INSTITUTO TECNOLOGICO DE QUERETARO Ingeniería Industrial
Proyecto: DISEÑO DE PRODUCTO PARA MANUFACTURA DE UNA BIELA DE UN MOTOR
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Materia:
PROCESOS DE FABRICACIÓN Alumno:
MARCO ANTONIO CASTAÑEDA AVENDAÑO Profesor:
Ángel Pérez Martínez Fecha de Entrega:
24 de Mayo de 2012
Índice
Índice ....................................................................................................................................
1
Introducción ...................................................................................................................... 2 Objetivo................................................................................................................................
5
Selección de material ..................................................................................................... 6 1.
Características generales del material propuesto ................................. 6
2.
Propiedades mecánicas y físicas del material ........................................ 7
Selección del Proceso de Manufactura ................................................. ................................................................... .................. 10 1.
Descripción del Proceso ...................................................... ................................................................................. ........................... 10
2.
Maquinaria y equipo .................................................. ...................................................................................... .................................... 12
3.
................................................................................ ........................... 13 Condiciones del proceso .....................................................
4.
Consideraciones Consideraciones sobre el diseño del producto ....................................... 14
5.
Recomendaciones de tolerancia de dimensiones ................................ 16
Mejora de propiedades................................................................................................. 17 Operación de acabado ................................................................................................. 18 Conclusiones
.................................................................................................................... 19
Bibliografía.......................................................................................................................
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1
Introducción
La biela es un elemento mecánico que sometido a esfuerzos de tracción o compresión, transmite transmite el movimiento articulando articulando a otras partes de la maquina. En un motor de combustión interna conectan el pistón al cigüeñal. Las bielas son, en la actualidad, un elemento básico en los motores de combustión interna y en los compresores alternativos. Se diseñan con una forma específica para conectarse entre las dos piezas, el pistón y el cigüeñal.
Su sección transversal o perfil puede tener forma de H, I o +. El material del que están hechas es de una aleación de acero, titanio o aluminio. En la industria automotriz todas son producidas por forjamiento, pero algunos fabricantes de piezas las hacen mediante maquinado. Por lo general, las bielas de los motores alternativos de combustión interna se realizan en acero templado mediante forja, aunque hay motores de competición con bielas de titanio o aluminio, realizadas por operaciones de arranque de material. La biela se distingue en tres partes:
La parte trasera de biela en el eje del pistón, es la parte con el agujero de menor diámetro, y en la que se introduce el casquillo a presión, en el que luego se inserta el bulón, un cilindro o tubo metálico que une la biela con el pistón. El cuerpo de la biela es la parte central, está sometido a esfuerzos de tracción-compresión en su eje longitudinal, y suele estar aligerado, 2
presentando por lo general una sección en forma de doble T, y en algunos al gunos casos de cruz.
La cabeza es la parte con el agujero de mayor diámetro, y se suele componer de dos mitades, una solidaria al cuerpo y una segunda postiza denominada sombrerete, sombrerete, que se une a la primera mediante tornillos.
En función de la forma de la cabeza de biela, y como se une a ella el sombrerete, se pueden distinguir: Biela enteriza: Es aquella cuya cabeza de biela no es desmontable, no existe el
sombrerete. sombrerete. En esos casos el conjunto cigüeñal-bielas es indesmontable, o bien es desmontable desmontable porque el cigüeñal se desmonta en las muñequillas. Biela aligerada: Si el ángulo que forma el plano que divide las dos mitades de la
cabeza de biela, no forma un ángulo recto con el plano medio de la biela, que pasa por los ejes de pie y cabeza, sino que forma un ángulo, entonces se dice que la biela es aligerada.
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La cabeza de la biela presenta una articulación que acciona directamente con el cigüeñal, el pie conecta al bulón con el pistón y el cuerpo es la parte que une a estos dos ejes. Las bielas de los motores de cuatro tiempos son diseñadas para resistir no solo las fuerzas provenientes de la combustión, sino también a la tracción, ya que realizan un recorrido ascendente sin compresión. compresión.
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Objetivo
Diseño de producción de una biela de motor , sus funciones, los materiales utilizados y procedimientos a llevar a cabo en la producción, tomando en cuenta características de los materiales físicas y mecánicas, así como el proceso de selección de manufactura. manufactura.
