and J.K. Liker. Concurrem Engineering E.~fectiveness: !n.teg1nting Product Development 11<:1vs.1 Organizations. Hanser Gardner, 1997. Ghosh, A., Y Miyarnoto, f. Rcimanis, and J.J. LannuUL FunctionaL!y GrodedNiaterials: Manufacture, Pmperties, andApplications. Americm1 Ceramic Society, 1997. Gracdcl, TE .. and B.R. Allcnhy, Designfór Environment. Prentice Hall, 1997. Halcvi, G., Restru.ctu.ring the Manufucturing Process: Applyin.g the Matrix Method. St. Lucie Press, J998. Hartley, J.R .• and S. Okamoto, Concurrent Engineering:
Shorr.ening Lead Times, Raising Quali1y, and Lowering Costs. Productivity Press, 1998. Kmetovicz, R.E .• New Product Developm.ent: Des;gn ond Analysis. Wiley, l 992. Kusiak, A., (ed.), Concurren! Engineering: Automation, Too/s and Techniques. Wiley, 1993.
l12"8
Capf!ulo 40 / /\spectos cornpef.ilivos de k1 rn;¡nufricrur« Síntesis y diseño
1129
Lcsco, J., !ndustrin! Design: Cuide to lV!aterials ami ""'""""'"-" Van Nostrand Reinhold, 1998. Magrab, E.B., lntegrated Product ami Process Design mu! DeFelopmem:: CRC Press,
1997.
JVimher, H.,
Press. 1993. Paaslmis, V., 1lu1 01:ganization of Integrated Prod11.ct. Development. Springcr, 1997. Park, R.J., Value Engineering: A P!anfor lnven.tion. Sr. Lude Prcss, 1999. Park, S., Robust Design Chapman & Hall, 1997.
Engineering.
Prm;ad, B., Con<·urrent Engineering Fundamentals (2 vols.). Premiee HalL 1995.
Pugli, S., D. Clausing, and R. Amlrade (eds.), Creatin¿:: lnnovalive Producrs Usi1111 Toral Design. Adclison-Wesley, 1996. Pugb, S., Total Design: fntegrared Merhods for S11ccess[U/ Product Engineering. Addison-Wesley, 199l. Rnnky, P.G., A.n Iniroduction lo c.<,•ncu"u<<; J
<~/ Cmu:urrent L'npina'ring Products am) Pracesscs, V1/dey, J.g97.
Shina_ S.C. (cd_)_ Succr.q'fúi !mpfemcnfalion
Sims, E.R., .Ir., Precision
Co.1·ting. 1Vlarccl
PROBLEMAS CUALITATIVOS
Dekker, 1995. Sto11, H. W., Product Design 1Wethods and Pruuices. iVIarcci Dekker, 1999.
40.:µ5 Explique por qué mientras mayor .sea la cantidad por paquete de produclos alimenticios. el costo por unidad de peso será menor.
Switt K.G., and J.D. Booker, Process Se!ection: Fmm Design ro Manufácture. Wiley, 1997. !Vh:mi.1ac·rw·m~ Engineers Handbook (4th ed.), Vol. 7: Continuous lmprovernent. Society of fv.IanufacLurin{'. Engineers, 1993.
40.16 Expiique por qué el valor de la chalarra producida en un proceso de manufactura depende del Lipo de material. 40.17 Haga comentarios sobre la magnitud e intervalos de los desechos, que aparecen en la tabla 40.2. 40.18 Presente sus observacion.cs acerca de la informacíón de la tabla 40.4. 40J_9 Además del tamaño de la máquina ¿qué factores inlervienen para determinar ei intervalo de precios en cada categoría de máquina en la tabla 40.5?
Mc11w¡ac:n11·mg Engincers Hcmdhook (4th ed.), \t()l. 6:
Designfor ManufQcturabi!ity. Socicty of l\1anufacturing Engineers, 1992.
40.20 Explique cómo se puede justificar el alto costo de algunas ele las máquinas de la tabla 40.5.
Handbook (4th ed)., Vol 5: Manujácturín.g Engincering Managernent_ Society Manufaeturing Engineers, J988. Ulrich, KT., ancl S.D. Eppinger, f'roducr Desig11 and Developmeiu. McGraw-Hill. 1995. Walker, J.M. (ed.), Handbook Engineering. Maree! Dekker, l 996. Wang, B.. lntegrated Produc1, Pmce.\~s·. Chapman & Hall, 1997.
40.21 Explique las razones de las posiciones relativas de las curvas en la fig. 40.3.
Wcnze], H., M. Hau.schild, and L Aiting, En.vironmenfr.r.l Assessment of Products. Vol. l Chaprnan & HaJJ, 1997.
40.27 Presente sus ideas acerca del reemplazo de iatas de aluminio para bebidas por lata.s de acero.
or
40.22 ¿Qué factores intervienen para determinar la forma de la curva de la fig. 40.5? 40.23 Sugjera cómo reducir [a dependencia entre el tiempo de producción y el acahado superficia] (se ve en !a fig, 40.6). 40.24 ¿Siempre es de:-:;eablc comprar materiales que se acerquen a las dimensiones finales de una parte que se vaya a fabricar? Explique su respuesta y describa algunos ejemplos. 40~25
¿Qué acción tommía usted si ::.e volviera poco fiable el abastecimíento de una materia prima seleccionada para una línea de productos?
40~26
Describa los problemas polenciales que implica reducir la cantidad de materiales en los productos.
40.28 Entre e! momento en que ~~e contrata ua empleado y cuando termina su adiestramiento, hay un tiempo durante el cual el empleado recibe su paga y SU!', prestaciones, pero no produce nada ¿Dónde se deben catalogar esos costos. enlre !as categorías que Jcscribimos en este capúulo?
'vVenzel, H.. and M. HauschiJd, f.:.Jwimnm.ental IL\·scssment r~/ Producís, Vol. 2. Chaprnan & Hall, 1997. V·/ocppcL fv1 .. The iV!ant~faclurer's Guide tu lmp!en1c11tin¡; tl1:' Tf11.:ory ofConsfraints. St. Lucic Pre.ss. 1999_
40.29 ¿Por qué hay una fuerte tendencia en la industria hacia la práclica de la manufactura a forma casi neta?
40.30 Estime la posición de !os procesos siguientes en la fig. 40.6: a) rectificado sin cenLros, b) maquinado electroquímico, e) fresado químico, d) extrusión. 40.~lJI
La fig. 40.5 muestra una relación entre coslo relativo y tolerancia ¿Qué propiedades de las partes manufacturadas se podrían sustituir por tolerancias
4032 lo'.-i
i fog:i tUlil iisr:i y describa!<;.;; principales cn11sidcrneiones que inlervi::1ien en la sciecrió;1 de los matcri<;· le:'> Uc los produdos.
la sección 1.10.7 hay una descomposición de costos en el ambiente manufacturero actual, donde se dice que los cosele; discüo sólo contribuyen con un 5% del costo lotal. Explique por qué es razonable esta ilfirmaclón.
--------------·--·--·-
¿Por qut' es importantc1 cnnornr las forma:' disponibles de Jos rnatcriilles'/ Describa cinco ejemplos Describa lo que quiere decir "propiedades de rnanui"actura" de los matcriaies. Describa tres ejemplos que demuestren Ja importancia ck; e;;la infnrm.acf.ón. ;,Por qué es la emstitución de n-mlcriale.s un aspecto importante de la ingeniería de m;111ufacturn·1 Dcst ba cinco ejemplos lomados ele SD propia experiencia y ohservaciones.
40..33 Como pw,~dt: usted ver, la tabla 40.4. acerca de los procesos de manufactura. sólo incluye metales y sus aleaciones. Con hase en la información presentada en este libro, y en otras fuentes, prepare una tabla parecida. pero para materiales no metálicos, incluyendo cerámicos. plásticos simples y reforzados, y materiales compuestos con matriz de metal y con matriz de cerámica.
:·1
40.5 ;,Por qué la sustitución de materiales ha sido cspecü1lrnen1e crítica en las
40.34 Revise la fig. 6 de la Introducción general y presente sus ideas acerca de los dos diagramas de flujo ¿Haría usted algunas modificaciones? En casü afinnatívo ¿cmi.les serían?
4'
40.35 A través de los años, muchos productos al consumidor se han vuelto obsoletos, totalmente o casi, como por ejemplo los teléfonos de disco, los sintonjzadores analógicos de radio, los tocadiscos y los tubos al vacío. En compensación han entrado al mercado muchos productos nuevos. Haga una lista detallada de productos obsoJetos, y una de productos nuevos. Comente las razones de los cambios que haya observado. Describa cómo han evolucionado los distintos métodos y sistemas de manufactura para poder fab1iear los productos nuevos.
procesos específicos y diferentes Je ma-
40.8 ¿Es importante el volumen de producción en la selección del proceso? Explique su respuesta. 40.9 Describa la8 ventaja;:;, si la.e; hay, de largos tiempos de inicio en la producción. 4(),11) ¿Qué quiere decir cantidad económica de pedido'!
40,36 Seleccione tres productos diferentes, y haga una relación ele los cambios en sus precios durante los últimos diez años. Explique las razones de los cambios.
40. l J Describa los costos incurridos en la manufactura. Explique cómo podría usted reducir cada uno ele ellos. 40.12 ¿Qué es ingeniería de valores? ¿Cmlles son sus beneficios?
40.37 La fig. 2.1 muestra la forma de un espécimen característico para prueba de tensión, con sección transversal redonda. Suponiendo que el material inicial es una barra redonda y que sólo se necesita una muestra, describa los procesos y la maquinaria para fabricar el espécimen, ineluyendo sus ventajas y limitaciones relativas. Describa cómo se puede cambiar el proceso que usted seleccionó para tener una producción económica a medida que aumenta la cantidad necesaria de especímenes.
40,13 ¿Qué quiere decir negociar? ¿Por qué es importante en la manufactura? 40.14 Explique la diferencia entre costo de mano de obra directa y costo de mano de obra indirecta.
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Síntesis y disf·no Capítulo "t0
I /\:;pecio:-, cor:1pctitivo'.> ck: i.1
1131
rncrnulctclu1-,1
0W.3g L.,;¡_ lahla 40. l mul'.stra una lisia de vario~ malcrialc<.> y <.>us formas cnrnerciales. Prcgunt.G
lm; proveedores y aurn1..:11te e:-;t;J lista par
40.39 Selc.cclone lrcs pniductos dis1·inLos que se cncuenlrcn con rrccucncia en el hog:1r. Describa sus opiniones acerca de a'¡ qué materiales se usaron en cada producto. y por qué; b) cómo se fabricaron los prnduclos y por gu6 se. usaron 1~~.0:-; procesos particulares de manufactura. Revise los componentes hajo el cofre de su aulornúvil. fdenlifique algunas partes que ::;e hayan producido a forrn:1 la o ca~;i neta. Comen!c los aspectos de diseño y de producción de esas piezas, y cómo logró el fabricante !a condición de forma casi neta.
f. g.
Soldado o colado para cslructuras de máquinas herramienta. Laminado J.c roscas o maquinado de roscas para lorni\io~ en aplicación de aha resistencir..i.
h.
Tcrmoforrm11· un plásticci o rnolde,ir un t.crmofijo pma fabricar un <.lí-,pa de ventilador domésticu.
La :;iguienlc figura muestra una parte de J{uninu de acero. Describa cómo se podrfa hacer y cúmo cambiarla su selec40.5.li ción del proceso de manufactura a) nwndo la cm1tidnd de parte.-; reqw:'.ridas ai:m~ntc de diez a nülcs, oh) cuando !a \r:1ng!íud de la parle aurncnt;.ira de 2
:1
20 m.
,:fü.41 Cn1Y1cntic. acerca de las diCerencias, ~;i !as hay, entre 1os diseiíos, materiales y !os métodos de procesamiento y ensam . ble para fabricar productos como herramienta~ y escaleras de mano, para uso profesional y para uso de! consumidor, Aclern;:is
!:i-~.
prensas que ,<.e
40.44 En la fig. 22. l se ven las posibilidades de algunos procesos de maquinado. Revise las diversas formas producidas :mgiern procesen.: altcrnat-ivo~;. Comcnlc acerca de [as propiedades de los matcrbles que podrían inJlnir sobre sw: ;-;u-· gerencias. Si bs dímcnsiones de l::i parte en el problema .:J.0.4~ fueran a) diez veces mayores, b) cien veces mayores, ;,cómo cm:1b1~1rf;1 Sll respuesta? -~_,a
figura W, en lii Introducción gcnern1, rnuestn> una !'llL~nsu!;J de acero que ,-:-;e puede fabricar por fundi.:..:ión o pando lán:limt metálica. Describa la secuencia y !os procc:~os de manufactura que ~:e m:arían para fabricar ia parte con cada uno
En i~i fig. l de !a introducción general se ven dos motores de reacción, y también en la Cig. 6. l. Con base en J.o,, !~~ mm. que describimos en este libro, sekccione tres componentes individuales cualquiera de eso,'.) motores y de~-:crih;t !o;.; matei-jaJes y los procesos que usarú1 u:-:lecl parn fabricarlos en cantidades, por ejemplo, de 1000. Rccuetlk que e~,a·~ pic1~<1s se debcu fabricar con co~;to míninm, pero mantener ;Ji!a su calidad. inlcgridad y fiahi!id<..td. [)escriba te;.', cnmprornisus que implica scleccinm1r entn.'. dns rnateriaJe!; para cada Bmd11~s
siguit.;nü;:~
ap¡ic;(z.::or c:.::
for~jados
o fundid,ls.
F:iehis frnjach'\ o hechas con de
int~rruplor
rnetalu(~:::ia
de Ju:;. de
Je polvos.
pla~,1Jcn" 1.lc
c.
.larras de <:1gua de vidrio o de mclíti.
g_
Clavos de acero o de cobre.
Limin;_¡_ mdcilica.
Ti.pones de rueda de lámina rnct:Uica o fundida. h,
Mangos de rnartiJlo de madera o de metal,
L
Sil !rts
dt~
100
1
de papel de acero o de piüs1i(·o.
Cigi_idfale:·; F~;cudm:
de la.;;
L:t parte de Ja f1gur.::1 siguiente es un segmento de engram\je (engranaje parcial). El oriricio menor en la ¡xu·Lc inf'crior p~trn 1\im !a parte en un ejt;:; redondo. con lomillo y Luerca. Sugiera una serie de procesos para fabricar esta parte. 1enicndo en cuenta faclores como el efecto de la cantídad de partes requerida, de tolerancias dimensionales y de acabcriba procesos como maquinar de una barra, extrusión, fo1jado y rn.eLa!urgia de polvos.
2U 1rnn
La parle de la figura adjunta cs una terminal de cable, hecha de acero ü10xiJablc 304. El cable se desliza en el agu.iero de la izquierda y el exu·erno cilíndrico se frunce sobre el cable para asegurarlo. Sugiera procesos parn fabricar esta pnrte ¿De qué otra manera que no sea por fruncido puede usted fijar el cable? Expliqite sus rc~puestas.
lámina metáljca o de plústico reforzado.
Tarnblén dc;.,criba las condiciones cantetcríslicas a las
qul~
se someten esos productos en su
US{)
normal.
40.49 Di:sctiba e! o los procesos de manufactura adecuados para fabricar los productos del prohlcrna 40.48. Explique si re· qucrirían operaciones adíciona!cs (corno pinlura, galvanoplastia, tratamiento térmico y acabado). Si es el casn, h;tga rccomendad-ones y explique las razones de ellas. 40.51) Describa los factores que intluyen sobre la elección entre los siguientes pares de procesos: a.
Fundición en arena o fundición en dados para carca';;a.') de motores fraccionarios.
b. Maquinado o formado para un engranaje grande. c.
F01jado o la metalurgia de polvos para producir un engranaje.
ll.
Pundición o estampado para una sarl'én de metal laminado.
e.
Tubo de aluminio o hierro fundido para muebles de jardín_
40.54 Para fabricar la parte de la figura siguiente se pueden usar varios métodos_ Haga una lista de ellos y explique. para cada uno, factores como la maquinaria y el equipo necesarios, cantidad de desperdicio producida, resistencia de la par-
"!\'ll
-------------------------111111111111----------......----------~~~~-~
3:l:
111
Sínte~jis
C1p1lulo il(] / As¡X'Clo~, 1 ~omp1:1itivuo., tic L1 m;inuft1dura
1e, de. Tnmhién cnmcnk acerca de fo diferentes que serían sus respuestas si e! mJ.terial fut:ra a) rcrroso, b) nn fvr1·oso. e) 1.ern1oplíÍslico, d) tcrmofíjo
y discilu
-~
133
4ü.5fi La siguiente figura muestra un corle de un molino de carne. Recomiende los materiales y procesos de manufacrura adecuados para los componen1cs
indicado~.. Fuente de lo ú!f'onnuciún.' Triudyne,
lnc.
