Notas De Tecnología Mecánica.

NOTAS DE TECNOLOGÍA MECÁNICA

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JAVIER MELERO

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NOTAS DE TECNOLOGÍA MECÁNICA

1 1 “TOLERANCIAS DE FABRICACIÓN” 1.1 Introducción. 1.2 Tolerancias de fabricación 1.3 Tolerancias dimensionales. 1.4 Tolerancias geométricas. 1.5 Tolerancias generales. 1.6 Irregularidades de superficie. (Rugosidades: (ISO) "Ra").

4 4 4 5 9 9 9

2 2 “CONFORMADO DE METALES POR ELIMINACIÓN DE MATERIAL”. 2.1 Máquinas-herramienta y procesos de mecanizado 2.1.1 Introducción 2.1.2 Conformado de metales por arranque de viruta 2.1.2.1 Fabricación de formas redondeadas o de revolución 2.1.2.2 Fabricación de formas diversas. 2.1.2.3 Operaciones de acabado 2.1.2.4 Máquinas herramientas no convencionales

28 28 28 28 28 42 50 60

3 3 “MECÁNICA DEL CORTE DE METALES” 3.1. Modelo de corte ortogonal 3.2. Fricción en las operaciones de mecanizado. 3.3.- Temperaturas en el corte de metales. 3.4.- Desgaste de herramientas. 3.5.- Fluidos de corte y acabados superficiales. 3.6.- Control de la viruta. 3.7.- Vibraciones en las máquinas herramienta.

71 71 73 75 80 81 82 83

4 4 “CONFORMADO DE METALES POR FUNDICIÓN” 4.1. Generalidades. 4.2. Procedimientos para la obtención de piezas fundidas. 4.3. Otros procedimientos: 4.4. Defectos de las fundiciones. 4.5. Análisis comparativo. 4.6. Consideraciones de diseño.

89 89 91 110 113 114 115

5 5 “PROCESOS DE FABRICACIÓN MEDIANTE DEFORMACIÓN DE MATERIALES METÁLICOS” 5.1. Introducción al conformado por deformación plástica. 5.10. Extrusión. 5.11. Laminado. 5.2. Deformación plástica; planteamientos. 5.3. Diagrama tensión-deformación. 5.4. Criterios de fluencia en plasticidad. 5.5. Determinación de las cargas de trabajo considerando la pieza y la distribución de tensiones. 5.6. Restricciones de rozamiento. 5.7. Componentes del trabajo para llevar a cabo la deformación plástica de un material. 5.8. Matricería. 5.9. Estirado.

119 119 137 139 120 120 125 128 129 131 133 136

6 6 “AUTOMATIZACIÓN DE LAS MÁQUINAS – HERRAMIENTA” 6.1 Introducción. 6.2 Arquitectura de las máquinas herramienta

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141 141 141

NOTAS DE TECNOLOGÍA MECÁNICA 6.2.1 Elementos principales 6.2.2 Accionamientos 6.2.3 Captadores de posición 6.2.4 Alternativas a las arquitecturas convencionales 6.3 Automatización de las máquinas herramienta 6.3.1 Controles de posición de herramienta. 6.3.2 Controles de velocidades de giro 6.3.3 Control de secuencias de mecanizado (refrigerante, pallets, herramientas) 6.4 Programación de las máquinas herramienta con control numérico 6.5 Células flexibles de mecanizado. 6.6. Máquinas de medición tridimensional.

141 142 143 144 145 147 152 152 154 156 157

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CAPÍTULO 1º “TOLERANCIAS DE FABRICACIÓN” 1.1 Introducción. En el presente capítulo, se analizará el modo en que deben de ser especificadas, e interpretadas las tolerancias de fabricación. Éstas tienen una importancia vital en el ciclo de diseño fabricación (ver esquema), ya que los criterios de elección de las tolerancias afectan a la viabilidad económica del producto. Ello quiere decir que un aumento en las exigencias (estrechamientos de límites de tolerancia) de diseño, por encima de lo que su funcionalidad aconseje necesario y suficiente, repercute de manera decisiva en el precio final del elemento mecánico resultante. DISEÑO-FABRICACIÓN

criterios de adecuación a fabricación

materia prima obtenida por moldeo del material fundido fundición

Diseño

requisitos de funcionalidad y ambientales

térmicos

Plano

mecanizado

proceso de deformación plástica para obtención de materia prima (laminación p.e.)

tratamientos

Pieza

superficiales (químicos) Montaje

como medio para obtención de piezas acabadas

1.2 Tolerancias de fabricación Imprecisión de mecanizado admisible, diferencia entre las dimensiones límites de una cota sin comprometer la funcionalidad de la pieza dentro del conjunto de que forma parte. 1.2.1 Su necesidad. Intercambiabilidad de piezas. Teóricamente sería necesario que elementos homólogos tuviesen las mismas dimensiones; pero ello no resulta posible, bien debido a los procesos de fabricación, o bien debido a los procesos de control. Es necesario admitir que para que dos piezas sean intercambiables, sus dimensiones deben quedar comprendidas entre valores límite, máximo y mínimo. Estos son establecidos de acuerdo con el uso del conjunto mecánico de que forman parte las piezas, y del grado de precisión requerido. 5

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1.2.2 Tipos. • Dimensionales: Rango admisible para una dimensión dada. • Geométricas: Relacionan unas partes de la pieza con otras, o definen características geométricas, se diferencian dos tipos: • De forma. • De posición. 1.3 Tolerancias dimensionales. De aquí en adelante, se convendrá que las dimensiones asignadas a taladros o agujeros, será representadas mediante letras mayúsculas; en tanto que las relativas a ejes o árboles lo serán en letras minúsculas. Así, si tenemos un taladro con diámetro nominal “D”, y un eje con diámetro nominal “d”; las desviaciones superior e inferior que limitan su campo de tolerancia (imprecisión admisible, que no compromete la funcionalidad de la pieza) vienen dadas por: DESVIACIONES SUPERIOR INFERIOR TALADRO EJE TALADRO EJE Es (Límite superior del es (Límite superior del Ei (Límite inferior del Ei (Límite inferior del margen de tolerancia) = margen de tolerancia) = margen de tolerancia) = margen de tolerancia) = Dmax-D d max-d Dmin-D d min-d TALADROS: Es -Ei = IT EJES: es -ei = IT Nota: Los valores de Ei, Es, e i, e s, se miden desde la línea de referencia.

1.3.1 Acoplamientos. Es la unión de piezas; una interior y otra exterior. En la figura 1 se tienen dos acoplamientos “tipo” uno con juego, y otro con apriete. TALADRO

EJE

TALADRO

EJE

Es Ei

+ es

Margen de tolerancia.

ei

JUEGO

_ D

Dimensión nominal (D)

figura 1 APRIETE línea de referencia.

1.3.2 Calidades para dimensiones de hasta 500 mm. 1.3.2.1 Grupos de dimensiones.

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Las dimensiones nominales comprendidas entre 0 y 500 mm se subdividen en 13 grupos principales y 22 intermedios. Los principales son: 1-3; 3-6; 6-10; 10-18; 18-30; 30-50; 50-80; 80-120; 120-180; 180-250; 250-315; 315-400; 400-500. 1.3.2.2 Calidades. El sistema ISO adopta para la medición de tolerancias en el campo de dimensiones comprendido entre 1 y 500 mm la unidad internacional de tolerancia. i (micras) = 0.45. 3 D + 0.001.D (mm) El valor de “i” viene determinado para cada grupo de dimensiones, siendo “D” el valor de la media geométrica de los valores extremos de cada grupo de los relacionados en 3.2.1. Para cada grupo de dimensiones, se establecen 19 calidades de elaboración: IT01 (más precisa), IT0, IT1......IT17 (más basta). La siguiente tabla indica cual es el valor “IT” ( diferencia entre límites superior e inferior admisibles) para cada una de las calidades; y el tipo de aplicación asociado a cada una de ellas. CALIDAD IT01 IT0 IT1 IT2 IT3 IT4 IT5 IT6 IT7 IT8 IT9 IT10 IT11 IT12 IT13 IT14 IT15 IT16 IT17

AMPLITUD (nº de unidades de tolerancia) 0.3+0.008D 0.5+0.012D 0.8+0.020D Escalonadas en prog. Geométrica entre IT1 e IT5 7i 10i 16i 25i 40i 64i 100i 160i 250i 400i 640i 1000i 1600i

UTILIZACIÓN mecánica de precisión calibres Herradura (ejes) Tampón (agujero) pasa, no pasa piezas para acoplamientos

piezas sueltas

1.3.3 Sintaxis de las tolerancias dimensionales. La tolerancia correspondiente a una dimensión dada, se indica con una letra seguida de un número; la letra indica la posición de la zona de tolerancia (tipo de acoplamiento) en relación a la línea de referencia y el número indica la calidad de la elaboración. DIMENSIÓN LETRA ( indica tipo de acoplamiento) NÚMERO ( indica calidad) Los acoplamientos, pueden clasificarse en tres tipos fundamentales: 7

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• móviles: con juego. • fijos: con aprieto (montaje en prensa, dilatación - contracción, etc.). • indeterminados: con juego o apriete. Las letras utilizadas para indicar la posición de una tolerancia son las siguientes (ver figura 1): TALADROS: • Los márgenes para taladros desde la “A” hasta la ”G” se encuentran por encima de la línea de referencia. • Los márgenes para taladros desde la “P” hasta la ”Z” se encuentran por debajo de la línea de referencia. • El margen para taladros con “H” se encuentran por encima de la línea de referencia, pero siendo su extremo inferior la propia línea de referencia. • El margen para taladros con “J” es dividido en dos mitades iguales por la línea de referencia. EJES: • Los márgenes para ejes desde la “a” hasta la ”g” se encuentran por debajo de la línea de referencia. • Los márgenes para ejes desde la “p” hasta la ”z” se encuentran por encima de la línea de referencia. • El margen para taladros con “h” se encuentran por debajo de la línea de referencia, pero siendo su extremo superior la propia línea de referencia. • El margen para ejes con “j” es dividido en dos mitades iguales por la línea de referencia. Las posiciones de los márgenes (dadas por los valores de Ei, Es, ei, es) con relación a la línea de referencia están tabuladas (ver apéndices). 1.3.4 Series de acoplamientos. Se toma como referencia uno de los dos elementos, el taladro o el eje, con posición de tolerancia fija. Variando la posición de la tolerancia del otro, se conseguiría el acoplamiento requerido. 1.3.4.1 Eje base. Se parte de eje “h”, con lo que la línea de referencia es el límite superior del margen. entonces: • Los taladros desde “A” al “H” dan acoplamientos móviles. • Los taladros desde “J” al “N” dan acoplamientos indeterminados. • Los taladros desde “P” al “Z” dan acoplamientos fijos. 1.3.4.2 Taladro base. Se parte de taladro “H”, con lo que la línea de referencia es el límite inferior del margen. entonces: • Los ejes desde “a” al “h” dan acoplamientos móviles. • Los ejes desde “j” al “n” dan acoplamientos indeterminados. • Los ejes desde “p” al “z” dan acoplamientos fijos. MÓVILES 8

INDETERMINADOS

FIJOS

NOTAS DE TECNOLOGÍA MECÁNICA MÓVILES Juego TAL. BASE: A → H eje base: a → h

INDETERMINADOS juego o apriete TAL. BASE: J → N eje base: j → n

FIJOS apriete TAL. BASE: P → Z Eje base: p → z

1.3.4.3 Elección del sistema. Depende de consideraciones económicas relacionadas con el tipo de fabricación que se lleva a cabo. Así, con taladro base el utillaje es menos costoso (se trabajan exteriores, los ejes son los diferentes en cada caso), pero los elementos de medida para controlar los ejes (calibres de herradura) son mucho más caros. 1.3.5 Calidad del elemento base. Es común designar la calidad de fabricación, con la letra correspondiente al elemento base con que se fabrica, seguida del número indicativo de la anchura del margen de tolerancia. Así si se utiliza taladro base; diremos que se fabrica con mucha precisión si se trabaja al H6, con precisión si se trabaja al H7, con precisión media si se hace al H8; y precisión basta si se trabaja con H11 (Análogamente para eje base).

1.3.6 Acoplamientos recomendados. Acopla. H5-g5 H6-h5 H6-p5 H7-f6 H6-n6

Aplicaciones Partes giratorias de mucha precisión. Deslizable axialmente. Acoplamiento blocado. No desmontable. Acoplamiento giratorio. Acoplamiento blocado.

H8-h8 M6-h6

Deslizable axialmente, lubricado. Piezas fijas, desmontables sin precisión.

H6-h6 N7-h7

Órganos lubricados y deslizables (pocos ciclos) Partes fijas.

F8-h7 D10-h8 H13-h11

Partes móviles. Gran juego. Montaje a mano, juego limitado.

Montaje Mano. Deslizamiento a mano. Mazo, Prensa, o diferencia de temperaturas. Mano. Mazo, Pequeña prensa, o diferencia de temperaturas. Mano Mazo, Pequeña prensa, o diferencia de temperaturas. Mano. Mazo, Pequeña prensa, o diferencia de temperaturas. Mano. Mano. Mano.

1.3.7 Calidades para dimensiones superiores a 500 mm. Las dimensiones superiores a 500 mm y hasta 3150 mm se subdividen en 8 grupos principales (500-630, 630-800, 800-1000, 1000-1250, 1250-1600, 1600-2000, 2000-2500, 2500-3150) y 16 intermedios. Se prevén 11 calidades desde IT6 (más precisa), hasta IT16 (más basta). Para cada calidad de elaboración se establece la unidad de tolerancia: I (micras) = 0.004·D (mm) + 2.1

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Teniéndose: IT6 10I

IT7 16I

IT8 25I

IT9 40I

IT10 64I

IT11 100I

IT12 160I

IT13 250I

IT14 400I

IT15 640I

IT16 1000I

1.4 Tolerancias geométricas. Las superficies mecanizadas difieren de las formas geométricas deseadas, debido al proceso de fabricación. En ello influye el estado de las máquinas, utillajes y herramientas utilizadas. Por ello debe admitirse, al igual que en el caso de las tolerancias dimensionales, un determinado margen dentro del cual la pieza será admisible. Dentro de las tolerancias geométricas se pueden distinguir tolerancias de dos tipos: • Las de forma; que reflejan la variación de forma admisible, y que pueden estar referidas bien a elementos aislados de las piezas, o bien asociar distintos elementos de las mismas. • Las de posición; que relacionas posiciones de distintos elementos. (p.e. ubicación de taladros). El comité ISO/TC10, en “Technical Report ISO/TR 5460” recoge los símbolos a emplear en los dibujos con el fin de poder interpretar las tolerancias geométricas. En el anexo, se recogen los símbolos utilizados que también pueden consultarse en el boletín técnico “ISO” correspondiente. 1.5 Tolerancias generales. En los dibujos de algunas piezas mecánicas, puede comprobarse que no todas las dimensiones y formas vienen afectadas de una indicación al respecto de su tolerancia. Esto no debe ser interpretado como una ausencia de las mismas, ha de buscarse entonces en el propio plano una anotación que haga referencia a la norma a la cual están sujetas las tolerancias de tales medidas. Esta norma puede ser interna de una compañía específica, o hacer referencia a una norma estandarizada. La norma española que recoge las tolerancias de forma es la UNE EN22768-1 (tolerancias para dimensiones líneales y angulares) y la UNE EN22768-2 (tolerancias para cotas geométricas). Ambas basadas respectivamente en las normas ISO 2768-1 e ISO 2768-2. En la primera, tanto las dimensiones líneales como las angulares se encuadran dentro de cuatro categorías: fina (f), media (m), grosera (c), y muy grosera (v). En la segunda (tolerancias geométricas), se distinguen tres clase de tolerancias “H” (más fina), “K”, y “L”. 1.6 Irregularidades de superficie. (Rugosidades: (ISO) "Ra "). El perfil de una superficie, puede variar desde irregularidades microgeométricas (rugosidades) provocadas por las herramientas, hasta las macrogeométricas debidas a las vibraciones. Las rugosidades se pueden medir, a lo largo de una longitud prefijada, mediante diversos métodos, dos de ellos son: • Media geométrica cuadrática (raíz cuadrada del valor medio de los cuadrados, RMS) de las alturas y profundidades respecto de la línea media. • Media aritmética de las alturas y profundidades respecto de la línea media. La Organización Internacional de Normalización (ISO), ha adoptado el valor “Ra” (Media aritmética) definido por: 1l Ra (µ ) = ∫ y dx l 0

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y

0

x l

El valor máximo de las rugosidades obtenidas en diferentes puntos de la superficie, es el grado de rugosidad; que ha sido normalizado para los siguientes valores: SERIES PREFERENTES: 0.025; 0.050; 0.1; 0.2; 0.4; 0.8; 1.6; 3.2; 6.3; 12.5;... Cuando se prescriba que una superficie debe de tener un grado de rugosidad, debe entenderse que la medida de la rugosidad en cualquier punto de la superficie no debe ser mayor que el valor de “Ra” prescrito. LONGITUD A MEDIR: Ra (µ) 0 a 0.32 0.32 a 3.2 3.2 a 12.5 -

Longitud mínima de medición l (mm) Serie Preferente Serie unificada 0.08 0.25 0.25 0.8 0.8 2.5 2.5 8 25

SINTAXIS:

Ra

Superficie de la pieza

OTROS PARÁMETROS: - Rz: Altura de las irregularidades en 10 puntos. - Ry : Altura máxima del perfil. - Sm: Paso medio de las irregularidades del perfil. - S: Paso medio de las crestas locales del perfil.

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ANEXOS CAPÍTULO 1º

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TOLERANCIAS DIMENSIONALES

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TOLERANCIAS GEOMÉTRICAS

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CAPÍTULO 2º “CONFORMADO DE METALES POR ELIMINACIÓN DE MATERIAL”. 2.1 Máquinas-herramienta y procesos de mecanizado Estudio de las máquinas (convencionales y de control numérico), herramientas y elementos de verificación y control; desde el punto de vista del tipo de pieza a fabricar. 2.1.1 Introducción Las máquinas-herramienta, son utilizadas para conformar materiales sólidos, muy particularmente metálicos, mediante eliminación de material o cambio de forma del mismo. Suelen estar instaladas en un emplazamiento fijo, y poseen los órganos móviles y de potencia adecuados a los fines para los que ha sido construida. Las máquinas herramientas se pueden clasificar en tres categorías: 1. Máquinas de conformado de metales por arranque de viruta. 2. Máquinas para conformado de metales, mediante empleo de energías lumínica, eléctrica, química o sónica; gases supercalentados o haces de partículas de alta energía. 3. Máquinas para conformado sin arranque de viruta (prensado). Este tema está dedicado a las máquinas que pueden incluirse en los apartados primero y segundo. Las máquinas utilizadas en el conformado de metales sin remoción de viruta serán objeto de un análisis más detallado en el capítulo correspondiente a elementos de plasticidad. 2.1.2 Conformado de metales por arranque de viruta 2.1.2.1 Fabricación de formas redondeadas o de revolución Las principales operaciones de mecanizado para la obtención de este tipo de formas, son las siguientes: 1. 2. 3. 4. 5. 6.

Torneado Taladrado Avellanado Escariado Mandrinado Barrenado

2.1.2.1.1 Torneado

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figura 1

Se entiende por torneado la operación de mecanizado utilizada en la obtención de formas de revolución. Se caracteriza por el hecho de que es la pieza a realizar la que gira mientras que una, o varias actuando independientemente, herramientas de corte monofilo se desplazan describiendo la trayectoria de la línea generatriz (movimiento longitudinal paralelo al eje de la pieza, y movimiento transversal variando convenientemente su distancia a dicho eje) correspondiente a la forma deseada. 2.1.2.1.1.1 Factores a tener en cuenta en el torneado Los principales factores que afectan a las operaciones de torneado son los siguientes: 1. La velocidad de rotación de la pieza, que se relaciona directamente con la velocidad de corte del material; Vcorte = Distancia al eje de la pieza en cada instante x Velocidad de rotación. 2. El avance de la herramienta. Es la velocidad con que la herramienta recorre la trayectoria deseada. Normalmente se expresa en mm de avance por cada vuelta dada por la pieza. 3. La profundidad de corte. Es el espesor de la capa de metal removido, o mirado de otra manera la distancia entre la superficie original de la pieza y la superficie final después de cada pasada de herramienta. 4. Tipo de material a mecanizar. 5. Tipo de herramienta a utilizar. 6. Esfuerzo de corte; F = profundidad de corte · avance · presión de corte (específica de cada material). 7. Potencia de corte; P = F · velocidad de corte / Rendimiento (η) La velocidad de corte y el avance, determinan la calidad de la superficie final, los requerimientos de potencia a la máquina a emplear, y la velocidad con la que se ejecutan las piezas. Y en su elección intervienen las peculiaridades del material de la herramienta, la rigidez del material que se mecaniza y el tamaño y características del torno empleado. Los valores de las velocidades de corte, velocidades de avance de herramienta y profundidades de corte para recorridos de herramienta en desbaste de material, son lógicamente superiores a los realizados en recorridos de afino o acabado.

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tabla 1: velocidades de corte Nota: Estas velocidades son para herramientas de carburo y cerámicas. Las velocidades para herramientas de acero rápido son menores que las indicadas. Los rangos altos, son para carburos revestidos y cermets. Para el diamante los rangos son más altos. Profundidades (0,5 ÷ 12 mm); Avances de herramienta (0,15 ÷ 1 mm/rev).

2.1.2.1.1.2 Principales operaciones de torneado 2.1.2.1.1.2.1 Cilindrado Movimiento longitudinal de la herramienta en dirección paralela a la del eje de la pieza.

figura 2

2.1.2.1.1.2.2 Refrentado Movimiento transversal de la herramienta en dirección perpendicular a la del eje de la pieza, para eliminar material de alguna de sus secciones extremas. La velocidad de corte viene determinada por el mayor diámetro de la superficie a mecanizar. La punta de la herramienta debe de ser posicionada exactamente a la altura del centro de rotación, en caso contrario las fuerzas de corte actuarían en modo adverso. La penetración de corte viene dada, en cada caso, por la dureza de la superficie a mecanizar con el fin de evitar el desgaste de la herramienta. 31

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figura 3

2.1.2.1.1.2.3 Tronzado Movimiento transversal de la herramienta en dirección perpendicular a la del eje de la pieza, para eliminar material de alguna de sus secciones intermedias. Al igual que en caso anterior, la punta de la herramienta debe de ser posicionada exactamente a la altura del centro de rotación.

figura 4

2.1.2.1.1.2.4 Barrenado Consiste en el agrandamiento de un agujero ya existente, que previamente había sido mecanizado por taladrado, o que existía en la pieza procedente de fundición. El barrenado debe corregir cualquier excentricidad, con respecto al eje de la pieza, que pudiera previamente tener al agujero. El desplazamiento longitudinal de la herramienta es paralelo al eje de la pieza y se produce por la cara interna de ésta.

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figura 5

2.1.2.1.1.2.5 Contorneado Consiste en generar superficies de revolución cuya generatriz es el contorno obtenido mediante el desplazamiento longitudinal y transversal de la herramienta simultáneamente.

figura 6

2.1.2.1.1.2.6 Otras operaciones de torneado 1.

Torneado con herramienta de forma

2.

Ranurado, de la superficie frontal.

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Moleteado. Marcado o estriado de la superficie de revolución de una pieza, mediante presión con una herramienta giratoria cuya superficie contiene la forma a marcar. tabla 2

2.1.2.1.1.3 Herramientas de torneado.

figura 7; A, B, y C (Cilindrado); E (Roscado); G (Tronzado); D y F (Refrentado).

La geometría de las herramientas de corte para el torneado depende fundamentalmente del material con que se construyan y del material de la pieza a trabajar. La terminología más utilizada es la que se presenta en la siguiente figura.

figura 8

El ángulo de inclinación, afecta a la manera en que se produce la viruta, puede ser positivo (figura) o negativo. Si es positivo reduce las fuerzas de corte, resultando una menor deflexión de la pieza y utillaje porta-herramientas. Los ángulos negativos suelen emplearse en desbastes. Cuando el ángulo de desprendimiento aumenta, disminuye el esfuerzo de corte y la temperatura que se genera en la operación de mecanizado. El ángulo de posición influye decisivamente en la presión que ejerce la herramienta sobre la pieza. El ángulo de la punta suele ser generalmente recto. La herramienta de corte en torno, se compone de dos partes principales; una de ellas, el mango, es mediante la que deben ser transmitidos los esfuerzos al carro porta-herramientas, por lo que debe tener cierta elasticidad. La parte de corte debe de ser lo suficientemente dura como para soportar el desgaste asociado a la operación de mecanizado.

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Ésta última puede ser independiente del mango, se trata de plaquitas removibles de metal duro, cerámicas, etc.; que presentan en el mercado una amplia variedad de formas. ACERO RÁPIDO ángulo de ángulo de ángulo de inclinación desprend. incidencia 20 15 10 Aleaciones de Al y Mg 5 10 8 Aleaciones de Cu 10 12 5 Aceros 5 8-10 5 Aceros inoxidables 0 10 5 Aleaciones de alta temp. 0 20 5 Aleaciones refractarias 0 5 5 Aleaciones de Titanio 5 10 5 Hierro fundido 0 0 15-20 Termoplásticos 0 0 15-20 Termoendurecibles MATERIAL

ángulo de posición 5

PLAQUITAS DE METAL DURO ángulo de ángulo de ángulo de Ángulo de inclinación desprend. incidencia posición 0 5 5 15

5 15 15 15

0 -5 -5-0 5

5 -5 -5-5 0

5 5 5 5

15 15 15 45

5

0

0

5

15

15

-5

-5

5

5

15 10 10

-5 0 0

-5 0 15

5 15-20 5

15 10 15

Dado que los procesos de corte de metales entrañan altos esfuerzos locales, fricciones, y una considerable generación de calor, las herramientas de corte deben de poseer una combinación de cualidades que las hagan aptas para soportar tales entornos. Estos requisitos se encuentran reflejados, en proporciones variables, en los diversos materiales usados en el corte de metales. Así se tienen: Aceros al carbono (conteniendo del 1 al 1,2 % de carbono); Aceros rápidos (aleaciones de hierro conteniendo tungsteno, cromo, vanadio, y carbono en diferentes proporciones), carburo de tungsteno, diamante, y carburos cerámicos (más recientes).

figura 9; Análisis comparativo de distintos materiales para plaquitas removibles.

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figura 10; Dureza y resistencia al desgaste “versus” resistencia mecánica en los materiales para herramientas.