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Selección de material
Por lo general, las bielas de los motores alternativos de combustión interna se realizan en acero templado mediante forja, aunque hay motores de competición con bielas de titanio o aluminio, realizadas por operaciones de arranque de material.
1. Características generales del material propuesto
ACERO
El acero como material indispensable de refuerzo en las construcciones, es una aleación de hierro y carbono, en proporciones proporciones variables, y pueden llegar ll egar hasta el 2% de carbono, con el fin de mejorar algunas de sus propiedades, puede contener también otros elementos. Una de sus características es admitir el temple, con lo que aumenta su dureza y su flexibilidad. Como consumidores destacados de acero cabe citar a los fabricantes de automóviles porque muchos de sus componentes significativos son de acero (bielas). Por sus propiedades trabajaremos acero AISI 4340 que es un tipo de acero de baja aleación y medio carbono A modo de ejemplo cabe citar los siguientes componentes del automóvil que son de acero:
Son de acero forjado entre otros componentes: cigüeñal, bielas, piñones, ejes de transmisión de caja de velocidades y brazos de articulación de la dirección. De chapa de estampación son las puertas y demás componentes de la carrocería. De acero laminado son los perfiles que conforman el bastidor. Son de acero todos los muelles que incorporan como por ejemplo; muelles de válvulas, de asientos, de prensa embrague, de amortiguadores, etc. De acero de gran calidad son todos los rodamientos que montan los automóviles. De chapa troquelada son las llantas de las ruedas, excepto las de alta gama que son de aleaciones de aluminio. 6
De acero son todos los tornillos y tuercas.
Cabe destacar que cuando el automóvil pasa a desguace por su antigüedad y deterioro se separan todas las piezas de acero, son convertidas en chatarra y son reciclados de nuevo en acero mediante hornos eléctricos y trenes de laminación o piezas de fundición de hierro. Las bielas obtenidas obtenidas de acero permite obtener obtener igualmente bielas de fundición fundición y por calcinado. El procedimiento así como el utillaje para la realización de este procedimiento permiten realizar una economía de material en la fabricación de bielas lo cual es importante dado que en el cálculo del precio de coste de una biela, el precio del material está comprendido comprendido entre un tercio y la mitad del precio de coste total. Además, permiten realizar una economía de mecanizado ya que numerosas superficies mecanizadas hasta ahora se obtienen sin rebaba en la biela bruta asegurando así una simplificación de la gama de mecanizado y las tolerancias obtenidas son cada vez más precisas lo cual permite dimensionar las bielas lo más justo produciendo produciendo así un aligeramiento del motor de combustión combustión interna, evitando evitando sobredimensionar sobredimensionar las piezas motores con el fin de tener en cuenta la dispersión del material en las bielas obtenidas según los procedimientos de fabricación según el estado de la técnica.
2. Propiedades mecánicas y físicas del material
Acero AISI 4340
Acero de baja aleación y medio carbono Propiedades Mecánicas
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Aunque es difícil establecer las propiedades físicas y mecánicas del acero debido a que estas varían con los ajustes en su composición y los diversos tratamientos tratamientos térmicos, químicos o mecánicos, con los que pueden conseguirse aceros con combinaciones de características adecuadas para infinidad de aplicaciones, se pueden citar algunas propiedades genéricas:
Su densidad media es de 7850 kg/m³.
En función de la temperatura el acero se puede contraer, dilatar o fundir.
