ME58A –Procesos de manufactura
Sujeción mecánica
Alumno: Fabián Campos Profes Profesor: or: Marco Marco A. Bejar Bejar
Junio de 2008 1
Índice 1. Preparación del orificio ............................................................... 1 2. Sujetadores roscados................................................................. 2 3. Remaches .................................................................................. 2 4. Ojetes u ojillos ............................................................................ 3 5. Engrapado .................................................................................. 4 6. Engargolado ............................................................................... 4 7. Plegado ...................................................................................... 4 8. Sujetadores de agarre o ajuste instantáneo............................... 4 9. Ajustes de contracción y de prensa............................................ 4 10. Ajuste por interferencia............................................................ 5 11. Cosido ..................................................................................... 5 12. Puntillado................................................................................. 5 13. Anillos de retención ................................................................. 6 14. Chavetas de doble punta......................................................... 6 15. Cuñas ...................................................................................... 7 16. Diseño para sujeción mecánica............................................... 8 17. Diseño para ensamble automático .......................................... 8
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Sujeción mecánica El ensamble mecánico implica el uso de diferentes métodos de sujeción para sostener juntas en forma mecánica. En la mayoría de los casos, los métodos de sujeción implican el uso de componentes de equipo separados, llamados sujetadores, que se agregan a las partes durante el ensamblado. En otros casos, el mecanismo de sujeción implica el formado o reformado en uno de los componentes que se van a ensamblar y no se requieren sujetadores separados. Muchos productos se ensamblan principalmente (si no es exclusivamente) mediante métodos de sujeción mecánica: automóviles, aparatos eléctricos, teléfonos, muebles, utensilios e incluso vestidos se ensamblan por medios mecánicos. Además de los productos industriales, que van desde aparatos electrónicos hasta equipos de construcción, casi siempre implican cierto ensamble mecánico. Los métodos de sujeción mecánica se dividen en dos clases principales: 1. Los que permiten un desensamble. 2. Los que crean una unión permanente. Los sujetadores roscados como tornillos, pernos y tuercas son ejemplos de la primera clase y los remaches de la segunda. Los ensambles mecánicos son preferibles sobre los otros procesos de unión por una serie de razones:
Facilidad de manufactura. Facilidad de ensamble y transporte. Facilidad de desarmado, mantenimiento y reemplazo o reparación de partes. Facilidad de crear diseños que requieran uniones móviles, como bisagras, mecanismos de corredera y componentes y soportes ajustables. Menor costo general de manufactura del producto.
El método más común de sujeción mecánica es el uso de tornillos, tuercas, roscas, pernos y una diversidad de fijadores o sujetadores. Estos procesos también se llaman ensamblado mecánico. En general, la sujeción mecánica requiere que los componentes posean orificios a través de los cuales se inserten los sujetadores. Esas uniones pueden someterse a esfuerzos cortantes y de tensión, y deben estar diseñadas para resistirlos.
1. Preparación del orificio La preparación del orificio es un aspecto importante de la sujeción mecánica. Se puede producir un orificio en un cuerpo sólido con diversos procesos, como punzonado, taladro, métodos químicos y eléctricos y haces de alta energía; la elección depende del tipo de material, sus propiedades y espesor. También se pueden producir orificios en forma integral en el producto durante la fundición, 1
el forjado, la extrusión y la metalurgia de polvos. Para tener mejor exactitud y acabado superficial, muchas de las operaciones de agujereado pueden continuarse con otras de acabado, como rectificado, desbarbado, escariado y joneado. Por las diferencias fundamentales en sus características, las diversas operaciones de agujereado 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 componente, debido a la concentración de esfuerzos. Lo mejor para aumentar la vida de fatiga es inducir esfuerzos residuales de compresión sobre la superficie 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 superficiales del orificio, en forma parecida a la que se ve en el granallado o el bruñido con rodillos.
2. Sujetadores roscados Los tornillos y tuercas son los sujetadores o fijadores roscados de uso más frecuente. Para fabricarlos se siguen numerosas normas y especificaciones, que incluyen las dimensiones de rosca, tolerancias, paso, resistencia y calidad de estos sujetadores. Los tornillos y pernos se pueden asegurar con tuercas (tornillos de carrocería y de máquina) o se pueden hacer autorroscantes: en estos el tornillo corta o conforma la rosca en la pieza que se va a fijar. Si la 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 la resistencia a la fricción en la dirección de torsión, por lo que se inhibe el aflojamiento por vibración de los sujetadores.
3. Remaches El método más común de unión mecánica permanente o semipermanente es el remachado. La aplicación de remaches es un método de sujeción que ofrece altas velocidades de producción, simplicidad, confiabilidad y bajo costo. A pesar de estas aparentes ventajas, su aplicación ha declinado en décadas recientes, dando paso a los sujetadores roscados, la soldadura y el pegado. La aplicación de remaches se usa como uno de los procesos de sujeción principales en las industrias aeronáuticas aeroespacial para unir el fuselaje a canales y otras partes estructurales. La instalación de un remache consta de dos pasos: colocar el remache en el orificio y deformar el extremo de su cuerpo por recalcado o batido. El remachado se puede hacer a temperatura ambiente o elevada. Dentro de una cavidad en el remache se pueden poner explosivos, y detonarlos para 2
dilatar el extremo del remache. En la Figura 1 se ven algunos tipos de remaches, estos se especifican por su longitud, diámetro, cabeza y tipo.