2.1.2.1.1.4 Máquinas de tornear Las máquinas de tornear se denominan "Tornos". Existen diferentes clasificaciones para encuadrar los distintos tipos de tornos. 1. Según el número de herramientas instaladas en su carro porta-herramientas: monoherramienta, multi-herramienta, revolver. 2. Según la orientación del eje de giro: horizontales y verticales. 3. Según la disposición de las sujeciones de la pieza de trabajo: entre puntos, al aire. 4. Según el grado de automatización con el que se desarrolla la operación de mecanizado: con alimentador de barra, semiautomático (para decoletaje), control numérico, de control numérico con cabezales motorizados. Copiado con mando por transmisión hidráulica o eléctrica. (muchos incluyen elementos para la recogida automática de viruta y elementos para circulación de refrigerantes). 5. Según las dimensiones máximas de las piezas a fabricar, diámetro (desde centímetros hasta más de un metro) y longitud entre centros (hasta varios metros).

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2.1.2.1.2 Taladrado Velocidad Avance

figura 11

Consiste en mecanizar un agujero en una pieza donde antes no lo había, o bien en agrandar uno ya existente (barrenado). En este caso la pieza permanece inmóvil y convenientemente embridada a una mesa, mientras que la herramienta incide sobre ella girando alrededor del eje del agujero a mecanizar. 2.1.2.1.2.1 Factores a tener en cuenta en el taladrado Los factores esenciales a tener en cuenta en las operaciones de taladrado son: 1. La velocidad de corte (v), que es igual a la velocidad periférica en m/min (generalmente), dependiendo del material de la pieza y de la broca, del avance y de la profundidad del agujero (l). 2. Avance por revolución (s), en mm/rev, dependiente del material de la pieza y de la broca, así como de su diámetro (d) en mm. (l + 0,3 • d ) • π • d . minutos 3. Tiempo de taladrado: t p = s • v •1000 4. Fuerzas de corte, momento de torsión necesario, y la potencia absorbida por el taladro. La fuerza que ejerce un taladro, por cada uno de sus filos de corte, sobre el material, se puede descomponer en: a) Una componente radial perpendicular al filo de corte: Fuerza radial (FR/n); con “n” siendo el número de filos de corte principales. b) Otra componente perpendicular a la anterior: Fuerza de corte (FC/n); situada en un plano perpendicular al de la dirección de taladrado. Ambas actúan en el centro del filo de corte principal considerado. avance/2 Fpenetración/2

d/2

Fc/2

FR/2

figura 12; caso particular n = 2

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Ambas fuerzas vienen dadas por las siguientes expresiones: FC/2 = k1 (presión de corte) · (a·d / 4) FR/2 = k2 (presión de corte) · (a·d / 4) El momento de torsión es: M = FC · d/4. Y la potencia consumida: P = FC · velocidad de corte. 2.1.2.1.2.2 Operaciones de taladrado Mecanizado de agujeros nuevos y agrandado de otros ya existentes (barrenado). 2.1.2.1.2.3 Herramientas para taladrado El taladro puede ser definido como una herramienta rotativa de corte, que puede tener uno o más filos de corte, y una o más ranuras (helicoidales o rectas) para la evacuación de virutas.

figura 13

Los elementos que caracterizan esta herramienta son: el ángulo de la punta, el ángulo que forman el filo principal y la perpendicular al eje de la herramienta (entre 12º y 18º usualmente), y el ángulo del filo transversal. El valor del primero oscila entre 80º para taladrar madera o plástico y materiales moldeados por presión, 118º para aleaciones de broce y aceros suaves, 130º para aleaciones de aluminio, y los 140º para taladrar aceros especiales. Así mismo el ángulo de la hélice varía entre 12º y 40º en función del tipo de material a taladrar. El número de filos secundarios depende del desgaste previsto en las operaciones de taladrado, y del tipo de operación.

figura 14

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2.1.2.1.2.4 Máquinas para taladrado 2.1.2.1.2.4.1 Taladradoras. Se clasifican por tamaño y posición del taladrado (horizontal o de columna verticales), portabilidad (desde pequeños taladros de sobremesa, hasta grande taladradoras radiales), número de husillos y grado de automatización de la operación que desarrollan. 2.1.2.1.2.4.2 Punteadoras. Son máquinas que pueden taladrar con gran precisión, aunque también pueden llevar a cabo operaciones de mandrinado y fresado. 2.1.2.1.2.4.3 Tornos. Un torno puede también ser usado con el fin de realizar taladros con centro en el eje de una pieza cilíndrica. Aquí la particularidad radica en el hecho de que es la herramienta la que permanece fija mientras que gira la pieza. 2.1.2.1.3 Avellanado Es una operación de mecanizado consistente en producir agrandamientos de agujeros en uno de sus extremos con sección cónica.

figura 15

2.1.2.1.4 Escariado Operación de mecanizado llevada a cabo con una herramienta del tipo de la de la figura, con el fin dar acabado adecuado (medida final) a agujeros previamente taladrados o barrenados. Los filos de corte están orientados paralelamente al eje de giro de la herramienta. La operación puede ejecutarse en máquinas de taladrar o bien en cetros de mecanizado.

figura 16

2.1.2.1.5 Mandrinado Es una operación de mecanizado que se ejecuta con herramientas monofilo. El procedimiento es similar al de la ejecución de una operación de torneado, pero con la particularidad de que aquí lo que gira no es la pieza sino la herramienta. Sirve para, por ejemplo mecanizar camisas de 39

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cilindros en su parte interna, y se lleva a cabo en máquinas de mandrinar o bien en centros de mecanizado.

figura 17

2.1.2.1.6 Roscado Operación de mecanizado consistente en producir roscas con el perfil adecuado, tanto en pernos (roscados exteriores), como en agujeros (roscados interiores) previamente mecanizados. Las roscas se emplean en elementos de fijación o unión de piezas, y en elementos aptos para la transmisión del movimiento (husillos roscados, tornillos sin fin). Los tipos de roscas normalizadas más importantes, son: • La rosca puntiaguda o triangular (fina, media o basta, en función del paso) . • Rosca métrica (ángulo de flanco = 60º). • Rosca Whitworth (ángulo de flanco = 55º) normal o para tubos. • Rosca trapecial. • Rosca de sierra. • Rosca redondeada. 2.1.2.1.6.1 Operaciones de roscado 2.1.2.1.6.1.1 Roscado de pernos El roscado se lleva a cabo sobre piezas cilíndricas previamente mecanizadas al diámetro adecuado a la consecución de la rosca requerida. Los parámetros que gobiernan el roscado de pernos son: el tipo de rosca, diámetro de la rosca y del núcleo, y el paso de rosca y el perfil geométrico de cada hilo de rosca en función del paso. 2.1.2.1.6.1.1 Roscado de agujeros Se lleva a cabo sobre superficies cilíndricas interiores ya existentes en las piezas objeto de roscado, la geometría de cada uno de los hilos de rosca es también función del paso de la rosca macho correspondiente para cada tipo de rosca estandarizada. 2.1.2.1.6.2 Procedimientos y máquinas para llevar a cabo roscados. 2.1.2.1.6.2.1 Tallado. Consecución de la rosca a partir de un perno o agujero preexistente mediante remoción de viruta. 2.1.2.1.6.2.1.1 Tallado de roscas con macho de roscar

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Se emplea fundamentalmente para roscas interiores de calidad con perfil triangular para sujeción de piezas. Es una herramienta cilíndrica que reproduce el perfil de la rosca de modo discontinuo, para evacuación de virutas, usualmente en tres tramos que pueden observarse si se practica una sección de la herramienta perpendicularmente al eje. Puede usarse para roscar a mano, en torno, en taladradora o en centro de mecanizado, pero siempre ha de practicarse el taladrado previo al diámetro adecuado (tabulados). Existen machos de tallado previo y machos para acabado. 2.1.2.1.6.2.1.2 Tallado de roscas con terrajas Sirve para tallar roscas exteriores a mano o en torno, y su constitución es parecida a lo que podría ser el negativo del macho de roscar. 2.1.2.1.6.2.1.3 Tallado de roscas en torno, con útil de roscar.

figura 18

Es el sistema más versátil y a la vez simple de tallar roscas tanto exteriores como interiores. El perfil resultante está determinado por la forma de la herramienta y su posición relativa con respecto a la pieza. Además debe existir una relación específica entre el movimiento longitudinal de la herramienta, y el movimiento de rotación de la pieza. Ello puede obtenerse mediante juegos de ruedas dentadas intercambiables conectadas mecánicamente al husillo de avance, o bien mediante tallado con plantillas; ello evidentemente no es preciso en un torno de control numérico, ya que dicha relación queda gobernada por los correspondientes dispositivos de regulación automática de los movimientos de la máquina. 2.1.2.1.6.2.1.4 Tallado de roscas con fresa madre La pieza a roscar gira, y también lo hace la herramienta, que es multifilo, cilíndrica y con forma que se ajusta a la rosca deseada. Se pueden realizar roscas interiores y exteriores. Si las roscas son largas éstas se realizan con una fresa de forma que tiene que guardar una posición perpendicular a la línea helicoidal, el paso de la rosca se obtiene por desplazamiento longitudinal de la fresa (la rosca se puede realizar en una o varias pasadas). Por otra parte si las roscas son cortas, y su perfil triangular, se pueden emplear fresas madre ranuradas y sin inclinación. La forma de las ranuras debe de corresponderse con el perfil de la rosca. El movimiento de corte lo realiza la fresa con una inclinación igual al ángulo de la pendiente de la hélice. Durante una

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revolución la pieza se desplaza longitudinalmente en una magnitud igual al paso. Éstas operaciones de tallado de roscas se efectúan con máquinas especiales a tal efecto. 2.1.2.1.6.2.1.5 Esmerilado de roscas La disposición relativa de pieza y herramienta es similar a la del caso anterior, pero la diferencia estriba en que la herramienta es una muela abrasiva (de perfil simple o múltiple). Se aplica a piezas templadas, y cuando es precisa una gran exactitud y buena calidad superficial (también en piezas previamente roscadas si son grandes). La pieza gira a un reducido número de revoluciones y realiza el movimiento de avance correspondiente al paso de la rosca. 2.1.2.1.6.2.2 Laminado. Consecución de la rosca por procedimientos de conservación de masa mediante deformación plástica, y que por lo tanto da lugar a roscas de mejores características mecánicas. La rosca se lamina por medio de mordazas planas estriadas o por medio de rodillos. En la figura se puede comparar la disposición final de las fibras del material.

figura 19; tallado de roscas “versus” laminado

figura 20; a) Con macho de roscar; b) Terraja; c) Torno; d) Fresado; e) Esmerilado; f) laminado

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2.1.2.2 Fabricación de formas diversas. 2.1.2.2.1 Fresado La pieza es mecanizada mediante la presentación de su superficie a una herramienta circular giratoria con varios filos de corte en su circunferencia. La pieza esta sólidamente fijada a una mesa con posibilidad de movimientos horizontal, vertical y longitudinal; y en algunos casos de rotación. Superficies planas, contornos, ángulos, ranuras, dientes de engranaje, y otras formas complejas pueden obtenerse mediante este procedimiento sin más que adaptar la geometría de la herramienta. 2.1.2.2.1.1 Factores a tener en cuenta en el fresado. 2.1.2.2.1.1.1 Ajuste del número de revoluciones. El número de revoluciones depende de la velocidad de corte admitida y del diámetro de la fresa. En el fresado se entiende por velocidad de corte el recorrido de un filo de la fresa por unidad de tiempo: Vc (velocidad de corte) = ω · r (radio de la fresa) con: ω = 2·π· f (frecuencia rotacional) Las velocidades de corte admisibles son, en orden de magnitud aproximado, las que aparecen en la siguiente tabla. RANGO APROXIMADO DE VELOCIDADES DE CORTE EN LAS OPERACIONES DE FRESADO MATERIAL VELOCIDAD DE CORTE m/min Aleaciones de aluminio 300-3000 Fundición de hierro (gris) 90-1300 Aleaciones de cobre 90-1000 Aleaciones de alta temperatura 30-550 Aceros 60-450 Aceros inoxidables 90-500 Termoplásticos y termoendurecibles 90-1400 Aleaciones de titanio 40-150 Notas: (a) Estas velocidades son para herramientas de carburos, cerámicas, cermets y puntas de diamante. Las velocidades para herramientas de acero rápido son inferiores a las indicadas. (b) Son velocidades para profundidades de corte en el rango de 1 a 8 mm. (c) Corte por diente en el rango de 0.08-0.46 mm/rev.

2.1.2.2.1.1.2 Ajuste del avance. El avance en el fresado se da en longitud de pieza fresada por unidad de tiempo. Teniendo en cuenta esto veamos cuáles son los principales parámetros a considerar en las operaciones de fresado: • N = rpm = 60·ω/2·π • D = Diámetro de la fresa. • n = Número de dientes de la fresa. • v = Avance de la fresa en (mm / minuto). • f = Avance de la fresa en (mm/vuelta). • af = Espesor de viruta en la superficie removida = v/ N n • l = Longitud de la superficie a fresar. • V = Material removido Volumen/tiempo = ancho · profundidad de corte (d) · avance. • Par = (Fuerza de corte)·(D/2)

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• Potencia = (Par)·(ω) = V/ Vadmisible; Vadmisible es el volumen máximo de material que se puede remover por cada Unidad de potencia en cada Unidad de tiempo; viene dado para cada tipo de material. • E = Espesor máximo de viruta no deformada = (v/ N n)·senθ; con "θ" ver figura.

cos ϑ = 1 −

2 •d D af

θ

D/2

d E

figura 21

FRESADO

CILÍNDRICO

FRONTAL

Acero 35-60 Kg/mm2 sin alear 12 15

CANTIDAD ADMISIBLE DE VIRUTA cm3 /Kw·min Acero 60-80 Acero hasta Fundición gris Aleaciones de Kg/mm2 100 Kg/mm2 cobre aleado aleado 10 8 22 30 12 10 28 40

Metales ligeros 60 75

2.1.2.2.1.2 Principales operaciones de fresado 2.1.2.2.1.2.1 Fresado en contradirección y fresado paralelo En el fresado en contradirección, la viruta se arranca primeramente por el sitio más delgado. Antes de que los dientes de la fresa penetren en el material, resbalan sobre la superficie que se trabaja. En el fresado paralelo la pieza es fuertemente presionada contra su apoyo. La mesa de trabajo no debe tener juego alguno, pues de lo contrario la fresa empujaría a la pieza.

figura 22

2.1.2.2.1.2.2 Fresado cilíndrico.

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El eje de giro de la fresa es paralelo a la superficie de la pieza que se está mecanizando. La herramienta usada es generalmente de acero rápido, con un número determinado de dientes que actúan como puntos de corte individuales. Los filos de las fresas pueden ser rectos o helicoidales produciendo respectivamente una ación de corte ortogonal u oblicua. En el fresado cilíndrico se emplea generalmente el fresado en contradirección. La máquina experimenta una carga irregular debido a la forma de las virutas. 2.1.2.2.1.2.3 Fresado frontal. En el fresado frontal el eje de giro de la herramienta es perpendicular a la superficie trabajada. Cada diente arranca una viruta de espesor uniforme, siendo la carga de la fresadora uniforme. Las herramientas pueden ser de una pieza o de plaquitas removibles. Debido al movimiento relativo entre los dientes de la fresa y la pieza, aparecen unas marcas circulares en la superficie fresada que afectan seriamente a la rugosidad de ésta, y cuya forma depende de la geometría de la esquina del diente y de la cantidad de metal removido por cada uno de los dientes. 2.1.2.2.1.2.4 Acabado de superficies y cajeado mediante fresado. (End milling) Las herramientas utilizadas a este fin, poseen filos de corte tanto en la parte lateral como en el extremo. La herramienta gira, normalmente, alrededor de un eje perpendicular a la zona de superficie de la pieza que en cada momento se ha de trabajar. Diversos son los perfiles que pueden ser mecanizados mediante este tipo de fresas, y el hecho de que posean filos cortantes en el extremo, las habilita para poder ser usadas a modo de taladro para iniciar cavidades en las operaciones de cajeado. Las fresas de acabado, pueden tener extremos con formas hemisféricas con el fin de producir superficies complejas, como por ejemplo las de los utillajes de fundición. Éstas herramientas, pueden ser de una pieza o constituirse a base de plaquitas removibles. Una de las aplicaciones es el fresado de alta velocidad en el mecanizado de componentes aerospaciales de aluminio, pudiéndose alcanzar velocidades de husillo de hasta 20000 rpm si la potencia de la máquina y el mecanismo de recolección de virutas lo permiten.

figura 23

2.1.2.2.1.2.5 Fresado de forma y otras operaciones de fresado. Con el fin de mecanizar superficies diversas, existen otros tipos de conformado de herramientas para fresado con: • Montaje en árbol, más de una herramienta, para mecanizar (p.e.) superficies que sean paralelas. (Fig. 24). • Fresado de forma; usado para mecanizar perfiles curvados con cortadores conformados a tal efecto, por ejemplo, en el fresado de dientes de un engranaje.(Fig. 24). 45

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• Ranurados especiales, por ejemplo en forma de “T”, como los usados en las mesas de las máquinas herramienta; colas de milano; etc.

figura 24

2.1.2.2.1.3 Herramientas de fresado En una sección transversal de cada uno de los filos de una herramienta de fresa pueden identificarse, al igual que en las herramientas de torno, el ángulo de desprendimiento o ataque, y el ángulo de incidencia. El ángulo de inclinación es el que tiene que ver con la posible configuración helicoidal de los dientes. Ésos influyen directamente en la distribución de esfuerzos y en la conformación de la viruta resultante. El diámetro de la fresa suele ser escogido de modo que no interfiera con las fijaciones a la mesa de la pieza a trabajar, una relación aproximada, en fresado frontal (Diámetro / anchura de fresado), suele ser no menor a 3/2. Las herramientas pueden clasificarse en función de su tipo de sujeción a la máquina; ya que pueden estar montadas sobre un árbol con dos puntos de apoyo, o bien montadas en su correspondiente cono porta-herramientas y sujetas al husillo de la máquina en un único punto (p.e. fresas de contorneado). La rigidez de la herramienta y su fijación a la máquina es importante para conseguir superficies de calidad y reducir la vibración en las operaciones de fresado.

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figura 25

2.1.2.2.1.4 Máquinas de fresar. Debido a su capacidad para llevar a cabo gran variedad de operaciones, las máquinas de fresar (la primera data de 1876) constituyen el elemento de mayor versatilidad en un taller mecánico. Se clasifican fundamentalmente en horizontales y verticales según la disposición del husillo principal, aunque existen máquinas en las que aquél puede adoptar ambas configuraciones; podemos clasificarlas también en convencionales o con control numérico. Las operaciones de fresado, pueden ser llevadas a cabo en centros de mecanizado con control numérico, de los que se tratará en capítulos posteriores.

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figura 26

2.1.2.2.2 Cepillado y Limado. Es un proceso en el que una herramienta monofilo actúa sobre una pieza a la que corta a lo largo de una carrera, luego retorna a su posición inicial, y entonces comienza la siguiente carrera después de un ligero desplazamiento lateral. En general se pueden producir todo tipo de superficies compuestas de elementos rectos. Es una operación relativamente lenta, por esta razón es raro encontrar máquinas de este tipo en un taller de producción. Sin embargo son muy válidas para talleres de utillaje. Si se desplaza la mesa porta-piezas, la máquina se llama cepilladora, si el movimiento de vaivén es de la herramienta se llama limadora (el avance transversal suele ser de la mesa). 2.1.2.2.3 Mortajado. Es una operación de mecanizado que se realiza en máquinas denominadas mortajadoras (o también limadora vertical), que utilizan herramientas monofilo con movimiento alternativo vertical. Operan de manera similar a las limadoras, y se utilizan p.e. en la fabricación de chaveteros de piezas involucradas en mecanismos de transmisión. 2.1.2.2.4 Brochado El brochado es un procedimiento de mecanizado que se usa con el fin de obtener contornos complejos bien sean internos o externos. Las herramientas usadas son multifilo, con la particularidad de que cada diente es generalmente mayor que el precedente, incrementándose la profundidad de corte en tanto que la operación progresa. Las aplicaciones son prácticamente ilimitadas, pudiendo reproducirse perfiles externos e internos lo alargados que se desee siempre que la superficie a trabajar esté libre de obstáculos al paso de la herramienta. El tipo de accionamiento que anima el movimiento de la herramienta suele ser de tipo hidráulico.

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figura 27; aspectos del brochado.

2.1.2.2.5 Tallado de ruedas dentadas A continuación se describen los métodos más comúnmente utilizados para la obtención de ruedas dentadas (de perfil evolvente) de los tipos más habituales (rectos, helicoidales, cónicos, tornillos sin fin, etc.). El parámetro más relevante a la hora de seleccionar la herramienta apropiada para el tallado de ruedas dentadas es el módulo; que es el cociente del paso (múltiplo de π) y del número π, el paso se mide sobre la circunferencia primitiva (se mide espesor de diente más 49

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separación entre dientes). Todos los valores normalizados de las dimensiones de los dientes vienen dados en función del módulo; así: al altura del diente es 13/6 del módulo; la de la cabeza 6/6 del módulo (hasta la circunferencia primitiva) y la altura del pie (desde la circunferencia primitiva) 7/6 del módulo; el espesor es igual a ½ paso. Lógicamente el perímetro de la circunferencia primitiva es igual al paso por el número de dientes. En el caso de paso-pitch (medidas en pulgadas) éste es igual a cociente del número π y el diametral pith (D p). El material con el que se fabrican depende de la carga de trabajo, y la forma de obtención del material en bruto depende de las dimensiones de la rueda. 2.1.2.2.5.1 Fresado continuo por rodamiento. Los dientes de la rueda se configuran mediante rodamiento del cuerpo de rueda sobre una fresa de forma helicoidal (ruedan igual que un mecanismo de rueda helicoidal y tornillo sin fin engranados), para una revolución del cuerpo de rueda tiene que realizar la fresa tantas revoluciones como dientes haya de tener aquella, después de cada revolución de la pieza se realiza el correspondiente movimiento de avance. Este tipo de fresado se lleva a cabo en máquinas especiales para este fin. Para fresar ruedas dentadas rectas, hay que colocar la fresa helicoidal inclinada en una magnitud angular igual a la de su pendiente (ver figura 28).

figura 28

2.1.2.2.5.2 Mortajado. 2.1.2.2.5.2.1 Mortajado con plato divisor. Se tallan los dientes uno a uno con un útil de forma, girando cada vez la pieza de trabajo (el ángulo conveniente) mediante el plato divisor (ver apéndices). 2.1.2.2.5.2.2 Mortajado por procedimiento continuo. Se realiza en una máquina especial, es el procedimiento de mortajado más exacto y rápido. Se pueden emplear útiles en forma de peines o bien de ruedas cortantes. El útil de peine tiene forma de cremallera y lleva a cabo un movimiento de corte vertical. La pieza de trabajo realiza un movimiento de rodadura, compuesto de rotación y traslación lateral en dirección paralela al peine. Cuando ha finalizado el movimiento de rodadura a lo largo del peine se vuelve a la posición de partida, con lo cual se habrá realizado el avance correspondiente a un diente.

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Mediante una rueda cortante, que realiza un movimiento vertical de corte, se pueden mecanizar tallados exteriores e interiores. En este caso el movimiento de rodadura está compuesto por los giros de pieza y útil de corte.

figura 29

2.1.2.2.5.3 Brochado La forma de la brocha, es la del perfil total del dentado a ejecutar (fundamentalmente tallados interiores). 2.1.2.2.5.4 Fresado con herramienta de forma. Se procede de modo análogo que en el mortajado de dientes con plato divisor, solo que en este caso la herramienta es una fresa de forma multifilo. 2.1.2.2.6 Corte con sierra En general tres tipos de máquinas son comúnmente utilizadas, de acuerdo al tipo de movimiento con que las sierras están animadas: alternativas, de banda o circulares. La sierra suele estar dispuesta sobre una estructura a tal efecto, con los elementos adecuados para fijar la pieza de trabajo. Algunas poseen mecanismos para alimentación de materia prima. Son generalmente utilizadas para realizar el acopio de material en bruto, previo a cualquier otra operación de mecanizado. 2.1.2.3 Operaciones de acabado 2.1.2.3.1 Rectificado El rectificado consiste en la remoción de metal por medio de una muela (cilíndrica) abrasiva rotativa; la acción es similar a la de una herramienta de fresado. La muela está compuesta por gran cantidad de pequeños granos de material abrasivo, rodeado del aglutinante apropiado; cada uno de los granos actúa como una herramienta en miniatura. Este proceso produce superficies extremadamente finas y precisas. Dado que en cada pasada se elimina una pequeña cantidad de material, es preciso contar en las máquinas de rectificado con una regulación de la muela abrasiva muy precisa. La presión de la rueda sobre la superficie de la pieza ha de ser muy suave, hecho que habilita al rectificado para trabajar materiales cuya fragilidad no los hace aptos para ser mecanizados de otro modo. 51

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La dureza de una muela para esmerilar o rectificar viene dada por la dureza del aglutinante, dado que es éste el que constriñe la capacidad de movimiento de cada uno de los granos entorno a su posición inicial, incrementando la capacidad del grano para actuar sobre el material. El granulado, es la gradación de tamaños de los granos empleados. Los granos se clasifican en tamaños mediante tamices. Las muelas se suelen clasificar por medio de una letra, para designar la dureza, y de un número que indica el tamaño de tamiz utilizado en la clasificación de granos. Para materiales tenaces y materiales con resistencia superior a los 35 Kg/mm2 (aceros, fundición maleable, acero moldeado), se utilizan muelas de corindón (óxido de aluminio). Para materiales blandos con resistencia de hasta 35 Kg/mm2 (fundición gris, latón, bronces, aluminio, resinas sintéticas, etc.) se emplean muelas con granos de carburo de silicio. Los aglutinantes, pueden ser cerámicos, de silicato (p.e. para el afilado de herramientas), o de goma en el caso de esmerilado de piezas de fundición dura o aceros templados. En cuanto a la estructura de la muela, ésta suele ser densa en el caso de trabajar sobre materiales duros con necesidad de un esmerilado fino. En caso contrario (esmerilado basto sobre materiales blandos) las muelas suelen tener una estructura menos fina. Como regla general se puede decir que para trabajo sobre materiales blandos se usan muelas duras y con grano más basto. Mientras que para el rectificado de materiales duros se emplean muelas blandas con grano fino. La velocidad periférica de las muelas (entre 25 y 80 m/s) depende de: • El tipo de material a trabajar, (acero valores más altos, fundición gris valores más bajos). • El tipo de rectificado (sobre superficies planas hasta 25 m/s, redondo hasta 35 m/s, corte 80 m/s, etc.). Las profundidades de corte son: del orden de la décima en el desbastado, y de las milésimas en el afino. 2.1.2.3.1.1 Operaciones de rectificado 2.1.2.3.1.1.1 Rectificado cilíndrico de exteriores. Aplicaciones típicas son cigüeñales, rodamientos, etc. La pieza a trabajar gira entorno a su eje a la vez que es animada de un movimiento alternativo a lo largo del mismo, si la pieza es grande es la muela abrasiva la que se desplaza alternativamente a lo largo de la superficie de la pieza, que usualmente descansa entre dos puntos (entre centros). La pieza y la muela giran a velocidades diferentes, la velocidad periférica de la pieza, depende de: • El tipo de material a trabajar (alto para metales ligeros y bajo para aceros). • El tipo de operación (más alto para desbastado, y más bajo para el afino). Las rectificadoras cilíndricas, que así se llaman las máquinas que desarrollan este tipo de operaciones, se identifican en función del máximo diámetro y longitud de la pieza a rectificar; son máquinas parecidas a los tornos. En las rectificadoras universales, los ejes de la pieza y la muela pueden adoptar diversas posiciones relativas con el fin de poder rectificar perfiles más complejos. Éstas máquinas pueden estar equipadas con control numérico para mayor seguridad en su operación y repetitividad, las revoluciones de la pieza están sincronizadas con la variación de la distancia entre los ejes de pieza y muela con el fin de producir las formas requeridas en cada caso.