El punto de fusión del acero depende del tipo de aleación y los porcentajes de elementos aleantes. El de su componente principal, el hierro es de alrededor de 1.510 °C en estado puro (sin alear), sin embargo el acero presenta frecuentemente temperaturas de fusión de alrededor de 1.375 °C, y en general la temperatura necesaria para la fusión aumenta a medida que se aumenta el porcentaje de carbono y de otros aleantes. (Excepto las aleaciones eutécticas que funden de golpe). Por otra parte el acero rápido funde a 1.650 °C. °C .15 Su punto de ebullición es de alrededor de 3.000 °C. °C.16 Es un material muy tenaz, especialmente en alguna de las aleaciones usadas para fabricar herramientas. herramientas. Relativamente dúctil. Con él se obtienen hilos delgados llamados alambres. Es maleable. Se pueden obtener láminas delgadas llamadas hojalata. La hojalata es una lámina de acero, de entre 0,5 y 0,12 mm de espesor, recubierta, generalmente generalmente de forma electrolítica, por por estaño. estaño. Permite una buena mecanización en máquinas herramientas antes de recibir un tratamiento térmico. Algunas composiciones y formas del acero mantienen mayor memoria, mayor memoria, y se deforman al sobrepasar su límite elástico. La dureza de los aceros varía entre la del hierro y la que se puede lograr mediante su aleación u otros procedimientos térmicos o químicos entre los cuales quizá el más conocido sea el templado del acero, aplicable a aceros con alto contenido en carbono, que permite, cuando es superficial, conservar un núcleo tenaz en la pieza que evite fracturas frágiles. Aceros típicos con un alto grado de dureza superficial son los que se emplean en las herramientas de mecanizado, denominados aceros rápidos que 8
contienen cantidades significativas de cromo, wolframio, molibdeno y vanadio.
Se puede soldar con soldar con facilidad. La corrosión es la mayor desventaja de los aceros ya que el hierro se oxida con suma facilidad incrementando su volumen y provocando grietas superficiales que posibilitan el progreso de la oxidación hasta que se consume la pieza por completo. Tradicionalmente Tradicionalmente los aceros se han venido protegiendo mediante tratamientos superficiales diversos. Si bien existen aleaciones con resistencia a la corrosión mejorada como los aceros de construcción «corten» aptos para intemperie (en ciertos ambientes) o los aceros inoxidables. Posee una alta conductividad eléctrica. Aunque depende de su composición es aproximadamente de 17 3 · 106 S/m. En las líneas aéreas de alta tensión se utilizan con frecuencia conductores de aluminio con alma de acero proporcionando éste último la resistencia mecánica necesaria para incrementar los vanos entre la torres y optimizar el coste de la instalación.
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Selección del Proceso de Manufactura
Procedimiento de fabricación de una biela forjada y utillaje de fabricación para la realización de este procedimiento. Lo descrito aquí se refiere a un procedimiento de fabricación de una biela forjada para motor de combustión interna así como a un utillaje de fabricación para la realización de este procedimiento. Las bielas son elementos del motor encargadas de transmitir las fuerzas de los émbolos al cigüeñal e incluyen una cabeza provista de un orificio calibrado, un cuerpo y un pie igualmente provisto de un orificio calibrado. Estas bielas son generalmente fabricadas por un procedimiento de forjado en caliente o en medio caliente que comprende varias etapas que consisten particularmente en la fabricación de una pieza pre-desbastada por laminado de una palanquilla previamente calentada a una temperatura apropiada, en la estampación o el matrizado de la pieza pre-desbastada y en una operación de mecanizado de los orificios calibrados de la cabeza y del pie para obtener una biela en bruto. Nota: Los números marcados entre paréntesis en los diferentes puntos del proceso de manufactura (1. Descripción del proceso, 2. Maquinaria y equipo, 3. Condiciones del proceso) refieren a la descripción esquemática en las consideraciones consideraciones sobre el diseño en el número 4 y la producción de la biela.