Tolva Je alirncnwc~ón
.2{)rnm
Placa pcrfor<1da
Una c;üa ekcu·ica común de regislro. flecha de lámina, :;e ve en la primera fotografía adjunta, y sus ln:cc comptJ111,-n· indjviduale:-: en !r:1 segunda. Revise esa caja y rrrnsente sus i.deas acerca de los materiaJe,:.; y !os p1oci...\-;o;..; ele nrnnc1 ractura par.u fabricarla ¿Tiene algunas recornenduciünc.s de cambios de disefío para simplificar la ml.rnu1;1clurn y '1"n11;11 :, , de esta c<~ja? Expilque so:; sugerencias. También revise las cajas bcchas de plástico y pre:-.cntc ;.;us ideas. lt'.:i
Cilindro, sección de cornf)J"Csión
,¡l"ticn:c iiustrcici
!os cirnjan<"t
1:nt11prn11)ni!::~ p~trlÍcl11arcs que. ;;justen mcjnr a las neccsldade;., de un p;icicntc. Elija tres cninponenü~s y 1..:nri \.\?.t:.i\.h.~ ;i )q.c; pro<.:e~.;ns dG rn~rnuCncturn í.ll.Íenw.do:~ para producirlos. Fuente de lo if~/"ornw··
/im111e1; !ne.
Superficie de arlicu1ad<ín tibial
Rótula
Placa di.! büsc Libia\
Extensión, vfü,1ago libia\
•
'l!ij
! 1
!
-~
C1p1lul(1 ,.!(!¡ /\Sf>l:'1
1.on1p¡•tilivv.
cie !et 1n,;nui:ic!m.. i
/\ c1li1lim!llcion ve un é.'<¡t1cnw cíe urw C'lfctcrn aulomáric:1 cléclriccL Para cada cumpo11L'.ntc sugic:·¡¡ un material y un pmcc:-o J:1s nm111c:s. ele: m:1nufaclt!l':i aclccu:ido. Si hay Vilrios matcriaics y proccws posibles, presente su elcccifin y describa
Sínlb1S
y diSE:'rlo
113.5
40.60 En !a figura de abajo se ven los componentes de una engrapadora. Seleccione cinc'} partes di.stintas y sugíera, pai·a cada una, mnterialcs y proc~sos parn fabricarla. Fuente de La h(/ármación: Arrow Faswncr Co., lnc.
~:sí __~ fi----.c -=~-'--""--¡¡
~+ '1J1n
--·~
~º __ l 1/L
¡--·¡
::'~",,;,;, .JI llonc'l•.l ·. del :.:ni.o
'···-"-vA\7
Ccipa,. de Pr1·10
.
llSJCJl!()
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1
¡
~
?'W_\\~~~ ~~-,. ºL,[p¡,·· ~=~,,_ /1
de. cakrliamienln
I
/
\
..._J
La i'igurn .•.:iguicntc muestra un asacim ele jardín con tres quemadores de gas. Describa ks m,nc:ri;ck;, y los procesos que usarín para li1bricar los componemes principales de este producto, incluyendo parrilla:;, trn1que rJt' q:;_cm11dofl';S y 1~1p-:i. Comente las razones de ~.;us clccciom:s. Futnte de La i1'./Órmación: Wcber--Stephcn Pmdud
L~i i!m;t;·;lc"i
Palanca de conlrol de avance Contro! de
a¡.; a
Abrazadera de c:ab!e
gasolina
-,:, .l
C-1pitu!o e]( 1 /
/\~;pr--1_ i;J', r. nrnpr:t1iivu.'.; dP i
ck~ctrico de mano. Sel1xcion,__· cinco compo11eni-.~:·, l11<.1lcríak~ adccEndos y b) !os procesos (Viccuados para fabricar ~:~o~:
i ,li r1t't1ra adjunta rnw..'..<;!r;.; Jo::: comrKinentc:-: de un tabdrri
prodticto y cxp!íqui~ C<.H1 de!a1k'.s
il)
los
l'COll(}mictL
1
1k·I brnuui:n1 Corni:lo
R,i.ja1rncn10 rk· l'.ngra11:~il' 1ntern1cd10
Abl¿tción, 274 abrasiva band~1-;, 7 31
1
148 /\ct;ros inoxidables
desgaste. g:-;9
l\ocbmirnlO de agt1j<1." 1 cic ;:(ipnne ',
por 11 abajado, (17 Ablambmit'.nlo, defoniwción. 67 Abocinamiento, !\rnncl,·Ja ,Je urnd;llf1¡
41.~
Aboibdura, 432 Abomb;m1ii.;nt
Cnja 1Jc engranujes
T;1p
uld.t'.1:1
707
Vús!ago con
Abrc:s1vos kol(i.¡;i:¡
,,
·¡
(~od.in1i1:1Hi:
d rwiillo;, 1:
(Yh1 proccsr1s individu;ill"; 1 J\cab:-.\d\J vibr:urnio. 7.16
r( 1111 J 1tn ~, l'l:1u1 d\: m,¡rc;,
un it·incu par;1 Iiro
recubiert~1s,
/\.b1 az. l89 /\c<1h;1dn. 7 j ii \'<'a lcrniinadu su~
[
586, 84U Acóún /\L'.c:itcs. /\,;cltcs cornpuvslo:. 894 Aceite~
lj\!C
al r~-11; ~xtrcmo. líw-;t¡'aciúli ,-:nrll'.'ifo d:,; /\iy1.::.;L1 ~Jr:d Dog
1cni(~n1
solnblcs Veo l:':mublo1ics :~oluhlcs en ~D4
!n
,\,;dc·rndas
por tkformci. prnckls de v1c:a_
Au~tilenn, 776 Aco11dicio11a1mc::llo d<.: los rodi~ 110~- _;26 /i.críl icos, 19 ! AnilunÍ1 rilo. huladicnc.~c~ti.rcno,
muestreo. 99] nivel de calidad, 992 i\ccro al al lo carbonn, [Ll6
/\cerna! l46 Az:e.rnaJ Acero cfervcsccnlc 142 Aceru dulci~, 156 Aceru galvanizado. 914 Acero muerto. 14 ! Acero reJosforado. 146 Acero rcsulfurado, 146, 561 Acero scmicalrnado, 142
<.:rni~:innes,
558,
%'.i
966
por dc:-.lrzamicnto. 966 por interfncncia, 966
i\hhco (dis10rsión o
grieta~
lioll~gral"ía,
997
Abtnhradn dtSctrico en casas habitación, 97 Alambre
9 1)<~
imD
1\dl1i:~·enci:1, 378 en con-
/\dhesicín en Ü\ClO. :'
.i\dhcsivos. 850 8l\;j
850 \dhcsivo¡., C(llldudorcs !erl"!l\( niente, 852 /\dlKo,ivm; de. adht1 l~nci!l rci;mb da, /\dlK·sivos die fn\1(rn en cali,_'n1c.
/\dbe~,ivns '"'~".,;,_,,,~,,_,,
/1.Jhesivos scnsihk:-; ~\ la presión, 352 Aditamentos, fk:xiblcs, ! 055 Aditivos de presión cxtrc1rn:, 895 ~n cerúrnica~., 4(11
;u\.:ü ''t!iennal ,1pn1ying". ()1}(\ harra, 326 centro~ de ckctroer1)~iomtdo (k hílo, EDl\A, 758 HDM. blectrncros!onado \)t·
hilo. c:;cobilla de a!amb1\;, 732 cslir~:do de
aceites, 895 en polímeros, 190
Admúón. 205, 870 Adverlencias, 1009. 10!3 Agente humcctante. 46 í Agente nucleante, 246 Agente separador, 266
Aglutinado de abra.c;ivos, 708 de adhesivos. 850 de polímeros, 181 de virutas. 936
costura. 807 pmyección, 80?: velocidad acerosnípidns 15[,573 cm:ambk automfüico, 1057 m19, 655 Al10 horno, 138 Alúmina. 205 /\iúnüna fundida. 707 Alúmina no fundida. 707 A!mninw «Ulomott·i:r., l6l poroso, 160 309 91.::¡ ;\111hit'.nla! ~1gcncia de proi ccción. J (} 1(j
agricLamienlo por csCucrzo. ! 89 consiclcrncioncs, 1 ()l) ~~ri.:ctrn;, 580. 897 31. 794
982 Arninns, 194 ;\rnorf1) :1lcriciun1.;~,, 172, 291
polímeros, 183 961
:;icrni~,
de:'. alarnb:·c. 67{) uníón (cíicuiio'> inlcgradoc,;_ 93(1 ~
¡ 12:1 U.1.: riesgo.
aceros, l47 /\ kacionc.s, 40 clemc11lo:; en acero. 1·~4 l'n 111ct~>lcs en
4511
mecánicas, Akacionei-i Cllll memoria de for-· ma, 172 Aleaciones (k: altn
en aceros de m:J.quinado libre,
561
de la llerr:l··
684 41
1\lcación, 104
1eaclJ·
vos,
cll
mienl~L
Alelad, 905
S52 Adhesivo')
Aceros, herramienta, 150, 573
Aceros de maquinado libre, 561 Aceros desoxidados con calclo, 561
cuchillo. 81.1.7, 915 J,"Jhlado, ~ J l Ai~J,m1cs, ()(¡
i\CLÍ~!.ÍCO
Acero:>, 144, 31 O Acero¡., al carbono, 146 Aceros
959 corle con .circo ele c:irbonn. 79,.1
de Lurbin~\, pm;ici6n. 290
i\1.:uiiado, 147, ·~i56
Al1naccn~uníe.nto
nto, 805
87d
de localización. 96{;
l'J2
i\i..:umu!adnr de rebaba.
scmic{1nductrnT.'1\ccplaci()n
rucrzo. 80. 98 culihre~;.
/\ccios n.:sistcnlcs al impacto, 151 frío. 151 Acerns
WJ.~
mi11er;1lc-t,_
;\g1u1inw1lcs par<.t 1;c:r6111 lc<1s. 46 l para la arena, 265, 272 /\grietado en madera de abc!o. 300 AgrielamienJo, C(11-rosi6n pt)I"
Accios inoxid<-1bk:·: marlcnsíticos. lt!tJ trabajo 0n calicnl~;\cerns
763
á1
fcrrítico~,
11n
granos. 707 maqc1in
'
/\ 1.11nl.ÍJH1;,cul11
;\¡~t:.ro:·: ino);idah!cs. ! ¿;.g_ 3 !{) en mtlomóvilcs. 149 l'\cen s inoxidables ~;usteníticn~~-
Abarri!amicnto, 66, 7ú. ?i.o'.13
Di.-.t~rnciad:ir dd Drnqucro Hrni~irni;~n!o de bola:-;
r):11c;1
,/'
alcacione.-: Aleaciones de Aleaciones de Aleaciones ferrosas, 137, 309 Aleaciones macstn1t., 293 Aleaciones resistentes al rnlor. Vi'll Supernleacione:,
Aleatorio ensamble. 1056 muestreo, 983 Alimentación de polvos, 5 l 9 Alimentadores. 247 Alineación de defectos, 49
ln:.sas de corte., 657 inslrumcntos de medición. 950 Angulo Je
lateral.
o incidencia
544, 597
de alivio del labio, 928 de borde del cincel. 628 de desahogo, 537, 597 de filo de corle, 545. 597 de filo de corte frontal. 545, 598 Angulo de incidencia fronu1J,
545, 598 Ángulo de la hélice, 628 Ángulo de posicíón, 65 1 Ángulo de punta, 628 Ángulo de salida e.n fundiciones, 305
forja, 354
1137
[I, _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _.......___ _
lndi(·(~
1131!
Índice 1~nid~1111icnlu,
:198
Asp1..Tln:·, coinpclnivo.\ dL~ J.:1 rni1~ nufa~:!ur
/\nlllo
c;1lihiadon..:', de,
Aspcre1.n:~, s;.: :~
l;11n in~11:i1 í;1.
di-: :le la cAD
1\t1iso1:-opín. Cll
en nicwL:~. L1rni1l:1tJu<.;, ·'19. ·HJ.l
tJ09.
·~-19
c~,i-r11::rilador.
:?-~S
AniikJ de '->ujcció11. Vi.'u ~,UJCl~tdnr de p1c/.a:.; en blanco
Aslroloy. !6ó /\U1qu8 por pulvc:rinKión. 913 /\iÓiT11CO
cslructura. mdalcs. Y) microscopio de rucr1::.i, 7645. ~old;xlura
hidrógeno. 789
;\1omizació11. .'\tomízador con gns oxicoinbus-
l3ancn de IT
limus. 670 siGIT.'.l, 402, ú7{) Banda, abrnsi·va, 73 ! Band
Baquditn, i 78 Barra código~. J 042 embutido (1/ea Em!nitidn de
tible Je :.dla vclocid;:1d, 1.JOg Atributos. (082
419
formad()r. l 12
rc\t:nid:1. l !9 Austen¡zado. 120 1·odillo:~.
por nivclac1611 dG
'.'.'lq
L!.7
AL1lodave, 27ú Auh)coliiw1dnr,
953 1\ute>m;ílicu al11iacena1nicn\o y n~c11pcra ción. 1042 c<11nhiad,n· de t;11·in)'1s,
ArcfJJ:.:. Ar:·o corl1:, 794
cD.mbiadorc~; Je
snld .. tdnrn. 7W.l
durn. !027 roijc1 ..\(i(J 1 '.\u1rnn<-lli/.:)ció11 de po.";:icíún 1027
;io
\n.o p11L\:11..h1. 7¡.:3
lr:.m··,l<.·riüo. 70'J
di_:
27(}. ".,;(".
(U1HltL"to:l.
!\i•1.
1'\VJilCC.
).1tJ
111arca.-;. 5::i9. 651
Arcnr1!,.
:no
Arrnbio, i 38 i, 105.l de: nw1ri1,, l05J Arscrnurn de galio. 92<1
vc1ri11a. 606 \1f•a procesos individuales Avanzado~~
cnrnpuestz>s, 230
maquinados, 744 Avellanado, 629
A.rlificittl
redes ncurn les. 26.
Bainili7.ndn. 128
fo::~aJo,
química Je vapor,
648
Ase11tar. b!o(¡ucs 1naes\ros,
958 AscrraJo, 668. 757 1\spa~ de ht:iic6plcro, 231
cojinetes, cerámicn. 2 l 2 m;rnufactu1·~1 de: cojint'!es, 349,
n1
mollno, 444 Bolas "Bucky", 215, 285 Bolsa de comrncción, defecto, 380 Bombardeo ~or perdigoncs, 430. 904
dislocación, 44, 45 efectos de varios elementos, ¡44
junta, 774
esmerilado. 713 Asentamiento. 887
Blcnd;l\!c1.inc.17l Bloque ckcs1ir:1t, Jg(j
Borde. 345
Babitls, !71 Bainit3. l !8
Asc,;ecncknte
(°-<()_')
ht·uñidn, 904
fuerza. 599
fundición. 282
füijo agua cone, 794 formado de chispas. 43 l Bakinceo. ruedas de csmc.riL 72S
Borck acumulado, 540 Borurado. J 25 Brazo con herramienta intercam-
biable, 684 Brazo y muñeca, robots, 1045 Bridas, 413
Broca de c1~·üeilal, 6.1{)
Cianuración, l 25 Cido de vida. 11 Cimentación. 49L!
Cnstiilos,
Circular
C:tbezal C.\1be1.uí
C
C\1.olín, 205 Capa. fcmdicíón. 2l\2 C~1pa de úxico fl'l\"lOVible en t:X-
-:.:om¡n1ctL1c1ó11, ]N)
turco.
716
C
11 i7
Cator·:c puntos. Dcming. 975 Cavcal t.!n1ptor, !011 C1vidmlcs, H·a Cwitación. 87: Cedencia. 47. 73. J 8() C\xlencrn. mtcrodec!rónica, 938 Celda individual de m{1quin;is, 1086 Cd uló.sic(J:-,, l 91.
¡;n 1rn:iquinus henainicnlD.. 69l ,(~9fi
Ctbcz:Jles de dndo <:Hil0<-1hit:rtos. 625 Cahrt>s!:i.nlc, Jtí(l
2{~()
runJidón de vidrio. 468 rociado, 4(Jg
(:cnLrifug:ido. 287
punto. 185
tcmpiado ..n1 Compactación de poi vos de metal, 446 Compactación .sin 452 Compactos, ,q47, Comparadores. 956 ele longitud, 951 ncgligencrn. lOJ 1 Compensación, 58 Compens~idor de motor dt propu1sión a chnrro, 426 C()mpciitividad 28. 33
cndurei:irnienlo. ! '.24
Cornpi ladon.':s, Comporlamiento correo.so, 184 Cornpmwmii.::nto de vidrio, 18t.1 Componarnlenlo del hule, 18A de malriz meU.ílica,
i:ortadorc.s. 656 i ntcrpolai.::ión, 1OJ5 siena~;. 669 trazado, 1)55
proeesamrento. 503 ú6
{'"mnno..._,;¡;11.