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figura 30

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2.1.2.3.1.1.2 Rectificado cilíndrico de interiores. Se utiliza una muela cilíndrica del tamaño adecuado al interior que se desea rectificar (p.e. alojamientos de casquillos y rodamientos), la muela gira sujeta a un cabezal porta-muelas a velocidades próximas a las 30000 rpm. La figura ilustra diversas formas de rectificado interior, en la que pueden observarse los movimientos relativos de los elementos involucrados.

figura 31

2.1.2.3.1.1.3 Rectificado plano. En el rectificado de superficies planas, la pieza se sujeta a la mesa mediante un dispositivo magnético, montado a tal efecto, con el fin de que la superficie a rectificar quede diáfana. Si el material a trabajar no fuese magnético, se utilizaría cualquier otro tipo de sujeción factible. La muela abrasiva va montada sobre un soporte horizontal, presentando su parte cilíndrica a la pieza de trabajo; con un movimiento relativo, con relación a ésta, alternativo en dirección longitudinal. Avanzando en sentido lateral después de cada carrera, con el fin de cubrir toda la pieza (es normalmente la pieza la que se desplaza). La capacidad de la máquina se define en función del tamaño de la pieza a mecanizar. Existen también máquinas de husillo vertical y con mesas rotativas, estas configuraciones permiten en algunos casos aumentar el número de piezas a trabajar de una vez.

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figura 32

2.1.2.3.1.1.4 Rectificado sin centros, o sin puntas. Este procedimiento se emplea en la fabricación en serie, la pieza no precisa ser centrada. Se dispone sobre una guía entre dos muelas y es esmerilada por la muela mayor. La muela pequeña es la muela de avance; rueda con una velocidad periférica menor que la muela grande (1/20) y frena el movimiento de rotación que ésta transmite a la pieza, ajustando sus revoluciones. Mediante la muela de avance situada en posición inclinada es empujada la pieza contra la muela grande. Elementos típicos así rectificados, son rodillos de rodamientos, válvulas, ejes, otras piezas con diámetro variable, etc. Se pueden trabajar diámetros del orden de una décima, y alcanzar velocidades periféricas del orden de 10000 m/min con muelas de nitruro de boro. En rectificado sin centros de interiores, la pieza es encajada entre en tres cilindros. Las roscas, pueden ser rectificadas tanto en rectificadoras cilíndricas como en rectificadoras sin centros, con muelas acondicionadas con la forma de la rosca. Los movimientos de la pieza y de la muela están sincronizados para producir el paso adecuado.

figura 33

2.1.2.3.1.1.5 Remoción de material a gran escala. 55

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El rectificado, es también utilizado para remoción de material a gran escala. La profundidad de corte alcanza dimensiones de hasta 6 mm con velocidades bajas. Son muelas blandas capaces de mantener bajas temperaturas de corte y mejorar el acabado de la superficie. Las máquinas utilizadas alcanzan potencias superiores a 200 kW. Es un sistema adecuado para fabricar piezas de materiales especiales que por sus condiciones resultan de difícil mecanizado.

figura 34

2.1.2.3.2 Mecanizado mediante chorro abrasivo. Los mecanizados mediante chorro abrasivo fueron introducidos en la industria en 1982, unos diez anos después de que lo hubieran hecho los mecanizados mediante agua a presión. Son utilizados en una amplia variedad de industrias, desde las del automóvil a las de precisión que trabajan materiales especialmente duros. Una máquina de este tipo, utiliza agua a presiones por encima de 2500 Kg/cm2 (40000 psi) y velocidades 2,5 veces la del sonido (el diámetro aproximado de las boquillas es de 0,1 mm). La granalla abrasiva es mezclada, en tubos cerámicos, con el chorro de agua, en donde la mezcla alcanza velocidades de 18000 m/min. Después el chorro es dirigido sobre el material a mecanizar. La fuerza centrífuga de las partículas abrasivas es la que actúa sobre el material de la pieza a trabajar, y la acción de corte es similar a la del rectificado, con la salvedad de que es el agua la que conduce a las partículas en vez de la muela. Es un método aplicable a un amplio rango de materiales de diferentes espesores (metales, plásticos, cristales, cerámicos, etc.) con excelentes calidades de acabado. Una ventaja adicional es la baja temperatura que se alcanza en la aplicación de éstos procesos de mecanizado (temperatura ambiente), como resultado de lo cual las áreas mecanizadas de la pieza no sufren tratamiento térmico alguno que menoscabe sus características mecánicas. El chorro abrasivo, es útil en el mecanizado de materiales duros y materiales con puntos de fusión en exceso bajos. El abrasivo generalmente utilizado tiene una dureza aproximada de 6,5÷7,5 Mohs. 2.1.2.3.3 Mecanizado por ultrasonidos. Se conforma una herramienta con la forma del alojamiento a mecanizar (con un material de no demasiada dureza), a la cual se hace vibrar a alta frecuencia (30000 c.p.s.) y baja amplitud sobre la pieza de trabajo. Entre medias de la pieza y la herramienta se introduce una mezcla de fino abrasivo y agua, la fricción de abrasivo corta gradualmente la superficie de la pieza de materiales tales como; acero, titanio, rubíes, cuarzo, diamantes y vidrio. Una de las principales ventajas es la capacidad para reproducir cavidades de formas complejas. Los tamaños de éstas están en el rango de: 0,25 mm hasta 100 mm con profundidades de hasta 200 mm. 56

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Punzón (Acero)

ULTRASONIDOS Frecuencias; orden ≅ 20.000-30.000 cps /min

Pieza figura 35

Abrasivo en suspensión (Carburos)

2.1.2.3.4 Mecanizado de materiales cerámicos. Los materiales cerámicos están compuestos de elementos esencialmente no metálicos. Éstos son aptos para ser mecanizados por elementos abrasivos (p.e. diamante) o ultrasonidos. 2.1.2.3.5 Operaciones de desbarbado. El desbarbado consiste en la eliminación de material sobrante de las operaciones de mecanizado (rebabas). Éstas también pueden ser eliminadas mediante proyección de partículas abrasivas o bien manualmente mediante elementos de corte de metales. Existen también desbarbados térmicos y químicos. 2.1.2.3.6 Bruñido Es una operación de mecanizado que se utiliza con el fin de dotar a los agujeros ya mecanizados de una calidad adecuada (rugosidad fina). Consiste en un conjunto de varillas de aglomerante con partículas abrasivas que están montadas sobre un mandril que las habilita para ser introducidas en el agujero. A la herramienta así conformada se le aplica un movimiento rotativo a la vez que otro alternativo axial. Las varillas abrasivas deben ajustarse radialmente en función de las dimensiones del agujero a trabajar. La finura de la superficie resultante, puede ser controlada por medio de; el tamaño del abrasivo usado, la velocidad de rotación y la presión aplicada a la pieza. Se utiliza un fluido con el fin de arrastrar la materia sobrante y refrigerar. Esta operación, puede también ser llevada a cabo en superficies externas cilíndricas y superficies planas, y en la eliminación de rebabas.

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figura 36; aspectos del bruñido

2.1.2.3.7 Pulido. Es un acabado más fino que el rectificado, en el que la pieza a trabajar se embadurna de un abrasivo de muy fina escala sobre lecho fluido. La acción de pulido se lleva a cabo mediante discos o cintas que pueden fabricarse de cuero o fieltro revestidos con polvos de óxido de aluminio o diamante. Pueden obtenerse superficies con brillo especular (o de espejo) mediante electropulido, que es un procedimiento inverso al de revestimiento por deposición electrolítica. Recientes investigaciones, han aportado interesantes aplicaciones de los campos magnéticos al pulido de piezas mecánicas. En un campo magnético, y en lecho fluido de agua o keroseno, flotan partículas abrasivas con otras ferromagnéticas, que mediante la acción de las alteraciones del campo magnético o la acción de algún dispositivo mecánico, ejecutan el pulido de la 58

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superficie de la pieza de trabajo. Para tener una idea aproximada del tiempo de ejecución de éstas operaciones, se puede decir que elementos de acero (p.e. constitutivos de un rodamiento), pueden alcanzar brillo de espejo en 30 segundos.

figura 37

figura 38

2.1.2.3.8 Lapeado La herramienta de lapeado se compone de granos abrasivos muy finos, incrustados en fundición de hierro, cobre, cuero o tejido. La operación se realiza con presiones muy bajas (7-140 kPa), y se pueden obtener excelentes acabados con tolerancias muy exigentes (del orden de 0.0004 mm). Se puede utilizar en formas planas o cilíndricas

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figura 39

figura 40

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2.1.2.4 Máquinas herramientas no convencionales Entre las máquinas herramientas no convencionales se encuentran las máquinas de arco de plasma, las de rayo láser, las de descarga eléctrica y las electroquímicas, de haz de electrones, y las ya comentadas anteriormente ultrasónicas. Estas máquinas fueron desarrolladas para dar forma a aleaciones de gran dureza utilizadas en la industria pesada y en aplicaciones aerospaciales. También se usan para dar forma y grabar materiales muy delgados que se utilizan para fabricar componentes electrónicos como los microprocesadores. 2.1.2.4.1 Descarga eléctrica (electroerosión). La mecanización por descarga eléctrica, conocida también como erosión por chispa, utiliza la energía eléctrica para eliminar material de la pieza sin necesidad de tocarla. Se aplica una corriente de alta frecuencia entre la punta del útil y la pieza, haciendo que salten chispas que vaporizan puntos pequeños de la pieza. Como no hay ninguna acción mecánica, pueden realizarse operaciones delicadas con piezas frágiles. Este método produce formas que no pueden conseguirse con procesos de mecanizado convencionales. 2.1.2.4.1.1 Mecanizado mediante descarga eléctrica. Sucesión de descargas eléctricas entre un electrodo (herramienta) y la pieza en presencia de un dieléctrico. El metal eliminado, fundido o evaporado, es retirado por el flujo de fluido dieléctrico. Mediante este sistema se pueden trabajar materiales con independencia de su dureza, aunque obviamente está limitado a materiales que conducen la electricidad. Es un método ampliamente usado en la fabricación de coquillas para fundición, y la fabricación de prototipos. Es muy conveniente cuando la pieza presenta dificultades de mecanizado o posee agujeros, pasantes o ciegos de contorno complicado. ELECTROEROSIÓN

Electroútil (Latón, Cobre, Aluminio)

Mov. Útil

_ C + Pieza R Dieléctrico (Aceite, Petróleo, etc,) Alta densidad de corriente; orden ≅ 106 Amp/mm2 Alta temp eratura; orden ≅ 103 ºC Presión; orden ≅ 103 Kg/cm2 Producción; orden ≅ 100-2000 mm3 /min

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2.1.2.4.1.2 Esmerilado mediante descarga eléctrica. El electrodo herramienta, puede ser sustituido por una muela rotativa. Es un procedimiento útil en el esmerilado de secciones de piezas, o materiales frágiles, en las que la presión del esmerilado convencional podría dañar la pieza. 2.1.2.4.2 Electroquímicas. Este tipo de mecanización emplea también la energía eléctrica para eliminar material. Se crea una celda electrolítica en un electrólito, utilizando el útil como cátodo y la pieza como ánodo y se aplica una corriente de alta intensidad pero de bajo voltaje para disolver el metal y eliminarlo. La pieza debe ser de un material conductor. Con la mecanización electroquímica son posibles operaciones como grabar, marcar, perforar y fresar. 2.1.2.4.2.1 Mecanizado electroquímico. Eliminación de metal sin el uso de energía mecánica o térmica. La acción eléctrica se combina con la acción química a fin conseguir un efecto contrario al que tiene lugar en los baños para revestimiento químico de piezas mecánicas. Una corriente continua pasa de la herramienta (cátodo) a la pieza (ánodo) a través de un electrolito, cuyo flujo elimina el material disuelto, y refrigera el proceso. 2.1.2.4.2.2 Torneado electroquímico. Es un caso particular del proceso anterior, en el que el ánodo (pieza de trabajo) es móvil. 2.1.2.4.2.3 Rectificado o esmerilado electroquímico. Acción combinada del ataque electroquímico y la abrasión para eliminar material de piezas con materiales conductores eléctricos y de cierta dureza superficial. El cátodo (rueda de rectificado) es móvil (rotativa). 2.1.2.4.2.4 Bruñido electroquímico. Con cátodo, herramienta de bruñido. 2.1.2.4.2.5 Rectificado por descarga electroquímica. Es una combinación de los procedimientos de rectificado electroquímico (elimina material de la pieza de trabajo) y por descarga eléctrica (elimina los óxidos resultantes). 2.1.2.4.3 Arco de plasma. La mecanización con arco de plasma utiliza un chorro de gas a alta temperatura y gran velocidad para fundir y eliminar el material. El arco de plasma se utiliza para cortar materiales difíciles de seccionar con otros métodos, como el acero inoxidable y las aleaciones de aluminio. También es empleado para operaciones de punzonado, torneado y fresado. La

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geometría de la boquilla es la que provoca la concentración de gases en una columna tan estrecha como sea necesario.

Plasma, estado de la materia, generalmente gaseoso, en el que algunos o todos los átomos o moléculas están disociados en forma de iones. Los plasmas están constituidos por una mezcla de partículas neutras, iones positivos (átomos o moléculas que han perdido uno o más electrones) y electrones negativos. Los plasmas pueden crearse aplicando un campo eléctrico a un gas a baja presión, como en los tubos fluorescentes o de neón. También puede crearse un plasma calentando un gas neutro hasta temperaturas muy altas. Generalmente, las temperaturas son demasiado altas para aplicarlas externamente, por lo que se calienta el gas internamente inyectando en él iones o electrones de alta velocidad que pueden colisionar con las partículas de gas y aumentar su energía térmica. Los electrones del gas también pueden ser acelerados por campos eléctricos externos. Los iones procedentes de estos plasmas se emplean en la industria de semiconductores para grabar superficies y producir otras alteraciones en las propiedades de los materiales.

2.1.2.4.4 Láser. La mecanización por rayo láser se consigue dirigiendo con mucha precisión un rayo láser, para vaporizar el material que se desea eliminar. Este método es muy adecuado para hacer orificios con gran exactitud. También puede perforar metales refractarios y cerámicos y piezas muy finas sin abarquillarlas. La acción del láser no afecta térmicamente a las zonas aledañas a la objeto de mecanización (zonas afectadas en el entorno de 0,2 mm). Se pueden cortar, con gran precisión, materiales tan diversos como aceros, aleaciones de cobre y aluminio, plásticos, gomas, composites, etc (con láser de CO2 y mediante control numérico).

Láser, dispositivo de amplificación de luz por emisión estimulada de radiación. Los láseres son aparatos que amplifican la luz y producen haces de luz coherente; su frecuencia va desde el infrarrojo hasta los rayos X. Un haz de luz es coherente cuando sus ondas, o fotones, se propagan de forma acompasada, o en fase. Esto hace que la luz láser pueda ser extremadamente intensa, muy direccional, y con una gran pureza de color. Los láseres obligan a los átomos a almacenar luz y emitirla en forma coherente. Primero, los electrones de los átomos del láser son bombeados hasta un estado excitado por una fuente de energía. Después, se los "estimula" mediante fotones externos para que emitan la energía almacenada en forma de fotones, mediante un proceso conocido como emisión estimulada. Los fotones emitidos tienen una frecuencia que depende de los átomos en cuestión y se desplazan en fase con los fotones que los estimulan. Los fotones emitidos chocan a su vez con otros átomos excitados y liberan nuevos fotones. La luz se amplifica a medida que los fotones se desplazan hacia atrás y hacia adelante entre dos espejos paralelos desencadenando nuevas emisiones estimuladas. Al mismo tiempo, la luz láser, intensa, direccional y monocromática, se "filtra" por uno de los espejos, sólo parcialmente reflectante. Según el medio que emplean, los láseres suelen denominarse de estado sólido, de gas, de semiconductores o de líquido.

2.1.2.4.5 Haz de electrones. Este método de mecanización utiliza electrones acelerados a una velocidad equivalente a tres cuartas partes de la velocidad de la luz. El proceso se realiza en una cámara de vacío para reducir la expansión del haz de electrones a causa de los gases de la atmósfera. La corriente de electrones choca contra un área de la pieza delimitada con precisión. La energía cinética de los 63

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electrones se convierte en calor al chocar éstos contra la pieza, lo que hace que el material que se quiere eliminar se funda y se evapore, creando orificios o cortes. Los equipos de haz de electrones se suelen utilizar en electrónica para grabar circuitos de microprocesadores. A otra escala, es también usado para el mecanizado de boquillas de inyección de motores diesel. 2.1.2.4.6 Mecanizado por haz iónico. En este proceso de mecanizado los átomos cargados o iones golpean la superficie de la pieza con suficiente energía como para remover átomos superficiales. El número de éstos depende del tiempo de exposición de la pieza al haz iónico. Diversos materiales, responden de forma diferente al bombardeo iónico; algunos permanecen blandos en el proceso resultando superficies con acabado especular (materiales amorfos), mientras que otros, rápidamente se tornan ásperos. 2.1.2.4.7 Mecanizado químico y fotoquímico. Agentes químicos, apropiados para cada caso (tipo de material), atacan (mecanizan) aquellas partes de la pieza objeto de trabajo en aquellas zonas que no han sido previamente protegidas.

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ANEXOS CAPÍTULO 2º

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MATERIALES PARA HERRAMIENTAS Acero de herramientas no aleado contenido en carbono: 0.5...1.5% temperaturas 200ºC - 300ºC Acero de herramientas aleado (Acero rápido) contienen; tungsteno, volframio, cromo, níquel, vanadio, molibdeno, cobalto temperaturas 550ºC - 600ºC Metal duro granos de carburo de tungsteno (proporciona dureza), aglomerados con cobalto; también se añade carburo de titanio (disminuye craterización en la herramienta provocada por la viruta) obtenido por sinterización temperaturas 900ºC - 1000ºC Diamante Materiales cerámicos Óxido de aluminio sinterizado (frágil) temperaturas 1200ºC SINTERIZACIÓN Proceso tecnológico que tiene por objeto la producción de objetos porosos, denominados "sinterizados". Se parte siempre de polvos (pulvimetalurgia) metálicos o cerámicos de granulometría diversa, comprimidos en prensas especiales, a presiones elevadas (10-100 kg/mm2 ) y calentados en atmósfera neutra a la temperatura adecuada, de modo que se produzca la fusión de los componentes (de más baja temperatura de fusión) o se permita el desarrollo de fenómenos de difusión atómica. Los materiales obtenidos son porosos y el grado de porosidad es función de las modalidades tecnológicas de producción, granulometría, uniformidad de granos, presión, condiciones de calentamiento y presencia de impurezas. Aplicaciones de los materiales "sinterizados": 1) fabricación de cojinetes autolubricados. 2) piezas cuya mecanización es compleja, al no requerir las piezas "sinterizadas" mecanizaciones ulteriores. 3) núcleos duros (widia, uranio empobrecido, etc.). Materiales sinterizables: 1) cerámicas técnicas. 2) bronces. 3) aleaciones de Al. 4) algunos aceros. 5) aleaciones de Ti. 6) superaleaciones (de base Ni y de base Ti). 6) superaleaciones (de base Ni y de base Ti), etc. Téngase siempre presente que cualquier elemento o pieza, obtenida por el mejor método de "sinterización" tendrá unas características mecánicas inferiores a la pieza equivalente obtenida por "forja". producción de polvos

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• Atomización: inyectando metal fundido por un orificio, y atomizando mediante gas inerte, aire, o agua. • Reducción: Eliminando el oxígeno de los óxidos metálicos. • Deposición electrolítica: mediante soluciones acuosas o sales. • Métodos mecánicos: partículas de metales frágiles y poco dúctiles. • Aleaciones metálicas: obtenidas por difusión de polvos de metales diferentes. compactación de polvos. Los polvos son compactados con el fin de conseguir las formas deseadas. Se puede llevar a cabo mediante presión en frío (CIP), en caliente (HIP), por forja, extrusión, inyección, etc. A continuación se pueden llevar a cabo las operaciones de acabado mas convenientes a cada tipo de pieza; mecánicos, superficiales, térmicos, inyección de metal con bajo punto de fusión para rellenar poros por capilaridad, etc. En el diseño de moldes para llevar a cabo la compactación de los polvos se ha de tener especial consideración con las contracciones que se producen tras el sinterizado, y en el diseño de las piezas a fabricar habrán de tenerse en cuenta los “ratios” que deben mantener las dimensiones de las diferentes partes.

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MATERIALES METÁLICOS (más usuales en piezas mecánicas)

FÉRREOS

NO FÉRREOS aleaciones de aluminio aleaciones de magnesio

ACEROS

FUNDICIONES

baja aleación (aprovechan efectos estructurales de los elementos de aleación)

blanca

bronces (Cu-Sn)

- austeníticos - martensíticos - ferriticos

de herramientas

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latones (Cu-Zn)

nodular

(aprovechan efectos sustanciales de los elementos de aleación)

inoxidables

gris maleable

alta aleación

aleaciones de cobre

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TOLERANCIAS.

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RUGOSIDADES.

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CAPÍTULO 3º “MECÁNICA DEL CORTE DE METALES” 3.1. Modelo de corte ortogonal Se entiende por corte ortogonal, aquél en el que se reproduce la misma composición de fuerzas sea cual fuere el plano paralelo al de la figura por el que se corte el conjunto pieza - herramienta. Ello posibilita un análisis de fuerzas en el plano en lugar de un análisis espacial que siempre resulta más complejo. Los conocimientos ya adquiridos en la descripción de las diferentes operaciones de corte de metales, nos habilitan para comprobar que la situación presentada en la figura puede reproducirse en cualquiera de ellas (modalidad ortogonal). La fuerza resultante (Fr) que la herramienta ejerce sobre la pieza puede descomponerse según criterios diferentes. • “Fc” y “Ft” (fuerzas de corte y empuje respectivamente), que son aquellas que resultan medibles con mayor facilidad. • “F1 ” y “Fp” (fuerzas de remoción de viruta y penetración respectivamente), son las que el conocimiento previo de la operación de mecanizado presenta como la descomposición más razonable. • “Ff” (fuerza de fricción) y la componente en dirección perpendicular a ésta. • “Fs” (fuerza sobre el plano de cizalladura) y la componente en dirección perpendicular a ésta. La razón de considerar éstas dos últimas descomposiciones, viene dada por la utilidad que representan a la hora de analizar el corte ortogonal.

Fs Fc

φ+β−γ

VIRUTA ao

β−γ

Fr

Fr

Ac=sección

plano de cizalladura sección=As

F1 (remoción de viruta)

γ

Fs ac

Fc corte

φ

Ft empuje Fr

β

HERRAMIENTA Fp (penetración) PIEZA

Fr

Ff (fricción)

Fp (penetración) F1 (remoción de viruta)

Módulo de corte= r = ac/ao

figura 1

Algunas relaciones geométricas de interés, a la vista de la figura anterior, son:

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a0 a = c = ls ; cos( Φ − γ ) sen Φ

Fs = Fc cosΦ − Ft senΦ ;

As =

Ac ; sen Φ

τs =

Fs ; As

Estudios experimentales han mostrado que cuando se disminuye el avance, la fuerza de penetración aumenta, y ello hace que la tensión "τ s " se incremente. 3.1.1. Modelo de corte ortogonal (Ernst y Merchant). Determinación de Φ, para minimizar el trabajo requerido para el corte. Se suponen condiciones ideales de equilibrio, y por lo tanto se puede considerar que Fp ≈ 0.

Fs = τ sAs =

τ sAc Fc = Fr cos( Φ + β − γ ) = cos( Φ + β − γ ) sen Φ cos( β − γ )

dFc π = 0 se obtiene 2Φ+ β − γ = que es la expresión requerida. De dΦ 2 todos modos, y debido a que la tensión tangencial en el plano de cizalladura no se puede considerar constante en modo estricto, se establece la siguiente relación líneal con la tensión normal al citado plano: τ s = τ so + kσs Despejando Fc y haciendo

σs = As Fr cos( Φ + β − γ ) ; τ s = σs cot ( Φ + β − γ ) Volviendo a efectuar los cálculos el nuevo resultado es: 2Φ+ β − γ = C = arc( cot k) Donde “k” es una función de las características del material que se este cortando.

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3.2. Fricción en las operacione s de mecanizado. El modelo de distribución de tensiones en la cara de fricción entre pieza y herramienta que se presenta a continuación, es debido a “Zorev”. En la figura pueden destacarse dos zonas; la de “adhesión” y la de “deslizamiento”, la primera se caracteriza porque existe un contacto total entre las caras de herramienta y pieza de manera que con independencia de las irregularidades superficiales de ambas, la superficie de contacto es total. No siendo así en la cara de “deslizamiento”, que se caracteriza por que la relación de tensiones tangencial y normal (µ) es constante.