1. Descripción del Proceso
Esta biela (2) está formada a partir de una pieza desbastada (10) representada en la figura 3 y que presenta una forma externa general que se aproxima a la forma externa de la indicada biela 1. Así, la pieza desbastada (10) comprende una cabeza (11), un cuerpo (12) y un pie pi e (13). La pieza desbastada (10) se obtiene a partir de un perfil (15) representa en la figura 4 y que presenta una sección transversal que corresponde al perfil de este boceto (10). El perfil (15) está formado por ejemplo o por perfilado. El perfil (15) obtenido por ejemplo por laminado, se corta transversalmente por ejemplo por cizallado o por serrado en una multitud de elementos, como lo muestra la figura 5, formando cada uno una pieza desbastada (10) de espesor 10
determinado. Cada pieza desbastada (10) se transforma seguidamente en una biela bruta mediante un juego de matrices (20) representado en las Figuras 6 a 8. El juego de matrices (20) comprende una matriz inferior (21) provista en su superficie superior de un molde (22) cerrado cuya forma corresponde a la forma de la biela bruta a obtener, es decir a la forma general de la biela (1) representada representada en las figuras 1 y 2, sin los l os orificios calibrados (3) y (7). El juego de matrices (20) comprende igualmente una matriz superior (23) que forma un punzón destinado para deslizarse por el molde (22) y, a este respecto, esta matriz superior superior (23) presenta presenta un perfil perfil externo (Fig. 7) que corresponde corresponde al al perfil interno del molde (22) de la l a matriz inferior (21) (Fig. 8). La superficie inferior de la matriz superior (23) tiene la forma representada en la figura (7) y que corresponde a la forma de una de las l as superficies principales de la biela bruta a obtener. Sucede lo mismo para el fondo del molde (22) de la matriz inferior (21) que tiene una forma que corresponde a la forma de la otra superficie principal de esta biela bruta. El juego entre las matrices inferior (21) y superior (23) está comprendido entre 0,3 y 0,05 mm y el molde (22) de la matriz inferior (21) y la matriz superior (23) presentan radios de conexión lo más pequeños posibles y que se encuentran comprendidos entre 0,5 y 1,5 mm. Además, las paredes laterales del molde (22) de la matriz inferior (21) presentan una pendiente de eyección comprendida entre 0,5 y 3º. La pieza desbastada (10) se coloca en el molde (22) de la matriz inferior (21) y la bajada de la matriz superior (23) imprime en la materia las formas finales de la biela bruta. En el transcurso de esta etapa de acabado, se produce un reparto del material longitudinalmente, transversalmente y sobre todo verticalmente para hacer subir el material por los grabados de las superficies enfrentadas de la matriz inferior (21) y de la matriz superior (23) con un desplazamiento vertical vertical de este material. Después de esta etapa de acabado, los orificios calibrados (3) y (7) respectivamente de la cabeza (2) y del pie (6) de la biela (1) se realizan por ejemplo sobre una prensa de estampado o por mecanizado con un útil de desfondado. Según una variante, la pieza desbastada (10) se calienta por medios apropiados de tipo clásico a una temperatura comprendida entre 0 y 1250ºC antes de su posicionamiento posicionamiento en el juego de matrices (20).
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La utilización de una matriz cerrada en el procedimiento permite evitar la formación de rebabas exteriores así como las variaciones de masa en el transcurso de la formación de la biela bruta, pues el material, en lugar de partir en las rebabas como en los procedimientos de estampación utilizados hasta ahora, se alojará en el espacio dejado por los radios de conexión más pequeños.
2. Maquinaria y equipo
Para el proceso de forjado en caliente:
La forja, al igual que la laminación y la extrusión, es un proceso de conformado por deformación plástica que puede realizarse en caliente o en frío y en el que la deformación del material se produce por la aplicación de fuerzas de compresión (Prensa). Este proceso de fabricación se utiliza para dar una forma y unas propiedades determinadas a los metales y aleaciones a los que se aplica mediante grandes presiones. La deformación se puede realizar de dos formas diferentes: por presión, de forma continua utilizando prensas, o por impacto, de modo intermitente utilizando martillos pilones. Forja con estampa
Este tipo de forja consiste en colocar la pieza entre dos matrices que al cerrarse conforman una cavidad con la forma y dimensiones que se desean obtener para la pieza. A medida que avanza el proceso, ya sea empleando martillos o prensas, el material se va deformando y adaptando a las matrices hasta que adquiere la geometría deseada. Este proceso debe realizarse con un cordón de rebaba que sirve para aportar la presión necesaria al llenar las zonas finales de la pieza, especialmente si los radios de acuerdo de las pieza son de pequeño tamaño y puede estar sin rebaba, dependiendo de si las matrices llevan incorporada una zona de desahogo para alojar el material sobrante (rebaba) o no. Se utiliza para fabricar grandes series de piezas cuyas dimensiones y geometrías pueden variar ampliamente. Las dimensiones de estas piezas van desde unos pocos milímetros de longitud y gramos de peso hasta varios metros y toneladas, y sus geometrías pueden ser simples o complejas. También puede encontrarse como forja en dados cerrados.
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Hay que destacar que es un proceso de conformado de metales en el que no se produce arranque de viruta, con lo que se produce un importante ahorro de material respecto a otros procesos, como por ejemplo el mecanizado.
Para en acabado.