492
193 Cobalto, en el carbu10 de
tungs~
te.no. 575 akacioncs. !63, 3!() (sinterizado), ·465
Ce1i1enLiL.t, l 1 l
3~~S
J1HJrtillo, 259 de niokkür_
BloqueaJo. 345 Boca ck: pez. \.-(:a Caiirnin Bo!¡ts
nalura;111•..:llll'
Cargado,
Cnrrde de enroU:ido en laminación, 330 Carn:tc de resul\ado. J:iO Carro en torno, 606 Carrn tn1nsvcr:ml (Cresa). 66 ! C:u1ucho, 429 latón. J 63 C:i:.;cara er, extru;.;ión. ~74 r..:n fundición. 242 mnlinos, 657 Cascos. cornp
C.mal de bebedcrr). 246, :266 Camdes de desuho:-.!n {broca), 628 Cantidad tk pedido.
C1bcn:n(b. '.~48
de esmeril, 718
)11. 914 !aminadü, 326
51 Cali.z:.i, Cdor. 84 Caior c~;¡x~cifico, 94 diversos maleriales, 91 Calor iaLenlc de fusión. :2.~2
Bronce. 163
006 YJ
maquinado, 56."\
pulllos. 302
füonce fosfor;.ido. J 63 Bnulido, J9."i. ';; \lJ, 675, 904 Gruñido de !k1la;--,, 90LI
pmcc:::.ainiento. 466 213
prnpit:J~1
Carburos Cw.~ado.
1Tii::lí.1l, 138 pren:-;ado isostál1co, '-P9, 464
viJa, 635 Brochado, 664, 665 Broche cnlibradorc:-: (cxlcríores), 959 ¡;iratorio. 666 sujdadores, lnh:::gr.ado.->, 8(1 !
ccmcnlado::;, 57il s~s
342, 355 id. 47. ::rno
sc.)lcb
Codificación de ;irbol de decisión, !083 108] 1081
Cornpuena, 147, 266 de epóxico y g;raniL::J. Compueslo de mQldeo de lúminas, 497 Compuc::.to de mnkku grue~:o.,
>-199 Compuesto de m()ldcn volum¿!J"i co, 4-99
Ccnlrn
forja, ?150
Hi~cl
Bisuifu1n de fvlolibdcnu.
rrn~ja.
C.iida
[·ffonc,~. ] ó3 B:1lcc:r.Jrnic:>.
;\uü)m;11iz;1Jo
rnspecóón. 960. 9qg
hnci(·.
J 3:-.\
Carburo~
CXlnJ.«:i6ll, 374
Brnca;--, cenK'l\lo, (
Cilx~:tal
Au1.~1rn;11i1,;.1ción ~inipic. i U?0
c,ij¡("\J((1s.
::.6:1.
Galcrú1s, natcs de· bi.:isb1)!. l 7 J3auxii.a, 16{) Berilio, 16()
cn.-;zm1bL.:. 25, l 056 cn11
()65
46~f
l~cueficiado de minerales,
bLrnda, 1o::t-:
('Or!:·:
/\r>.'U
torno. 6 i O :'\utoma: !z~1cíón. i !.l2 I, l 022
Broca ck· pun!~1 de cincel. 6::.9 Brnc~t de punta e11 63J Broca rk pu11lo. 630. Broca c0c.:ilonada, ()'.J.9 Brnc1 lldicoi~lal, ó28 Broc~J larg;1, (i30
c~1bcceaJorns ~J48 Ctlx?~d. G·e:w.
ck f!cc;b:i.'.;. ric;5
si:;ll~nm<. ele DtTfor;1c!611
Bat,
fol1ncw.:i\';¡; de t\icn de c(1Jlu vin_:m1i:1,
:-;i~l1.~m;i
t:tn1;nll1
m;íquina de barras, tí l O
/:\r:ntk
micrnscopío dectxónico de, 960 G
615~1
1K:rrami,:111;1.
r,g4 (J{)t(
barr.a)
Barra de ~UTanrn_!t~- 142 Barra ck :;;cno.s, Harrido holografía acústica de. 997
Al!;-fonnado, l 7.9 Auslc:nita, 11O
/\plan:1r i:n r11dillos. 32.) por doblado. 41 J
72<1
lomo, (J()f:¡
877
1n
Bancula, 60ú
Bcu1cn
1139
Cipacid.ad de embutido. Veo Er<:.·
a:>:nernrnri:~nw.
38 i
b11tido
:'.6(1
l.':ipncici~td
lubricante cn c:;tru . .:ión y tirado. C<:laiidradn, ·¡cl6 Cdavcra movible en 1..:x!ru~,i(HJ
descanso, 60ú 'i~W
C1.pnci(!<1d de forja (conrormabilldad). 35:']. C.1p;1ddad de li.mdiL:1r.in, colabih··
<.fod. 249 C1par.:idnd de prociucci(m. ¡.:¡. Ca]J~tcidad de rc;.cha1.ado, 415 Capacidad de rcpetict6n, 10]5 Cipacitbdes. Caracícríslica.
"skul!", 375 Caknd<:1riz:ici611. 1{)8'.! Ca!ihrac1r}n, 96 l Caiihradorc~;, !/)()
Cl!ibradon:;: d1.' r:1dio, 955 i1c(1111<.\ti:;,).'-•• 959 Calibradores lek~copiabk:s. 950 Ca!ibrador~~:;, pie (k re.;,~. 948 C.:1libre 858 Calibradon:~;
Carb()niles, 44<1. Carbonitrurado, l 25 Carbnno, Ven romhié11 Gra1ito.
DiurnanlL:
(\'11lro.s de rnaquin:tl!1J EUM, "/."i1'-l Ccp1!lado (piezas (163 (\;pillo de n1csa. Ct:p1Uos de codo, 664 ( 'cr0mica l1trnca, 2.06. 5tt2 Cer<ímica en base de L1lúmi 1'ª· 582 <:enimica,,. 203 dcsg~1~;lc
h'-~rrarnientas ele
215 224 190
Calibre GO, 958 Cnlibre NOT GO, 958 Calibres, 958 Calibres cilíndricos. 95R
Calibres electrónicos, 951
Calidad de amortiguamiento en hien-o fundido, 1 !4, 690 en máquinas hetrnmienws, 691,696 Caliente adhesivos de fusión, 852
clcsgarraduru. 245 dur;Z<.l al rnjo, 71. 569
...,3;,
corte. 582
procc;.,a111ic11to. 460
208
en acerm;, 146
57 números, de rodiilos. 328 regla dd fubric~mtc. 961
de. 891
en nuiquinas hcrramic:nu.1s, {)91 eslrnctura, 20Ll fricción de, 884
'"""'"hrimirnlos~
579. 915
Cerámicas de óxido. 205 Cerámicas
210
Lipo drnm(llltc, 216. 917 Carburizado. ! 25 flama, 777
Cerámicas
208. 465
Carburo. ! i l Carburo de sílícío, 207, 585. 707 Carburo de tilanio, 206, 575, 579 Carburo de tungsteno. 206, 575 producción, 458 Carbonitrurndo. 125 Carburonitruro de Litanio, 581 Corhuros. 206, 574 hetTarnientJ.s, 577 recubiertos, 579
582 Ceras. 894 Cermets, 207, 583 CcrLificac:ón, calidad, 98 !
Cerámicas pree:::fo17adas, 209 Cerámico~> prensados en frío,
Chaflán, herramientas de corte,
576, 637, 638 Chapeado mecánico. 374. 905 Chillido del metal, 42
Chips
s~miconduc--
Co1nDucslo.<. de rnatnz ccr:imic
de l'ricciün. d1.:-: lllClak~>. 883 Cll
el coril:. 54ó de tr:1h;\jO~ de me f:¡d, 88c1
i..~n pr0<::t~s1x.;
medicióJ1, 885 Coeficiente.
d~ re'.'i:..lcncÍll,
Colado en molde tk bulc e;:.,puma, 495
Co1apsabi1idad, corazonc;--,, 266 638 de piwas. 327 Coloidal, 895 Coloración. 914 Colorantes, 191 Columhio (niobio). 168 Columnar
dendritas. 244
granos. 24 \ R2 J Coll<.irín, 606. 608 Combadura, 324 corno agente de doblado. 708 como lubricante, 376, 896 endurecimiento, 470 fibras, 224, 468
lubrieación. 376, 896
inli;rmctúiicqs. i05
C'ornputadon.i conLrnl numiSrico.
61, ó5
en div:;:f(-",os mc!aks. 62 ced1111ict\ 2 ! 2 pescadt), 380
formador, 212 lana, 468
proccsarnicnlo, 50-~I Compue~tos
~imu!ació11,
\ 03 J
1079
visión. J 052 (\11nunicaclonc:-.
1.:stúndares. l Ol)LI 1ccL 1093 ( :oncreto, en m:.í.quinas hcrrumienws, G9 J Conductividad electricid~Kl.
25
térmica. 94 Conductividad térmica en diver-
sos materiall:s, 9 1 Conductores eléctricos adhesivos. 853 polímeros, 189 Confiabilidad, 992 de circuitos integrados, 938
de suministros, 1109 Confiabilidad de las series. 992 Confiabilidad paralela, 992 Conformado de metales. Vea procesos individuales Conjunto de dientes, 668 Contenedor industrial, 370 Contenedores de refrigeración, 195
1141)
Índice lndice
Coi1l1nuidad,
Cmtamc, 67 ,fogulo de corll:, 537
Conti1rnu tiim1s. fundici(ín.
375 dcformaciún conamc, 68 dt:formación, c:orte, 538 v-Jucr:to, 42. 67, 76
3, 318 l())l)
u ayeclmi;1. !034
módulo. 68
v1rutu. 519 torn{1.
piano, 537
l\):'.ii
1\~hlandccimien10, Cl7
GIO
n~dwzado,
Conriaccir)n
256. JO..:
cavidad. e11
zona, 539
,:nárn1cao... ·~6-~
C\I ft;i1diciún.
'.~67,
252,
42-1
rcsist~:ncia, monocrístale.\, 4:2
.102
en s11itcri1.ado. 456 Lok:r;mcia. J(J3 Conlro\cci6n. sofülific~1ci\in, 25'.!. Con!rapu11Lo. 60ú
abrC1sivn con disco, 726 an..:o. 794 opcrncion de torneado o !ronzado, 534, 596
i.:11
531
962
!O~E
n::.'>1ri<.xi/Jn, l():'.
'/){;
invL..:n~ario. l 07K
Conlrnl de b1 1 ahü·rtn, HJJ.?
\ 'ontrol ~
dÍeili'ihtndn.
()J ¡
1097
ii.:lticitin. 537
6()()
!TChill.
.v1ldadurn cnn p;t·.;
la (ll1m1/,
~:;;:;~~~:~1~1;~~·.º_;c):,83 Cordón de lraslé1pe. 025 Corindón,
:;os. 707
Corona. 12<1 C'orn_,,cción
553 S-N. 7?.
< 'o:,fn de J1crramcntaL
! ! 20.
Dado 1.1ceros, 150 de con~. .vn
fo1Tn;1cH)n di.:
cuclio,
Corrns1011, 97. ~58 Corrosión en hendidmas, '.17, W)8 Corrosión galvánica. 97 CrnTo~;ión
('o.'>[(l.\.
nomía bu.JO proccws indiv1c!uu;,;:.; V<1piL
Co1>lo:-. rdativos. 1 J 22 cu~'-llll'í.l, 355 defo::!o :186. 871 soldadura. 807 C'r;ítere:,, :.)71 CriRo!, ;40, 293 Crisu.d crecimiento, 290, 925 estirado, 29 l cstruclura, 40 Cristales. 4U Cristalinidad, !83 Cristal itas, Criterio de selección materiales. 14, 1 [ 07 proceso Je manufactura. 18,
J J 13 Cortadora en íorma de piílón, 673 Cortadora por punteo. 398 Cortadores. Vea procesos individuales Corladore.s de ht1sillo, 657 Cortadores de rnnura en T, 656 C011adores para cuñcros, 657
fJcsli1.amienlo
9 l. 447
.:w3
Cromo electrodcpósito, 9 J 2 en aceros inoxi
40 Cúbico centrado en la cara, 40 Cubkrta de mmor. 527 Cubilote, 293
cluak.';) 37!! (Ve,rr pnl1:e.·ms i11divid1i,tics)
D11lk,
en
f"í}fllla
3(1g [);¡, lo!-i en Y ,.¡.JO ¿~la,
Dado~; progr._,~,ivos_ ..J02
Dallo nor c:;f1a'rm rcpc1i;ivn, Dctln, 9(i4 De (luw,s. t)íP Dcc~rburiz;-¡ckin, 1'.::6, l 32
ÜL'.carburit.ación de oxígeno-ar~ !!Ó!l, !42 Dcfcc~o de bambú. 380 Defecto ck~ .~xplosión central o reventones, 181 Defo.ctos, 79. 87!, 872, 1012. Vea tarnbién l mpcrfoccioncs y procesos individuales Defectos ef;tructuralcs, 327 Defectos ~upi.::rficiales, 871 (Vea procesos individuales)
Defensor, 1O11 Ddormacíón de] eje mayor, 405 del eje menor, 405 endurecimiento por, 45 ingenieril, 57 monocristales, 41 pl5:-;tica, 42 zona, 71
ík~>1m:ndirnient<),
DcprTsio11co, ll hoyuelo~.. en 1,1 /'r;iuurn chíclii. 7(; Dcrcd)Ure~;h<1:-,bdo,
;idhcsrm..,,,
cunti~
pnict'.'>I •~
C)¿..;4
Dominio, l (J96
poi cnmputadora.
24, J(J71
l037
ción, Disd'io cxncrirnentaL 28, 97<1 Disc:ífo l'<.1~Lorinl. 976 Discfio
}ii
Di:.ct'io y manufactura con
C()H·
y tH~11l¡J'..).
Dcsílocul~ml.L\ 46 l Dc.sgana111iL'.1Jü). 66S Dcsi:t1tTn. en 1micmc:~
ck lírniH'
lorm:.1do
405
f\;~t)
Dc:.;ga\l._;, l)07
1:Vm V1ckGi ~:J
abrasiv(1, 8S9 ud!msivo. tm~
herr;;rnienta1; de:: c.:i1·h~. )!)J. pciíc:..da. i;ider~~nüient-:. 9 6
corro:;ivo. t)O~) dL' atrkcit'm, 7 l 7 di:: c-:::;r;irnic:1s. W)) de pi . .'dra.c.. de ('.\m(;c·iL 7 Jíi de plásticos, Wlff de rc!tirz~id\)<;, 89 J '"".''""º'''"'de corte, 551
rccubrimicn!O:'":, :::;g l. 9 i 6 ~:iern.ts de alambre,((/() lomeado, 62(), 692
Dimncmle, ;1brasivm;, 707 Oi
pluno de la partícula de Ja rueda de e:-.mcril, 7!4 por im¡xiclo, 890
severa. 888 suave. 888 Desgaste de flanco, 55 J Desgaste Je herramientas. 551, 755 medición, 558 De.c;gai;.te en cráter, 555 Desgaste por aflicción. 717 Desgaste por faliga en la superfi~ cie, 889
en d sint.orizndo, "154 juntas (soldadura), 427,
812
recubrimienlo, 91 l soldadura con aporre, 843 Digital radiografía, 995 scnsmcs, 105 J Dimcnúonado, !030 Dimensionamiento, 347, 352, 385, 456, 531 Dimensiones adicionales,.JJ.64
Desgaste por raspado, 888 Designaciones, 145 Vea materia~ les y procesos individU
_ •.12
cii.;nciil
el ·.:ntorno, L~nsambk.
ll1i.1!lUfoctur~1.