Ff A r τ f µ= = Fn A rσn

x τ f (del metal más blando); σf = σfmax    lf 

y

X Fn

τf a w = sección de corte

σf

lf

ZONA DE DESLIZAMIENTO µ (constante) = τ/σ

lst ZONA DE ADHESIÓN Ff

(área de contacto aparente= área de contacto real) Aa = Ar

figura 2

Se trata ahora de caracterizar “β“ (ángulo de fricción) debido a que éste será el parámetro que nos sirva para evaluar la acción lubricante de los diferentes fluidos de corte empleados en las operaciones de mecanizado.

x σ a lf Fn = a w ∫ σfmax  dx = fmax w  lf  1+ y 0 lf

y

1+ y lf − lst   x y  µσfmax a w ( lf − lst ) Ff = a w τ st l st + ∫ µσfmax   dx  = a w τ stl st +  lf   lf y ( 1 + y)  0

 lf − lst  τ a ( lf − lst)  = τ st ; Ff = a wτ st l st + st w si se hace: µσfmax  entonces:  lf  1+ y

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tanβ =

Ff τ  lst  σ Fn = st 1 + y  ; haciendo: σf av = = fmax Fn σfmax  lf  aw lf 1 + y    lst   1 + y      lf   τ st  K  = arc. tan β = arc. tan 1+ y σfa v  σfa v   

con “K” (constante para un amplio rango de condiciones de corte no lubricado).

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3.3.- Temperaturas en el corte de metales. La temperatura alcanzada en las operaciones de mecanizado, tiene una influencia crítica en la vida útil de las herramientas, en la calidad de las superficies mecanizadas, y en las propiedades mecánicas del material resultante. Casi toda la energía mecánica consumida en los procesos de corte de metales, se convierte finalmente en energía térmica. Han sido muchos los métodos experimentales desarrollados con el fin de medir la distribución de temperaturas que tiene lugar en el conjunto herramienta - pieza - viruta: Uso de termopares empotrados, técnicas de radiación infrarroja, medición de las variaciones de microestructura y microdureza, uso de pinturas termosensibles, etc. Además se han contrastado con éxito resultados experimentales con otros teóricos obtenidos mediante técnicas de análisis por elementos finitos.

figura 3

3.3.1. Calor generado en las operaciones de mecanizado. Casi todos los modelos han sido establecidos bajo la hipótesis de corte ortogonal, aunque en la práctica es bien sabido que no todas las operaciones de mecanizado satisfacen tal condición (torneado oblicuo, barrenado, taladrado, fresado, rectificado, etc). Las principales fuentes de calor caracterizadas por medio de estudios teóricos y experimentales, son las siguientes: Trabajo de deformación plástica convertido en calor, y Trabajo de fricción. Otras fuentes de calor que tienen que ver con los defectos del afilado de las herramientas (entre otras causas) suelen despreciarse. En el corte ortogonal las fuentes de calor a considerar son las que aparecen en la figura.

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Calor en la zona de deformación secundaria

(Pf calor generado por unidad de tiempo)

Calor en la zona de deformación primaria (Ps calor generado por unidad de tiempo)

Calor por defecto de afilado

figura 4

3.3.1.1. Calor generado en la zona de deformación primaria. La zona de deformación primaria es la presentada en la figura a lo largo del plano de cizalladura. El calor aquí generado, es principalmente debido a la deformación plástica que tiene lugar. 3.3.1.2. Calor generado en la zona de deformación secundaria. En esta zona, paralela a la cara de la herramienta, el calor que se produce debido a la deformación plástica es ignorado en la mayor parte de los análisis teóricos; Boothroyd señaló que la distribución de calor varía de forma líneal a lo largo de la cara de contacto herramientaviruta, partiendo de un valor proporcional a la relación velocidad de la viruta / máximo espesor de ésta. La fuente de calor que si es tenida en cuenta a lo largo de esta zona, es la propiciada por la fricción entre material y herramienta. El valor de la energía por unidad de tiempo (potencia) que se genera por este concepto (Pf) viene dado por el producto de la fuerza de fricción (Ff) y la velocidad de la viruta (V0 ). Ésta última viene dada, en virtud de la ecuación de continuidad (conservación de caudal de material de pieza), por: V0 = V (velocidad de corte)·

ac ( prof . de corte) ao ( esp. de viruta )

3.3.1.3. Cálculo del calor generado en la zona de deformación primaria (Ps). P s = Pm - P f Siendo Pm La energía de mecanizado por unidad de tiempo; que viene dada por:

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P m = Fc · V 3.3.2. Transferencia de calor en un material en movimiento. Se considera el elemento ABCD de espesor unitario, a través del cual el material fluye en la dirección "x" con la velocidad "v" (respecto a la fuente de calor). En la siguiente figura se representan las coordenadas de las esquinas y su respectivas temperaturas:

B (x, y+δy) Y

C (x+δx, y+δy)

∂θ T= θ + δy ∂y

T= θ +

∂θ ∂θ δy + δx ∂y ∂x

δy δx D (x+δx, y)

A (x,y) T=θ

T= θ +

∂θ δx ∂x

X figura 5

El calor se transfiere a través de los límites AB y CD por conducción y por transporte de material, en tanto que a través de BC y AD sólo se transfiere por conducción. El flujo de calor a través de las diferentes superficies del cubo elemental es:

 1 ∂θ  ∂θ δy + ρcvθ + δy δy ∂x  2 ∂y   ∂θ ∂  ∂θ  1 ∂θ  CD → − k  θ + δxδy + ρcvθ + δx + δy δy ∂x  ∂x  2 ∂y   ∂x ∂θ AD → −k δx ∂y ∂  ∂θ  BC → −k θ + δy δx ∂y  ∂y  AB → −k

Siendo k = conductividad térmica (Potencia / (Long. · Temp.)); ρ = densidad; y c = calor específico (Energía / (Peso · Temp.)). Si la fuente de calor es de potencia constante y no hay calentamiento dentro del elemento, el flujo neto de calor hacia el interior del elemento es nulo.

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AB + AD = CD + BC →

∂2θ ∂2θ R ∂θ  ρcva c   = 0 R = 2 + 2 −  ∂y ∂x a c ∂x k 

Análisis teóricos (Weiner, Rapier) propiciaron la conclusión de que las condiciones de contorno idóneas para obtener la distribución de temperaturas en el proceso de corte de metales, son las presentadas en la siguiente figura. Se observa que en la zona de fricción, la fuente de calor resultante se extendería alguna distancia dentro de la viruta.

Superficies aisladas

Fuentes de Calor

CONDICIONES DE CONTORNO

figura 6

3.3.3. Esquema de la transferencia de calor en el proceso de corte de metales.

Γ

Calor hacia la pieza ∆ Temperatura =

PS

1-Γ Pf

Calor hacia la vituta

Calor Flujo masico • c. esp.

Calor hacia la viruta

3.3.4. Distribución de temperaturas en el corte de metales. La siguiente figura representa la distribución de temperaturas que tiene lugar en corte de acero, donde la velocidad de corte tiene una influencia determinante.

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figura 7

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3.4.- Desgaste de herramientas. 3.4.1. Mecanismos de desgaste de las herramientas. En el corte de metales, el desgaste de las herramientas puede ocurrir por tres formas: • adhesión: Uniones de materiales de la viruta y la herramienta, se producen debido a la fricción. Cuando éstas uniones se fracturan, los fragmentos del material de la herramienta pueden ser arrastrados por la viruta o la superficie resultante en la pieza. • abrasión: Partículas endurecidas en la viruta, remueven mecánicamente material en cara de la herramienta. • difusión: La difusión en estado sólido, ocurre cuando los átomos de una red cristalina metálica se desplazan de una región con concentración atómica alta a una de concentración baja. (La difusión aumenta exponencialmente con la temperatura). 3.4.2. Formas de desgaste. • Desgaste de cara: por acción de la viruta. • Desgaste en el flanco: rozamiento con la superficie generada en la pieza. 3.4.3. Criterios de duración de una herramienta. La duración de una herramienta, es el tiempo de corte requerido para alcanzar un “criterio de duración de herramienta”. Los criterios recomendados, se representan por formas estandarizadas de desgaste de flanco y cara; considerándose que la herramienta no puede seguir funcionando correctamente cuando alguna dimensión de la forma de desgaste (radio de cráter en la cara, o longitud de muescas en el flanco) ha alcanzado una magnitud prefijada (siempre que no se rompa antes). En la actualidad, y dentro de grandes células de fabricación automatizadas, es importante conocer este dato (que usualmente suministra el fabricante) relativo a la vida media de las plaquitas removibles (que son las usuales en instalaciones automatizadas) para una velocidad de corte dada; ya que de este modo se podrá, llegado el momento, sustituirlas de la manera más eficiente. Existen ángulos de inclinación, que para un avance dado, maximizan la duración de las herramientas. Las características mecánicas del material constitutivo de la herramienta, no han de ser iguales para herramientas de filo único que para una herramienta multifilo. Por lo general las herramientas de corte continuo (filo único) suelen ser más duras y más resistentes al desgaste, mientras que por el contrario las de filos múltiples suelen ser más resistentes al impacto.

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3.5.- Fluidos de corte y acabados superficiales. Los fluidos de corte son usados en el mecanizado de metales con el fin de refrigerar y lubricar, mejorando el proceso de corte en los siguientes aspectos: • Alargan la vida de las herramientas. • Reducen las deformaciones térmicas y la fricción en la pieza de trabajo. • Mejoran el acabado superficial. • Remueven viruta de la zona de corte. Los fluidos de corte existentes en la actualidad, pueden ser encuadrados en las siguientes categorías: • Aceites no emulsionables con base mineral o aceite de petróleo y que constituyen el mejor lubricante a la vez que el peor refrigerante. • Aceites solubles emulsionables en agua con base mineral (o vegetal, en menos casos) y aditivos estabilizantes. Están presentes en la disolución resultante con una concentración en el rango del 3 al 10%. Son baratos y proporcionan buenos resultados como refrigerantes y como lubricantes. • Los fluidos sintéticos, se conforman a base de compuestos alcalinos orgánicos e inorgánicos con aditivos inhibidores de la corrosión. Se usan diluidos (3 al 10%), y se constituyen como los mejores refrigerantes. • Los fluidos semisintéticos, que son mezcla de fluidos sintéticos y aceites solubles, poseen características comunes a ambos. 3.5.1. Aplicación de los fluidos de corte. • Sobre la pieza de trabajo. • Chorro directamente aplicado sobre la zona de corte. • Fluido de corte atomizado por chorro de aire y aplicado sobre la zona de corte. 3.5.2. Efectos sobre el mecanizado. Las funciones principales son: • Lubricación a bajas velocidades de corte. • Refrigeración con altas velocidades de corte. • Eliminación de viruta de la zona de corte. • Proteger de la corrosión a la superficie resultante. Los fluidos de corte han de ser objeto de un cuidadoso mantenimiento; ello conlleva el control de su "pH", de su contaminación por parte de aceites hidráulicos y partículas, y la prevención de crecimientos bacterianos indeseables. 3.5.3. Acción de los lubricantes. Una capa de lubricación funciona por la reducción del área de contacto metálico íntimo entre superficies. Algunos lubricantes poseen ingredientes reactivos que ofrecen una superficie de protección en el deslizamiento por la formación de una capa sólida lubricante (producto de una reacción química entre el lubricante y la superficie del metal) que es eficaz hasta superar su punto de fusión, punto en el que se alcanzan las condiciones de fricción deslizante seca. Es

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interesante comprobar la influencia que a bajas velocidades de corte presenta la existencia de esta capa sobre el ángulo de fricción "β", ya que éste se ve notablemente disminuido. El lubricante, en una primera etapa, penetra en la estructura deformada del metal en la zona primaria (siendo más eficaz para pequeños espesores de corte ac) y en una segunda llega a la interfase viruta-herramienta y reacciona con la capa de viruta recién formada que se encuentra libre de óxido (no expuesta aún a la acción atmosférica) 3.6.- Control de la viruta. A baja velocidad de corte, las virutas tienden a ser frágiles y se fragmentan sin causar mayores problemas. Al aumentar las velocidades, hecho debido fundamentalmente a la aparición de nuevos materiales en la fabricación de herramientas, se hace necesario controlar la viruta. En el torneado (remoción continua de material) la viruta puede enredarse con la herramienta, la pieza, o los mecanismos de la máquina; resultando peligrosa si no se controla de forma adecuada. 3.6.1. Rompevirutas. El control y la fragmentación de las virutas se logra por medio de rompevirutas, que consiste en una modificación de la cara de la herramienta en forma de ranura o de obstrucción. De todos modos, el uso de rompevirutas puede llegar a reducir la vida de la herramienta, ya que la acción de fragmentación de la viruta puede volverse ineficiente antes de que la herramienta se halla desgastado de forma notoria.

Cara de herramienta

Rompevirutas de ranura

Rompevirutas de obstucción figura 8

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3.7.- Vibraciones en las máquinas herramienta. Las vibraciones durante las operaciones de mecanizado son totalmente nocivas ya que degradan la calidad de las piezas resultantes, al margen de acortar la vida de las herramientas y producir ruido. La siguiente figura representa un sistema dinámico con un grado de libertad (masa, muelle y amortiguador viscoso): Perturbación

Masa

Muelle

Amortiguador viscoso

figura 9

Cuando se produce una perturbación en forma de impulso unitario (δ(t)), y en ausencia del efecto de amortiguación viscosa, se obtiene una respuesta como la de la siguiente figura: respuesta no amortiguada

condiciones iniciales

Desplazamiento x(t) Amplitud

x0 t (seg.)

velocidad máxima

figura 10

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Evidentemente el caso anterior está idealizado, dado que todo sistema disipa energía. La presencia de un elemento disipador de energía, hace que la respuesta adopte la forma de la siguiente figura: ••

•

m x + c x + kx = 0 •

x(t)

x ( 0) = x 0 ; x (0) = v0

t (seg)

y

figura 11

“ξ“ representa el factor de amortiguamiento, cuando el sistema está forzado a oscilar por medio de una fuerza exterior, la respuesta del sistema es tanto más acentuada cuanto más cercana sea la frecuencia de esta fuerza externa a la natural del sistema. El factor de amortiguación tiene entonces una influencia decisiva tal y como puede verse en la figura siguiente; donde “A0 k/F 0 ” representa el factor de amplificación; y “r” la relación entre la frecuencia de excitación y la natural del sistema.

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figura 12

3.7.1. Aislamiento a las vibraciones. La figura siguiente, muestra las dos variantes que presenta el problema del aislamiento de una máquina herramienta en su ubicación de trabajo. Será de mayor interés la primera (en el caso del mecanizado) ya que de lo que se trata es de proteger a la máquina de las posibles solicitaciones externas que puedan afectar a la calidad de la operación de mecanizado.

figura 13

El elemento a proteger, puede ser conectado a otra masa que actúe como elemento de absorción de vibraciones. Ello implica la conversión en un sistema con dos grados de libertad, y la sintonización correcta de los valores de “mα“, “kα“, y “cα“ (ver figura de abajo) con el fin de minimizar el movimiento de la masa “m”. 86

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figura 14

3.7.2. Amortiguamiento “Damping” en las máquinas herramienta. El “Damping” de un material o sistema, viene caracterizado por su capacidad para la absorción de energía cuando es sometido a solicitaciones periódicas. Esta capacidad de disipación puede ser debida a elementos externos (actuadores controlados), o bien a la propia estructura, los aislantes, las uniones estructurales o a los propios elementos internos. La medida del “damping” puede efectuarse, en el dominio temporal, calculando el logaritmo natural de la relación de dos picos sucesivos de la curva que representa la respuesta del sistema amortiguado, excitado mediante impulso unitario. El “damping”, puede ser evaluado en el dominio de la frecuencia, midiendo el ancho de banda “∆ω“ que para cada valor del amortiguamiento se representa en la siguiente figura (respuesta en frecuencia con excitación “F”), y dividiéndolo por el valor de la frecuencia propia del sistema “ωn ”.

POTENCIA MEDIA

figura 15

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El “Damping” en las máquinas herramienta, viene dado por el material constructivo de las mismas, y por la naturaleza de las uniones. El material representa aproximadamente el 10% del total (≈ 0,003); las uniones, que pueden ser, atornilladas y deslizantes, representan el 90% de la capacidad disipativa del sistema. Las uniones deslizantes son las que en mayor medida contribuyen al “damping”, en tanto que las uniones soldadas son las que menor capacidad de disipación tienen. La presencia de vibraciones, durante el mecanizado, se traduce en una oscilación relativa de la herramienta respecto de la pieza. Ello supone la aparición de una fuerza “F” perpendicular a la dirección media de corte. El análisis de esta situación, conlleva el replanteo de fuerzas en el esquema de corte (caso ortogonal, visto anteriormente), mediante cálculo de las nuevas expresiones de “F f”, “Fn ”, Fs”, “Fc” y “Ft ”; teniendo en cuenta que ahora el espesor “a c” es variable. La variación de “ac”, viene dada por: ••

•

M x + C x + Kx = F Siendo “x” el desplazamiento de la herramienta normal a la dirección media de corte medida en el punto de equilibrio.

herramienta ac

F figura 16

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CAPÍTULO 4º “CONFORMADO DE METALES POR FUNDICIÓN” 4.1. Generalidades. 4.1.1 Introducción. Los metales pueden ser fundidos mediante calentamiento a la temperatura adecuada, y tratados con el fin de modificar su composición química y por consiguiente su comportamiento. El material fundido, generalmente de tipo metálico, es colado (o vertido) en el interior de una cavidad o molde que lo contiene en la forma requerida durante el proceso de solidificación, pudiéndose obtener formas más o menos complejas (en función de los requisitos de diseño). Son materiales aptos para tal fin los que poseen una colabilidad adecuada; dependiendo ésta de: 1. La temperaturas de colada. 2. La temperatura de fusión del metal empleado en la fabricación de las piezas. 3. La temperatura del molde. 4. La densidad, el calor específico, etc... Posteriormente a la solidificación la pieza resultante puede adecuarse a los requisitos más convenientes en lo relativo a su comportamiento mecánico (tratamientos térmicos), y a sus tolerancias de fabricación definitivas y apariencia física mediante acabados químicos o mecánicos. Los tamaños y pesos de las piezas resultantes mediante fundición pueden llegar a ser del orden de varios metros y toneladas (bancadas de grandes motores marinos), aspecto éste que condicionará el método de fundición a emplear en cada caso. La complejidad geométrica de las piezas (existencia de cavidades o partes conteniendo formas irregulares), también condicionará el sistema de producción de las mismas, pero siempre podrán ser conseguidas formas de una complejidad tal que su mecanizado no sea posible bien por su geometría o por carencia de maquinabilidad del material utilizado. Es difícil diseñar formas que no puedan fabricarse por fundición bajo las técnicas conocidas actualmente, no obstante los requisitos del diseñador no deben ir más allá de aquellos que puedan obtenerse con la economía adecuada al tipo de producto que se desee fabricar. Los procesos de fabricación de piezas fundidas, difieren básicamente en el tipo de material con el que se fabrican los moldes (arena, metal, etc..) y en el procedimiento de realización de la colada (por gravedad, al vacío, baja o alta presión, etc..). No obstante, todos están orientados a la prevención de defectos potenciales que puedan aparecer durante la solidificación del metal (oquedades debidas a mermas del material, porosidad, inclusión de impurezas, etc..). 4.1.2. Factores que influyen decisivamente en el proceso de fundición. 4.1.2.1. Molde. Los elementos que caracterizan al molde son los siguientes: 1. Forma adecuada para impedir contracciones del metal durante la solidificación. 2. La refractariedad (resistencia al calor) para no verse afectado por las temperaturas que alcanza el metal fundido. 3. Su posible reusabilidad; los moldes que son generalmente utilizados se pueden clasificar bien en la categoría de moldes permanentes (reutilizables) o bien en la de moldes perdidos

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(deshechables). La elección de uno u otro tipo de molde es en base a consideraciones relacionadas con el tipo de piezas a fabricar (precisión, número, geometría, material, etc) 4.1.2.2. Fusión del metal. La fusión, tiene como escenarios posibles el Cubilote, el horno de crisol y el horno eléctrico. A elegir en función de la temperatura de fusión, la cantidad de material, y la calidad requerida al metal fundido. 4.1.2.3. Técnicas empleadas para realizar la colada del metal. Los problemas más importantes que afectan a la calidad de las piezas, debido a defectos en el proceso de la colada, son los siguientes: 1. La deficiente evacuación de los gases 2. La no adecuada velocidad de realización de la colada. 3. La temperatura no adecuada al tipo de metal. A mayor temperatura de colada mayor fluidez del metal líquido; sin embargo una temperatura excesiva, acelera las reacciones entre metal y molde (en el caso de que éste último sea de arena se puede propiciar la inserción de partículas en la pieza de fundición). 4.1.2.4. Proceso de solidificación. Después de la introducción del metal fundido en el molde, una serie de acontecimientos tienen lugar durante la solidificación del material y su enfriado hasta la temperatura ambiente. Éstos influyen de manera decisiva en el tamaño y uniformidad de la estructura interna del material resultante, y a su vez determinan el comportamiento mecánico de las piezas. Los factores que en mayor medida condicionan el desarrollo del proceso de solidificación son: 1. El metal utilizado. 2. Las propiedades térmicas del conjunto metal colado molde. 3. Las relaciones geométricas entre la superficie de la pieza a fundir y su volumen. 4. La forma y constitución del molde. Cuando la temperatura de un metal fundido se reduce hasta alcanzar su punto de solidificación, aquella permanece constante mientras el calor latente de fusión es disipado. El frente de solidificación (interfase sólido-líquido) avanza hacia el metal fundido, solidificándose desde los límites del molde hacia el interior de la pieza. Una vez que la solidificación ha alcanzado a la totalidad de la pieza, el enfriamiento se reanuda. El metal solidificado, es entonces extraído del molde y comienza un posterior enfriamiento hasta la temperatura ambiente. La estructura del grano de metal puro fundido en un molde cuadrado se muestra en la siguiente figura. En las paredes del molde el metal se enfría rápidamente, puesto que aquellas están en la temperatura ambiente, este enfriamiento produce un caparazón solidificado de granos finos y equiaxiales. Los granos crecen en la dirección opuesta a la de transmisión térmica, aquellos que tengan orientación favorable crecerán preferencialmente. El gradiente térmico se reduce lejos de las paredes del molde, y los granos tienden a ser más gruesos; durante el crecimiento de los granos, la diversidad de orientaciones produce bloqueos que determinan el tamaño de grano final. Tal desarrollo del grano se conoce como nucleación homogénea (los cristales crecen sobre sí mismos, comenzando en las proximidades de la pared del molde).

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figura 1

Las contracciones del metal durante el enfriamiento (durante la fase de solidificación y la de enfriamiento de la pieza) pueden ocasionar cambios dimensionales y a veces grietas 4.1.2.5 Retirada del molde. Debe de ser estudiada minuciosamente sobre todo en aquellos casos en los que el molde se vuelve a utilizar. 4.1.2.6 Limpiado, acabado e inspección. Después de retirar la pieza fundida del molde, es necesario llevar a cabo una serie de operaciones de acabado entre las que se incluyen: 1. La limpieza (eliminación de excesos de material en los bordes del molde, y otros materiales extraños). 2. Los tratamientos de alivio de tensiones. 3. Las inspecciones del tipo requerido (rediografiado, etc). 4.2. Procedimientos para la obtención de piezas fundidas. 4.2.1. Introducción. Los procesos para la obtención de piezas fundidas se clasifican generalmente de acuerdo a: 1. Tipo de material con el que se fabrica el molde. 2. Los métodos de moldeado. 3. Los métodos con los que el metal fundido es introducido en el molde. Tal y como se ha indicado, existen moldes que no pueden volver a ser utilizados una vez obtenida la pieza fundida (tal es el caso del uso de arena o materiales cerámicos); y otros que sí pueden ser recuperados para fabricar nuevas piezas (caso del molde metálico). A continuación se van a describir los métodos más empleados, comenzando por la fundición en arena, en cuyo desarrollo se incluirá un pequeño glosario de términos que son en su mayoría aplicables a la generalidad de los métodos de fundición. 4.2.2. Moldeo en Arena. 4.2.2.1. Obtención del molde.

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Consiste en comprimir la arena con un modelo de la pieza que se desee fundir, obteniéndose así una cavidad apta para albergar el metal fundido y servir de alojamiento del mismo hasta su solidificación. Aunque el origen de la fundición en arena es muy antiguo, es uno de los métodos más extensamente utilizados. Elementos típicos cuyo conformado final es aproximado por este método son: bastidores de máquinas herramienta, bancadas de motores, y carcasas de bombas de todo tipo. 4.2.2.2. Tierras de moldeo. La arena generalmente utilizada es sílice cristalizada o cuarzo, producto de la disgregación de rocas en extensos periodos de tiempo. Es un material barato y que resulta muy adecuado debido a su resistencia a las altas temperaturas. Existen arenas naturales y sintéticas, estas últimas debido a que su composición puede ser controlada más cuidadosamente, es preferida en algunos casos. Varios factores son importantes en la selección de la arena para moldes: 1. La permeabilidad; que permitirá que los gases y vapores producidos durante el proceso de fundición tengan salida, pues de lo contrario podrían producirse cavidades interiores que resultarían inadmisibles. La permeabilidad será tanto mayor cuanto más se aproxime la forma de los granos a la esférica y su tamaño sea lo más homogéneo posible (relación entre espacios vacíos y llenos no debe ser menor de un tercio), en general aquello que favorece la cohesión no favorece la permeabilidad. 2. La cohesión, de modo que conserve su forma aún sometido a las acciones dinámica y estática del metal líquido, y la suficiente plasticidad como para adaptarse a los detalles del modelo con la suficiente precisión. La cohesión y plasticidad dependen del contenido en arcilla, de la humedad y de la forma y tamaño de los granos de cuarzo. 3. Refractariedad para resistir sin fundirse ni reblandecerse las altas temperaturas del metal líquido, las impurezas (óxido de hierro, carbonato de calcio, mica) se combinan con el cuarzo y la arcilla formando silicatos fusibles que hacen a la tierra de moldeo menos refractaria. La solución consiste en añadir carbón en polvo en la zona de contacto del metal fundido con el molde (también si esto resulta insuficiente se puede emplear polvo de carbón vegetal o de grafito). Las tierras sintéticas se preparan moliendo en seco arena cuarcífera con arcillas coloidales (absorben gran cantidad de agua, y se hinchan formando una masa de gran poder aglomerante). Las tierras de moldeo van perdiendo sus propiedades a medida que son usadas, una buena tierra puede valer para cuatro o cinco moldeos, para renovarlas es necesario eliminar las partículas metálicas y cribar los granos de cuarzo (eliminación de los fragmentados). Las tierras ya sean nuevas o viejas en proceso de saneado, deben de ser convenientemente preparadas mediante las operaciones de molienda, cribado y desintegración. En ocasiones los moldes no se someten a un proceso de secado (Moldeo en verde) previo a su utilización, motivo por el cual el procedimiento es más rápido y económico. La tierra para este tipo de moldeo debe de contener alrededor del 8% de agua. El método presenta algunos inconvenientes, como por ejemplo la falta de permeabilidad. El grano debe ser más fino, y por el hecho de que haya más agua habrá menos arcilla (<12%) en favor de la permeabilidad. La superficie externa es siempre muy dura y el vapor desprendido durante la colada origina algunos defectos en la pieza resultante, motivo por el cual se emplea en ocasiones en que la pieza final no debe mecanizarse o sea de poca responsabilidad (resistencia mecánica).