Figura 1: Tipos de remaches; (a) Sólidos, (b) Tubular, (c) Bipartido (o bifurcado), (d) De compresión.
Figura 2: Lineamientos de diseño para el remachado. (a) El cuerpo expuesto es demasiado largo; se tiene pandeo, en lugar de recalcado. (b) Los remaches deben estar lo suficientemente alejados de las orillas, para evitar 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.
4. Ojetes u ojillos Los ojetes u ojillos son sujetadores tubulares de paredes delgadas con un reborde en un extremo. Se usan para producir una unión empalmada permanente entre dos (o más) partes planas.
Figura 3: Ojillo 3
5. Engrapado En el engrapado se clavan grapas en forma de U a través de las dos partes que se van a unir. Las grapas se proporcionan en tiras convenientes, y se fabrican con diferentes tipos de puntas para facilitar la entrada en el trabajo. Las aplicaciones del engrapado industrial incluyen los muebles y la tapicería, el ensamble de asientos de automóviles y diversos trabajos de ensamble con plásticos y chapas metálicas de calibre ligero.
6. Engargolado El engargolado se basa en el sencillo principio de doblar en conjunto dos piezas de material delgado. Entre los ejemplos comunes del engargolado están las tapas de latas de bebidas, los recipientes para productos alimentarios y domésticos, y los conductos de calefacción y acondicionamiento de aire. En el engargolado, los materiales deben poder sufrir flexiones y doblez con radios muy pequeños, porque de lo contrario se rompen. La eficiencia y la fiabilidad de los engargolados puede mejorarse agregando adhesivos, recubrimientos o sellos, o mediante estañado.
7. Plegado El proceso de plegado es un método de unión sin sujetadores. Se puede usar con bandas o con resaltes que se pueden hacer con operaciones de emboquillado o embutido. El plegado se puede hacer en partes tubulares y planas, siempre que los materiales sean lo bastante delgados y dúctiles como para resistir las grandes deformaciones localizadas. Las chapas se fijan a las botellas por plegado, al igual que algunos conectores en los cables eléctricos.
8. Sujetadores de agarre o ajuste instantáneo Se emplean mucho en carrocerías y en electrodomésticos. Son económicos y permiten armar los componentes en forma fácil y rápida.
9. Ajustes de contracción y de prensa También se pueden ensamblar los componentes con ajustes de contracción y 4
de prensa. El ajuste de contracción se basa en una diferencia entre las contracciones térmicas de dos componentes. Entre las aplicaciones habituales están el ensamblaje de componentes de dados y el montaje de engranajes y levas en ejes. En el ajuste de prensa, un componente se introduce en otro con una prensa; este proceso da como resultado una gran resistencia en la unión.
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Ajuste por interferencia
Los ajustes de agarre automático son la unión de dos partes, en las cuales los elementos que coinciden poseen una interferencia temporal mientras se oprimen juntos, pero una vez que se ensamblan se entrelazan para conservar el ensamble.
Figura 4: Sujeción por interferencia.
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Cosido
Es un método de unión común para partes suaves y flexibles, tales como telas y piel, el método implica el uso de un cordón o hilo largo entrelazado con las partes para producir una costura continúa entre ellas. El proceso se usa extensamente en la industria para ensamblar ropas.
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Puntillado
El puntillado es una operación de sujeción en a cual se usa una maquina que produce las puntillas en forma de U de alambre de acero, y de inmediato las inserta a través de las dos partes que se van a unir. En la Figura 5 se observan algunos tipos de puntillas. Las partes que se van ha unir deben ser relativamente delgadas y consistentes con el tamaño de ka puntilla, el 5
ensamble puede implicar varias combinaciones de materiales metálicos y no metálicos. Las aplicaciones del puntillado industrial incluyen el ensamble de chapas metálicas ligeras, bisagras metálicas, conexiones eléctricas, encuadernación de revistas, de cartón corrugado y empaste final de productos. Las condiciones que hacen preferible el puntillado en estas aplicaciones son la alta velocidad de operación, la eliminación de orificios prefabricados en las partes y sujetadores que rodeen las partes.
Figura 5: Tipos comunes de puntillas de alambre: (a) sin amarre, (b) de lazo común, (c) de lazo traspasado y (d) de amarre plano.