.<,oldadur<.l, 7S6 E!ectroerosirniadorn de bajo dcs-
755 F11'o<'1col"n•nn"rln
Dúctil fntctura, 76
Ekctrolí1ico deposición, 444
abrasivos agJUlinados. 711 ,;aliente (al rojo}. 71 d1agra111::i de conversión, 702 diversos rnale.rink::;. 72 (.011 rcs\,c.,1cnen
indentac!on.~s. 69 pruebas. 69 Durcta Brind!, 69 Dureza Knoop, 70 Dureza Moh~. 71 n1.\fCZ
Du1·0
11)56. !\)!)()
í ~)
913
c~meril:tdo (Vi~a
e;me:rilado
ElectrnmÍf!r:wi6n. 934
csmeriJ~\do
descarga. 756 esmerilado, maquinado, 750 Elementos. en d acero, J 44. VÍ'o fwnflién rnateriaks !n
;u.1tornc11i1.aci6n. l 027 careado.
materiales, 58, l 78 del punto de fluencia.
dt.:= cromo. 9 J 2
n:clclado. 31 servicio, 1()61 D1s!ocaciont:s, 44 Dispersión. 9N-1
Disponibilidad de 15
1
FOM, 754, 70>5
Durl'J.íl, 6t~
8cl
l 0.')2. consl.itucinn;d, l\ló
í 141
Efectos (h~ radiación, 66 c.feelOS de, 583 Efectos principales, 976 E!á-..:tic
Dopado, polímero:-... 1K9 Dopadmcs, 96. q25
hierro, l !4, 310 Duclilidad, 59
! 075 pl:meaciiin de pr• 1c~SüS. 1076
Hlilllllf<.LC!llfa.
l):;t~rc.1.i11~1
.i)cc;cnsnml~Jc, J 1 i6 !
ernbt1ticlo. 421
atributos, 1082
il(·~,vilnfic«r.:it'in,
de, cquilibriu, i0(; Din,';tama de bina~·iu . .!07 Din;xrnma dl' cnrburo de 1111> rro-cnrhurn. 11 i Diagrama de lrn11sfnrm::i.ció11 <.k
prnclx1s, uuio1ws soldad~1s, 83 ! radio. 407 lokr.::i11cin, 407 lubos y sct..:ciones. 4 !·l DCJblado en cualro 68 Doblado libre. Vea al <.iirc Ü<)blcces, 87 l
con~iü1:1·acionL;~ (Vea pr,·l,;c:~os
1lcH.'cción D1~·1..gr:rnrn
Divi.sorc::;, 95{) DobbJiJlado, 4l3 Dob!Jdo, 68, 407 {ingulo. 407 fuerza, 410
moldc0 l~n espuma, 425 Dolomita. l ~8
ini.:enierfa. 107 l
Dc<..vir."lcón
::vtJ
prn
~1~i~.tido
0
elé:.:inc.;
>1'23 Gn iunu"1ción, 254
individuales)
V0
Dcc;hi1rh:idn mh()tiC{), Dc~;carza
coiadu
Distribuidor
pruebas, 68
herrnmiL'.nt
853
ue~;co:.,trar. '.)2(l
íJ
Discfio
. de corl1;. 5.~6
75(1 maquinad1). 754
1;o!ga1 D~du en ojo Je b1iey, 375 nr1dos. \{>¿¡ proct.:::.)()'-: ind!vidu;-¡J¡';;
Dc.soxidaciói1, 256
De~nonilíaini~nlo,
<~smc1·ilado.
P~Llil
r;1:-;c.re1os
c;rrt.e. 308 \"<:tlmde!. 11()9
Depr)<;Ílo
dc obnt. 1 [ 2 !
rrn2110
inanufactut·a. 525 Discontinuidadc...... de solda
Dcsli:t.arniento, C\~rúrnico~;. •l6,~ DG:-,Ji7.
908
corle con alilmbJc. 7jl
D:1dq de ;fogul1) n:c~ü. Dadn ck puente, 375 Dado en mafü1.
cos¡os de
c:-...lrusión, 37 J
[)e,,dizamicnh1. bnicn.c:. 63.)
DcPoskítlu fi."i(·a de vnpor, 57(),
[nylXCi()JJ GIL
pía Dlrccto
crnu!.sión. 8C)4
banda, 43 fundici611, 462 piano, 112
cwfmica. 9l0
(/i5
l1[>t1
proct·.:,()h indlviduaJer.; Cn:.;i.o t;e pérdida. 978 ;~n lek:viso1Ts. ()78 ::n tubos i:k
1
])(~nsidad,
Di11wnsionc:, limilrofcs. 965
conlro! 11un1&ico, 1031
2'27
;, 244, 245 DcndriL:i.s del mícleo. ?45
lcclm1101v"'"" 91 í mcc;.ínico, 9{)6 sin clcclroUos, 9U (.ÍTI J8 vnpor, 908 908
D~tCt"Ótl. l 93
presión(\.{>¡¡ p!Oi'e.\os indi\·¡
Corli,::, \)blicuos, 5-1-+
nwnu ck ohrJ. l l 21 nullr.:rí:il, J J 09, ! 120
fre:.~1do,
cn11
i..:1ón. 61 en diwr.sos 111t.:'tale:.:, 62 en divt:rsu,-.; polímeros, l 87 Curvti~-: de vida de b herramic.111a.
inserto, manuf1tc111r;1, 3(11 mu(<:riales, 150 {Vea 11roc\.'.'-:O~, individuaies) ' rnicrockctnS11ka. q36
1e111per;1rura. 5,49 Cort;.; mültípk~. 669 Corte 5T7
hi.:rr:1n.1enlaL
( 'um''-~ll:,iona!
Cop!udor
Cursor lran~·iVCr.';al, (i0(J
viclua!c:s)
1
r_~ontr,)I Lk ;; pt1.Hd, : 0.H (\1nlrol rn cc1T~tdo. 10.'U ( \mtn)I num,sr¡r:n. 102() pi ugrninaci{)ll par~1, J rnei rohol. 1047
1ksignacionc:s i\STM, jtl5 1amafa1 de grano. 46 ksigm1cione.s SAE. l-l5
186 Ddrin, !93 Vi/. E.. 075
Curva::: di~ e.',fucrzo Vs. for111a-
AiSl, aceros. !46,
nua, jl
gcomc:t"rfa ( Y(~u prcccsos indi-
polrncia, 547
C'onLrn!
670 Curado, krrnocslabks. l 90
fundición
Dc~ignncio11c;.:
Degrad~1r..:ión. polfmern 1; , 97,
Cmv:1.~;
:=i94
11110 libre,()()!")
2..1,
Dcfonnnción !ogar1.lmicn, 60 Dcfonnación meno1·. 405
14:'. borde de diamante,
). !)U!l/,Oflt.S, 4()]
_:;·15
horno, 131
('011loritl':·11.
( 'uchmi";n, 139
403
en rn1.llde, 28 !
Lornc,1do. 62 !
Duríimctro, 71 materia!t.~s.
manuaL 500 Dispositivo de control para automatización, 1031 Dispositivos de sujeción en m3 · quinas herramientas, 607, 636, 662. Vea pr()ccsos in~ dividuales Dispositivos de transferencia iniegrnl, 1042 Diston;ión, soldaduras, 826 Distorsión, Vea Torcedura Di:;;;tribución, estadística, 984 Distribución de frecuencia, 984 Distribución por tamaüo de partículas, 445
del cnlot·no Economía. Vea CtlSto:-. v procesos incfivid1u1Lcs Economín de esenia, 33 tiempo, 33 EDM (Electrocru~ionado de hilo), 757 Efecto Bauschinger, 67 Efecto piezoeléctrico, 96 Efector final, 1045 Efector únal inteligente, l 052 Efoctos biológicos, fluidos para conformado mecánico, 589. 897 transistor de unión bipolar.
938 Efectos de la presión hidrost~í.ti~ ca, 66
Embobinado dL'." Jlbmcnlo. 5n! Embutido banco cli.! lrcfilado o c~lirndo. 386 corte, 664 doblez, .+2 l estirado o trefilado, afüera, 382 fuerza, 382 profundo. 4 l 7 tira, 383 tubo, 383 varilla y alambre, 370, 382 vidrio, 467 EMF (fu0rza tém1ica electromotriz, 551 Empapado (pre-calentamiento
Empujar brocha, 667
corte, 664 sistema, l 091
u
f11dic'
Índice
Emulsillcai.::ión, () J 9 E1nubio11c,\. '/:rn. ~9·1 nn buen co11íro( ~swdíslic• ~- 987
rncocidn. !.'.nc.:<1rn1sado, .177
Ensamble, 25, 693, 1():56 ::iulornatiz;_1du, '.?5, 105(1 selectivos, l 0.'16
fw.~r%as.
;.1stcnws autom:.1li·1~1do:... 105ü En:mnchndo, 413
o¡Jcracionc~.
E11~ayo
de acoplamiento, 404 E111nrnos, ~islc1rn1s cxpl~l'los, !097 Envcjecimicn10, ! 2J por (it:í'nnnación,
Enc;1p~uludo, '·f'.ll! l.C:11ci)gi1nicn10 ;~¡usk' por co1H1
9{)(¡
ace.lerada, 78 Envcjecimicnlo !érmícn, 186 de haz mohx:u!ar, 9::;.o 930
emhrjdado, ~f J J E11dl~i't:'/~1do de '1~1rillas.
JH()
f<"in1m
E11durecirnic11l
90(¡
explosiva, 905 l)()(>
bmin;1r (~n \'Í.
drios ..n¡ mlc1i1n,
Enliurcv1n-1ienU) pn1· prccip1t1 c1t)11. !22. ~tu'.ro:-: inoxidahk~;. J¿jt)
Eqni¡m tiansruncional. ()7() Ergonomía, 32, !004 Ernsión, en Ja
70
F'.scobill
E1iclurccin11,TtlO
Fscoria. l 38, 248, rn inc:Jusiont.;s. 82." F,',cnadr;_: d1; comhii :tcl<Í11. ll)() L ;.;currirnicn!o abrasivo, r;o cn fondici6n di.- mokk dL· yG::rJ (o ccr;1n!ico), 276 inriitración, SfJ1.I f:.: . i('rnHÚ:i. j !4
9(),1
l ~ndun:c1111i0J"ilo
rnar!inetc,
35'l
tcqucri1111eJ1Li)~ { Vi:r1
e.'.pccilic:Ji dc:,h;1du1lo
F . .Jer·oidJlél\, i 17 Es!l1é17.o de C(lri·~'. h7, 7(1
~dmac(:n:1d:1. '.)O, H-'I
711 iinfri<1d(itec,, 255 ic
prncc:-,o:~ i.ndiv1ch1~1ic:
,1711 /(:tl:t de cr:ngL~!~1micnlo, Enfri
i~nfria1nicnV"J
ma1criafr.·::., 5;)
b.fuerzo con~rnlc crílico, "12 E::. rucrzo ck fractura . 5 8
s;1l¡1i•.:;:1dL1ra,
58
29:?, f.\nga1gnbdo, 41..:), W"ií\
Gngranc'; 77(-; cónicos, 674 cortado de forma, 672 formador, 673 ;\SClllilLÍCJ,
673 3JLI, 675 lapcado, 676 medición de dicmes, tl.55 terminado, 675 858
Enlace vo.n der Waals, ! 81
Enlace vítreo, 702 Enmo.scarndo, 7¿15, 928 E:nm<1scaradorcs. 746
Lsrucrzos cíclicos, 77" Esfuerzos residualc:;., 82. 87'2 dobl<:ido, 82
esmerilado, 7 ! 6 estirado de barra~, 386 fundición. 305 1amim1do, 328 reducción de, 83 soldado, 826 vidrios, 471
Esfuerzos térmicos, 95
Esrnalt.Ido. 915 Esmalte, 915. 917 Esmeril, 205, 707 Esmeril de pedt:stul, 7'26 Esmeri.!ado (1·ectificado) economía. 738
E~;1irado
EstirnJo d!: btuTa, :no. J82 E:.;tirQdo de /'onna. 383
aJi1110ntado por cor:1, miento, 726 Esmt:fil~1i.Jo cilíndrico, T.!.2 fr>irtcnlado con av~1nce en L'XtreJno, 726
fa:nwriJado Je alimenl¿1ció11 com-
721. 72:i de foerzo, 716 Esmerilado de mesa rotativa, 72 J E . . merilado de ranura.\ o radial,
721, 722, 726 Es1n1.::rilado externo. (\leo csmcn!ado cilíndrico) E:m1erilac!o suuvc, 716 E.smcribdo :-,uncrHciaL 7:~J
J84
Es.tirado en E:;,tra1.0 (cap;1s). Estriacione~,
80
E.strucaira. t$70 E~trnctura de abrasivos aL!luti11ado~·. 712 ~
Est1·uctltra de desbaste. 321, 326 Estructura Estructura de Ja.1; :ileacione~. l 04 Estructura de l
b;r11enludor de de 1Jt'!TC: · nlicnws, L> rneriles oorl
Extn1sor, 1rn9 E.xtrU.'>01" co:i1rolado por robol Je grfüt, .5 lú Eyectores (por golpe), 285. 48:;, 492, 890 Fábrica dc;l ft1turn. 26, l 099 Fabricación de dispositivo:.. rnicroekctrónico\, 924 Fabricación de hierro (siderur138 1 de m.oldes, \/rn pi oceso~ individuales Fac1or de forma cJarusión, 371
Eilia. 75. VC'a procesos individuales
FaJia al üvlsai, 1013 FafL en la herramienta, 551 l:;arnilia de ¡nncs, l079 Fase
di::igrumas. ! 06 lransl"orrn;1c1ón, 115
h1tcctoJ\..h.'., ! Ji cc-.ir1entit
tr~insporh~, -154 Fase líquilla, 107 cpilaxi~d. 930
929
2111 ~::.1 ,píncla,
206
E:.tn
micnu, 6~~5 F.',tació11 de vcri f"ll:
EstaJí.s.lica. 982 L'.-;1aJístico eonlrol de procesos, 28. 9g5 conlro! de calidad, 983 Estado sólido enlace, 454, 799 procesamiento, compósilo, 503 :-;oldadura, 799 Estampado. \fea ¡:irocesos de for-
mnJo de lámina faLúndar ISO 14000, 982 Estándar ISO 9000, 980 Estándares de medición, 946 Estañado, 9 ! 4 Estallo. 171 Esrelita, 574
Estencil, 845 Estereoti10graffa, 517 Estereoscorio. 960
Pruebas, 250 Fluidos de coni..:, 5g5 Fluido:-;
e11durccirni•,',ri!u,
905
formado, i(!8 i i·;po¡1cn1c- di::: Dnciun~1.:i1n1cnto 61.
Jan11lndn. 325
Flujo de !'lt1idns, en i
dado
Exte1is1'ó11 (di~!ribución). 9S4
Lxlracciün de fibras, 227 Ex.Lractor. \li!a 1 Extrusión, 3(/), ,.-;nlientc. :n.::i cerómic:as, 46J constante. 37'.2 defectos, 380 equipo, 381 frlo, 369, 377
abil~no,
342
~JS,
557, 889 205. 708
fuerzas, 372 11idrostática, 37 J, 380 i111pacto, 379 mC"tales en polvo. 452 moldeado por soplado. 489 plástico:-;, 481 relación, 371 Extrusión coaxial, 374 Extrusión en escaMn. 374 Extrusión invertida, 371 Ex1rnsión 1atcraL 37 i
l'J4
112
%
Fino ccrárnlca, 204 en blanco, 397 perlita, 115 Flama corte. 453 endurecimiento. 125 reLardanles, 19 J rociado de alambre. 907 Flama (soplete), 777
Fricción, 883 [ingulo. 538 ;1serrado, 402, 670 en cerámicas, 884 en conformado de m.ctaks. V1:u proce~os individuale~; <;!11
Formado por planlilla:; (tixneado de cerámicos), -~64 Formado supcrpl:isrico. 66, 427, 8l4 Formac.101" ck: cremallera. 434 F
comercialmente disponi-
Foloenma~Jc
de berrarnientas de: corle, ;')56 lk uniont.::; abn1:.;ivas, 7 !7
Júctil, 76 FrcísiL 78 lrayccLoria.s., 79. Vi'o tc1mbir;11 ¡;rietas: defecto!; Fr::icu.1rci de y cono, 77 Fr;_¡ctura en de f"lecba, 38 l Fractur:i inrrat!;ro.nular, 79 Fractura y c.<,fucr-
Ferríta, 109
Fijos calibres, 958 costos. 1120
429
bles, 1107
di;:; dado:,
Fil~ra conti11ua. 226 Fibra dt' vidrio, 2 !3 r·ihrado, n-1cd_nico, 4i.L 78, ··1·04 f··'ibras cort<1~. 220 foibrns de boro. 225 Fibras de grafito conductoras, 225 Fihr;is iargm~, 226 Fibras 226
392
ca~. 431
e11
t ~:ponente d~ cndurr.:c1miGJlW ibaj:ido, 6 J, 402
metálicas (lú-
cení.mica<>, 460 647, 657 fuerzas, 649 müquina.s.. 66 l pnr de torsión. 650 Fresado. laminado, 329 Fresado a.scendenle, 648 Fresado descendente, 648 Fresado de ~upcrficie, 648 Fresado frontal de extremo, 655 cortadorc~,
Forma.do por
344 l 028 Tornco:do. 424 Lí11~¡1s.
ck predsión. 346 Economía, 363 Fuerzas. 344, 347 Isotérmica, 35() lS. 357 350
~:si
Formado de fase scSlida. phístico, 495
Formado lli,lror)iárrtlco.
de dacio di: inmrcsi6n. J.:f4
límite, 7J térrnit:a,
12:-:plo~:ivo
Formado, .318 J:Vh1chndo, 334. Ven procC'.>üS individual e:; Formado a Qo!oc-s, 410 Formado a.'>tslido pol' l::í.scr, 43 l Formado de camisa, 377
metClli-
340
f i2
':1por~c:ió11,
Ex.1xrnst6r1 lcrm1cu. 95
!071
en.-:amb\e. l 060 S1stcmn de 1rn111ufuctura, 25., 1028. 1088 Fk:;:,ión. Veo doblado Flo.ión en rrcs puntos, ()g Fluidez. 249
ií4l,848
[)(p;m,s!(ín ;1msoir6pic~1 Lt~rmíc:., Df./J'o
Automatización, 1028 Celda Je manufactura. l087 Di~positivos, l 055
ktrÜ;t, Ji,~
g5-¿
tinn).