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4.2.2.3. El modelo. El modelo es utilizado para prensar la tierra de moldeo en su correspondiente contenedor. Su complejidad y número de elementos, depende de la complejidad de la pieza a fabricar. Es muy importante prever la forma en que el modelo será extraído una vez compactada la tierra de moldeo, para no perjudicar la cavidad conformada. Para ello aparte de utilizar lubricantes y barnices (en caso de modelos de madera) apropiados, deben de ser redondeadas convenientemente las aristas. Para facilitar la extracción, algunas partes del modelo se construyen con una ligera inclinación, que recibe el nombre de ángulo de salida o despulla. Para tener en cuenta los fenómenos de contracción que se producen durante la solidificación, deben incorporarse al modelo las tolerancias adecuadas. Otro sistema más novedoso, y que será detallado más adelante, de confección de modelos es el uso de “poliestireno expandido” que se vaporiza al introducir el metal fundido “full mould process”. 4.2.2.4. Glosario gráfico de términos. El proceso comienza por la construcción de un modelo, un duplicado de la pieza final mediante el método más adecuado en cada caso. La tierra de moldeo es entonces compactada alrededor del modelo, y éste es entonces extraído con el fin de producir la cavidad en la que se ha de colar el metal. En referencia a la figura que se reproduce en este apartado, se incluye a continuación un glosario de términos útiles no solo para la comprensión del procedimiento de moldeo en arena. 1. La caja, formada por un bastidor de fundición o de madera, es el recipiente que contiene el material moldeable, y usualmente está dividido en dos mitades; la superior y la inferior. 2. Se denomina “noyo” a un positivo, construido de material de moldeo, con el ánimo de conformar cavidades, huecos o bien conductos internos de refrigeración. Los noyos cuentan con los apéndices adecuados para su fijación en el interior del molde. 3. El material de moldeo y los noyos que se consideren necesarios, forman la cavidad final o negativo donde el metal fundido será depositado y solidificado con el fin de producir la pieza deseada. 4. Es conveniente en determinadas ocasiones, construir un pequeño depósito que se llene con una reserva de metal fundido que pueda fluir dentro de la cavidad que constituye el molde para compensar las contracciones que tienen lugar durante la solidificación. 5. Existe así mismo una red de canales que llevan al metal fundido hasta la cavidad final. El pozo de colada, es la parte que inicialmente recibe el metal fundido y controla su reparto al resto del molde. 6. El molde puede así mismo ser dotado de los correspondientes respiraderos con el fin de que se evacuen los gases que se producen durante la colada.

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figura 2

El molde utilizado para preparar los noyos (ver figura), se denomina caja de machos o caja de noyos. Los noyos deben responder a las siguientes exigencias: 1. Muy permeables. 2. Muy refractarios. 3. Muy buena resistencia a la deformación. 4. Flexibilidad durante la contracción del metal. 5. Facilidad de extracción tras la solidificación. En su preparación se emplea tierra magra (con <8% de arcilla), arena silicea con granos de tamaño uniforme y sílice calcinada triturada y cribada; todo ello con el conglomerante adecuado (con base de aceite mineral, vegetal o animal; o con base de harina, resina o melaza). De todos modos cualquiera que sea el material empleado, los noyos deben siempre de secarse.

figura 3

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4.2.2.5. Esquema general del moldeo en arena. Descripción del proceso

Metales Rango de tamaños de las piezas Tolerancias

Acabado superficial Ángulos de despulla Espesores mínimos más comunes Cantidades de serie

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La arena convenientemente acondicionada, es prensada mediante modelo metálico o de madera, y así son obtenidas las dos mitades del molde. Que montadas con o sin noyos (de material diverso), hace que el metal pueda ser colado en las cavidades resultantes. Los moldes han de romperse con el fin de extraer las piezas. Pueden usarse aditivos específicos con el fin de mejorar la calidad superficial. Metales más comúnmente aptos para fundición. Depende de las capacidades del fabricante. Desde kilos hasta varias toneladas. No Férricos ± 0.7 hasta 150 mm. Agregar ± 0.1 para cada 25 mm adicionales. Férricos: ± 0.7 hasta 75 mm, ± 1 desde 75 hasta 150 mm. A lo largo de la línea de unión de las partes del molde, sumar de ± 0.5 a ± 2 dependiendo del tamaño (Se asume modelo metálico para realizar el prensado de la arena) No Férricos: Ra de 4 a 9, Férricos: Ra de 8 a 25. 1° a 5°; Noyos: 1° a 1y1/2° No Férricos: de 3 a 6 (tolerancias aproximadas a partir de ± 0.5); Férricos: de 6 a 18 (tolerancias aproximadas a partir de ± 0.7). Todas las cantidades

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4.2.2.6. Variantes al procedimiento: moldeo en are na bajo vacío (“V-Process”). El modelo con el que se prensa la arena es cubierto de modo muy ajustado por un “film” plástico. Una caja para contención de arena se sitúa sobre el molde cubierto y se llena de arena. Un segundo “film” plástico, se sitúa sobre la arena, y la acción posterior del vacío la endurece hasta tal punto, que la arena recubierta enteramente por el film plástico reproduce fielmente la figura del modelo inicial por una de sus caras. Para reproducir la otra cara del modelo se actúa de la misma manera. Ambas partes del molde así obtenido son ensambladas. Durante la colada, el molde permanece bajo la acción del vacío, aunque no la cavidad ocupada por el metal líquido. Cuando el metal ha solidificado cesa la acción del vacío y cae la arena permitiendo la fácil extracción de la pieza fundida. Éstas son de gran calidad, aunque el procedimiento resulta algo caro. Es aconsejable para series largas de piezas relativamente planas. 4.2.2.6.1. Esquema general. Descripción Metales Rango de tamaños de las piezas Tolerancias

Compactación al vacío de la arena. Metales más comúnmente aptos para fundición. Depende de las capacidades del fabricante. Todos los tamaños. En cada una de las caras de la pieza ± 0.15 hasta 50 mm. Por encima sumar ± 0.05 cada 25 mm. A lo largo de la línea de separación de las dos partes del molde sumar a los valores anteriores aproximadamente ± 0.2 ó ± 0.3.

Acabado superficial Ángulos de despulla Espesores mínimos más comunes Cantidades de serie

Ra = 3 a 5. 0° a 1° en la parte superior No Férrico: de 1.5. a 2; Férrico: de 2 a 3 Normalmente de 50 a 250 piezas

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4.2.3. Moldeo en coquilla. Las piezas, son conseguidas mediante moldes metálicos o coquillas. Éstos pueden ser usados repetidamente, y deben diseñarse con el fin de facilitar lo máximo posible la extracción de la pieza. Los moldes, que se componen normalmente de dos mitades (unidas por medios mecánicos) más las piezas auxiliares, están fabricados con metales como, acero, bronce, aleaciones metálicas refractarias, o grafito (molde semi-permanente). La cavidad principal del molde y el sistema de conductos, se consigue mediante mecanizado y constituyen una parte integral de ellos. Para fabricar elementos con cavidades internas, los noyos pueden obtenerse partiendo de metal o agregados arenosos puestos en la cavidad principal previamente a la colada. Materiales típicamente utilizados en la fabricación de los noyos son la fundición gris y aceros de bajo contenido en carbono. La fundición gris no es un material utilizado para noyos sobre todo en moldes para piezas importantes de aleaciones de aluminio y magnesio. Con el fin de posibilitar la extracción de las piezas se utilizan en algunas partes del molde "eyectores mecánicos" a modo de clavijas (en ocasiones originan pequeñas marcas en las piezas, que en caso de resultar necesario sería conveniente eliminar). Los metales de que está constituido el molde deben mantener su resistencia a altas temperaturas. Dado que estos moldes son mejores conductores que los moldes deshechables, el proceso de solidificación está sujeto a mayores velocidades de enfriamiento, que afectan a la microestructura de la pieza resultante y al tamaño del grano. Con el fin de aumentar la vida útil de los moldes, la superficie de la cavidad principal se rocía con grafito o un emplaste refractario cada pocas piezas fabricadas. Estos recubrimientos actúan como barreras térmicas controlando así mismo la velocidad de enfriamiento. Las partes que componen el molde son precalentadas para facilitar el flujo de metal y reducir los daños térmicos (tratamientos no deseados) que podrían ocasionarse en determinadas zonas. Los moldes pueden ser refrigerados mediante agua o aire. Este procedimiento de fundición se utiliza para fabricar piezas de aleaciones de aluminio y de magnesio, así como aleaciones de cobre. Los aceros pueden ser fundidos en moldes de materiales de alta resistencia al calor. Las superficies obtenidas, son de buen acabado, estrechas tolerancias y propiedades mecánicas uniformes, pudiendo obtenerse “ratios” de producción elevados. Elementos fabricados de este modo son; pistones, cabezas de cilindros, accesorios para sistemas de engranajes etc. Los moldes permanentes no resultan adecuados para series de piezas pequeñas, además debido a la dificultad de extracción, no se pueden ejecutar formas excesivamente complicadas, aunque esta dificultad puede paliarse en alguna medida mediante el uso de noyos deshechables. 4.2.3.1. Esquema general. Descripción

Metales Rango de tamaños de las piezas

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El metal fundido es colado por gravedad en moldes de “fundición” o aceros especiales con buena resistencia mecánica incluso en caliente. Para facilitar el desmoldeo, y evitar un enfriamiento brusco de la pieza, se le da al molde una mano interior con una mezcla a base de grafito. Los noyos pueden ser metálicos, de arena, obtenidos en cáscara u otro modo. La presión de colada no es muy alta. Aluminio, Zinc, Aleaciones de cobre, Plomo, y fundición de hierro. La limitación viene fijada por las instalaciones del fundidor. Las piezas de aleaciones a base de aluminio y cobre, tienen un rango de pesos que van desde las de algunos gramos hasta las del orden de las decenas de kilogramos (70-80 Kg). En las aleaciones ferrosas el límite aproximado es

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Tolerancias

Acabado superficial Ángulos de despulla Espesores mínimos más comunes Cantidades de serie

del orden de los 45 Kg. Aluminio: ± 0.3 . A lo largo de la línea de separación de ambas partes del molde, es preciso añadir de ± 0.2 a ± 0.7 dependiendo del tamaño. En aleaciones de cobre Base: ± 0.7. Aluminio: Ra = 3 - 6. Aleaciones de cobre: Ra = 2 - 5. Férricas: Ra = 5 - 8. No Férrica: Exterior: 2° Min (3° deseable) Interior: 2° Min (4° deseable) Férricas: Exterior: 1° Interior: 5° Aluminio: 2.5. Para áreas pequeñas: por encima de 4 o más para áreas mayores. Aleaciones a base de cobre: 1.5. Férrico: 4.5. Para áreas pequeñas 6 mm. 100 -1,000 dependiendo del tamaño.

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4.2.4. Molde cerámico. El molde se conforma mediante materiales altamente refractarios aptos para resistir elevadas temperaturas. El emplaste utilizado es una mezcla de granos finos de circonio, óxido de aluminio y sílice, mezclados con agentes compactantes. La citada mezcla es vertida sobre el modelo (metálico o de madera) que previamente ha sido introducido en un contenedor. Una vez conformado el molde (cerámico), éste es extraído, secado, y eliminadas las materias volátiles mediante calentamiento. Posteriormente se unen firmemente las partes del molde, quedando preparadas para recibir el metal fundido. La resistencia a la alta temperatura de estos moldes cerámicos los hace adecuados para albergar materiales férricos y otras aleaciones de alta temperatura de fusión, acero inoxidable, y acero de herramientas. La calidad superficial de las piezas obtenidas es buena en un amplio rango de tamaños y geometrías, pero resulta un procedimiento caro. Es empleado para fabricar moldes para inyección de plásticos y fundición. 4.2.4.1. Esquema general. Descripción

Metales Tolerancias

Acabado superficial Ángulo de despulla mínimo requerido Espesores mínimos Cantidades de serie

100

Un emplaste cerámico es vertido sobre un modelo, una vez ha reposado se extrae el molde cerámico y se hornea a 600ºC, con el fin de endurecerlo y estabilizarlo. Todas las partes que compongan el molde de la pieza son ensambladas con o sin noyos y el metal es entoces vertido en la cavidad resultante. Una vez solidificado el metal, se rompe el molde y se extaen las piezas. Los comúnmente utilizados en fundición. Rango de pesos: 2 Kg hasta 200 Kg. Fuera de la línea de unión de las partes del molde ± 0.15 hasta 50 mm. Por encima añadir ± 0.1 cada 25 mm. A lo largo de la línea de unión: añadir ± 0.2 (Se asume que el molde de la pieza final ha sido fabricado con epoxy o metal) Ra = 2 - 5. 0° a 1/2° 3 mm Bajas a medias. A menudo es utilizado para la fabricación de utillaje para otros sistemas de moldeo, o inyección de plásticos, y componentes de maquinaria.

NOTAS DE TECNOLOGÍA MECÁNICA

4.2.5. Microfusión. Es un proceso de fundición muy antiguo. Se le llama también “fundición al modelo perdido”. El modelo es construido de cera o plástico como poliestireno y se obtiene inyectando cera líquida, semisólida o plástico en un molde de metal previamente fabricado con la forma de la pieza a conseguir (usualmente obtenido mediante mecanizado). El modelo, es sumergido en un emplaste de material refractario (sílice fina aglomerada con silicato de etilo, o mezcla de magnesia con un aglomerante adecuado). Después este revestimiento es secado y repetidamente revestido para aumentar su resistencia y espesor. Los modelos obtenidos en cera requieren un muy cuidadoso manipulado porque no son lo suficientemente resistentes como para soportar las solicitaciones mecánicas y térmicas excesivamente bruscas. Los moldes son secados al aire y calentados a temperaturas de 90 a 175 grados celsius por un tiempo aproximado de 4 horas, dependiendo del metal a fundir, con el fin de eliminar el agua de cristalización. Una vez que la cera ha abandonado el molde y después de colar el metal a una temperatura ligeramente por encima de la de fusión, éste se solidifica (rápidamente, consiguiendo una estructura superficial muy fina), se enfría, y puede entonces ser extraído del molde rompiendo éste. En ocasiones y dependiendo del tamaño de las piezas y de las posibilidades de la instalación, se pueden agrupar modelos de cera formando racimos antes de proceder al revestimiento, optimizando de este modo la productividad. No obstante lo cual, el trabajo a realizar y los materiales utilizados hacen de la fundición a la cera perdida un procedimiento caro. Es apto para fabricar piezas de aleaciones con alto punto de fusión, consiguiéndose excelentes acabados superficiales y tolerancias muy ajustadas. Así mismo resulta un procedimiento muy adecuado para producir piezas con geometrías de elevada complicación (entre algunos gramos y 100 Kg de peso), para una amplia variedad de materiales y aleaciones férricas y no férricas.

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NOTAS DE TECNOLOGÍA MECÁNICA

PROCESODE FUNDICIÓN A LA CERA PERDIDA

figura 4

4.2.5.1. Esquema general. Descripción.

Metales Rango de tamaños Tolerancias

Acabado superficial. Ángulo de despulla requerido Espesores de sección, mínimos. Cantidades de serie

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Mediante una coquilla metálica, se fabrica una réplica de la pieza a construir en cera o plástico. Pieza que posteriormente es revestida de material refractario, y cuando este ha sido convenientemente cocido, se vierte el metal fundido en la cavidad resultante. Los moldes han de ser rotos para extraer las piezas. Los más comúnmente fundibles. Desde fracciones de Kilogramo hasta aproximadamente 75 Kg. ± 0.07 hasta 12 mm ± 0.1 hasta 25 mm ± 0.15 por cada 25 mm hasta 100 mm ± 0.07 por cada 25 mm adicionales. Ra = 1,0 - 3,0 Ninguno 0.7 (Áreas pequeñas) 1.5 (Áreas más grandes) Aluminio: por debajo de 1000 habitualmente. Para otros metales todo tipo de cantidades.

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4.2.6. Moldeo en cáscara. Se parte de un modelo que normalmente consta de dos mitades y que están construidas de aluminio o algún metal férrico. Se calientan a 175-370 grados celsius y posteriormente se revisten de silicona. Por último son fijados en sendas cajas o cámaras que contienen arena fina con un porcentaje adecuado de aglomerante de resina termoendurecible (p.e. fenolformaldehido). Ésta mezcla es depositada uniformemente sobre cada una de las mitades del molde precalentadas por separado. En un horno se procede al curado de la resina, normalmente por un corto periodo de tiempo. El caparazón endurecido que se forma alrededor de cada parte del modelo es extraído cuidadosamente, eventualmente con la ayuda de algún dispositivo mecánico (según la sofisticación de diseño del modelo). Entonces las dos mitades del molde obtenidas se pegan o embridan juntas para preparar la colada. Los caparazones suelen ser ligeros y finos, normalmente de 5 a 10 mm, y permiten a los gases escapar durante la solidificación del metal. El molde es posicionado verticalmente en el interior de una caja que se rellena con tierra de fundición. Las superficies obtenidas son de gran calidad y sus aplicaciones incluyen pequeños elementos mecánicos con importantes precisiones. Son elementos típicos obtenidos mediante este procedimiento: carcasas para engranajes, cabezas de cilindros, moldes de precisión para fabricar noyos para, por ejemplo, bloques de camisas de cilindros refrigerados por agua, etc.

PROCESODE FUNDICIÓN EN CÁSCARA

figura 5

4.2.6.1. Esquema general. Descripción

Metales Rango de tamaños. Tolerancias

Acabado superficial Ángulo de despulla

Arena de cuarzo de granulometría adecuada, se mezcla con una resina sintética de tipo termoendurecible y se vierte sobre los modelos (en dos mitades usualmente) de las piezas a fabricar, sobre los que esta mezcla cura. Los moldes son entonces ensamblados con o sin noyos; y el metal fundido se introduce en la cavidad resultante. Los moldes es preciso romperlos para retirar las piezas. Los más comúnmente fundibles. Depende de las instalaciones de la fundición. No Férrico: ± 0.2 por cada 25 milímetros de cota. Férricos: ± 0.25 por cada 25 mm añadiéndose ± 0.15 a ± 0.25 en la línea de unión de las partes del molde. No Férrico: Ra = 3 - 5, Férrico: Ra = 5 - 8 Exterior: 1/2° a 1° 103

NOTAS DE TECNOLOGÍA MECÁNICA mínimo requerido Espesor mínimo Cantidades:

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Interior: 1/2° a 2° No Férrico: 2 mm Férrico: 3 mm No Férrico: habitualmente 100 y más. Férrico: 1000 y más.

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4.2.7. Colada a presión. Este procedimiento data de principios del siglo XX, el metal fundido es forzado a introducirse en el molde mediante presiones en el rango de 0.7 a 700 Mpa. Elementos fabricados por este método son las carcasas de las transmisiones, los cuerpos de válvulas, carburadores, motores etc. El rango de pesos de las piezas va desde el orden de algunas decenas de gramos hasta los 25 Kg. El molde de acero capaz de producir cientos de piezas en rápida sucesión debe constar como mínimo de dos secciones con el fin de permitir de manera cómoda la extracción de las piezas acabadas. Estas partes son firmemente montadas en la correspondiente máquina de modo que una permanece estacionaria mientras que la otra es móvil. El metal líquido es inyectado en la cavidad resultante donde solidifica rápidamente. Los moldes pueden llegar a ser muy complejos, incluyendo varias partes desmontables y noyos. Este procedimiento es el más rápido conocido para producir piezas de metales no férricos. 4.2.7.1. Tipos de máquinas para inyección a presión. Es imprescindible el diseño de un acoplamiento entre las partes del molde lo más seguro posible durante el ciclo de trabajo. Muchas máquinas emplean mecanismos articulados actuados hidráulicamente para este fin. Con independencia del tamaño de las piezas, las variantes de este procedimiento se clasifican en función del tipo de máquina en que se realizan. Teniéndose la posibilidad de hacerlo en máquinas de cámara caliente, y máquinas de cámara fría. 4.2.7.1.1. Procesos de cámara caliente. En las máquinas de cámara caliente se utiliza un pistón para impulsar cierto volumen de metal fundido en el interior de la cavidad del molde a través de un tubo de inyección. El metal es mantenido bajo presión hasta el momento de la solidificación en el interior del molde. Para alargar la vida de los moldes, ayudar al enfriamiento del metal y reducir tiempos de fabricación; los moldes son normalmente refrigerados con agua o aceite por medio de conductos internos. Aleaciones de bajo punto de fusión, son adecuadas para fundir por este método: cinc, estaño y plomo; aunque con las técnicas modernas se ha comenzado a usar para aleaciones de magnesio. Este sistema de fundición posee unos ratios de productividad muy altos. Sin embargo no puede ser usado para aleaciones cuyo alto punto de fusión ataca algunas partes de las maquinas de inyección (cilindros, pistones, cámara caliente). La secuencia de operaciones viene a ser como sigue: 1. Se cierra el molde y se abre el conducto de inyección. 2. Se introduce el metal fundido en la cavidad y se mantiene a presión hasta conseguir la solidificación. 3. Se abre el molde, se retiran los noyos. Y la pieza permanece con la parte móvil del molde metálico. El pistón ha dejado de actuar. 4. Las clavijas eyectoras de la parte móvil empujan a la pieza.

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figura 6 (máquina de cámara caliente)

Las máquinas modernas, cuentan con accionamientos hidráulicos, y están equipadas con control automático de ciclos y con los sistemas de seguridad. En las máquinas de cámara caliente, el mecanismo de inyección está inmerso en metal fundido dentro de un horno anexo a la propia máquina, Cuando el pistón está en la fase de carrera opuesta a la de impulsión del metal líquido, se abre una compuerta a través de la cual entra el metal en el cilindro. Cuando el pistón comprime, se cierra la entrada de entrada de modo que el único escape que queda al metal líquido es el conducto hacia la boquilla del molde. Una vez solidificado el metal, el pistón se retira, se separan las partes del molde, y la pieza resultante es expulsada. Las máquinas de cámara caliente son de operación rápida. Los ciclos de tiempo varían desde fracciones de segundo para componentes de muy poco peso, a algún minuto para piezas de algunos kilos. Los moldes se rellenan muy rápidamente (fracciones muy pequeñas de segundo) y el metal es inyectado a altas presiones (1500 - 4000 psi). 4.2.7.1.2. Maquinas de cámara fría.

figura 7 (máquina de cámara fría)

En los proceso de cámara fría, las presiones manejadas están en el rango de los 20 Mpa a los 150 Mpa. Las máquinas pueden ser horizontales o verticales (según disposición de los elementos impulsores). Los metales para los que resultan adecuadas estas máquinas son las aleaciones de

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aluminio, magnesio (con p.f a partir de 600ºC) y cobre con alto punto de fusión. En las máquinas de cámara fría se minimiza el contacto del metal fundido con las diferentes partes de la máquina (de acero) para preservarlas. La secuencia de operaciones que se lleva a cabo es la siguiente:

1. El molde es cerrado e introducido el metal líquido en el cilindro.

2. El pistón empuja al metal líquido hacia la cavidad del molde.

3. El metal se mantiene a presión hasta que solidifica.

4. Se desmonta el molde y se extrae la pieza mediante los pines eyectores mientras que en cilindro impulsor retorna a su posición de reposo.

Una máquina de cámara fría permite trabajar con metales de más alto punto de fusión, que una máquina de cámara caliente, debido a que cilindros y pistones al no estar sumergidos en el metal fundido, están menos sujetos al ataque que éste produce. El metal fundido es introducido en la cámara de impulsión directamente a través de la correspondiente abertura (que se cierra cuando el cilindro está presionando) manual o automáticamente. Las presiones que se alcanzan van desde 3000 a 10000 psi para aleaciones de aluminio y magnesio a 6000 a 15000 para aleaciones con base de cobre.

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En una máquina de cámara fría, se introduce en la cámara de impulsión más metal fundido del que es estrictamente necesario para rellenar el molde, con el fin de mantener suficiente presión. El metal sobrante se extrae con la pieza acabada. La operación es más lenta que la de las maquinas de cámara caliente debido a la fase de introducción del metal fundido. 4.2.7.2. Construcción de los moldes. Los moldes para la inyección a presión, están normalmente constituidos por aleaciones de acero similares a las usadas en la elaboración de herramientas, y divididos en dos secciones como mínimo (la parte fija y la parte eyectora o móvil). La parte fija es la contigua a la entrada del metal fundido, la parte eyectora (montada sobre la parte móvil de la máquina) es aquella a la que la pieza fundida se adhiere, y de la cual es extraída cuando se abre el molde. La parte fija contiene los conductos de admisión del metal fundido, y la móvil es la que sustenta la mayor parte de las complicaciones geométricas de la pieza a construir. En ésta se encuentran así mismo los mecanismos de extracción de la pieza (acción que ocurre normalmente de modo simultáneo a la apertura del molde). Éstos han de ser cuidadosamente ubicados, debido a que su acción podría llegar a deformar las piezas. Los noyos también pueden ser utilizados en este tipo de moldes. Éstos pueden ser fijos o móviles, los fijos han de ser paralelos a la dirección de apertura del molde. Los removibles han de ser cuidadosamente fijados. Al diseñar los moldes es necesario dotar al mismo de pequeños conductos (generalmente en la zona de unión de las partes principales) capaces de permitir la evacuación de los gases que se producen durante la colada; así como de los conductos de refrigeración (por agua o aire) que se considere necesarios. Las partes principales del molde deben poder ser enfrentadas mediante pines de posicionamiento para permitir su correcto ensamblaje.

figura 8

4.2.7.3. Tipos de moldes. Los moldes para inyección a presión, pueden ser de simple o múltiple cavidad; las de múltiple cavidad, pueden emplearse bien para fundir varias piezas iguales o bien para fundir piezas diferentes de un mismo conjunto aprovechando el mismo útil. 4.2.7.4. Automatización del proceso de fundición a presión.

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Algunas fases del proceso de fundición, son susceptibles de ser automatizadas, entre ellas se puede citar: 1. Lubricación de las partes componentes del molde. 2. Introducción del metal fundido. 3. Extracción de piezas. 4. Ajuste y transporte de piezas acabadas etc. Pueden así mismo introducirse lazos de control que compensen automáticamente las diferentes variables del proceso (velocidad, posición, presión hidráulica, etc.), cuyas magnitudes hallan sido previamente medidas mediante transductores instalados en la máquina de fundición. Éstas variables pueden así mismo monitorizarse y manipularse a conveniencia con el fin de establecer niveles de alarma y recomendaciones de control del proceso mediante el establecimiento de tendencias identificativas de eventos determinados. 4.2.7.5. Esquema general. Descripción Metales Rango de tamaños de las piezas. Tolerancias

Acabado superficial Ángulos de despulla mínimos necesarios. Secciones mínimas en las piezas Cantidades de serie.