El Bruñido es una operación de acabado de la superficie, no una operación de modificación de la geometría en bruto. Las herramientas que se utilizan en el bruñido se denominan piedras o barretas abrasivas. El bruñido es un proceso muy utilizado en el acabado de cilindros para motores de combustión interna, bielas, diámetros interiores de engranajes.
3. Condiciones del proceso
Procedimiento de fabricación de una biela forjada (1) que comprende una cabeza (2), un cuerpo (5) y un pie (6), presentando la indicada cabeza (2) y el mencionado pie (6) espesores diferentes a partir de una pieza desbastada (10) que incluye la misma una cabeza (11), un cuerpo (12) y un pie pi e (13), caracterizado porque:
Se forma la pieza desbastada (10) por corte transversal transversal de un perfil (15) que presenta una sección transversal correspondiente al perfil de la indicada pieza desbastada (10), Se coloca la pieza desbastada así formada en un molde cerrado (22) de una matriz inferior (21) de un juego de matrices (20) de acabado que comprende una matriz superior (23) que forma punzón, presentando la indicada matriz superior (23) unos radios de conexión de las superficies comprendidos entre 0,5 y 1,5 mm y deslizándose en la matriz inferior (21) con un juego comprendido entre entre 0,3 y 0,05 mm y el molde (22) de la matriz inferior (21) que presenta una pendiente de eyección comprendida entre 0,5 y 3º, Se realiza en el indicado juego de matrices (20) una etapa de acabado mediante un reparto del material longitudinalmente, longitudinalmente, transversalmente y en espesor de la pieza desbastada para obtener una biela bruta sin rebaba, y Se realiza un orificio calibrado (3) en la cabeza y un orificio calibrado (7) en el pie de la biela bruta para obtener la biela forjada (1). 13
El procedimiento esta caracterizado porque se calienta la pieza desbastada (10) a una temperatura comprendida entre 0 y 1250ºC. El procedimiento también se caracterizado porque los orificios calibrados (3), (7) de la cabeza y del pie son realizados en una prensa de estampar o por mecanizado con un útil de desfondado.
4. Consideracion Consideraciones es sobre el diseño del producto
La figura 1 es una vista vi sta por encima de una biela forjada. La figura 2 es una vista vi sta esquemática en sección según la línea 2-2 de la l a figura 1. La figura 3 es una vista esquemática en perspectiva de una pieza desbastada de biela. La figura 4 es una vista esquemática en perspectiva de un perfil a partir del cual se forman las piezas desbastadas de biela. – La figura 5 es una vista esquemática en perspectiva de las piezas desbastadas de bielas obtenidos a partir del perfil. La figura 6 es una vista esquemática en sección vertical de un juego de matrices de un utillaje para realizar una biela en bruto, La figura 7 es una vista esquemática por debajo de la matriz superior del juego de matrices. La figura 8 es una vista vi sta por encima de la matriz inferior del juego de matrices. En las figuras 1 y 2, se ha representado esquemáticamente una biela designada por la referencia general 1 y que está constituida por una cabeza 2 que comprende un orificio calibrado 3 y dos orejas 4a y 4b, de un cuerpo 5 y de un pie 6 que comprende un orificio calibrado 7.
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5. Recomendaciones Recomendaciones de tolerancia de dimensiones
Utillaje de fabricación de una biela forjada (1) para la realización del procedimiento caracterizado porque comprende un juego de matrices (20) de acabado mediante un reparto del material longitudinalmente, longitudinalmente, transversalmente y en espesor de una pieza desbastada (10) de biela que comprende una cabeza (11), un cuerpo (12) y un pie (13) para obtener una biela bruta sin rebabas que comprende una cabeza (2), un cuerpo (5) y un pie (6), presentando la indicada cabeza (2) el indicado pie (6) espesores diferentes, comprendiendo el indicado juego de matrices una matriz inferior (21) que comprende un molde (22) cerrado y una matriz superior (23) que presenta radios de conexión de las superficies comprendidos comprendidos entre 0,5 y 1,5 mm y que se deslizan en la matriz inferior (21) con un juego comprendido entre 0,3 y 0,05 mm y presentando el molde (22) de la indicada matriz inferior (21) una pendiente de eyección comprendida entre 0,5 y 3º.