Fbmabilidad, polímeros. ! 91 Flecha de comon~sm, 426
824
rundici6n de modelo, :2/!I Exduslón de fluido ~J fluidu, 3~·;n Expm1.sión. hinclrndti
F.spurna de estlrcno_ .:¡95
Jivcr.'>{,,~,
4 !O Ja formación ck brida:-;, 4 i 3
rurm:1do, 4 J 6 de alambre. 370
72J
1~::,pn;í1, 24~
bsfucrzo u ia ccdem.:ta, 5?
s;n
c11
1ned1m.:a. 71:'.
ingcrncriL 57 60 rc!q¡ac1ó11 de, 75. l :N rdc\';1cúín d~:, 128. 82g
E;-.;t;r;ulo en e! doh!adu,
nwn:.:arió11 hianca al ap!iG
F11frl;nrncn10. \!cu tlukh<; de
7 ¡4
7 J :1
Fonn
Bloque, 416 Esmerilado. 722 Fre~aJo, 656, 672 Herran1ientas, 596, 609 Fonna casi terminada, 23. 346 .Forma neta foi:ja. 346 formado, 285 manufactura, 24 Formabiliciad. Vea procesos individuales Fornwción de bandas por estiramiento. 327, 403 Formación de círculos o dobleces. 412 Formación de cuello, 58, 63 corrección de, 63 Fo1rnación de vírnta,-; CO!tc, 537 desgaste ahrnsivo, 889 esmerilado, 71 J
1143
zo, Fractur~
térmica, 21 () velocidad. 380
Fracturas
78
materiales.,
fl7
Fragilidad Fragílización, 47 Fragilizaci6n de metales sólidos, 47 Fragilizaci6n por hidrógeno. 81 Fragilización por metal líquido, 47 Franja
dado de estirar. 385 dado de forja, 354 longitud de desgaste, 552
Franja de desgaste, 552 permísibk, 554 Fresa de manivela, 358 Fresa hueca, 655
FresaJo, 534, 647
mctaks, 883
en plásticos, 884
medición,
~85
soldadura pur n~voltura, fü)3 hfo cxírusión. 377 foJja, ?42 forrnado, mctc:i.lcs (\rea prnc..-::sos indiv-iduak~) formado, plásticos. 495 -;oldaduras. 825 326 prensado isostático. t\49 fríos, 254 669 soldadura, 799 48 . .51 frc~ado, 651 placa. 60ii
Fnmcido. 421 Fuera de circunfon.~ncin, 95LI Fucrn de control. 9gg Fuerza de empuje de taladro, 632 en cort~, 546, 599 F1icrza rcsult::inte, 545 Fw.:'.t?a térmica ek;i:;Lromotriz. 55 ! ¡:ucrzas.
Fullcrcnes, Función de pérdida Ta;guchi, 078 Funcional dimensión, 924 disposición, 1080 Funciones de ejecución, 1069 Funciones de planeación, J 069 Fun
estructura, 326 hierros, I !3, JJO Fundición, 141. 241 continua, 142 de aleaciones, 308
de cerámicas, 462 de lingotes, l 4 J Je monocristales, 290
Índice
'1145
lnrJiC\'
rGVL~s1.irn1t:nlo,
27¡( Fundición ¡mr rL'vcsl.imicnlo de rccorlc v arra:.-.trt, 276 Fundición blc~1ica, ! J '1, 300 Fundición 1..:cn1rífu1!a, 287 d~;.'it:ck1·
Cirado d..: toh:r;11h:Í<.l inlcrnacion<.d, 965 Gniííca~ inlcractivas de cornpu· L1dor~1. (()7 l Cirufoi1,w..:ión, 1 ! J c;nirlio, 2 l4
HGrratnic:ntas (le corte geome1ria, 597 (Yl'o p1ncesos jndlvidua!c~,¡
Jubric::rnt1;, 895 Granallado. il30. 904
duales) vida, 551 Herramientas ináq1Jitws.
664
l-i.crrnmicnta~;
1S!
columnar, 243 crecimiento, 50 fronl<..:ras, 43, L.JS h1.::~rza, 7 ! 4
585
1096
..;e11·1ip,:rm;1
en Ja J\mc1kl<.1n, 2-tfi
libre
1,
l.)!
:rndiciones '.~63
y p1 oc:~.'-:n;, 111dividu:1k.'> Uricl
r:i1.;i<)n p!;ísiic\I r1licck.d1.lrd•.: cnmpr.JJ1cn1t' cl(3ctrico, ~-,1:-,i<'lJJ
S/0 molde.o, 2ó9 pruebas, 75 wnacicbd. 7 5
183 205
fmp~1·J1.:ccione¡.;.
138
rmrregnaci6n,
Hierro :Je
Uricla.'> por
d~¡hnrnc¡(in.
ck m:íuuinas. di.'·.f"llSJciÓn,
.q.S:l
lc1.:11l)logí~1.
!'/O,
nw.-.-:cla'-h. seo
l038 pn1,'._'.r:.H11:1ci1ni. ,!)_;¡;.:
Ciu:;C.'. la iün:Jkil'in. 25'.'i
pmtecd1.ín ( Vi'u vidu;1ks) licua::.ks. Ua:;ln~ gcucrnles (1.:1J~·:Los indir1;c. (ienrn1'tr1a •,:onslruct1va dl' los
lidos, 1073 Geumclna ck la hcrratn icnw, )97 (Ve(.f procesos indivicll1alcsl Gcoim~Lrico
(lle
( JUÍi.lS,
L1an 121
Cltu';i libre para a;,,;rr:1do, 75lJ
dt: do).
Hop:~
(1(1(),
tokrnncia, 961. 9ú5 Ckr manio, 925 Grabado. 932
Grado, 622 abrasivos, <1glutínados, TJ l bloques maestros, 958
de crista1inidad, 184 181
'-~~;7
9~8
52 ¡
8'71
(e11c;1n·1in;L·
! ioja-'> mcr.{'1icas. 320 t·aracil:rí:.!ica. ~103 l'orrnabilid
propú:1fodc.• , 77
s~st1~mas
penelctción, 8r~ hlconcl, 16-t, 166 lndt:nWdores, 69 lnüt::x~Jc.1ón, Jl)58 cabe,:8.!, ú(12 !1<:rramienta.<... 57ó rndcxado en lfnc:;, 105]-; c.:a1 :i111l·d, '-!'.')
758 soplete, 759 HemalÍta, 1J8 Herramienta en el cx!rcmo del brozo, 1045
Herramientas. Wa procc:-.os i11dividuales Herramientas aulomútic
Horno Sicmens-Martin o de gar abíerlo, 139 Hornos atmósfera, ! 31
fundición, 139, 292 tratamiento térrnico, 130 Huecos, 44, 76. Vea también rosidad
!_)O~
l,ucas. CJ !7 Lid o de ataq11c blcr
914
3:?5J
i:w
350
silicio nion,)cristalinu. 92::) i,lquidn ~rabaJor, 745 'f)3
!!11.crconL'xiorn.~:-,. ~!34
L.uninado ·.::n
J .umin;ldc
(;n
autoinvcn:ores. 639 Machuelo:-. cilíndric\lS, 638 Machuelos colapsahlc~. 6:18 MagJ.:óne, herrnmienta, 684 Magnc~;io y aleaciones, l 6 ¡, 309
96
913 tvlundril de cualro mordazas. 6C7 \vl;..indri! de lres morcL:rz.as, 607 M<:mdril<.c!o (perforado). 3
.{ 13, 596. 609, 6'.26 ['.!ramaciún de p·tczas. J{)'.,;()
üirccta. 525 lfü;efio para. 1.1
Lur1inador<.1 de: dos rodillos, 329
Lüg:ic<1 difusa, !099 Lnte medio, 1 l 2'.2 Lot¡; pequdio. !025. l ! 22
Laminadora Sendzimir, 329
Í,OiC-S
32()
Llminadore;; dc.~ba.'.tadorcs, 3:29
horno:,, 130 102).
Lm1irmr 2L1g
845
forma, .~5J
re-cocido. l 28 Intermct~ilicos de alumínidos de titanio, J6H interno rectificado, 725 recl.ificado sin centros, 726 Interpolación, 1034 Interpolación cühica, lü35
1035
Inversa
Mriclado, 42 Macromoléculas, l 79 Macrosegregacióri. 2¿16 Macho para ddormación de rubos. il l5 doblado de ti.tbos, 415 Mad1uelado. 622, 638 .Machuelado sin viru!a, 639 ?vlachuelo. 638
hi~LO!Ü,
fractura, 79 !11terrncdios
_1,
Lingo11;; (Pi.r;),
L,¡i;nir:.adlJ en
Cl)ffütdÓl1, 07
'2 J 6 illgcnícría, 13 revolución, 4. l 023 Jnfer.~ncia, 1096 Infiltración. 457, 504 lnfwrrojo radiación, 551 soklaclura de aporte, 842 lngeníería cerámica~, 204 deformaciones. 57 t;;:fuerzos, 57 metrología. 945 Ingenierfa concurrente, 9, l !25 Ingeniería de Jos factores humanos, 32, 1004
co1nportamie.nlo elástico. 57 ·1rncrpolaci6n. 1035 polírneros, l 81. soldadura Dor fricción, 802 l,ineariJad,
i025 ln1cdJlot¡uco:,, 1Off?
l 111c1fcro111ctría ilo\ogr;iJ irn. 997 !íile1·grat1ulur ataque, g?'.2.
con apone, s4·2
arreglo. 1053
J4J
l nlcrfc,:encia. 9h.:'i <ÜUSk pnL 965, l){}() fl1tcrfe.romdrí~1. 953
:n l
l,íncal
:r; 1
c-,cn:.-.orl~S. 1():)4
t
f..tmpic:za por bombardeo. 739 Unca de fm:ja. fundición, 304
L1minndo dt: conwrno. 411 Ltmi1mdo de fon na, J2 ! , ~Ch, i .:nninado ck nolvos. 452.
Jnlcn~;j·,:os e:11 n1
lndnstrial diarname,
ho~
Kanban, 1092 Kcvl;ir, ! 93. 2'25 KodcL j()J
¡
J<:1to:,, Í 107 erector CinaL ! 052
c:ndureci111icntu. 125
Horno ck dmaru, 130 Horno de campana, l 30 f-Iorno de oxígcuo básico. l 40 Horno o foso, 130 139, 292 Horno elevador, 131
918 919 918 L:on chorro de are11illtL
ÍJ
horno. 293
engranes. ú76
Limites ele control supL~rior, 986
Liinonita. \)8
K:.ii::;,.'.n. 072
íntdigente
indirecto costo¡.; de mano di.' ohn.1, 1121
so!d~idura
U mi te de rcsi:~Lcrn.:i
brocha, 667 .'islcma, 1091 Johansson, C. E., 958 .fnc,';n. !036 forna abocinada. 774
59~
cakn1LtlllH:nlo. 1:11
Horno de baiio de sal. l :=1 J
ck. cPrnunicacion,...:s. 8(-,
c)üJw;ión.
Lími1c. lubricació11. 893 rcprescntacióu, 1073 control infL'.rinr. 987
Jabont::'.o. X9r+ J,t!ar
1069
emul::;ión. 89.'.!
E:.::trusi6n asc...:udcnli..;. R1..'.cl1aY.mio. ¿1'25 l-LKia a1r:i~
Urnas. 670
esc~da.
92!-Í
~nducci<íll
c1H.!tll'ccimicnto, l 24
dimensionamicn10. 961 modl'.lado, 1073
a~urniujo),
Hacic1 :tdcl;intv
exlrusicín, 37 l rntacíón. 425 Ha.'.tdloy. 1ú5, 166 Hm: l3scr. 95~1 corte. 402. 794
med"1eión Je tipo
de ck:.<.;viación, 95 l Ín>:Lrument.os graduados en línea,
{.Jt1nrd,L'>, !()(f/
conib1i.<,tíbil', Vcu
[n:;!:uménW~ d~ c:ri~taks.
lntegración a gn:111
1·.hJjél, 3'20 cxlru.sión. poJínwro:-:, 4fn
( V.:a agente separador) 500
de lransformw.::1on.
!nslruci.;ioncs,
[5,
Hierro ftrndido 1!4, JOO Hierro 1mdcabk~. l 15. 3 íO Hierro rJodubr, J ¡,.k 309 HíJn. 22ó lk:.ll~f~sis, 197 1
80
JO~!(¡
en
lOhtntación, 582, 9 J 1. 934
Junta e:-,quinadu. 774 Jumcis de cierre. 412 Jura11. J. 1\!L 976
,,,,.,,,,,,,.OI;,., 996
C(JlllJXlClt1dn.
127
¡x1:· Jc\'Ílw.:i(.i/L
9% pmcpr,oceoo, 998
C)~trmaón,
0
Hi1~rro,
'-f(i2
).02
Inspección en !{nea, 998
ínspección por Cl)JTienle:, de
~~ ( )( ~
81
"iiC!rDjJliJSl!C(d;i(l,
J"C1ar! ¡¡¡.,,,de ".:~iíd;1
nentcs.
cas, 993 '
224 Hidrororrnado, 12J
Gran u baslo hcrediu.ir¡o, 356 G1 uno promtdio, 986 Gr1mos ,:!8,
cf•::cto.~
runclkiones, 292 lnspccci611 de partkulas magnai-
graVfldO. 764. 933 oxúhción por humedad. 931 prc:nsaJo. cerúmic<1~;, 463 Husillo. 606
694
Js
Gr;_1vcd:.id
nndic;o11 en nwk!i.:~;
Hurncdud efec10 en la arena, 265 efectos sobre JJolímc!'Os. l í\ 1) en cerámicas, Húmedo estirado, 385
comp<.lCL(), t,.{)
Gn.1~,a:-_.,
rnokl{:.';.
recubierta.e,, 579
mullifa:-:c, 580 Herrnmicntas refuo;:idas con tri-
Lkpnsilo, 910
lngcnie:rÍi.I simultúnea, 9 !nocubntes, ~A6 lnserlo (dado de cslirndo), 385 inf;erlo~:. 544 dado, :i54 bl:rrnmienlus Oc corle, 575 im:pccción, 945 automali.c.ack1, 960
meros
Liama md.Janle, 777 Llama reductora. Tf7 Llenado incutnplcto (solUaJura), 824
1037
ayudada por r,iyo.
1095
ne.ros modiftc:1dos, J g() 197. Veu t11mbic11 ebst(Í·
'it'kcción (\!t:u proceso,'; indivi-
"smrd
hrndtc!ón de !a rótula c.lL: la Utrccciún. :zg l Funr.lición de modelo omsuini-· hk, 27tl Fundición ele modL:lOs, 27 1~! h111dició11 en cáscara o huec<:t, 282 Fundtcicín en hebra, 142, 335 Fundición en molde de yeso, 276 h1ndiciún t~n 1nulck pl';nnancnlc
forrnado, 423
ill':\:rto;;, 544 1natc:ri<1!c:-.. 560 rcaconJicion:.anien1o. 585
t'ibras,
enh:ice, 7 JO
Ldir, 467
1on
f ng,L'nic.t·ia d•'. y;..¡Jm i11t1 \11~,cco, l IO(i, 1123 conocimic11tn.
Hule
L;\ncc:te;tdo. 3LJ7 Lanza, 140 Lan7.adores de arena, 269 T,apeado, 733 engranes, 675. 676 Lá:~cr
curado. 517 formado, 43 l hoja soldada. 399 inlcrícrometría micrómetro Je rastreo, 952 sinterizado. 519 Latas, 914
polaridad, 780
Láte:<, 197
recmbutido. 422
Latón, 163
de pe!ícula de!gad:1.. <~93 de película >!ruesa. 891 Hmitcs, 89 mixta, 891 Lubricante~
en polimeros, 19 ¡ se1ección, 896 Veo también Fluid()S para trabajo de 1T1etal y procesos
individuales Lucita, 194 Luneta fija. 609
Luneta móvil, 609 Luz bulbos o focos, manufactura, 7
4
J, .32 32
1078 propiedades, 38, l !Oí\ proloc.olo de outomalización, 1094 redes ele comunicacionc:s, l 09.) selección de proce.'.'O, 18. l J 1:. sistemas, 1067 Manufactura aditiva, 514 Manufactur.a ági1. 30 l\/lanufactun:i celular, 25, 1080.