El metal fundido es inyectado bajo presión, en moldes o coquillas de acero. A menudo con refrigeración por agua. Aluminio, cinc, Magnesio, y aleaciones de cobre con algunas limitaciones. Normalmente piezas no demasiado grandes. (no más de 0,3 m2 ), aunque depende de las capacidades del fundidor. Al y Mg ± 0.05 por cada 25 mm. Zinc ± 0.05 por cada 25 mm. Bronce ± 0.1 por cada 25 mm. Añadir ± 0.02 a ± 0.3 a lo largo de la línea de separación de las piezas del molde. Ra = 0,8 - 1,6 Al y Mg: 1° a 3° Zinc: 1/2° a 2° Latón: 2° a 5° Al: 0.7 piezas pequeñas; 1.5 piezas medianas. Mg: 0.7 piezas pequeñas; 1.1 piezas medianas. Zinc: 0.6 piezas pequeñas; 1.0 piezas medianas. Por encima de las 2500 unidades.

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4.2.8. Colada centrífuga. Para fundir piezas de geometría cilíndrica, como por ejemplo tramos de tubería, postes etc, existe una técnica consistente en introducir el metal fundido en el interior de moldes rotativos (con eje horizontal generalmente, aunque pueden ser de eje vertical si la longitud de la pieza es pequeña). Los moldes son de acero o hierro, y se revisten de material refractario con el fin de alargar su validez. Los moldes pueden tener en su parte interna (la que da forma a la pieza resultante) formas cuadrada o poligonal, sin embargo la superficie interior de la pieza resultante permanece cilíndrica dado que el metal fundido es uniformemente distribuido por la fuerza centrífuga (a menos que por deficiencias en el proceso aparezcan imperfecciones debidas a diferencias de densidad, escorias y otras impurezas). El rango de diámetros en los que este procedimiento es adecuado, va desde algunos milímetros a 3 metros, con longitudes aproximadas de hasta 16 metros y espesores entre 6 y 125 mm. La calidad dimensional y superficial (parte externa) de las piezas resultantes (p.e. tuberías, cojinetes, camisas de cilindros, rodamientos, etc.) es bastante buena. También se aprovecha la simetría axial de algunos tipos de piezas (ruedas con radios) para aplicar este mismo principio (coladas semicetrífugas).

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4.3. Otros procedimientos: 4.3.1. Fundición con modelo de poliestireno expandido. En este caso el poliestireno usado como modelo es el que forma la cavidad y posteriormente se evapora en contacto con el metal fundido. Este procedimiento es también conocido como el de fundición con modelo evaporado. El modelo de “EPS (poliestireno expansible)” se forma calentándolo en un molde (generalmente de aluminio) conteniendo un pequeño porcentaje de pentano. Una vez enfriado, tras su formación, el modelo es extraído y revestido con un compuesto refractario, tras lo cual se introduce en una caja que posteriormente es lenada de fina arena que soporta y rodea al modelo. La arena puede introducirse también con agentes adhesivos que le confiera la suficiente cohesión. Entonces sin retirar el modelo de poliestireno, el metal fundido es colado en el interior del molde. Éste hace que se evapore el modelo y rellena completamente la cavidad. El calor depolimeriza el poliestireno y abandona la cavidad a través de la arena permeable. La velocidad del flujo en el interior del molde, depende de la rapidez con que se degrada el polímero. Estudios efectuados a tal respecto, han llevado a la conclusión de que el metal fundido discurre con flujo laminar, y con una velocidad de frente de 0,1 a 1,0 m/s. Dado que el polímero consume gran cantidad de energía en su degradación, aparecen fuertes gradientes térmicos en la superficie frontera metal-polímero, ello trae consigo un rápido enfriamiento del metal que sumado a la lentitud de entrada del metal en el molde causa importantes efectos en la microestructura de la pieza (solidificación direccional), hecho éste que es necesario tener en cuenta para la elección de este método. Método que por otra parte cuenta con ventajas significativas, entre las que destacan: 1. La flexibilidad de diseño, ya que pueden ser obtenidos modelos complejos a base de pegar otros modelos simples una vez formados. 2. Sin limitación de tamaños, dado el bajo coste de las materias primas. 3. Buen acabado superficial. 4. El proceso es susceptible de ser automatizado, por lo cual es muy usado en la industria del automóvil. Recientemente se han usado modelos alternativos para fabricación de piezas de materiales férreos obtenidos con, entre otros, polimetilmetacrilato (PMMA). Existen variantes al procedimiento, consistentes en rodear al modelo con material cerámico. Nuevos desarrollos en este campo incluyen la producción de compositas de matriz metálica. Durante el proceso de moldeo del polímero modelo, son introducidas partículas de fibras, que posteriormente serán una parte integral de la pieza resultante. 4.3.2. Molde de grafito. Es el mismo procedimiento que el sistema de coquilla metálica, solo que no es necesario rociarlo con emplaste refractario dado que se está usando el propio grafito. Los noyos son de acero normalmente. Metales Rango de tamaños de las piezas. Tolerancias Acabado superficial Ángulos de despulla mínimos necesarios.

Limitado a algunas aleaciones de Zinc. De algunos gramos hasta unos 5 Kg. Tamaño máximo aproximado (300x500x200 profundidad). Primeros 25 mm: ± 0.1 Cada 25 mm adicionales sumar ± 0.05. A lo largo de la línea divisoria sumar ± 0.1. Ra = 1,6 - 3 Externos: 1/2° Internos: 1°

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NOTAS DE TECNOLOGÍA MECÁNICA Sección de espesores mínimos.

0.7 (Áreas pequeñas) 1.5 (Áreas grandes)

4.3.3 Proceso de fundición con molde de yeso o sulfato cálcico. El yeso con talco y otros aditivos que mejoran su consistencia y tiempo de conformado es modelado como molde durante 15 minutos (generalmente en aluminio, plásticos termoendurecibles, bronce, y aleaciones de zinc, o madera en el caso de pocas piezas) y secado. Normalmente la cavidad en formada en dos partes que son ensambladas y precalentadas (120 º Celsius unas 16 horas). El metal es entonces introducido en el molde. Debido a que este tipo de moldes tiene una baja permeabilidad, los gases producidos durante la solidificación del metal tienen difícil salida. El metal fundido puede introducirse bajo vacío o a presión. Existen algunos métodos para aumentar la permebilidad del molde: 1. Uno de ellos consiste en deshidratar el molde en autoclave (horno presurizado) durante 6-12 horas, y después rehidratarlo en aire durante 14 horas. 2. Dotar al molde de los conductos apropiados. Debido a la limitación de temperatura que el molde puede soportar (1200ºC), este método es adecuado para aleaciones ligeras únicamente. El acabado es bueno. El enfriado es lento debido a la poca conductividad térmica del molde, obteniéndose una estructura uniforme de grano de buenas características mecánicas. (piezas típicas: ruedas dentadas, válvulas, utillajes, etc) Descripción Metales Rango de tamaños de las piezas. Tolerancias Acabado superficial Ángulos de despulla mínimos necesarios. Sección de espesores mínimos. Cantidades de serie.

El molde se conforma vertiendo el emplaste sobre un modelo de la pieza a fabricar. Una vez ensamblado el molde resultante se utiliza una sola vez. Aluminio, Aleaciones de cobre, zinc, cobre berilio. Usualmente áreas del orden 50 x 50 cm, aunque depende de las capacidades del fundidor. ± 0.1 hasta 50 mm. Añadir, por encima, ± 0.05 cada 25 mm de más. A lo largo de la línea de ensamble de las dos partes del molde añadir ± 0.2. Ra = 1,6 – 3 Externos: 0° a 1/2° Internos: 1/2º a 2° 1,5 Usualmente bajas. A menudo usadas para generar prototipos de piezas que posteriormente van a ser hechas en coquilla. De 50 a 250 piezas.

4.3.4. Moldeo de metales en estado semisólido. El metal o aleación a emplear tiene una estructura no dendrítica, casi esférica y con grano finamente estructurado cuando es introducido en el molde. La viscosidad de la aleación decrece cuando se agita, variando así su consistencia. Este comportamiento ha sido utilizado en el desarrollo de tecnologías que combinan partes forjadas con otras fundidas. Esta técnica fue utilizada en metales hacia 1981, y también ha sido usada en la fabricación de compositas con matriz metálica. Descripción

Metales Rango de tamaños de las piezas. Tolerancias

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El metal específicamente preparado, es calentado gradualmente hasta estado semi-sólido, y transferido a la máquina de conformado; inyectándolo mediante presión en el molde. Luego solidifica. Aluminio, magnesio, y otras aleaciones de cobre. Dependiendo de la máquina de inyección, hasta unos cientos de gramos. Equivalente o superior a las obtenidas en fundición a alta presión.

NOTAS DE TECNOLOGÍA MECÁNICA Acabado superficial Ángulos de despulla mínimos necesarios. Sección de espesores mínimos. Cantidades de serie.

Ra = 0,8 - 1,6 1/4° a 1/2° . 0.8 50,000 piezas y más

4.3.5. Proceso de moldeo por inyección de metal (MIM). El metal muy finamente pulverizado ( < 45 micrometros e incluso < 10 micrometros) se mezcla con un polímero o cera aglutinante. La mezcla sufre entonces un proceso similar al del moldeo de plásticos por inyección. La mayor ventaja de este proceso es la posibilidad de conformar geometrías complejas con paredes de incluso 0,5 mm. Elementos típicos fabricados por este medio, son elementos de armas, instrumental quirúrgico, elementos de automoción y relojería. Descripción

Metales Rango de tamaños de las piezas. Tolerancias Acabado superficial Ángulos de despulla mínimos necesarios. Sección de espesores mínimos. Cantidades de serie.

El metal muy finamente pulverizado, combinado con un aglutinante adecuado, es inyectado en un molde. El aglomerante se funde o disuelve y los polvos de metal son sinterizados en vacío. Resultando una densidad de 94-99%. Fundamentalmente aleaciones de Fe, y las de Cu con limitaciones. Desde milésimas de gramo a 10 Kg aproximadamente. 7 centésimas por cada 25 mm aproximadamente. Ra = 1 1/4° 0,3 para áreas pequeñas 10,000 y más.

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4.4. Defectos de las fundiciones. Son variados los defectos que pueden tener lugar en las funciones dependiendo de: 1. Los materiales utilizados. 2. Las particularidades del diseño de las piezas. 3. Las técnicas empleadas. Mientras unos defectos afectan únicamente a la apariencia final de la pieza, otros pueden tener efectos muy adversos en la integridad estructural de las mismas. Entre los defectos mejor caracterizados se encuentran los siguientes: 1. Las grietas; éstas aparecen cuando el material no puede contraerse adecuadamente durante el enfriamiento debido a la geometría de moldes y noyos. Una solución a ello puede ser la introducción de elementos calentadores de las secciones críticas con el fin de controlar el proceso de solidificación. 2. Las proyeccione s metálicas a que puede dar lugar alguna de las fases del proceso. Pueden ser granitos de metal formados por salpicaduras del líquido en el molde en el momento de la colada y que quedan en la pieza ocluidos (perjudican durante el mecanizado), son debidas a la rapidez del vertido o a la insuficiente capacidad del pocillo de colada. Otras partes metálicas son debidas a una colada demasiado lenta (metal soldado). 3. Las porosidades; internas o externas, pueden ser causadas por contracciones o por gases. Éstas afectan negativamente a las características mecánicas de la pieza resultante y al aspecto superficial de la misma. Las secciones más finas de las piezas solidifican antes que las más gruesas, como resultado de lo cual el metal fundido no puede alimentar adecuadamente determinadas partes de la pieza que no han solidificado. Las partes que enfrían más lentamente, resultan con un grano más grueso. 4. Fundiciones incompletas; que son el resultado de una temperatura de colada demasiado baja. 5. Los Frentes de flujo de metal fundido procedentes de diferentes pozos de colada, pueden no llegar a fusionarse convenientemente lo cual da lugar a un defecto de fundición que tiene mucho que ver con el diseño del procedimiento de colada. 6. Defectos de superficie, como son los pliegues, las faltas de metal, las costras, las sopladuras o burbujas superficiales, las escamas de óxido. 7. Agrandamientos de la pieza por defectos de montaje e inconsistencia del molde (deformabilidad). 8. Inclusiones no metálicas que perjudican las características mecánicas, e inclusiones que se forman durante la fusión del metal por reacción de éste con el entorno. 9. También Reacciones químicas entre componentes del metal fundido o componentes de éste con el molde. Los procedimientos para la inspección de las piezas fundidas, pueden ser destructivos o no. Los tests destructivos incluyen los ensayos mecánicos bien conocidos en la metalotecnia, y los aserrados en varias secciones para estudiar la porosidad. Los ensayos no destructivos, pueden consistir en visión mediante rayos X, rayos gamma, magnaflux y ultrasonidos. Evidentemente el número de muestras y la frecuencia de los ensayos se establece en función del tipo de piezas que se esté fabricando.

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4.5. Análisis comparativo. PROCESOS DE FUNDICIÓN, VENTAJAS Y LIMITACIONES PROCESOS VENTAJAS LIMITACIONES Fundición en Arena Casi todo tipo de metales, no hay Acabado posterior, por acabado límite de tamaño, forma o peso; más bien basto; amplias utillaje de bajo coste. tolerancias. Moldeo en cáscara. Precisión y buen acabado. Alto Tamaño limitado; utillaje caro. ratio productivo. Modelo expansible. No limitaciones de tamaño y Los modelos tienen baja forma. resistencia mecánica, y son costosos para cantidades pequeñas. Molde de yeso Formas intrincadas, precisión; y Limitado a metales no férricos; y baja porosidad. limitados tamaños y volúmenes de producción; tiempo largo de proceso. Molde cerámico Formas intrincadas, buenos Tamaño de las piezas limitado. niveles de precisión y buen acabado superficial. Modelo perdido o microfusión. Formas complejas; excelente Tamaño de las piezas limitado; (Investment acabado superficial y precisión; utillaje caro; y proceso muy Casting en inglés) procedimiento válido para casi laborioso. todos los metales. Moldeado en coquilla. Buen acabado superficial y Alto coste de las coquillas; precisión; baja porosidad de las limitaciones de tamaño, forma y piezas; alto ratio de producción. geometría; no utilizable para metales de muy alto punto de fusión. Colada a presión Excelentes acabado superficial y Alto precio de los utillajes; precisión; alto ratio de tamaños de las piezas limitados; producción. limitado a metales no férricos. Colada centrífuga

Molde de grafito.

Fundición en vacío (V-Process)

Inyección de matal Moldeo en semi-sólido.

Piezas cilíndricas de gran longitiud y calidad; con una buena tasa productiva. Buen acabado superficial; precisión dimensional; baja porosidad y alto ratio productivo. Precisión aceptable; no hay límites de tamaño; válido para asi todos los metales. Formas complejas, producciones en serie. Piezas cilíndricas de gran longitiud y calidad; con una buena tasa productiva.

Instalaciones caras; y formas limitadas a las de revolución. Precio del molde; formas complejas limitadas; no válido para metales con alto punto de fusión. Alto coste.

Aleaciones de Fe, de Cu con limitaciones. Instalaciones caras; y formas limitadas a las de revolución.

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4.6. Consideraciones de diseño. 4.6.1. Relativas a la geometría de la pieza. A menudo, insignificantes consideraciones de diseño que no menoscaban la funcionalidad de la pieza resultante, facilitan enormemente el proceso de obtención por moldeo de las mismas y reducen considerablemente el número de posibles defectos. Una de las principales consideraciones a tener en cuenta, por parte del diseñador del utillaje de fundición; es la ubicación de la línea (o líneas) que dividen las diferentes partes del molde, dado que afecta a: 1. El número total de noyos, 2. Diseño de los conductos de paso del metal fundido, 3. El peso final del elemento solidificado, 4. El método de emplazamiento de los noyos, 5. La precisión dimensional final, 6. La simplificación del molde. En general, es deseable minimizar el número de noyos. A menudo un cambio en la ubicación del plano divisorio ayuda a ello (ver figuras). linea divisoria

noyo

línea divisoria

figura 9

noyo

línea divisoria

línea divisoria figura 10

La siguiente figura muestra como la especificación de bordes redondeados restringe la ubicación de la línea divisoria entre las partes del molde.

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figura 11

Más abajo se muestra la influencia que tiene el no haber especificado en plano los ángulos de despulla admisibles, y haberlo dejado como una opción para el fundidor.

figura 12

La ubicación de la línea separadora de las diferentes partes de un molde merece especial consideración, tal y como se ve, allí es donde suelen ir a parar los salientes de las piezas (para facilitar la extracción posterior al enfriamiento) y también donde se producen en la pieza acabada las imperfecciones más acentuadas. Y es por lo que es preciso llegar a una solución de compromiso entre la facilidad de extracción de la pieza y el atenuamiento de aquellos defectos más visibles. Por ello en ocasiones y siempre que sea posible es conveniente hacer coincidir la línea divisoria con esquinas o aristas. 4.6.2. Relativas al proceso de solidificación. El control del proceso de solidificación, es de vital importancia para la obtención de piezas fundidas de calidad. Todas aquellas partes de piezas que tienen una importante relación superficie/volumen experimentarán un más rápido enfriamiento que otras partes de la pieza por lo que su dureza será mayor. Las partes restantes enfriarán más despacio y a menos que se tomen las precauciones adecuadas pueden producirse contracciones y porosidades o estructuras de grano recrecido. Idealmente, un diseño debe contemplar un cambio de sección uniforme en todas las direcciones, aunque en muchos casos ello no resulta posible y es preciso llegar a una solución de compromiso; así cuando la sección debe cambiar, siempre que se pueda, es preferible hacerlo gradualmente tal y como se muestra en la figura.

figura 13

Cuando dos secciones de una pieza intersectan, pueden aparecer problemas relacionados con la aparición de tensiones concentradas en esa zona. Por ello no es recomendable aumentar demasiado la sección justo en la zona de intersección, para eliminar problemas relacionados con las contracciones por diferencias en la velocidad de enfriamiento.

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NOTAS DE TECNOLOGÍA MECÁNICA

figura 14

Una manera de evitar la problemática anterior, es la creación de cavidades mediante noyos para impedir la gran concentración de material que se produce en las zonas afectadas.

figura 15

En aquellas ocasiones en las que existe una zona con secciones importantes, el problema de las contracciones puede minimizarse haciendo coincidir en tal zona una mazarota. Si ésta se diseña apropiadamente, los defectos ocasionados por las diferentes velocidades de enfriamiento se producirán en el material sobrante.

figura 16

El problema anterior (contracciones, grietas durante el enfriamiento), también aparece en la intersección de los refuerzos longitudinales y transversales de las piezas planas, la figura

118

NOTAS DE TECNOLOGÍA MECÁNICA

siguiente muestra una posible solución escalonando los refuerzos. Aunque es importante asegurar que dicha disposición no aumenta peligrosamente la concentración de tensiones.

figura 17

Otras recomendaciones de carácter general, indican que es aconsejable evitar grandes superficies que no estén convenientemente sustentadas, ya que podrían alabearse durante el enfriamiento.

119

NOTAS DE TECNOLOGÍA MECÁNICA

CAPÍTULO 5º “PROCESOS DE FABRICACIÓN DEFORMACIÓN DE MATERIALES METÁLICOS”

MEDIANTE

5.1. Introducción al conformado por deformación plástica. Cambio irreversible en las dimensiones de un material (pieza) bajo carga, que no recupera su dimensión original cuando se elimina la carga; deformación opuesta a la elástica. En los materiales cristalinos, la "deformación plástica" se provoca por la creación y el movimiento de un gran número de "dislocaciones". La deformación plástica en metales obedece a un deslizamiento a lo largo de ciertos planos cristalográficos en los cuales se han generado esfuerzos cortantes. Los “planos de deslizamiento” son los de mayor concentración atómica y un deslizamiento a través de estos planos ocurre en las direcciones de mayor densidad atómica lineal. La combinación de un plano y una dirección de deslizamiento se denomina “sistema de deslizamiento”. El vector de BURGER (b), define la dirección en la que ocurre el deslizamiento y su magnitud es igual a un incremento del deslizamiento. 5.1.2. Hipótesis de la plasticidad clásica. • Uniformidad e isotropía antes y después de la deformación • Independencia del tiempo si se aplican procesos de carga similares • Independencia de la temperatura sobre la deformación (frío o caliente se distinguen por sus diferentes respuestas tensión- deformación) • trabajo en caliente de metales.- Deformación permanente de metales y aleaciones por “encima de la temperatura”, para la que se obtiene una microestructura libre de tensiones y deformaciones (temperatura de “recristalización”). • trabajo en frío de metales.- Deformación permanente de metales y aleaciones por “debajo de la temperatura”, para la que se obtiene una microestructura libre de tensiones y deformaciones (temperatura de “recristalización”). El “trabajo en frío” de un metal o aleación da lugar a que se endurezca por deformación. • endurecimiento por trabajo en frío.- Aumento de la dureza y la resistencia mecánica de un material debido a la deformación plástica y al alargamiento de los granos (aumento de los "contornos" del grano). Durante el trabajo en frío, las dislocaciones se multiplican e interaccionan, provocando un aumento de la resistencia del metal. Cuando un sólido se deforma plásticamente, se van introduciendo más dislocaciones sobre planos intersticiales, que pueden llegar a ser intrincadas y hacerlas duras para que puedan moverse. En consecuencia, se precisa de un mayor esfuerzo para originar una deformación ulterior y el material se dice que “ha endurecido por trabajo”. • • • •

120

Simetría de la tensiones aplicadas. (no efecto Bauschinger) Estado esférico de tensiones no provoca deformación. Invariabilidad del volumen del material. Tramos de subida, iguales a tramos de bajada. (idealización)

NOTAS DE TECNOLOGÍA MECÁNICA

5.2. Deformación plástica; planteamientos. 5.2.1. Metalúrgico: Características de las redes cristalinas. 5.2.2. Mecánico: Comportamiento macroscópico. 5.3. Diagrama tensión-deformación. A continuación se presenta el diagrama tensión-deformación; donde “e” representa el cociente entre el incremento de longitud y la longitud inicial, “σ0 ” es el cociente de la fuerza aplicada y la sección inicial, así: “σU” es el cociente de la fuerza máxima aplicada y la sección inicial. Al “alargamiento total” le llamaremos “er”, y al cociente entre el decremento de sección y la sección inicial “reducción”.

s TENSIÓN ÚLTIMA

M

LÍMITE APARENTE R Rotura

LÍMITE DE ELASTICIDAD LÍMITE DE PROPORCIONALIDAD

Tensión real = σ = P (Carga) / A (Sección instantánea) Tensión nominal = s = P / A0 (Sección inicial) Deformación natural = dε = dl / l (longitud instantánea) Deformación lineal = e = dl / l 0 (longitud inicial)

e ZONA PLÁSTICA

ZONA ELÁSTICA

5.3.1. Modelos de comportamiento de materiales. A continuación se presentan los diagramas comportamiento plástico de los materiales metálicos.

tensión

deformación

que

caracterizan

el

121

NOTAS DE TECNOLOGÍA MECÁNICA

σ

σ

e

e

RIGIDO-PLÁSTICO PERFECTO IDEAL

ELASTO-PLÁSTICO PERFECTO

σ

σ

e

e

RIGIDO-PLÁSTICO CON ENDURECIMIENTO IDEAL

ELASTO-PLÁSTICO CON ENDURECIMIENTO LINEAL

σ

e RIGIDO-PLÁSTICO CON ENDURECIMIENTO

e ELASTO-PLÁSTICO CON ENDURECIMIENTO

5.3.2. Curvas Tensiones reales - Deformaciones naturales. (σ = P/A ; dε = dl/l).

dP dσ dA = A +σ dε dε dε dV d( A • l) dA dl dA A dl V = A·l = cte ; = = 0; ⇒ l +A = 0; ⇒ =− = −A dε dε dε dε dε l dε dP dσ dσ = A − σ • A ; P Máximo si: =σ dε dε dε

122

NOTAS DE TECNOLOGÍA MECÁNICA

Esto se interpreta físicamente como una compensación entre el incremento de resistencia y la disminución del área de la sección considerada hasta que llega un momento en el que el endurecimiento iguale la magnitud de la tensión aplicada. Algunas expresiones analíticas que representan algunas curvas tipo son las siguientes: σ = B·ε n ; σ = Y + B·ε n ; σ = Y + B·ε ; σ = Y (con Y = tensión de fluencia)

123

NOTAS DE TECNOLOGÍA MECÁNICA

5.3.3. Estado tensional de un material.

P2

σ τ

π

P1

F

σz

Z

τzy τzx

τ

τyz

σy

τxz σx

Pm

τxy

τyx

EQUILIBRIO X

A la vista de la figura anterior, se puede obtener el correspondiente tensor de tensiones simétrico (no existe rotación).  σX τ XY τ XZ    C =  τ YX σY τ YZ     τ ZX τ ZY σZ  →

El vector tensión σ ( x, y, z ) correspondiente a una orientación genérica definida por el vector

 → →  σ = C u     T

→

unitario u = ( α , β , γ ) se obtiene mediante la expresión:

T

Existe una orientación para la cual la matriz es diagonal. Siendo los elementos de dicha diagonal las tensiones principales (autovalores de C; σ1 , σ2 , σ3 ). La siguiente figura representa el círculo de Mohr, con la ubicación de las tensiones principales.