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Anillos de retención
Un anillo de retención, también conocido como anillo de mordaza, es un sujetador que se agarra a presión dentro de un surco que forma una circunferencia sobre un eje o tubo para establecer un hombro, como se observa en la Figura 6. El ensamble se usa para ubicar o limitar el movimiento de partes montadas en el eje. Hay anillos de retención para aplicaciones externas (eje) e internas (barrenos). Están hechos de láminas metálicas o de alambres sometidos a tratamientos térmicos para obtener dureza y rigidez. Para ensamblar un anillo de retención se usan unas pinzas especiales, cuyo fin es deformar elásticamente el anillo de modo que se ajuste sobre el eje (o dentro del barreno) y después se libera dentro del surco.
Figura 6: Anillo de retención ensamblado en un surco de un eje.
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Chavetas de doble punta
Las chavetas de dobles punta son sujetadores formados de alambre con una 6
mitad redonda en una chaveta única de dos cañas, tal como se observa en la Figura 7. Su diámetro varía entre 0.031 pulg y 0.75 pulg, y tienen distintos tipos de puntas, varios se muestran en la figura. Las chavetas de doble punta se insertan en los huecos de las partes que coinciden y sus extremidades se separan para fijar el ensamble. Se usan para asegurar partes en ejes y para aplicaciones similares.
Figura 7: Chavetas de doble punta: (a) de cabeza ladeada, punta estándar, (b) de cabeza simétrica, asegurada, (c) de punta cuadrada, (d) de punta ovalada y (e) de punta bisel.
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Cuñas
Las cuñas se usan en el ensamble de partes de maquinas para asegurarlas contra su movimiento relativo, por lo general rotatorio, como es el caso entre flechas, cigüeñales, volantes, etc. Aun cuando los engranajes, las poleas, etc., están montados con un ajuste de interferencia, es aconsejable usar una cuña diseñada para transmitir el momento torsionante total. Cuando las fuerzas relativas no son grandes, se emplea una cuña redonda, una cuña de silleta o una cuña plana. Para trabajo pesado son más adecuadas las cuñas rectangulares. Una cuña es un elemento de maquina que se coloca en la interfase del eje y la masa de una pieza que transmite potencia con el fin de transmitir torque. La cuña es desmontable para facilitar el ensamble y desarmado del sistema de eje. Se instala dentro de una ranura axial que se maquina en el eje, la cual se denomina cuñero. A una ranura similar en la maza de la pieza que transmite potencia se le da el nombre de asiento de cuña, si bien. Propiamente es también un cuñero. La cuña también puede definirse como una máquina simple de madera o metal terminada en ángulo diedro muy agudo. Sirve para hender o dividir cuerpos sólidos, para ajustar o apretar uno con otro, para calzarlos o para llenar alguna raja o hueco. Actúa como un plano inclinado móvil. El filo de un hacha es, en realidad, una cuña afilada. Tal como lo haría una rampa, permite desplazar un peso con mayor facilidad. 7
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Diseño para sujeción mecánica
El diseño de las uniones mecánicas requiere considerar el tipo de carga (por ejemplo, si es cortante o de tensión) a la que se someterá la estructura, y el tamaño y las distancias de los orificios. Es importante la compatibilidad del elemento de sujeción con el que se van a unir los componentes. Si no hay compatibilidad, se puede producir corrosión galvánica, llamada también corrosión en hendiduras. Por ejemplo, en un sistema donde se use un tornillo o remache de acero para sujetar láminas de cobre, el tornillo es el ánodo y la placa de cobre el cátodo; esta combinación causa la rápida corrosión y pérdida de la resistencia de la unión. Los sujetadores de aluminio o de zinc, sobre productos de cobre, reaccionan de manera parecida. Entre los lineamientos generales para la unión mecánica se incluyen los siguientes:
En general, es menos costoso usar menos elementos de sujeción, pero más grandes, que usar una gran cantidad de fijadores pequeños. El ensamblaje de la pieza se debe lograr con una cantidad mínima de elementos de sujeción. El ajuste entre las piezas a unir debe ser tan holgado como sea posible, para reducir los costos y facilitar el proceso de ensamble. Siempre que sea posible, se deben usar elementos de sujeción de tamaño estándar. Los orificios deben estar alejados de las orillas o las esquinas, para evitar el rasgado del material al someterlo a fuerzas extremas.
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Diseño para ensamble automático
Además de los métodos de ensamble manual, hay diversos sistemas automatizados para realizar operaciones de ensamble mecánico, entre ellos están: 1) máquinas de propósito especial y 2) sistemas programables. Las máquinas de propósito especial generalmente consisten en una serie de estaciones de trabajo, en las cuales se añaden partes y/o se ejecutan operaciones de unión. Los sistemas de ensamble programables se utilizan para producir una variedad limitada de ensambles distintos. Con frecuencia se emplean robots industriales, ya sea como estaciones de trabajo bajo múltiples o como un robot único en una estación. Para facilitar el ensamble automatizado se siguen estos puntos: a) Usar la modularidad en el diseño de productos 8
b) Reducir la necesidad de que se manejen varios componentes a la vez c) Limitar las direcciones requeridas de acceso d) Componentes de alta calidad e) Usar ajustes de agarre automático
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