1086 Manufactura compartida, 26 Manufactura de clase mundlaL
28, 33, 1101 Manufactura de fuelles, 416 Manufactura de objetos lamin8.~ dos, 522 Manufactura de partículas balísti-
cas, 521 Manufactura de pernos, 34 8
1147
Índice -~
146
Íntl1ce
M:urn l~1cwru de ruecbs dt..: rerrol:arriL 'J.ii3 1Vf:.rnufac1uca de tubcrín, JJ.ci ~/la1·111lúclt1ra inlc,>~r
cont¡1ut:.1dorn. M~d111factura
intcrc;1111bJ;1bJ; . ().
1)4J Milquina c11;1 cincm.ítie<1
¡n1
()!):.} rv~fü¡uJ11a
hm~·a
de
i-w~, i 1Jo. (i
Mtlq11in~i
de
au1.on1áiic;1 l'.li
1O
cti<-ttn1
C\J1Tedct«.1s,
411 i'/~;iquin~1
de medie¡{)¡; d;.; cG1mk narlw>, ')56 M~iquína del de colurnn¡¡ y codo.
ivlúquina en l"orrna de pfr;rna, ()\)4 Maquinabi!idad. 5h0 accroe>. 561 diversos 1natc:riuk:s, 563 rnc:taks. 5ú2 vu!ores nominales, 560 lV1aqui1wdo
736 Maquinado de
(¡()()
3<~7.
1V!arG1do,
Mc:wl 1igiutin;1nlcs . piC-(lra de c,,;111cril
!\!larca:'. ele
MJrcas de :vimco CstrL1Ctu1·~1J
7ll
:10 C!l
85~
C,
M<\rtensil
1VlL'1alcs bl
:_;94
Mctúlic.:os pdíCLdas . 896 vidrios. 172, 29 J
/\lhttena!cs, 37
Mctalizu.ción. 906
Vea 1w1tbió1 materiales c,sped · fíco.s. 22ó
Mt::ü1!izaci6n. circui! 1.J~ cfos. 934
lVlateri~1lcs
2~
[,
JV\;1qurnJdo
d,~~
tra¡1sl"ormuci,)n. g7:?.
(i1i6.
6::<.')
•-C(1Jlol1lia.Uii·;
Y1:1(]Ui11adD pt)r elcclrodc:ic
610
Múquinas de al1:1 W'.
l.~lll:tt;J~'
359
(1Jb
úe mandriL ó 1O
Múquinas de
M
691, 103ú Máquina.:; herramientas, cslructu-· rn;..;, 69 l. Y{'(I proCC!-.OS individua!c:-,
Máquinas inde¡x::ndíi::ntcs, 1025 Máquin<:1:; perforndorns verticales, 627 [Vliíquiiias trituradoras, 265
Sufet)' Cou11ul, 1006 Natural adhesivo:;, 11151 ~Jcfolmacione.>, 60 envejecimiento . 123 hule. 197 materiales orgánicos. l 7H procesannenlo de: lcngtl:~jc:s. 1097 Negligencia, lOl ! Negrc ccrümio1, 207, 58:?, óxido, 913 Negro de humo. l l 4 Neuron
Nu/i(111a!
4í)7
451
r~accitín.
i'vüJ!de~Ju
manual
~7..:l
ili"O!."l:SLlS
compono.i11i,,:nio, 906
l"onnación dl: fibr:.i.\, 49. 7ii. 404 im¡ntclo, 557
35!\
sujedórL 94 r Mecanízación. 1022 !Vledia uritmélica, K7:1, 98-'./. Media tuerca, 623 M"~dición
carncterbtk:a.o, dd '1m;trumenlo. 9()1
66[
f\.1o!d'"u con
eil c~<¡J
44(i
Mt:zcl~tdu,
18()
Ml?.Ch'í,
t'...iczclas
miscibh~s.
l ,t)(¡
rvltCLASS. J084 M;croclurcza, 70 lVliciot.':.l1uctura. Vi,a <.~stcuciurn )' wmhiá1 lo;, ma1cri;llc~> es pccíficos tv1icrograved<.td. 2Li(1 Micrrnnaquin;1do. 765 Micrómetro, 949 calibre de
9LJ9
952
r:istrco por ~iíicroporosidJd.
Yl,a porosidad
de poskión, l 033
Mclamina, 194 Mero, 179
Mesa de con.sola móvil (rodilla), 661 Mesa de trabajo (Vea procesos individlwles) Mewcs1ab!e, 113
cn
v~:cio,
.ttJ•·
Mukicll (k; [!rafito con arick, 1\rfo[dco t.:11 (pulímcnl',),
'1T2, ~V)J 1'11ultkn en i\!JoJdco en
¿rnrr
Elll'.l"l!
J\ifoldco girmono. 489 Moldeo por conlactD, 500 Moldeo por hrn1di1111cnto. 76,
7Ti 32i 165 Nimonic. 16ú Niobio (columbiu), 169 Níquel y aleaciones. 164 Nitruración, l 25 Nir.ruro de aluminio-tílanio. 581 Nitruro de boro cúbico. 207. 583, 707 Nitruro de hafnio, 582 Nitruro de silicio. 207, 584 Nitruro de li.!anio, 207. 579 Nürnros, 207, 583 No atendido (sin personal) 1087, 1099
Moli.k:t) por.\\ ipLido, 489 l\lf Pldeo por ';opbdn CH mulliu1
489 poi· transfo1encia de res1-
Microreplicac¡611 Microscopio del herramcntista, 558. 960 Microscopio~,
960
M """"·el!feeanon. 246
Medición de superficies lridi111e11sionale.-.;, 876 Medidores rnlibrad(WC,<;, 948
bol~as
Ml<:l-c"old.adur:is. 883 Miniluminadoras. 335 Mínimo coslo (Vea procc:-,os individua!e:;)
radio de doblez, 408 Modelado. J 073 Modelado de superficies. !073 Modelado por deposición fundida, 516 Modelo de referencia. JSO/OSI, i094
Paro (inlcn·uptorcs), l 008 Parson, J., i031 Parte familias. l 079 prograrna, !07 6 Purtc trasera de inclinación, 597 658 324 Parles adicionak~. Jd 11mddo. 266 Partes dañadas, l Ol 1
~
NiJdt.:O
broca para núcleos, 629 c'\jas de machos. 268 impresiones, 268 sopladores, 26R Ntínicro Reynold~, 248, 275 Nylons, 194
483 segunda fase, 106 Pasada de
928
ÜÍllO. 420 Ondulación. 872 Opcracíones de terminado. 73 ! ccrümic.:.i. 465
457
945 consola in{ivil (rndillal
;1b1,:rlo, \\11'. 'CÚIÜCO rdcaci(í11, 4..:¡.,~
prcn,'i
[Viúquinas lk huc.illos úc burra aulo111úlica, t~\ladro-; dL~ husíJ!ns mü:tipk,'>. Máquinn~
fVió;cuno alLut·:1 de b rwv.>~,idnd e:.;tmlu tk:I malcriai
n~~11osici6n,
Múquina;; at1!1on1útic;1c; lipo
Nano fabricación, 22. 7Lt'.'.1._ 7fr~ NanomaLeriales. ! 72, 585
JVklrn. 9lj{¡
fvl:liriz. 222 maleriuk:'<
i\'í~t?,:irou1
inüjiid11:1k:.
procc'.'>OS indivi-
me1:1lcs(;íl
var;abks, ')g_) fVlétodo de. la zm1a fln!J.m!c:. 21) i
n:J~:~:;l'.~;~:,)
1(de1:mciu ..i05
Molck~1do. \!(:a
niiqui11a~,
:ilributn:-r. 9í\3
n1·ifü:H>':, X5
l\1!aq1¡in;1do (ni;.;c;m11.ad1J), Y~ 1.
Muide de bebedero caliente, 4t)(·, Molde de caja fría, 266 Muldc. Je no cocción, 266 Molde o adobi.·ni infcrioc 26(i líneas ck: :uin.-:lre, 793
lVloldcado de imtflo::,, 2S6. ái)(~ Mukkado de 48.1 ccrürnica. hule espuma, 489
711)
proct::,,:urnie11Lo, 406 . 5D3
Paii.son, 489 segregación. 24() Norn1alización, t27 Nucleaci(m, 45, 243 Nu..:\eación hctcrogéneD, 246 N ucleación bornogénca, 243
suaves, 607 Motor de inferencia, 1097 Motores n chorm. 2, 9. Muesqueado, 397 Muestreo. 983 Mulita, 206 Multiplicación d,~ dendritas, 24ú Mylar. !94
du«.les
M,:wdo de
iVbquinaJo ckc1roq1li111i\:o pt;J:;;¡ do, 7'.'d Mdqui11~1do bldmdínún1icn, H1:_'.
1.,·11tro.<.:
'
:¡49
matrir. cci«ímica, 2J3 matriz nwtüiica. 232
Út: Ut-.;,¡¡ dl: n.:JHOSJÓil
:r1
Vt:r1 l\lf6.:lulo
ción, 486 1ntcl.!ra·
zirconi<~ estabilin.tJa, 206
68 68
Mt:::aJografía, 872 Metalurgia dt'. los pDlvns.
754 h
ri~ide1..,
Parci
Normal
gg
1vfo1Uc sin canak,c; de ;'.Jimenl"l-
sw-.1itució11. ! í !O
Maqumado dt·. crnsiún poi chJs ·
al!a.
rc~iliencia,
j 7J
¡\fr:taiC.'i
325
Moncl, 164 Monitoreo del estado de hcrr:i·· mientas, 557 Monocódigo, !083 Monocrístal. 290 M onóniero, 179
1: ,
inycccl6n. ··l.S l
1Vlani11i)S, i'v1artindc. Masli>.:ado, 496 :\/lalcriai cnsh), 1J09. l J20 2,t 104! ~nto. !04J sc!ccció11. !4.
Molino Molino Monedas.
MndcJn.'i, 206 [vlocklos de cera. 278 266 l\11odil'icadorc. vi dril,, :2 l 2 Modular. ógs, 1027 !\!1ódu!o de, 684 cbs!icid<\d, 58 l'llicidad. diverso~ n1:1teri
Moldeo sin 269 Moldeo sin e Iv1oldes, 242. 264. 452, 436. Veo procesos individuale~; Moldes compuestos. 264, 27'3 Moldes consumibles, 26.+ Moldes
Nominal esfuerzo, 57 tamaño, 965 Norma para el intercambio de los datos del modelo de producción, Exchange of Pmduct Model Data. 1073
1...
1-l., \084 co1nparador, 956 i11slrumento:;, 960 l11icrn:..cnpio ele intcrfcrencía. 876 plano, 953 de C00il)n10, 956 c0ntroi J 0]9. Veo proceso~
duaks de •;;sir1criL 7 ! 0 recuhri m1Gntos. 915 Organización para la nianufacluru, 32 Orientación. polímero:-;, 187 Orientación preferencial. 48 Oro, 171 Orientación, polímeros, l87 Oxidación, 98, 930 desgaste, 889
swi.930 Oxidación anódica, 913 Óxido de aluminio, 205 abrasivos, 707 herramientas cerámica'), 582 recubrimientos. 579 Óxido protector azul, 132 Oxigeno, fragilización, 8 l Palanquilla, 326 Panel de navegación, 231 Pandes de canocería automotri:r estampado, 399 polímero. 502 Papel de lija. 731 Paquete dual en línea, 937 Par de torsión, en el laminado, 323 Parafí na, 894
~22
Pusivación. 9K, l48, 870 Pasta parn soldar, 845 Patcnl<'.do. 129. 384 Patrón Je dirección (ntgosidad). 872 ~>ímbolos, 874 Pau6n de p!aca de coincidencia, 267 Pal mm:,\ di~ Chcvron en forma de "'V'', 381 205 Pc.dcslal la flecha o.<;cilanle, 289 P~ine de c::i.lx:zai de lhldos. 6!:5 Pdado, 484, 5M, 666 !)cl;1dura di: naranja, 50, 404 Película deposición, 928 t..'Xlrusif'in, 483 Película 484 Pdlcubs Ó)(ido, 870 Pdícuia~ poEméricas. 896 Peligrn, 1006
Peltre, 171 Penetranles. líquidos, 993
Pepita. de. '.-.oldadura, 892 Percuür. 268 Perfil máquina fresadora, 662 medición, 955 Per.fJles superficiaJe~, 876 Perforación, 397 Perforación de barrenos profundos, 630 Perforaciones de soplado, J 4 1 Perforado, 349, 413, 596, 609, 626 barra . 626 fresadora~, 626 máquinas. 626 Perlita, 112. 115
Perlita gruesa, J 15 Penneabilidad. arena, 264 Peso molecular, polfmeros, 181 df¡.;tribución, 181
Picadura, 97
dados de f0tja, ~90 Pidrn de ~\ctuacióo clurn. 719 Piedra ck esmeril de acción suave. 719 Piedras abrasivas para maquinado libre, 716
Piedras de esmeri L 708 curgadü, 718 716 718
728 720. v(~a wmbién abra.sivos nglutinados vidriado, 718 Pi~dras montadas, 709 Piedras. pulido (ionizado), 732 Pic:ws 887 placas, Piezas en bruto soldadas a la medida. 398 Piezas obteriidas en el .\otdada:, a !a Pinwra . 9 t7 Piroccrámicu. 21 r~ ?irorórico. 162. agrietamiento por ternplaJ,;, ],19
28, 973 27, 972 cambiü rttpido de dado. 434
cantidad certificacii)n de proceso, 981 círculo ''.f:'.I
(C'-ntroL
985
Guarzo, 207, de matcriaks, l 1 iO
dL:: producción. l l
), 606, 121
tci
Ü{f)
27, 972
164 Pis1ola laladrur. 630 lo, 631 detonación, 908 P!aca metal, 320 vidrio, 467 Ph1ca de volante, 812 Placas para pruebas de superficies planlis, 951 Planchado, 383, 421 Planchón, 326 Planeación, 1076 Planeación de capacidad, 1078 Planeación de recursos de la empresa, 1079 Planeación de requerimientos de materiales (MRP), 1078 Planitud, 953 Plano basal, 41 Plano de clivaje, 78
___,--
lndií.l'
Índice
Ph11t~1
(\illmcro
Uiunbw.:1611 de phlT•i<1, 1041
:-n
redw;ton::s. 122 Polf111cros, J 77. lh1 fmnb1in l'S· iructura de pi<Í.stit:o.-:, l 80 [-\1límcm:: conductores, 189 Polírnems de enbct: t:rui',ado, IH2. l ~O. 48) PuJimcro.s de red, l
789, 907 ~tlaque, lJ:-)3
rayo:-,,
concreto, 6/j precur:.;()r, 5{)1.¡
7ó!
Fl<.isllco p!
pí.i:·:111·0 l'mmadn.
46:?
!)ol1111ctilm.cu1crll;:,,lo. \('a :1crlií<,nc)
ha.•:ado .,.·n <.i.l1nid
Polimezclas, l 86 P11Jimodismo, 41 193
dt:S!,'il!-rk. }j')(J
:;struciu:a, !80 frJcá.ln. t;i':4
Polilcrraf!uoroelileno. Vi 11 Flunrocarbon, ">
11¡aquínado, 56}
Poliuro;.'.íano.s, J 98 Polvos de óxido en tubo, Li.72 P(J1vos microcncapsulados.
1
para recubn mJenlos. 9 l 5 procesado. 480 n~f,)o.adu, 222, ~'.26 unión, 860 Pl~lsticos ba•,«do.c, en ~t?ÚC
P!C1s11cos ha;,ad":..
t~1i
!úct·ico:;.
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1q.1 Pb_stific~:ntc~ ...
l (){},
P[as;isoín;,
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Po:~1coc¡miei1tn,
CJ32 i)o:,te suje1ndor de !ti. 606
1-.j.tj.()
uiilcne~;. JXJ zom: lk corte, 5.n, 539 Prirnitivv.s d,; '~ólidos. 1074 Princi¡:,io del bloquL: i:t>nslrw:ti· V-:>, Jil27 l'1·1)hab1li1:Lid. 99 i
f't·ot>ti.~in1i:.:11!0 1k
l0l4
Procesos dc 779
P¡·ocv:;;.Jmiento
fa.'i-c~;.
lerrnon1ccún¡co,
129 h~·,rT
d~' rkcb;1,:~ i ¡
de ncrfor;1cii.i1w'; ,,
i'lrocC.'>')
·k
l''J'}
F'n;c1sión. {)46, ()61 Vea 1un1hii;11 J 9·~
-15
PDlíéstcrc,-.,
19':~,
194
1·1 nlic~;¡ írci10;,, J r)3
<19
Prchorneado, 93 1 Premio Malcolm Ba!drigl', 974 Prcn:.;a
de crccímic11!0 en c
pusos. 180 Polimeri.r,ación del crecimiento en csc;:ilón. 180
Po!irnerizacíón por adición, 180 P0Ji1neriz<1ci6n por condeiisación, 180
ajusle, 860 cxcéntricn, 411 Prensa de doble acción, 433 Prensa de tipo de 433 Prensa de tipo O. Prensa de triple acción, 433 Prcn.•:a de unlón universal, 358 Prensa excentrica, 358 Pt·ensa bidrául ica, 357 Prens:i inclinable de respaldo abierto, 433
t:1sa. 1025. l 117 (\f. a proccsm,
Pmgramación por Jcmanda.