τ2 τ3 τ1

124

σ3

σ2

σ1

Y

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5.3.4. Descomposición de “C” y de su ecuación característica. Efectuando la descomposición de “C” en sus componentes hidrostática o esférica (σ1 = σ2 = σ3 ), y reducida (o desviación), se tiene:

σm  C = CH + CR =   

(

σm

)

 ( σx − σm )    +  τ yx σm   τ zx

τ xy

(σ − σ ) y

m

τ zy

  τ yz  ( σz − σm )  τ xz

1 σ + σy + σz 3 x Y en función de las direcciones principales se puede comprobar que:

con σm =

3 ( τ − τ2 )  2 3    +  σm    

σm  C= σm  

3 (τ − τ3 ) 2 1

     3 ( τ 2 − τ1 )  2

En cuanto a la descomposición de la ecuación característica de “C” se tiene:

(σ

x

− σi )

τ yx τ zx

(σ

τ xy

y

− σi

τ zy

)

τ xz

(σ

τ yz

z

− σi )

=0

Es decir: σ 3i − I1σ 2i + I 2 σ i − I 3 = 0 ; con Ii siendo invariantes. Tomando pues las direcciones principales, se tiene que:

I1 = σ1 + σ 2 + σ 3 = I H1 + I R1 I 2 = σ1σ 2 + σ 2 σ 3 + σ 3σ 1 = I H2 + I R2 I 3 = σ1σ 2 σ 3 = I H3 + I R 3 Con: I H1 = 3σ m ; I H2 = 3σ 2m ; I H 3 = σ 3m y: I R1 = 0; I R2 = −

I R3 =

[

[

1 2 2 2 ( σ1 − σ2 ) + ( σ2 − σ3 ) + ( σ3 − σ1 ) 6

1 ( 2σ1 − σ2 − σ3 )( 2σ2 − σ3 − σ1 )( 2σ3 − σ1 − σ2 ) 27

]

]

125

NOTAS DE TECNOLOGÍA MECÁNICA

5.4. Criterios de fluencia en plasticidad. Generalmente la información de que se dispone sobre un material es su límite elástico, obtenido mediante el ensayo de tracción. Lo interesante es establecer un criterio que permita encontrar un estado de tensión monoaxial equivalente al estado tensional establecido por las tensiones principales:

σ3

σequiv. σ2

≈

σ1 Se trata pues de encontrar una función de las tensiones principales (σ1 ,σ2 ,σ3 ); para la que la deformación plástica alcanza un estado crítico. 5.4.1. Representación geométrica. El punto “P” representa el estado tensional en un punto del cuerpo objeto de estudio. El criterio de fluencia, vendrá dado por todos aquellos puntos cuyos valores de las tensiones principales cumplan el criterio de fluencia, se trata entonces de una superficie en el espacio (σ1 ,σ2 ,σ3 ).

P (σ1,σ2,σ3)

H

O D Π

OH: Componente Hidrostática. OD: Desviación. OP: Estado de tensiones en un punto determinado. Ecuación de Π: (σ 1 +σ2 +σ3 =0) OH tal que: α=β=γ=

1 3

Es preciso, sin embargo, realizar las siguientes consideraciones: 1. El criterio de fluencia no depende de “OH” 2. La superficie límite del vector “OP” correspondiente a un cierto estado de “tensióndeformación”, es un cilindro de eje “OH” que se apoya sobre una superficie del plano “Π”. el conocimiento de esta curva define el criterio de fluencia.

5.4.2. Criterio de Tresca.

126

NOTAS DE TECNOLOGÍA MECÁNICA

También llamado de la tensión tangencial máxima (basado en observaciones experimentales); y según el cual (ver círculo de Mohr): σequivalente = 2 τmáxima = σ1 - σ2 Aceptable para materiales dúctiles sometidos a estados de tensión en los que se presentan tensiones tangenciales relativamente grandes.

5.4.3. Criterio de Von Mises. Es función únicamente de IR2 ; ya que supone que IR3 es despreciable. Este criterio es conocido como el de la energía de distorsión. Y según el mismo, solamente parte de la energía de deformación, la debida al cambio de forma, determina la aparición de deformaciones plásticas: 1 2 2 2 σequivalente = ( σ1 − σ2 ) + ( σ2 − σ3 ) + ( σ3 − σ1 ) 2

[

]

5.4.4. Modelos reológicos simples. Al igual que se hizo con el tensor de tensiones “C” el tensor de deformaciones, que como ya es sabido presenta el mismo aspecto, puede igualmente descomponerse en sus componentes hidrostática y reducida: D = DH+DR. Así mismo, la relación existente entre componentes de tensión y deformación es: CH = f ( DH )

CR = ϕ ( DR )

Se sabe que cualquiera que sea el material objeto de análisis, la componente esférica (hidrostática) es proporcional a la dilatación, con lo que se tiene determinada la función “f”: CH = k D H (1) ( σ1 + σ2 + σ3 ) = k( ε1 + ε2 + ε3 ) Sin embargo la función "ϕ " se definirá para cada tipo de cuerpo, pudiendo presentarse cuerpos de diferente comportamiento: d Elástico Viscoso a) Cuerpo viscoso: C R = µ D R ( µ , coef. de viscosidad) dt

b) Cuerpo elástico (Hooke) E = σ/ε: CR = 2G·DR (2 )

C

C

En el caso sencillo de un estado de tracción simple, se tiene: (con “ν“ coef. poisson)

σ1 = σ; σ2 = σ3 = 0 ε 1 = ε; ε 2 = ε 3 = −νε 1

E E y k= ; que son relaciones de sobra conocidas en 2(1 + ν) 1- 2 ν elasticidad. (con: "E" y "ν" del ensayo de tracción). En función de las direcciones principales (2) puede escribirse:

Resolviendo (1 y 2) resulta:G =

127

NOTAS DE TECNOLOGÍA MECÁNICA

E ε1 = σ1 − ν ( σ2 + σ3 )

E ε 2 = σ2 − ν ( σ3 + σ1 )

(3)

E ε 3 = σ3 − ν ( σ1 + σ2 )

La energía elástica almacenada por unidad de volumen, viene dada por:

W=

1 ( σ ε + σ ε + σ3ε 3 ) = WDILATACIÓN + w DISTORSIÓN 2 11 2 2

Utilizando (3) se puede obtener la separación anterior, y una explicación de porqué al de criterio de “Von Mises” se le conoce como el criterio de la energía de distorsión:

W=

(

1 − 2ν 1+ν 2 2 2 ( σ1 + σ2 + σ3 ) + ( σ1 − σ2 ) + ( σ2 − σ3 ) + ( σ3 − σ1 ) 6E 6E

c) Cuerpo rígido - plástico: (Modelo de Saint-Venant)

C R = 2λ. dD R 0 = D S → (k = ∞)

C

Analogía con el cuerpo viscoso: 2λdt = µ.

5.4.5. Representación gráfica de los principales criterios de fluencia.

TRESCA

σ1

PLANO Π

VON MISES σ2

5.4.6. Fluencia bajo condiciones de deformación plana.

128

σ3

)

NOTAS DE TECNOLOGÍA MECÁNICA

Si suponemos que la fluencia tiene lugar paralela al plano definido por las direcciones de las tensiones principales σ1 y σ3 ; entonces dε 2 = 0; como resulta que el Volumen es constante; se tendrá que: dε 1 = -dε 3 . De manera que las tensiones principales serán: “σ1 = k” y “σ3 = -k” σ2 tendrá únicamente una componente hidrostática que no provoca deformación. σ2 = ½ (σ1 + σ3 ) ⇒ 2σ2 = 2·k = S (tensión de fluencia en ensayo de compresión con deformación plana). En deformación plana no es necesario utilizar ningún criterio de deformación, ya que como se ve "k" es el resultado de un esfuerzo cortante puro. En términos del Círculo de Mohr se tienen las siguientes situaciones: τ

τ TRACCIÓN

σ1

k

COMPRESIÓN

σ3 σ

σ3

k

σ1

σ

σ2 = -p

σ2 = p

Donde "p" es la presión hidrostática que no afecta a la deformación permanente. El sistema completo de tensiones en deformación plana es un esfuerzo cortante puro con una presión hidrostática superpuesta. 5.5. Determinación de las cargas de trabajo considerando la pieza y la distribución de tensiones. 5.5.1 Carga para la fluencia en deformación homogénea. En deformación homogénea se asimila el proceso de deformación al que tiene lugar en el ensayo de tracción simple, con lo cual no existe restricción alguna provocada por la interacción con cuerpos externos (ausencia p.e. de rozamiento), ello da lugar a la obtención de un límite inferior de la carga necesaria para producir la deformación. Veamos un sencillo ejemplo de aplicación al proceso de forja: CON ROZAMIENTO

P0 h0 h1

A0 A1

σ1 →Y1 ⇒ P1 = Y1 ·A 1

ε = ln (h 0 /h 1 )

Cabe también la posibilidad de considerar un valor medio de la tensión de fluencia entre dos valores de ε, expresándose de la siguiente manera:

129

NOTAS DE TECNOLOGÍA MECÁNICA ε

a 1 Y= ∫ Ydε ε a − εb ε b

_

5.5.2. Trabajo para la deformación homogénea (Aplicación al estirado).

l0

l1

σ1 = Y; σ2 = σ3 =0; ⇒ El trabajo por unidad de volumen: δW = (Y·A) δl; con lo que: l ε l W 1 dl 1 W _ 1 dl = ∫ Y = ∫ Ydε ; si se considera la tensión de fluencia media; =Y∫ V l0 l ε 0 V l l 0

_ l l Así el trabajo realizado: W1 = F1 ·l1 ⇒ W = V Y ln 1 ⇒ F1 = A1 Y ln 1 V = l0 ·A0 = l1 ·A1  ⇒ l0 l0 _ _ A 1 F1 = A1 Y ln 0 si r = 1-A1 /A0  ⇒ F1 = A1 Y ln A1 1− r _

Como σ1 = F1 / A1 La reducción máxima (rm ) se producirá cuando σ1 =Y1 . 5.6. Restricciones de rozamiento. Veamos ahora, siguiendo con el ejemplo de la forja de la placa anterior, la influencia del rozamiento en el cálculo de las presiones necesarias para producir la deformación deseada. Para ello resolveremos el siguiente ejercicio: Calcular las presiones media (Pm) y máxima (PMAX), así como la fuerza necesaria (F) para forjar una placa metálica de longitud "a", altura "h" y anchura "2b" de un material cuya tensión de fluencia en deformación plana es "s" cuando el rozamiento de la maza de la prensa sea "µ". P

µP h

σx

σx+dσx µP P

x b

Considerando la parte de la pieza situada a la derecha del eje central, se pueden establecer las siguientes ecuaciones: Equilibrio(eje ”x”): ( σx + dσx ) h − σx h = 2 Pµdx ⇒ hdσx = 2 Pµdx (1) Criterio de TRESCA:

130

σ1 − σ3 = s σ3 = − P

⇒ σx + P = s dP = −dσx

Sustituyendo en (1):

NOTAS DE TECNOLOGÍA MECÁNICA

dσx 2µ dP 2µ 2µ = dx ⇒ = − dx Integrando: LnP = − dx + cte . Como las condiciones de P h P h h 2µb contorno son: x = b; σx = 0; cte = + Ln( s) de manera que finalmente se obtiene: h

Ln( P ) - Ln( s) =

2µ ( b− x ) 2µb 2µ x − ⇒ P = s. e h h h

Con lo que: 2µ

b

2µ 1b e h −1 b Pm = ∫ Pdx = s ; PMAX = s. e h ; F = 2abPm 2µ 20 b h Tal y como se observa, al aplicar el criterio de fluencia, se ha efectuado una aproximación consistente en suponer que la tensión de fluencia “s” es la misma para los estados (del inicial al final) del material a forjar. Pero ello no es así, ya que a medida que transcurre la deformación el material se endurece (ver curvas tensión - deformación) con lo que “s” aumenta paulatinamente. Se puede entonces introducir esta variación en la resolución del problema, o bien considerar su

_

valor medio “s ” entre los valores de deformación inicial y final.

figura 1 Aspectos del forjado

131

NOTAS DE TECNOLOGÍA MECÁNICA

5.7. Componentes del trabajo para llevar a cabo la deformación plástica de un material. Wtotal = WH + WF + WR . El primer término, es el trabajo a desarrollar con las condiciones supuestas para la deformación homogénea. El segundo es el complemento obtenido al considerar el rozamiento. Y existe una tercera componente del trabajo total, que está relacionada con la distorsión interna del material cuando éste se deforma de modo diferente al de fluencia óptima (p.e. posibilidad de cizallamiento adicional). La validez de las consideraciones previas está sujeta al peso, que sobre el trabajo total a realizar, tenga el efecto de la deformación adicional. Este efecto se puede analizar, teniendo en cuenta la distribución de la deformación y la distribución de tensiones en la pieza, desde el punto de vista que proporciona el método de “las líneas de deslizamiento” utilizado en deformación plana y según el cual la deformación tiene lugar a lo largo de líneas en las que se produce una tensión tangencial máxima. Existen dos direcciones perpendiculares de esfuerzo cortante máximo (en la figura tangentes a "α" y "β", que son las líneas de esfuerzo cortante máximo o líneas de deslizamiento). τ

Y

σy β

σ3 45º

φ

σ3

X

α

k

σx

σ

σy σ1

2φ σx

σ1

-p De la representación en el círculo del círculo de Mohr se deducen las siguientes expresiones: σx = -p-k·sen 2φ σy = -p+k·sen 2φ τxy = k·cos 2φ dσx dσy = = 0 (1); a lo largo de las líneas de deslizamiento. dx dy Si se considera un elemento en equilibrio se tiene que: ∂x σx Se puede comprobar fácilmente que

∂y σy

τxy τyx

 ∂τ yx  ∂σ   σx + x δx δy • δz − σx • δy • δz +  τ yx + δy δx • δz − τ yx • δx • δz = 0  ∂x  ∂y   ∂σy ∂τ xy ∂σx ∂τ yx de donde + = 0 ; y análogamente: + = 0. como τxy = τxy = k es constante a lo ∂x ∂y ∂x ∂y largo de las líneas de deslizamiento, queda probado (1).

132

NOTAS DE TECNOLOGÍA MECÁNICA

Si se eligen los ejes “X” e “Y” (ver figura anterior) de manera que coincidan con las tangentes a “α“ y “β“ en el punto considerado, “φ“ será muy pequeño en esa región, por ello se puede escribir que: cos 2φ ≈ 1. Aplicando (1) a las expresiones de las tensiones referidas a los ejes “X” e “Y” quedan las denominadas ecuaciones de Hencky: p + 2kφ = Cte a lo largo de “α“. p - 2kφ = Cte a lo largo de “β“. Las líneas de deslizamiento son perpendiculares en todos los puntos y siempre forman un ángulo de 45º con las direcciones principales. Además de la verificación de las ecuaciones de Hencky, en las líneas de deslizamiento, existen restricciones de velocidad. La deformación a lo largo de éstas, tiene lugar debido a esfuerzos cortantes puros, la distorsión producida no lleva consigo ni alargamientos ni acortamientos; con lo cual la velocidad a lo largo de las líneas de deslizamiento no variará. Si “u” es la velocidad a lo largo de “α“, y “v” la velocidad a lo largo de “β“. Se tendrá que la velocidad a lo largo de "α" a una distancia "ds" de un punto dado será: u+du. Variación debida, únicamente, al cambio de dirección del esfuerzo cortante.

dφ

u+du u

v dφ

u + du = u·cos dφ + v·sen dφ ⇒ du = v· dφ análogamente ⇒ dv = -u· dφ

Ecuacionesde “Geiringer”

Las ecuaciones de ”Geiringer”, han de verificarse al construir las líneas de deslizamiento. El conocimiento de todo lo anterior permite construir el entramado de líneas y tensiones en puntos específicos de un cuerpo (en deformación plana), pudiéndose entonces valorar la tensión necesaria para ejecutar la deformación y compararlos valores obtenidos con otros métodos (p.e. el de la distribución de tensiones visto en el ejemplo relativo al forjado de una placa plana). Para muchas operaciones de conformado, no se han encontrado soluciones exactas, sin embargo se han desarrollado métodos que permiten determinar cargas que están por encima y por debajo del valor buscado. El límite superior es el más valioso en el conformado de metales. La búsqueda de éste, no se ocupa del equilibrio de tensiones, el factor clave es la invariabilidad del volumen del material (incompresibilidad). Se trata de encontrar un sistema de tensiones a partir de cualquier deformación supuesta, que ofrezca la máxima resistencia, que esté de acuerdo con la restricción de velocidad. Este valor, estará entonces por encima del real.

133

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5.8. Matricería. Técnicas para fabricación de TROQUELES. • Troquel: molde capaz de dar forma de una sola vez por corte, presión o impacto a un material metálico; y que lleva en sí la forma de la pieza que se ha de realizar. Los troqueles son normalmente montados en prensas. • Tipos: doblador, cortador, estampa, etc. • Partes: superior o accionadora e inferior o base. 5.8.1. Corte y punzonado de chapa. Se lleva a cabo en punzonadora o prensa. Al realizarse un corte por punzonado, el material se comprime deformándose las fibras. Cuando la presión ejercida llega a ser mayor que la resistencia del material a la cizalladura (o cortadura), se rompe por desgarramiento. El esfuerzo de corte viene dado por: Esfuerzo (corte) = perímetro a cortar · espesor de la chapa · τ (resistencia a la cortadura) La parte superior del troquel se llama punzón, y la inferior matriz. Entre ambos ha de existir un juego que generalmente oscila entre 0,05 y 0,10 del espesor de la chapa a cortar (aunque evidentemente depende del tipo de material). VER FIGURAS 1 y 2. 5.8.2. Doblado y curvado. Estas operaciones, se aplican fundamentalmente a chapas, aunque pueden efectuarse en alambres, tubos, y otros perfiles. En este tipo de operaciones el material se comprime por su parte interior y se estira por la exterior, el límite de ambas zonas es la línea neutra. El radio interior del doblado, no puede ser inferior a unos límites dados que dependen del tipo de material. Dado que en caso contrario el material tendría tendencia a agrietarse y romperse. El momento flector en las operaciones de doblado viene dado por: Mf (Momento flector) = σadmisible (a flexión) * W (Momento resistente)

W=

h

Por ejemplo para la sección: b

134

Momento de Inercia Distancia al C.G. W=

b. h 2 6

NOTAS DE TECNOLOGÍA MECÁNICA

Cuando se ha de obtener una pieza doblada, hay que partir de otra cortada en forma plana, cuyas dimensiones deben de ser determinadas de antemano calculando su desarrollo.

y

r

a

"y" es la posición de la línea neutra. a, b, r (se miden tras el doblado)

b c (antes de doblar) Para obtener la posición de la línea neutra, se despeja "y" de: c = a + b +

π ( r + y ) . La longitud 2

de la chapa plana coincidirá con la de la línea neutra. VER FIGURAS: 3, 4, 5, 6, 7, 8 Y 9. 5.8.3. Embutido. Consiste en el conformado de chapas metálicas con espesores en el rango que va desde las décimas de milímetro (material de partida) hasta los 12 mm (ver figura 2).

figura 2 Embutido de chapa

(VER TAMBIÉN FIGURAS 10, 11 y 12) Se distinguen dos tipos de embutición: • Embutido perfecto o sin estirado: el material se mueve libremente y las compresiones se compensan con los estiramientos, de modo que la superficie final de la chapa no varía, y si lo hace es muy ligeramente (el espesor de la chapa se considera que tampoco varía).

π · D2 π · d 2 = + p·d · h 4 4

d

D h 135

NOTAS DE TECNOLOGÍA MECÁNICA

• Embutido con estiramiento: los bordes del material son inmovilizados, y la forma cóncava resultante se obtiene por estiramiento del material (con disminución del espesor y aumento de la superficie de la pieza previa). Se emplea para piezas grandes de relieve complicado y no demasiado profundo. En ocasiones se pretende efectuar embutidos perfectos, pero ello no resulta posible debido a la complejidad de algunas piezas. Existe también otro tipo de piezas, en las que su conformación exige la aplicación de varias fases. La primera suele ser de embutido sin estirado, y las sucesivas consisten en ir estirando la pieza resultante de la primera embutición hasta alcanzar la forma y espesores deseados (ver ejemplo de la lata de aluminio de los refrescos). Es evidente que no todos los materiales son aptos para el embutido, y los que lo son (latón, acero suave y extrasuave, aluminio), se pueden clasificar en función del número de fases necesarias para alcanzar su conformado final. Los materiales al ser embutidos pierden parte de su ductilidad primitiva, por ello cuando es necesario embutirlos en fases, han de efectuarse tratamientos de recocido intermedios con el fin de eliminar la acritud y evitar agrietamientos en las fases sucesivas. Las tolerancias de las piezas obtenidas se sitúan en el rango de las décimas de milímetro, y las rugosidades oscilan entre 0,4 y 12,5 µm. La lubricación es necesaria, ya que de no existir daría lugar a esfuerzos innecesarios, calentamientos excesivos, y por lo tanto piezas defectuosas. En el ejercicio asociado a la figura 14, puede analizarse un ejemplo de cálculo de presión necesaria para embutido de una oblea circular, mediante planteamiento de las ecuaciones de equilibrio y aplicación de los criterios de fluencia (Determinación de las cargas de trabajo considerando la pieza y la distribución de tensiones).

136

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5.9. Estirado. Determinación de las cargas de trabajo considerando la pieza y la distribución de tensiones.

dg dg . cos α = dz

q

dg . sen α =

µq σz+dσz

σzi

σz

σzf

α hi

h

h+dh

1 dh 2

hf

0

x dz

DIRECCIONES PRINCIPALES

z

z

PLANTEAMIENTO DEL EQUILIBRIO: (eje Z): ( h + dh) ( σz + dσz ) − hσz + 2µqdg.cos α + 2qdg.sen α = 0 si B = µ ⋅ c tg α ⇒ hdσz + [σz + q (1 + B) ]dh = 0 (1) (eje X): µqdg.sen α − qdg.cos α = −q ( 1 − µ ⋅ tg α) dz si µ = 0, 05 α = 10º ⇒ 1 > > µ ⋅ tgα ⇒ σ x ≅ − q CRITERIO DE FLUENCIA (TRESCA): σ1 = σ z ; σ 3 = − q ; σ 1 − σ 3 = S ⇒ q = S − σ z (2) Eliminando “q” en (1) y (2), se tiene: Integrando:

dσz dh = ( ) Bσz − S 1 + B h

1 Ln[ B σz − S( B + 1)] = Ln( h) + Ln( C) B

Condiciones de contorno: σ z = σ zi ; h = hi con lo que: Ln( C) =

1 Ln[ Bσzi − S( B + 1)] − Ln( h i ) B

B B σz σzi  h  1 + B   h   1−    Finalmente: =   + S S  hi  B   hi  

La tensión de estirado se obtiene para h = hf

137

NOTAS DE TECNOLOGÍA MECÁNICA

5.10. Extrusión.

(ver ejemplo en la figura 13) VOLUMEN INICIAL = VOLUMEN FINAL Determinación de las cargas de trabajo considerando la pieza y la distribución de tensiones. q ≅ cte µq σzi

φDi

φDi ’

σz+d σz

σz

σe

φDf

dz z L

La fuerza que ejerce la pared sobre el material a extruir es constante a lo largo de todo el recorrido, y todo el metal se supone en estado de fluencia. πD 2i πD 2i dσ z 4µ =− dz (1) − σz + µqπD idz = 0 ⇒ 4 4 q Di Aplicación del criterio de VON MISES: σ 1 = σ z ; σ 2 = σ 3 ≈ − q

Equilibrio: ( σz + dσz )

( σ − σ ) + (σ 2

1

138

2

2

− σ3 ) + ( σ3 − σ1 ) = 2Y 2 2

2

⇒ σ z + q = Y (2)

NOTAS DE TECNOLOGÍA MECÁNICA

De (1) y (2) se tiene que: dσ z = d σ z q

Y − σz

Condiciones de contorno:

integrado − Ln Y − σ z = −

4µ z + Cte Di

z = 0; σ z = σ e = − Pe z = L; σ z = σ zi = − Pext Cte = − Ln( Y + Pe )

Con ello “Pext ” se obtiene de: Ln( Y + Pext ) =

4µ L + Ln( Y + Pe ) Di

Como se ve “P ext ” disminuye con “L”.

139

NOTAS DE TECNOLOGÍA MECÁNICA

5.11. Laminado.

ω

Elemento a la izquierda del punto neutro α (variable)

P R hf hi

q

·

µq

σx σz+dσz

P punto neutro

σz

dg = R·dα; dg·cos α = dz dg·sen α = ½ dh

½ dh dz

Equilibrio en “z”: ( σz + dσz ) ( h + dh ) − σz h + 2 q sen α • dg − 2µq cos α • dg = 0 ; o lo que es lo mismo: d( σz h) + q( α )( 1 m µ • c tg α) dh = 0 . Equilibrio en “x”: σx = −q( α ) ± µ • q( α) • tg α ≅ − q ; con tresca: σz + q = S , supuesto que “S”=Cte. Queda:   q  d hS1 −  = −q( 1 ± µ • c tg α) dh   S  Despreciando d(hS) queda: q  d   S  ( 1m µ • c tg α) = dh q h S Hay que tener en cuenta que: h = hf + 2R·(1-cos α).

140

NOTAS DE TECNOLOGÍA MECÁNICA

141

NOTAS DE TECNOLOGÍA MECÁNICA

142

NOTAS DE TECNOLOGÍA MECÁNICA

CAPÍTULO 6º “AUTOMATIZACIÓN HERRAMIENTA”

DE

LAS

MÁQUINAS

–

6.1 Introducción. Una vez conocidas las máquinas herramienta en aspectos relativos al modo en que transforman el material en bruto, clasifiquémoslas en relación con el grado de automatización con que operan. Automatización, que está asociada al: • Movimiento y posición de las herramientas, controlando las velocidades de avance. • Giro de los cabezales porta – herramientas (en el caso de las máquinas de fresar o taladrar), y de los platos porta – piezas (en el caso de las máquinas de tornear) controlando las revoluciones. • Cambio de herramientas y de piezas en la posición de trabajo. • Control de ciclo operativo de la máquina (tipo de operación a realizar dentro de sus posibilidades). • Control de los accesorios de la máquina (control de refrigerante, sistemas de detección de averías, etc.). 6.2 Arquitectura de las máquinas herramienta.

Figura 6.1 Esquema de M-H con arquitectura convencional

6.2.1 Elementos principales Bastidor: Es el elemento fundamental, fundido o soldado y mecanizado. Transporta todos los demás elementos (husillos de herramientas, mesas y controles). Las principales consideraciones a tener en cuenta en su diseño son: el aumento de rigidez, la robustez térmica, la evacuación eficaz de virutas, la simplificación de las cadenas cinemáticas, la mejora de los elementos estructurales y la eliminación de vibraciones.

143

NOTAS DE TECNOLOGÍA MECÁNICA

Figura 6.2 Bastidor

Guías y Railes: Son elementos estructurales, sobre los que deslizan las mesas de trabajo y los cabezales, éstas pueden ser de cola de milano, prismática o circular, caminos de bolas, patines de agujas, turcita (teflón con bronce), e hidrostáticas (película de aceite).

Figura 6.3 Guías

Figura 6.4 Elementos deslizables

Figura 6.5 Guías a bolas

Husillos a bolas: Es el elemento encargado de transmitir el movimiento del motor a los carros. Los husillos a bolas, evitan eficazmente las holguras.