Las recomendaciones de hoy en dia y las exigencias del mercado es que la tolerancias sean cada vez menores y las dimenciones mas precisas para los requerimientos requerimientos de la industria.
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Mejora de propiedades
La tendencia actual de los fabricantes de automóviles es aligerar los vehículos y reducir los costes lo cual les lleva a requerir bielas brutas cada vez más precisas. En efecto, las bielas deben presentar una dispersión geométrica geométrica general cada vez más baja, en particular en lo que respecta a las deformaciones y repartos de masas alternativa y rotativa muy finas. Además, estas bielas deben obtenerse a partir de una biela bruta poco costosa y que necesite el menor número de operaciones de mecanizado posible. Estas exigencias son difícilmente realizables con los procedimientos procedimientos utilizados hasta ahora. El método tiene por objeto evitar estos inconvenientes proponiendo un procedimiento de conformación de una biela forjada que permita realizar una economía de material y disminuir las operaciones de mecanizado, obteniendo tolerancias cada vez más precisas y una buena precisión en peso así como un reparto repetitivo del material para una fabricación en grandes series.
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Operación de acabado
Este procedimiento presenta inconvenientes que residen principalmente en la presencia de rebabas que necesitan una operación de mecanizado suplementaria suplementaria que consiste en realizar el rectificado de las superficies laterales de la biela en bruto para eliminar estas rebabas que pueden producir en esta operación una deformación de la pieza. Además, para algunas geometrías de bielas, el punto bajo en solicitación de fatiga está situado a la altura de las rebabas que están localizadas en el plano de junta situado a nivel de la parte central de la biela. Ahora bien, se ha comprobado comprobado que el tamaño y la localización de estas rebabas son difícilmente controlables y son inherentes a la estampación en matriz abierta utilizada en el procedimiento anteriormente mencionado. Pero, la tendencia actual de los fabricantes de automóviles es aligerar los vehículos y reducir los costos lo cual les lleva a requerir bielas brutas cada vez más precisas. Para esta operación se puede tomar en cuenta un proceso de bruñido. El bruñido es un proceso de superacabado con arranque de viruta y con abrasivo duro que se realiza a una pieza rectificada previamente, con el objetivo de elevar la precisión y calidad superficial además de mejorar la macrogeometría (cilindridad, planicidad, redondez,…). Generalmente es utilizado en la mayoría de los casos para rectificar diámetros interiores, este tipo de trabajo consiste en alisar y mejorar la superficie con relieves y/o surcos unidireccionales por medio de piedras bruñidoras. Es muy utilizado en la fabricación de camisas de motores, bielas, diámetros interiores de engranajes, etc. El Bruñido es una operación de acabado de la superficie, no una operación de modificación de la geometría en bruto.
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Conclusiones
Con este trabajo pude aterrizar un poco más los conocimientos de la materia al realizar un proceso de manufactura de una pieza, es e s muy interesante saber desde el tipo de material a utilizar, porque ese material el saber sus características sus beneficios y ventajas así como sus desventajas. Ahora puedo aplicar los conocimientos adquiridos adquiridos en clase para decir y entender que en general una biela de un motor de combustión interna está hecha de acero AISI AISI 4340 por sus características características físicas y mecánicas, mecánicas, que se somete somete a un proceso de tratamiento de forja en caliente que consta de 4 etapas, que se pueden trabajar con laminado, prensado con matraces, que se trabaja maquinado y que para eliminar las rebabas de una biela en bruto se utiliza un proceso de bruñido. En lo personal este trabajo se me hizo muy interesante, además de que adquirí conocimientos sobre el tema y concluyo que un proceso de manufactura de una pieza requiere de determinar desde el diseño de la pieza, las tolerancias dependiendo del papel que desempeña la pieza en el proceso, el material del que estará hecha, el proceso al que será sometido para verificar sus propiedades propiedades físicas y mecánicas, las condiciones del proceso, que debemos tener en cuenta el acabado de la misma, que debemos tener presente el innovar para satisfacer las necesidades del sector productivo, eso le toca a la industria y a nosotros una vez que seamos ingenieros.
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Bibliografía
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http://www.espatentes. http://www.espatentes.com/pdf/2276024_t com/pdf/2276024_t3.pdf 3.pdf
Biela en Google Books.
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