1091 Promedio de la línc:¡_ central, 87 3 Promedio de !a raíz cuadrada de la media dritmética.. 873 986 Promedio de Propiedades Vea tmnhhi11 matcri
Producció11 de a.c..::ro. 138, Producción de cintas
rot;1torio fas), 292 !'roducción de
ouinJ.do no tradtcrnnall's
Prodw~ci(in de
jXlrtes
y piezus.
;;nKh1cci6n sin :J1111;. Producción ;>ohria. ,';(1
58, 91,
! 78, 208. Vea wmhiérr lus nwteriales c.srecíl'ii.:1.1.'; f-Jropicdadi:,s 6olic:1s. q7
crin silícalo ck -;ndJO, 27~
disd10. lJ. !Ol?i. i 1 JC intcf',ridad. 2i\ l'l'S!)Ol1S
rcsponsabilicb
Propiedades si.:.nsibks ah
e~truc
tura Pronied8dcs t~nnicas c'n metak.s, 91
Productos
Procese Séjournet, 376
Pwfundidad de corte. 534 1ínea, 552, 557 Profundidad de corte de la piedra abrasiva, 71 J Profundo Capacidad de embutido, 418 embutido, 417 Programable automatización, 1028 controladores lógicos, ] 029
Proceso Shaw. 276 Proceso.s de formado, 3 l 8 cerámicas, 460 plásticos, 481 Procesos "sus1.ractivo.s·', 514 Procesos CL. 281 Procesos de ajuste en frío, 266 Procesos de baja presión a contrugravedad, 281
discli.o. 101::;
ci..;menfaa, l 12 rcrrila,
J
12
Ratón. 518 Ray.:;¡Jo eo espiral. 351, 666 penetnici;)n L 656 Ra~ros
:nt Vi 0 p1 oct'so.s indivi1
dunlc;-,
:w,t .~w~
Q11emado, en 1;~;rneriL 7 l6 Químico 8WJ
ras, 8Jl Prueba de ruptura húmeda, 918 Prueba de tenacidad a la frncturn, unione.c: soldadas, 832 Pmcba de tensión transvers<:d, soldaduras, 83'.:: Prueba de iensi6n y corte, 831 Prueba de tensión, 56 Prueba de torsión en ca1iente, 356 Prueba de torsión. 67
Prueb<.i de torsión, soldaduras de punto, 832 Prueba Izod, 75 Prueba Jominy, 120
1nnlcko plústico. 49:-i '>OhJadur;:1 de f'ricción, 802
Rcc;dcmlo. prueba. f\,-:cuJcudora, ¡.;;,,_~cnlcaclora
;-:bomb
\!n1 Prueba Jominv
m<.lciófl, ó2 ckformación. 60 t;:o;l'uerzo, 60 fundil:ión centrífuga, 287 Realzado. 422
35 L J55 de r(i¡j;i. ?·55 cabo,ctk.c, horizo11tal. Vea
bec~ador~1s
Radial fnrjado, :151
Cu~r;.:a, :599 ta!aJro, 636 Radio de la Radiografía,
Recuperación
409
Rccha7..ado cunvencionaL 42l1 de tubo, 425 de vidrio, L\68 JI' cortante, 424 de área iocl], 1093 R~dcs de covemm.t amplia, !093 Redes ncurale·:-:, 26, Rt·don1lcz. 954 Reducción de área, 59 Ri.:ducciótt de coslos l 12'.2 r<'.educción. mctülicns. 444 Rc,estirado. Refinación de aceros, J 42 Refinación del mdal, 164 \léas{' por inyecc1r'ln, !42 Rcfor7.ado
Hcbnhm:. 395, 67 ! , 735 Rebanado, ()28
"fntL·sis . .104 11.:,rnpk, 471 trnquclaclo. 748
snl ·
curvas dt~ e;l'i1c1?.0 vs. defor-
Rectificado de tipo central, 722 Recubrimiento de fosfato (fosfatado), 914 Rc 1.:ubrimienlo sin electricidad, 913 Recubrimiento:; cer:tmicos. 579, 915 conversión, 678. 896. 914 mdal. 896. 906 para el estir~ldo de varillas y de aiambre, 385 para dcctrodos, 587 para hcrramicnlas de coJ1c, 579 par;i metales cn lúmina, 914 Re.cubrimientos de oxalatos, 896 Recubrimiento::, mul,ifosc, 580 Recuperación, 49
rundicioncs. 305
715
Prncba de disr;n. ú7 Prueba de endurecimicnlo por templado di fcrcncial, 120
catód:n1, 909
fo1ja (bigotes), 344
de rcacc:ió11, 1914
Prueba de dJ.dura,
Dtllvcn:r.LlCtOn
Real
Rebabfl. en
limpieza,~) J 9
885
hcrn1mit::nlas de coni..;, 585 Rc;_1('1ivn, 745
Pun;;;onado.
l1e1Taniie11tas,
Pnieba de compresión de anlllo.
Reacción ¡-;xo!érmica, 7 í 6, 790 Rcacondicionado brocas, 634
Pun10 de reblandecimiento, 491
570 fresado, 745 764
¡g9
Prueba de flexión total, .sokl<:idLt-
Procese Hooker, 379 ProcL·sc Maimcsniann, 334 Proce~;c u la cera 278 Procese Osprey,
Punto de fusión. 94 div.:.r.sns malcria!cs. 91 Punlo de 110 deslizami<>nto,
l'u111,omtr,
l()f.)~
P'rt)d:Jcfividad. 3. 1O'.?,1 Frodw;t·n nilidad, 972
Pulidor. 1058 Pultrusi6n, 50! Pulverización, 444, 909, 929
P11nta
Prnpiedat'b; insensibles a J;i i::structura 96
í025 Protlucci6it de s1tpcriicit'.S pJ¿¡n;.i.:.
'-;Jnmbción
1
l11
so!idH1cación, J72, 29 t R
488
8.1(,
pun7.onad0, 394 (¡i.Jadro. 6'27 Vá1 1amhién. procc1-;o:.. ck
Pulido. 734
herramental, 525
de enlace., 5íJ4
ccrtimic¡;, orificio~,
502
Rúpido
R~'.acción
0
irnliviúua!c~'.)
Pn.i
Pru(:i~~;o tk c:lrnara fria, 2f\.\ Procese de t:uchllla de doctor, Proc~;sci de ~xpansión, 4.~ J ProcCS{• de Proc~sr· de 27<.I
IOCU
t:Hjel<.1, J 092
ca¡x1cid:1de:;. 9El), l 1 !.') i'Vicr pruc. ~sci~- indi\ 1,lualcs; recncido.
f)n1ce.'IO Czuchral~ki. '29 J. '>28
l'\liic~1rbonr\lo",. 19?
dectrodo no consumibk, 787 Procesos de soldadura por fu:-;ión., 775 Uniün soldada. 759. 820 Proce.<,os de unión, 771. 860 Prndt1cción an<.Ílisis de l'luJo. 1082 1116. l
para
~):l4
1·usiúr:.
78() Po!ía:füd<:is.
cjcr..:Lrodo consumibk, 779
fundición, 282
Pon1s1dad, 2'79 712 en ccr;ímicos. 208 t;JJ fundicíón. 2:H.
Proce~:os de cámarn calit:mc. 28'.-'l Procesos de cicfornrni.:ión vol u·· mélri eos. 3 1C) l)rnccso.s de eliminación de: mate ríal, 53 ! . Vea también pro-
rundíckm en dado, 28~ olntcriz
Prueba no destructiva. 992 uniones soldadas, 8T3 Pruebas de.<;tructivas, 997 soldadns, 811
Procesos de bióxido de carbono,
Prcsió:i
Polvos metal. la:naik1, 445 Poivo."- meiülico~:, 4,:¡5 Pun;clnna. 2 J 1 C':malle~:, 9 ! 5
F,.)
iJ!a.•;11cnc.
f'rem:a is1x,t
1 ·¡49
Reciclado, J 6, J 1. 196
; ele vo.cíado 545. 597
Rangc;: 984 r~ango de maquinaJo de atta eficiencia, 700 Rango ele solidificación, 24-4 Ranurado. 397, 61 O, 656 sierras, 656 Ranuradoras. 664 en esmerilado. 714 en fricción, 883 Rapidez de deformación. 64 en metales, 65 en polímeros, 187, 492 endurecimiento por deformación. 64 exponente de sensibilidad ::i. la rapidez de deformación, 64 sensibilidad a la, 64, 187, 403
(t~1Za),
266 Ri..;cipienles de so!ucionG~ intravenosas. J 125 Recocido de difusión. 933 Recocido para relevación de esh11;rzos, 12g Recocido subcrítico, 128 Recocido total, 126 Reconocimiento de imagen, 1052 Reconocimiento de la voz, ¡097 Recorrido, 874 Recortado, 345, 400 Recortar, 345 Recorle, 266
Recristalización, 49 cerúmicos vítreos, 2 ! 4 temperalura, 49 Rectificación sin centros. 725 Rectificado {piedra de esmeril), 718
629 Refrigerantes. Ve({ fluiilos de oJr!c
Rcfrigerames de a!ta presión. 588 Régimen dúctil corte. D21 esnwrilado, 720
sin unir fsrop-
condiciom1Jes (sistemas expertos). l097 Rejilla de difracción, 949 Relación de aspeclo, 445 Relación de Poisson, 59 materiales diversos, 178 Relación de rigidez a pe::;o, 91,
223 Relación límite de estirado, 419 Relación resistencia a peso, 91, 223
..
...
,.. ·1
Índict'
de];¡
H.1rnas ..Je
g.~.()
i'!I
1047 Robot sensorial. 10-1-8 Robots. Vr:a robots indusiriaJc.<. Rvhots indu:>triales. 24. J().43
tll C'.nsambk, 1():')() Robu;;Lc;,;,. 977
RC(lfundicit)n "refu;c1.1s1lng" '.246, 289 Rcpkg;¡do. 4 l 3
Rociado. 500 Rnc!a
de. un .',<.'llido l'll
ocL111U::,. J()7,:¡ J(qm.~senlc¡cion l1nc~1J, !073
aph<.;i.amiento. J25 brufiidu. 904 cerámica. des/il.:ornienl.u, 4()2
Rcqucrimii.::1il1J.<. de r.:ncr,gúr. \'h1
Jw:nwkriaJ{_':; indiv!ciu<:tk¡,
3¿,q
1;nuleac1oncc; nic!i.ÍlKa,<,, i(('
dobb<.lo, ti l 2 engranes. ()75
en vidrio.,;¡ 7()
b
e:~mcril. 7~!.'2
y;'u ulii
a!:¡ l"a!i("·
ni
);¡
rnrmado_ -~ i ·~ 32.2 nlt.'lak;,. 3.:U
en di.'>eífo experimental. 976 Ruptur~1. 74 Huias adicion<'..lks del m1)d1:.Jo. 266
919 Sec<:Jdo, cerámicas. 4ú4
Se cu esliramicnio. 385 grnb
prcnsad<.i. cenímic:10, ·46J Secundario cnhices, 18 l
refinación. 1~12 S1.;g1ncn1a(lo dndo~ ...1 ¡r\ \lirtilfl\.
"'
p•.)h'o~
<,1)
n1ct;lJico.\
c:üld;¡dura dl: f'illlius. :Wi;
'!/
.<-r .:J.(,7
Lqcií!io"
1008 c~s1ncrilndo.
728 m.:1gnc<>i~ . 5ú2
mnq11in;.tdt1
1007
p1·nl'l.~,,am1cn:o
microete.c:uomecanlco.s,
Si:~tl'.nw~;
765 Si:-.tcmas rC'.dundri.nte~. 992 Sobre(alentado, 249 Sobredobludo, 4t0 So breen íriamicnlo, 212
.Si!icw.o de aIL!rninio y !itio. 207 Silicmo de sodio (walerglus:.), :27¿1 Silicatos, 207 Silicio, 925 Sifü:onas. 195. ]C)g Silla de rueda~:. 14 Siniu!ac:6n, computadora. 1079 Simulndn
ban-;1 i bloqut.:. 37() Síndrome dd túnr..·J citrpa!, ¡ons
Sinti:;riz~icio
cc1·tiinica, ~165
polvo.'> mtt<ílico.s. Sin!cri~
de polv(/.',
Solcbdura [..ui..:rti.: al horno. 841 Soldadura fuerte por i11mcrsi611, 842 .Soldadura fui:.rtc por oxiga:-:, 840. 8~13
Soldadura fuerte por resistencia, 842 Solcbtdura por arco dt'.!ctríco. 779 Soldudura 784 Soldadura 812 801
123
Sierras de alambre, 670 Silano, 228 Si11c:J, 207
Socavado, 750, 924 So!dabilidad, 828 Soldadura i..::. didad, l.523 COI l mct:d, 32() discfio. 833
inercia. 802 lint:ttl. 803
extrusíón. 375 8'24
pistol.:l
:-.oldar (área :-.u781
por frk:ción cnn pruccsns de
di~:,1~H..:ión.
803
')1)()
Snldaduni 1t:r1n1c<, 790 So!Jadura iopt· de l!Xlr~mo, 374 de unión, 774 Soldadun.1:, libre.'. 1k plomo, g48
SupcraJeacioncs base de coba!lo,
::c~1
~11pbi.~
775, 820 17 i'
pa::oe. 327 Superficie ele fractura, 77. 79, :22H en el corte. 405. Vea procesos individuak:s Superficies, 869 SupcrJicics
!{!:)l..)
tk o,\il'.Dmbus·
Si.<..1,~nw hasaJ(1 en el co11t•ci· E'.ii.'.lliO, )()()f)
ilu.i1!icactun, :ikw..:10lll:S, '."J 1jl
Sw,trato, 579, 869
de
lc.oJu:h.i,:m,.:,
S(ílido cm;1du en
\lernpcrmurn inte: rnl';:Jia;
63\i 627
520
i.:.~n.
b:1sc 107
¡05()
Tiempo 1.k
6:15 63~
cs:íradc, 383
Tamaño, ll/J1'.l
T:1nwf:,) de la nwec,\ra, q¡n ·r:111ia!io de! ~i.rnnD. -~ó, 4(~..:. ~n;:;. 1o:~~-í _1 1 'f t!lFl.i"\.nd¡_;]
f<, U!lll'.,
t'22.
f<;)X:1tl,·,.:) 1)(l
O:idtL>:, V!!'U[i\.
r.:,).'·:cus, ()22 medición ck. 955 k01;1;~i:, de Wrnilio un1f"1c.;dn:i.
ú22 Rotrai\·o c1ltlificador íccodcr), 103,:¡
! '.~8 41)3
JnJívidwil~!.\
Rit:sgo del consumidor, 99'.2
del nrodtwtnr 1./)2
1::;.min~ido,
'¡'¡i;min
r)l1
ullrasónico, 730 de mesa. 662 de tubo, 334
Rotulur para fuera de servicio, 1008 Rueda de e.smeril ccr6.mica. Veo aglutinado viisificado
Tuken
,')J.',f.t:m~: de Sj~J1:11w ..:u Si,'>lcnw en
9()5
\!slcrnn
')o(dlO. )(),:1 H:i. !lj)Ci"<. 1.l:i()[L
~l ikcli;1, 9í). ., pcrforc,cio11,·"
:1
.
h1i.'.'rro-c;i1btJíJ(\.
!09
Sistc;rna ~:i'JH.:ron1;. un:-.amble, Sistz:rnm;,41 .~)[~:temas CAD, !071
Sis1c111as dl: aJqui:-.ici611 de d:.tlo:·,,
Sensor fusión, J054 I051
Sistema;.; de aJmacenamicmo y
Separación entre electrodo-pieza de trabajo {clectrocrosiouado), 755
.'>1\\·\~lllG.
<.tgrn:w1n1cn1.o '--'U[1L';1ficrnl. ¡go
.c;:o11.
.-::ll!d:.cdura :k fric·.,ú·m 80'.~
Solondura de
1071 ICCUPC'f8C10!1,
1042
elasifica..:i6n y de codificación, 1082
Sisti.:mas de control, 24 adaptativos, 1038 numéricos. 1029. J 034 robols, 1045 Sis~em;.1~; de estructuras, l 097
dL~
u¡;1aci.:tLlc!l(1,
TJ\l
...:nV, Snldadura tk~ rc:flajo, 8,;J5 S<.)]dadura d¡: resistencia de alta fn.::l.'.u-.;ncia. 808 Soldadun< de ["esistencia. 80~
Soidadma de tuni..:_ 809 con o;coria. Soldadura 785 Soldadura fucnc (!utonado), 840 ele htrrnmicntm,
cir..::uilo impn:Ml,
9:n
p1l! inctT.i~i.
JO.'i8
Sr...,1isibilidad a muc.'>cas. 75 SL:nsib1liz::.ic:ión Uictil, l 052
960
6S.:!. l ()g~,.:
ilJ'i
.'11.',
Sensore¡.;, 998, 105 l Sensores analóglcos, 105 J
l ()(1
'fiJcbo. 32b
JL'l!VJ~\L
,946,961
J 6g
i3:·:
;í):¿{¡
cni;fornwdo inetálico. 2XH mct<ílico. 246
~sponj~¡-
Titnnio y :1lc~11.::inm\'
í'1;-:olníp1cn, 28!)
cnsarnhic. J 056 l•Aiu\1c)1,i1 93 i sin(criz:tcki :;or la:-.cr. .'i ¡ 1) '~vmico11duc1or de mela] y ó:; ltfo. 925 S1:;11úcond11cLorc:-;, '.)(). 92S Seuii.<;()Jic!n
i l !8 a piso, lo:'. l
Tiemt)ü de 'i'ira
T3(1
ji"iz'dici6n, 9.):~
phfaticos Lcrm! i-
Tcnnopláo.;ticos, !86. 191 Termopolínwros, l 1D Textum, 48 l·~..:xtura sunerficiaL 872
m:;¡[o.:.lrn
los
Vi~ll
fuerzas. 632 b;.is,~.
,\(1!da(!..tr;1,
i~í \j.1¡,n:<:b1i1t1ar!,
88] Tenninado de barri !. 7Y) ruptura, 74 Tcrrnofonnado. 49 l
'.1·'.12
,_;.~¡
(.k an.:o cnn
:1 ;1.
Tensión frontal. 324 Tensión supcrficiaL 249 Tensiones Cn lan;.inw;iót1 ..}24 Teorema de Bernoulli, 247 Teoría de adhesión de la fricción.
T1·;nnupar. 551
conlracción. 252 rncl<.11 1:ira sokbiura, fí.20
curadt1 ~n piso, S20 \,{,'!" curadu ~P!d1\dur<.1
iU,~
del vidrio, 470
en el esmerilado, 7 l6 Templado físico. 470 Templado ténnko, 470 in!errurnpido. 129 63, 75
Sustitllción de maleriaks. l J 1O
2'J()
Si:·!vma a:-;folT0.1h>. (:fl.';amhh·.
Temperatura ele transición vítrea, 184 Temperatura homóloga. 51 Tcmplahilidad, 120 bandas, 121
Tcrnplaclo, 119, 128
166 Superaleaciones base hierro, t65 Supi:raleaciones hase níque1, 166 Superconductores. 96, 472 Superconductores de a!w temperatura, 472 SupcrconJuctorcs de baja temperatura, 472
Suslit1ici1.mal :1tomo,4r.1, .'>(1lucir'ln ~.;ólida, 1{JLi
jl):J.
en, 'J9t\
j"l{l)ÚJICl"<1.-;
Supcrabrnsivos, 707
Superacabados, 733 Supt..'.rakciones, 164, !65, 3.10
o irn··
de cfanaw, dados ele p~~rl"il.
TemperaLura Curie, l 09 561
845, 938
ckclrodos. 71°S(; l:n neoita. 805
M)!t1cione:,,
!ic1;:~.
1'0ÍX1h.
Si.sLemas
Uicu1«mtc:;. 21( huk~.. ! 1)8
iu111.Jí1..:11Jne0.
m:iquin~L'>.
Sierr~i.s, 402, 656, 66H
ar~:n;:i;~.
?.fo
F[j\"eladiJ.
p<1r tm.'>nL 313
Shc.·whart, Vv'. A., Sialón. 207, 584 Sierra de mano, 669
udii::.'>ivr/.<.. 1)rg:í1:;u).\,
l1Jl>iin(iS,
)¡y
Separador. 397, 596, 6 JO Separ:~clor del 4.~9 Servomotor. Sevcri dad del 121
Si1l~eticu"
541
l.ilt:IZd,
l.1:-u dcctn
55k,
1048
R1)bot Robot
Re11dirnicn.tt) 'iobrc C<.:ditbd. 973 b inve1";iün. 1l 23 J~l'iK~. J 66
Rv.:Í.\il~Octa ~l
Rugosi-
10-17 Robot de. ton1ar y colocar, l{)¿17
V<1riJb, Rcllicnos, en Rem:1che[.;, ~
U7
kobot tle Robot de retroaliincnt~i.:itín. 1047 Robo1 de sccuctH.:ia fija, ]()il7 Robot de secuencia v;iri:ihk.
t::-:.füi:rzoc;, 75. ¡ íl9 cdambrc, me!ul:.:-s, Tl:i,
lú·prc.-.'-'.lllilCii)n
1151
Índice
R1d~lL:ione~, de
rabricac:i(ÍIJ de modelo·;,
de moviroien!os,
!i1npic/.a. 9 llJ Snrnfa de t
Sujeción, Sujetador de
418 Sujetadores, Sujetadores de brocl1e. 859 Sujetadores de la herramienta, 657 Sujetadores roscados, 857
anillo, 1093 bus, !003 Tukrancii·l a b c.onlracción
10\l:~
,·nn,;nn'''"' ·nrn ] 09,:: Ta~,ade
112! Gn conformado ík metales. (J ..J Tasa Je enfrim11H::n1o, fundidoncs. 24"1 E Vv'.. 55l de calado. 790 de grupos para KK-3,
Teí'Vm, ! 94, 884 Tela (matcri
303 Tokrnncia bi!atcrnl, t.164 Tolerancia posicional. 96:) cfolcrancia un1lalcral, 96(-)
945. 9(i.:.:
303 Tolerancias. 22, 9.!15, 962, l l U) en fundición, 305 Vea !Umbién procesos individuales Tolerancias dimensionales, 945.
962 ele la, M, 18ó elevación de las, 84
Tomografía computarizada,
Veo procesos individuales
Tono marcador. 61 O
996
,...--
-~
T52
lnclirc' ·1·rrn1svcrsal
Tornc,tdo. )lJ4. 596, ()i).) ftK~rí'.
e:,mcrilado, 72 J rcsislCrH.:ia :-i !a ruptura, 68 Tl'aqueteo esmeribJo, 727 maqui IHtdo, 618, (191.1 872
pu111as, 682 Tornillo dislocación.
prcn.sn
d~\ 3.'i~l
123
Tornillo sin fin, 60ó. 623 Torno. )!)6 Torno cn11trolado por cornputado612 Thrno convencional, 605, (¡\)(! Torno de bancada dividid
Torno de torreta, 611 Torno de torreln de tipo d(;: ::iil:i. 611
Torno de.: uso espccínl, 606 Ton10 duplicado1·, 610 'forno revolver de tipo ck arick. 611 1·{¡n1m,, (¡fl.i Torrct·n
Cl1~idr:id;1,
Total
123 Trat~trnienlo
icc1.llr0 'kl ir1dicadoJ. 9."J'-1
1mml,:1ú111ic1110 prnd11c¡lvn 1029 de arte. 749 dt: lalk;- l)oh slto¡i). f ()?5 \;(y; pro·:~__:·.os
ma1tensílicn-e1111ejc12~
ciblc
1O?. aleaciones ferrosas . ! i 5 aleaciones no ferrosas, l '.22 hornos, 130 SUf)CrtJCií.llt'S, 902
513, 52:1 matwina frcs;:i_dorn de columna ; codo, 662
Univ~rso (población mucslral)·, 983 Urna, 194
Tren, :nolino de larninación. 330
63 ¡
Trr•1;~1n,11'•Í!.n
1:.i2.
:rnn
'fobo ;1'uombado c\.c, -t ! .~.
manulactura de, 35 l H'C]W/.
cnndcnsación, 444 desr;m:T;:isad1). 9 í 0
Variaciot1Gs al
1OX7 Udin1.c;, 166 11Ju:.1precisión ni;mufaclura, 22
Tu:rnsfcrenci;i de rociado.
inspección,
Transio1·maci6n
2116
i047
Y\:lociclacl de cndmecimit'n(() pur dcforrn;1cJun, (i:¡ t':<.poncnte, M IP-7,492 J8'/.
sistema;,, 1:m;amblc, 105B Tnrnsfcrc:nci;J de caior en fuudición. 250 Tnrnsfon~nctJ. 7g3 Trcmsi'nnnac,ión polirnrí1 fic:i, ! 1O
983
dGformrici
ni Ja l·undiriún, [!.)/{
de, i(C7, JOY/
a:t.~u·,
'\luril1m:, Veluculo
j(¡\)
il1CC~Ull:-.nHlS
Virutas en dicnlc de si•::rra, 5Li l Virutas no 54 l Viruu1:.: mcwl, Viscosidi:!d, 1Wi. 24~\ ~:.:w vt~üón de müquin
Variabilidad, 98J
r(~cak.
1
mokko por. 4<¡3, 50 J
688 Virul<:i no deformacli1 espesor. hS !, Jm1git11d, 7 iJ Vinttas cliscü1illouas. 8.23
laminado, 315
if11eu:. de. ói{\, 102N
variable. 952 Transición ajuste, 966
925 "Tmnsit.\·", 953 Transportador, 950
Vulcnnizac1('':i,
1x--:;
9S.~
Lj{)J
'{unque, }'.U
620.
Velocidad óptima de corlt:., 554. 701!
()CJ.q
Verde arena de moldeo. '2ü5 n:rámica, 462
- 730
800 <>oldadura, 8'-15 vibr:ición, 386. 885
447
ceida, 40 <;Oslos, J l l. J ) 09, (Veo procesos individuales) Unidades de cabezales de potc:ncia, 1027
Uní forme Transistor de efecto de campo,
polí1nc:n),':,
Volurnen 18,!
in~1ru ..
Onidud
ijnC':.d
ángulo de flujo, 544 controL 618
sist1...·mus de rccn!c:ccióo. ú ! 8,
Vciciado, 1~1 J Vaciado de di:cna~k1. l62 \!;dor. J. 1121 Vapor camisa, !21
doblado de, 4 H
chdns, -402
«tdministración, 618
fundición, 28 l horno. 14! moldco. 269
39.\ 748
Virut<.i
Jisposici<ín, 619
evaporación. 908 formado, 49 ¡
Triquitas, 225, 585 Triturncidn, 444, 460 Triturado. 460 ·1·1·iturar formado. 718 preparnclón, 7 l 8
523
enroscado. -~-'I .·\ prnfrnididrid Je cort~, M-9 rclació11 de compr~sión, 537
Vac~mda
Tubo .-:in .;osü1ra, 3 Tuerca p;-irtida, 62.l
n1iiquina~
Vida r.::n servicio, !6 Vidriado, 465, 915 dt: ruedas de i..::rn1crii, 71 ?:! Vidrio, 212 ci...'rárnicos, 214 Vidrio flotado. ~167 Vidfio laminado. 471 Vídrio 471 Vidrios, 212 Vinilos, \leo cloruro ele po!ivinilo V1rwa1
Tral<1n1iento
ad1ninistn:1cicíu de !a 1·<1li
en prc:nsd.
Unión en T, 774 Unión -;okbda, 820 831 traslapo.da (soldadura), 774 Uni•mcs con radiufn.:cw. ~nci<1. B47 U ni o ne~, iónicas, 204
re.<>istcncia. 453 Vías, 936
Vibración en esmerilado, 727 en maquinado, 618, 694 en soldadura, 860
ZancCJ, 545. 629 del cortador. ()57 /::ero estado mec6nko. !008 rnvcmar!o, 109 j línea, 966 Zinc, 170 akacione.s de fondición. 309 r·ccubrimit:nlo ele rosfr.ito. 896 Zirconio. J 70, 206
nitruro, 581 585
calor, 82!,
Vibración autoexcitada, 695
deformación, 343 58, 63
Vibración forzada, 695
Vibraciones regencrativas, 695
204
Vidu de la hen-amicnta. 551
Zona de la región bifásica o
bl~m
da. 244
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iNTRODI. TCCJÓN CENER/\~~
Rol.01cs dt: fren1.1 y iú1Tns de c:ilíndro hecho,<,
Selección ele nw!c1üks petra moncda~ cn E. U. Sc!cccizín de 1nateriale'~ par<.\ bates Je béisbol Fabricación di..: un salero y un mo!int) de pimicma
P5gin;1
Aplicacir\n de CADiCAIVt JXira fabricar un rnnldr:.' ¡x1rapn-~1 de plástico Jinwdoni Disdlo de .'>il!a di.; ruc(];i.c, coir10 >'mpresn rnuiiidi::c1plínana
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27 J¿I
PARTE f C.iicu!o c.ic r::::~i.':>lcncia úi1ima a Ja lt.:r!.:,;i6n Frdcluni Cn:\g!I de ph1c;1s de c\cern usadas rn t1 cow;trucción dl'! 1rnsatl;íntico Tlunic Cilkulo
Un aulornrívil tol<:dmcntc de aluminio Uso de pol!mcro.s conductorc.-. ch~cl.rirns i.:n bati::rfas 1ccargabic'. parJ forrf> de puo..;rJas de
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Roda111icutos de hola~~ y pistas de
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Elit11inacl<Í11 fX)i"osidal.l en C\nnpoDcntc:s de supcr;llc:tcilÍIJ r~obdo~; :Jl rnodcl1; pc:rdido f)'ff
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ParLi.; cxtruic:b en fr~o C:llcu!o de Ja fuecr.a di.~ pun:;·,onadn
Mt:tal lamin.ado soldado con láser p~.ira mo!dc;1do Fahncación de fuelles motor dc reacción """"',.,,""""''"y liga por difusión en c;ínterízac:íón Engran~ljes paru un tractor de jardín
de componentes de Cl':rámic::1
Película soplada Moldeo de partes por inyección Raquetas de tenis fabricadas con materiales compuestos
.130 :qg J72
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Rcdisdin prnpucs(o para un rcg1slr:idor de prcsion Cekbs de 111anufaclura en nn taller pequeño Comparw..'.ión de sistcnw~ lkxihlc;.; tlc manufactura Cil empresas granck:.;) r:n cmpn.;,,;a'.) pt..0!.JUCtia•;
Dirección de la fucr1.a de empuje
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EJccto de la velocidad (k cor!1: snbrc b rcmoclr'.in de 111;11erifd Mayor dur.a'ciün de herramit!ntn .ci.l reducir la velocidcid de corte Clusificución de facilidad de maquinado Recubrimiento de varías íascs sobre '
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Partes características hechas con tornos con control numérico cotnputarizado
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FACTORES DE PROPIEDAD
la ÍDduslría aulomotril. en B'.)tados Unidos Erecto de lu dureza ch:: pieza .-.obre el coslo en d 1ala
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PARA CONVEHTlR DE
Dirn;;n.c.:ioncs de vin11.::t en d reclific«.do supcrricial Fucl"i'.:1s en d l"ectifü:aJn sl!pcd-kíai
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484 488 499 502
Producción de tubo de polímero Fabricación ele televisiones en Sony Corp.
Aumento ele calidad sh1 aumentar el costo de un producto Cálculo de límites de conlrol y desviación estándar Control dimensional de partes de plástico en el aulomóvil Sa~urno
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2.540 X 10 1 .l 048 X iO 4.536 X 10·· I l.OIJO x 10' 9.072
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9og de cerámica para ::i.plicación en J.ha tempcraturo. 9 l (¡ Procesamiento de una región tipo p en silicio tipo n 935
Mediciones de longitud en la historia
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Con1pant("ión de :;o!daJur~1 por rl'.•;ístcncia y 1.>m l~íscr
Dclt:nnlnación del coeficiente Je fricción Reparación de un eje gastado de turbiirn rneJiante
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C-5A y C-58 para rabricar mw
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PARA UNIDADES Sí
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OTRAS CONVERSIONES
Láminas para carrocería aulomotriz moJt.leadas con varios procesos
P;\RTEV!U
Energías relativas en el corle
Maquínado de vttrias formus complejas Tasa de remoción Je matc1 ial y par de lorsitío :::11 e! taladrado Rctt:J1 de lomillo para hut"Sü
Fabricación de tat~~:-, con conc1cncia ambic:nlal Ejemplos de Uernantbs de respOclsuhihdad por el producto
Y1.7
PARTE IV
So!dadur.;1 d(· n11v:.1_j::s rnst;¡·{(r cnn 1{1:-.c: ;.,i,'.;<.l c.11.; una mo11ed
hechos
con metalurgia de polvos Producción de carburo de tung;;tcno p
5(M 5
r)AR·1·E
PA.HTE íil
CílcHlt) de
malenalc~,
toncl:1du (C<'ria)
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C.ik:ulo de 1·uer?.:1 y pm de rodJik¡[.; dt: iamin.:a1o en l
con1p11cstos de matr17. niclúlic~t !"".iisel'iü de un rai6n de comp11tmíorn Cubi,~rl.ll para molm di.! limpi
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m kg lb'
2.768 9.807 4.1'.\4 2.835 2.540
X lO X 10-3 X JO X 10-1
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