Figura 6.6 Husillo a bolas

6.2.2 Accionamientos El motor eléctrico es el accionamiento por excelencia en la mayor parte de las funciones de las máquinas herramienta, siendo el más utilizado es el motor trifásico de corriente alterna (con potencias comprendidas entre 3 y 120 kW). No obstante cabe distinguir entre diferentes aplicaciones: 144

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6.2.2.1 Accionamientos para giro de husillos de herramienta, o plato porta piezas en tornos Se utilizan motores eléctricos para transmitir potencia a la herramienta, o girar y sujetar las piezas mientras son mecanizadas (caso de torneado). 6.2.2.2 Accionamientos de avance Son aquellos que transportan los carros porta piezas o porta herramientas, el elemento más utilizado es el motor sin escobillas (DC brushless motor), comúnmente conocido como servomotor de corriente alterna (síncrono), debido a su precisión de posicionamiento. En ellos se regula la velocidad a través de la frecuencia. También son utilizados otros tipos de accionamientos eléctricos, como por ejemplo el motor de corriente continua (regulado en tensión), el motor de corriente alterna asíncrono (regulado en tensión o frecuencia) o el motor paso a paso para máquinas que trabajan en lazo abierto (sin realimentación de posición). Mención especial merece el motor lineal por la reducción de peso respecto al convencional y la simplificación de la cadena cinemática que supone, es básicamente un desarrollo plano del motor rotativo en el que el rótor es el elemento deslizante y el estator está constituido por una fila de bobinas.

Figura 6.7 Motores convencional y lineal

Existen también máquinas herramienta que utilizan para propósitos de desplazamiento de carros, accionamientos de tipo hidráulico con regulación a través de caudal. 6.2.3 Captadores de posición Son elementos que nos permiten conocer las posiciones relativas de los diferentes órganos de la máquina. Se trata generalmente de transductores de reactancia variable, en el caso de los analógicos, y de reglas graduadas o codificadas a las que atraviesan haces luminosos en el caso de los captadores de posición digitales. En primera aproximación, pueden clasificarse del modo en que sigue: •

Mecánico: Tipo tambor graduado

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•

Analógico: De reactancia variable Resolver (medición angular)

Regla Inductosin (medición lineal)

•

Digitales:

Incrementales Reglas graduadas (medición lineal) Discos graduados (medición angular)

Absolutos Reglas codificadas (medición lineal) Discos codificados (medición angular)

6.2.4 Alternativas a las arquitecturas convencionales La arquitectura de las máquinas herramienta para eliminación de material, está basada en la adecuación óptima de las posiciones relativas de las herramientas de mecanizado con respecto a las piezas sobre las que operan. Por ello los propósitos básicos en el diseño de las máquinas son los siguientes: • Proveer movimiento relativo entre herramienta y pieza. • Proveer la rigidez adecuada para el desarrollo de las operaciones de corte. • Control de vibraciones que puedan afectar a las operaciones de mecanizado. • Proveer la potencia necesaria. • Proveer los sistemas de seguridad adecuados, y trabajar con la precisión requerida a las piezas acabadas. Las máquinas herramienta convencionales (con y sin control numérico) están, en su moyoría, basadas en estructuras “serie” (tantos ejes como grados de movimiento). Los ejes están dispuestos de acuerdo a los ejes cartesianos, eje X, eje Y y eje Z; mas los ejes rotacionales que cada máquina (según prestaciones) utilice. Según sean los movimientos relativos de las diferentes partes de la máquina, cada eje en su movimiento puede llegar a soportar el peso de algunos de los otros, hecho que actúa en detrimento de la dinámica de la máquina (sobre todo en el caso de las grandes). El intento de mejora en la dinámica (movimiento de pequeñas masas móviles) de las máquinas herramienta, fundamentalmente en las aplicaciones de mecanizado de alta velocidad, ha llevado 146

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a la investigación en el campo de los mecanismos paralelos. En éstos los ejes poseen vínculos directos y son en número iguales al de grados de libertad (seis en el espacio). Cada eje define un movimiento en la dirección de su orientación. Una máquina de este tipo es, por ejemplo, el hexápodo o “plataforma stewart”, en la que el husillo porta - herramientas se soporta en seis brazos que se extienden o se retraen según la forma de la pieza que a mecanizar. Estas máquinas pueden llegar a tener una relación muy favorable de rigidez/peso lo que permite que las velocidades de corte sean muy elevadas, y las aceleraciones y deceleraciones rápidas. Pero en este tipo de arquitecturas no todo son ventajas, ya que los algoritmos y programas de mando que calculan la retracción o la extensión de los brazos, con el fin de posicionar convenientemente el husillo en el espacio de mecanizado, requieren gran potencia de cálculo (aunque a nivel de usuario la complejidad de programación sea similar a la del resto de las máquinas), siendo el modelo matemático a utilizar en el diseño de los controladores más complejo que en el caso de arquitecturas convencionales. A parte de esto las máquinas basadas en el hexápodo, poseen un área de trabajo menor y la precisión viene condicionada por la de los brazos telescópicos (no fáciles de materializar para grandes precisiones). No obstante, existen posibilidades de aplicaciones muy interesantes en la fabricación de moldes, matricería, ensamblajes delicados, soldadura automática, pintura, remachado, etc.

Figuras 6.8 y 6.9 Diferentes aspectos de una M-H basada en hexápodo

6.3 Automatización de las máquinas herramienta La automatización de una máquina – herramienta cubre los siguientes ámbitos: • Control de los movimientos relativos de la herramienta respecto de la pieza. • Control de velocidades de giro de husillos y platos portapiezas (caso de tornos). • Control de velocidades de avance de carros. • Control de secuencias de mecanizado (cambios de herramienta, entradas de refrigerante, etc.) y otras funciones propias de cada máquina. El diseño de una máquina herramienta con control numérico, constituye un apartado importante en el ámbito del control automático y un esfuerzo de ingeniería concurrente dentro de la rama de la técnica conocida como “mecatrónica”, cuya definición se intuye mediante observación del gráfico que abajo se reproduce.

147

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Figura 6.10 Mecatrónica (concepto)

La materialización de un dispositivo de control automático, puede llevarse a cabo mediante: • Tecnologías “cableadas”: Neumática, Fluídica, Eléctrica (Reles, Electrónica estática). • Tecnologías “programadas”: Ordenador (unidad de proceso, y acondicionadores de entradas y salidas), Autómata programable (ordenador industrial, con un sistema de entradas, salidas y periféricos adaptados al tipo de proceso secuencial que controla en tiempo real). Siendo éstas últimas las que se utilizan en el ámbito de las máquinas herramienta. El esquema de un controlador programable es el siguiente: ACCIONADORES

MÁQUINA

CAPTADORES

CONTROLADOR ACONDICIONADORES DE SALIDAS

CPU ACONDICIONADORES PARA PERIFÉRICOS

ACONDICIONADORES DE ENTRADAS

RED LOCAL CONSOLA PARA INTERFAZ

HOMBRE - MÁQUINA Esquema 6.1

148

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6.3.1 Controles de posición de herramienta. La situación precisa de la herramienta se lleva a cabo mediante el control de la posición de los ejes de que dispone la máquina. En máquinas con arquitecturas convencionales el emplazamiento de los ejes se realiza en los carros de avance principales (longitudinal, transversal y vertical), en los cabezales porta herramienta (ejes rotativos de elevación y acimut), y en las mesas que soportan las piezas (rotación y abatimiento). El tipo de máquina y el tamaño de la misma condicionan la ubicación de los ejes, así los tornos tiene dos ejes controlados (puede poseer más, si dispone en el carrusel de herramientas motorizadas), y los centros de mecanizado entre dos y medio (concepto que se explica más adelante) y seis (según sean de cabezal vertical, horizontal, abatible o doble). Las máquinas pequeñas (espacio de trabajo inferior a 600x600x600) trabajan con mayores precisiones y requisitos de repetitividad, por lo que la necesidad de robustez hace que la complejidad de los mecanismos involucrados en el movimiento de las piezas y herramientas tienda a simplificarse, de modo que la ubicación de los ejes se reduce a los carros principales y a los giros de las mesas porta piezas (alrededor de un eje perpendicular a ellas). En máquinas mayores, con el fin de no tener que realizar movimientos de grandes masas, se busca una mayor accesibilidad de la herramienta a las distintas partes del material a mecanizar (que suele ser de grandes dimensiones), y entonces se situan ejes rotativos en el cabezal (elevación y acimut) y se suprimen los giros de la mesa porta piezas. En máquinas para realización de moldes y matrices, el planteamiento es el mismo que en el caso anterior, y aún en máquinas con espacio de trabajo no muy grande (menor a 600x600x600) se utilizan tanto ejes rotativos en el cabezal como en la mesa porta piezas. Las figuras que siguen, pretenden ser una ilustración de lo que aquí se ha comentado brevemente.

Figura 6.11 Centro de mecanizado Figura 6.12 Centro de mecanizado Figura 6.13 Centro de mecanizado vertical de puente fijo

vertical de puente móvil

horizontal con mesa abatible y giratoria (5 ejes).

Figura 6.14 Centro de mecanizado de Figura 6.15 Centro de mecanizado de Figura 6.16 Centro de mecanizado de puente (5 ejes, dos en cabezal)

puente (5 ejes)

puente (5 ejes)

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Figura 6.17 Centro de mecanizado de Figura 6.18 Máquina de medición Figura 6.19 Máquina de medición puente (5 ejes)

tridimensional (3 ejes)

tridimensional (3 ejes)

Figura 6.20 Centro de mecanizado de Figura 6.21 Centro de mecanizado para Figura 6.22 Otra vista del Centro de grandes dimensiones (3 ejes)

matricería y moldes (5 ejes)

mecanizado anterior (giro mesa y cabezal)

Cada uno de los ejes controlados de una máquina herramienta responde al esquema 6.1. Que para el caso de un controlador de posición o velocidad, puede particularizarse de la siguiente manera: BUCLE DE CONTROL

Perturbaciones z

CONTROLADOR

referencia

u

Selección Selección de de referencia referencia

r

Variable de control

Variable manipulada

n

m

e Regulador Regulador

+

z

Accionador Accionador

-

Variable controlada

Proceso Proceso

c

mando

b medida medida

Variable realimentada Esquema 6.2

El bucle de control presentado en el esquema anterior responde a la denominación de lazo cerrado (por motivos que saltan a la vista). El diseño del regulador pertenece al ámbito de la disciplina conocida como regulación automática o control automático, y puede materializarse por

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medio de un circuito electrónico (control analógico) incluido en el autómata, o por medio de un programa de ordenador (control digital). El regulador tiene como misión acondicionar la salida en precisión y rapidez, al tiempo que se minimizan los efectos perjudiciales que producen los estados transitorios. En las fases de diseño y ajuste de un regulador, se utiliza un modelo matemático o prototipo del conjunto Accionamientos – Proceso (dinámica de la máquina herramienta) – captadores (aparatos de medición). Como ejemplo de ello, analicemos el modelo correspondiente al control de posición de la mesa de una máquina herramienta movida por un eje roscado a través de un husillo de bolas (como en de la figura 6.6), estando accionado (el citado eje) por medio de un motor de corriente continua controlado por inducido. Se trata pues de un eje controlado de traslación.

Ie

V

Ri

Li

Ii

Um

Masa = M Resist.= R Incluye interacción Herramienta / pieza

Inercia = J Rozam.= B

J

ω

B

MESA + PIEZA

X = Despl. Mesa

Elementos Rotativos (Motor, Tornillo)

TACÓMETRO

tornillo

REGLA INDUCTOSIN

Figura 6.23

ECUACIONES DEL MOTOR: Flujo de excitación (1): ϕ (t ) = k ex ·ie (t ) Par motor (2): Pm = k i ·ii (t )·ϕ (t ) = k ex ·k i ·ii (t )·ie (t ) = k p ·i i (t ) con ϕ = cte.

Tensión en motor (3): U m = k ·ω (t )·ϕ (t ) = k e ·ω (t ) di (t ) Tensión de alimentación (4): V = Ri ·ii (t ) + Li i + U m dt dω (t )  Ecuación del par motor (5): Pm =  J + Bω  + M r con Mr = Momento resistente dt   ECUACIONES DEL CONJUNTO MESA + PIEZA dX (t ) con Fa = Fuerza aplicada a la mesa dt d 2 X (t ) dX (t ) Ecuación del movimiento (7): Fa = M +R 2 dt dt dX (t ) P Relación entre el giro del tornillo y el desplazamiento de la mesa (8): = ω (t ) Siendo dt 2π P= Paso de rosca.

Conservación de potencia (6): M r ·ω = Fa ·

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Para trabajar con modelos matemáticos de este tipo, se prefiere hacer en el dominio de la transformada de Laplace ya que, como es sabido, las ecuaciones diferenciales adoptan la forma de ecuaciones algebraicas. Por ello una vez linealizadas en el entorno de su punto de funcionamiento (no es el caso ya que las ecuaciones anteriores son lineales) y aplicada la transformada de Laplace, resulta lo siguiente (condiciones inidciales nulas): De (2): Pm = k p I i De (3) y (4): V = Ri ·I i + Li sI i + k eW De (5): Pm = ( JsW + BW ) + M r De (6): M r ·W = Fa sX De (7): Fa = Ms 2 X + RsX De (8): 2πsX = PW De todo lo anterior resulta el siguiente diagrama de bloques:

Ii =

1 (V − k eW ) Li s + R i

Pm = k p I i

1

W=

2   P     P   J + M    s +  B + R    2π     2π     P 1 X = · ·W  2π  s 2

⋅ Pm

modelo proceso de mecanizado

Pm V +

1 Li s + R i

kp

_

1 2   P     P     s +  B + R   J + M   2π     2π    2

W

 P   2π

1 · s

X

modelo accionamiento

CAPTADOR DE VELOCIDAD DE GIRO

ke

CAPTADOR DE POSICIÓN MANDO DE CONTROL NUMÉRICO

REGULADOR

152

NOTAS DE TECNOLOGÍA MECÁNICA Esquema 6.3

La función de transferencia que relaciona la tensión de alimentación del motor y la posición de la mesa en la siguiente: P kp X 2π F (s) = = 2 2 V     P     P   s  (Ri + sLi )· J + M    s +  B + R   + k e ·k p   2π     2π      La función de error en régimen permanente para una entrada de tipo escalón (error de posición) viene dada por: R (s ) 1 E (s ) = con R( s ) = s 1 + F (s ) con lo que el error de posición en régimen permanente: erp = lim sE (s ) = 0 . Ello indica que el s →0

regulador (elemento cuya función de transferencia estabiliza o mejora la respuesta en regímenes permanente y transitorio) puede ser de tipo proporcional, o PID si se desea mejorar la respuesta en régimen transitorio. Hemos visto de modo esquemático (ilustrado con un ejemplo sencillo) en que consiste un control de posición en lazo cerrado, veamos ahora en que consiste un control de posición en lazo abierto. Éstos son denominados de este modo porque se suprime la realimentación, haciéndose necesario para el control de velocidades y posiciones la introducción de un motor paso a paso. Estos motores, gobernados por trenes de impulsos, giran a cada impulso una determinada fracción de paso (paso del tornillo). Ello hace posible determinar el desplazamiento lineal a partir del desplazamiento angular del motor (cuyo sentido de rotación puede igualmente ser invertido). La precisión viene dada por: Precisión = paso de tornillo / pasos por vuelta El gobierno de la velocidad de giro se efectúa variando la frecuencia del tren de impulsos. El esquema de un eje de control numérico de lazo abierto es el que se presenta en la figura siguiente:

Figura 6.24

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Las diferentes máquinas objeto de automatización, imponen necesidades de control diferentes, por ello podemos diferenciar entre el control punto a punto y el control continuo. 6.3.1.1 Control punto a punto. La información que se suministra al sistema es la posición (normalmente en el plano) de aquellos puntos (coordenadas) en los que ha de efectuarse alguna operación. Es el caso de máquinas taladradoras, punteadoras, mandrinadoras o de punzonado de chapa. Se requiere entonces la presencia de tantos controladores de posición como ejes, en estos casos los ejes a controlar son generalmente “dos”. 6.3.1.2 Control continuo. Se ejerce control no sólo sobre la posición final de la herramienta, sino también sobre su trayectoria (posiciones sucesivas). Esto se consigue relacionando los movimientos elementales realizados según los distintos ejes de la máquina (hasta seis), pudiéndose obtener contornos más o menos complejos. La trayectoria, se descompone en segmentos elementales (rectos) y se materializa sincronizando el movimiento de los ejes que en cada caso entran en juego. Así en el caso de mecanizado de un contorno en el plano, necesitamos dos ejes susceptibles de ser sincronizados; en el caso de mecanizado de trayectorias o superficies en el espacio, sería necesario el concurso de 3 (lineales o rotativos) ó más ejes (según complejidad). Especial mención merecen los siguientes conceptos: • Máquina de dos ejes y medio: Con esta máquina se pueden ejecutar contornos planos, el tercero posee control de posición pero no capacidad de sincronía con los otros dos. • Máquinas de dos ejes conmutables: Posee tres ejes, susceptibles de sincronizarse dos a dos. • Interpolación lineal, circular, parabólica, etc.: Elementos de cálculo de que se dispone con el fin de ejecutar trayectorias predeterminadas. 6.3.2 Controles de velocidades de giro Se aplican al control de las revoluciones de los husillos porta herramientas en el caso de operaciones de fresa, taladrado, o mandrinado. Y al control de las revoluciones de los platos porta piezas en las operaciones de torneado. El accionamiento es mediante motor eléctrico, y en función del tipo de motor se actuará sobre una u otra variable con el fin de controlar las revoluciones, en el caso de motores de corriente continua actuando sobre la tensión y en el caso de motores de corriente alterna actuando sobre la frecuencia. 6.3.3 Control de secuencias de mecanizado (refrigerante, pallets, herramientas) Muchas máquinas herramienta no limitan el ámbito de su automatización al control de posición de la herramienta y revoluciones, sino que tienen funciones auxiliares que ayudan a la disminución de tiempos de proceso. Tal es el caso de funciones tales como: • La puesta en marcha de la refrigeración. • El cambio automático de herramientas. • El cambio automático de “pallets”. • Control de herramientas motorizadas en tornos con cambiador automático de herramientas. • Control sobre las funciones preparatorias de mecanizado, y sobre los ciclos de mecanizado predeterminados.

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Y además, en el caso de máquinas insertas en células de mecanizado, todas aquellas funciones concernientes al modo en que se relacionan las máquinas que las forman.

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6.4 Programación de las máquinas herramienta con control numérico La programación de las máquinas de control numérico se efectúa mediante un lenguaje de alto nivel (con símbolos normalizadas por ISO) con posibilidad de incluir todas las funciones propias de cada uno de los tipos de máquina herramienta. El programa recoge informaciones de tipo geométrico (Dimensiones de pieza y herramienta, acabados, tolerancias, etc.) y de tipo tecnológico (Velocidades de avance, rotación, etc.). El siguiente esquema recoge la estructura general de un programa de control numérico:

PROGRAMA BLOQUE PALABRA DIRECCIÓN N: Número y posición del bloque G: Función preparatoria X, Y, Z : Coordenada a alcanzar (s/eje) M: Funciones auxiliares de cada máquina S: Velocidad F: Avance T: Herramienta (en máquinas con cambio automático) I, J, K, R: Parámetros de interpolación D: Corrección de herramienta SIGNO Sentido de avance, utilizado únicamente en palabras que indiquen coordenada a alcanzar para un eje determinado. NÚMERO Valor asociado a la magnitud expresada por cada una de las direcciones.

Esquema 6.4

Un programa está constituido por bloques, que a su vez está formado por palabras cuya estructura es la que se presenta en el cuadro anterior. Una letra, que indica el tipo de función, un signo (en los casos en que proceda), y un número asociado a la función expresada por la letra. Algunos ejemplos de palabras son los siguientes: N10; Determina la posición del bloque dentro de un programa. G00; Expresa desplazamiento lineal rápido (sin mecanizar). G01; Desplazamiento lineal de la herramienta en trabajo. G02; Interpolación circular en sentido horario. G03; Interpolación circular en sentido antihorario. 156

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X-30; Coordenada en X del punto a alcanzar. Y40; Coordenada en Y del punto a alcanzar. S250; Velocidad de rotación de la herramienta, generalmente r.p.m. F100; Velocidad de avance de la herramienta (mm/min). T07; Identifica a las herramientas que actúan en el mecanizado de una pieza. M07; Puesta en marcha de la refrigeración por taladrina. G41, G42; Función de Contorneado (a derechas o izquierdas), con corrector de herramienta (adaptación de las condiciones de corte y de la trayectoria del centro de la herramienta a la geometría de ésta). Los programas generan trayectorias coincidentes con puntos del contorno de la pieza, por ello es necesario corregir los programas en función del radio de la herramienta (adaptación de trayectorias) y altura o espesor de la herramienta (adaptación de profundidades). G40; Anulación de la corrección de correctores de radio. G51; Función de trayectoria con simetría especular o polar a otra dada. G50; Anulación de la función espejo. G68; Mecanizaciones paralelas a los ejes, con consideración del corrector de radio para formas interiores. G69; Mecanizaciones paralelas a los ejes, con consideración del corrector de radio para formas exteriores. G81; Ciclo predeterminado de perforación. G80; Anulación del ciclo de perforación. G82; Ciclo de taladrado con temporización en fondo, subprograma función del punto de partida y retorno de herramienta, cota de fondo, primera pasada, pasadas sucesivas, y avance. G04; Parada temporizada. G83; Ciclo de taladrado con pasadas sucesivas para evacuación de virutas. G84; Ciclo de roscado, como función del punto de partida/retorno, cota de fondo y avance.. G88; Ciclo de vaciado, subprograma función de punto de partida y retorno de herramienta, cota de fondo, primera pasada, pasadas sucesivas, y avance. G90; Programación de valores absolutos de las cotas. G91; Programación en modo relativo o incremental, las posiciones sucesivas se refieren a las anteriores. G92; Para indicar cambio de origen. R22; Indica el radio de una trayectoria en interpolación circular. I, J, K; Coordenadas del centro de la trayectoria, referidas a su punto de inicio. Un sencillo fragmento de programa (que ilustra los conceptos de bloque y palabra), de una interpolación circular podría ser el siguiente: Generar una trayectoria (del centro de la herramienta, en el caso de fresado) circular desde (X = 10; Y = 40) hasta (X = 38; Y = 10) con radio = 22. N10 M41 (función propia de máquina) S600 (velocidad de rotación) M03 (empieza a girar el husillo). N20 G00 X10 Y40 (Posicionar herramienta rápidamente en punto de partida). N30 G02 X38 Y10 R22 F100 (Interpolación circular en sentido horario con avance 100).

Los programas de control numérico, pueden generarse de modo manual o automatizado. El primero consiste en realizar el programa, partiendo del plano físico de la pieza, por parte de personas cuyo conocimiento del lenguaje de programación les permita reflejar en el programa las características geométricas de las piezas a fabricar, y cuya experiencia en mecanizado les habilite para decidir el uso de las herramientas y condiciones de mecanizado (avances, revoluciones, etc.) más adecuadas a cada caso.

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En lo relativo al modo automatizado de generación de programas, puede decirse que existen sistemas CAM (Ayuda a la fabricación mediante ordenador) que ejecutan de modo automático la tarea de la elaboración de las partes del programa que tienen que ver con la geometría de la pieza. Éstos toman ficheros procedentes de programas CAD (de diseño asistido por ordenador) y programan las trayectorias que han de seguir las herramientas con el fin de llevar a cabo los mecanizados. Posteriormente solo quedaría corregir estas trayectorias en función de la geometría de las herramientas, tarea que también se lleva a cabo de un modo automático. Otro problema diferente es el de plasmar en el programa la secuencia de mecanizado más interesante, los valores de los avances de herramienta, las velocidades de corte, etc., dado que aquí si se hace imprescindible la experiencia de un operador experto. Algunos fabricantes de herramientas han comercializado elementos de software (a modo de sistemas expertos) y hardware que suponen grandes ayudas en este campo, aunque aún en este caso, la supervisión por parte de operarios expertos (en primeras piezas de serie) de los programas generados automáticamente se hace imprescindible. 6.5 Células flexibles de mecanizado. Una célula flexible de mecanizado consiste en la agrupación de máquinas con características similares o no, con la finalidad de optimizar los procesos de producción de grandes series de piezas. En éstas la transferencia de piezas entre una y otra máquina está automatizada, y se lleva a cabo mediante vehículos o robots. Las siguientes figuras sugieren algunos aspectos relacionados con este tipo organización de máquinas.

Figura 6.25 Célula formada por centros de mecanizado.

Figura 6.26 Centro de mecanizado con varios “pallets”.

Figura 6.27 Célula formada por centros de mecanizado.

Figura 6.28 Célula formada dos centros de mecanizado.

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Figura 6.29 Almacén de “pallets”.

Figura 6.30 Célula formada un centro de mecanizado.

Es importante destacar en este punto la “gestión automatizada de herramientas”. Las máquinas de control numérico que forman parte de una célula flexible, disponen de cambiadores automáticos de herramientas. La “gestión automatizada” consiste en la vigilancia y sustitución automática de herramientas, en el carrusel de cada máquina, una vez que éstas han agotado su ciclo de vida (no esperándose a que fallen por rotura), y a la introducción automática en programa de los correctores de herramienta, de aquellas que se introducen para reemplazarlas. En los apéndices generales, se introduce un esquema en el que se aprecia la disposición de elementos dentro de una célula flexible formada por centros de mecanizado, y de otra formada por tornos. 6.6. Máquinas de medición tridimensional. La posición de un punto en el espacio está definida por los valores X, Y y Z con respecto a un punto de referencia. Una máquina tridimensional de medición es capaz de definir una correspondencia unívoca entre figuras geométricas y series de puntos tomados sobre ellas. Puede, así mismo, determinar la dimensión, forma y geometría (perpendicularidad, planaridad, etc.) de un objeto, midiendo la posición de distintos puntos de su propia superficie. Las arquitecturas actuales, para este tipo de máquinas, son las que aparecen en las figuras siguientes:

Figura 6.31 Pórtico grandes dimensiones

Figura 6.32 Pórtico dimensiones medias

Figura 6.33 MMT de Brazo

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La toma de las coordenadas de la superficie de la pieza a medir se efectúa mediante dispositivos denominados palpadores. Dependiendo del modo de exploración pueden ser de dos tipos: • Punto a punto: El palpador entra en contacto con la pieza a medir y, en el instante de tocar a la pieza por primera vez, genera una señal que permite la adquisición de las coordenadas del punto. Este tipo de palpador es el más empleado. • Contínuo: En este modo, el palpador se mantiene en contacto con la pieza a medir, tomándose puntos a alta frecuencia de acuerdo con leyes de adquisición determinadas. Independientemente de la categoría, existen dos tipos de palpadores: • Táctiles: en ellos, tanto en modo punto a punto como en modo contínuo, el palpador entra en contacto con la pieza para permitir la adquisición de datos. • Sensores de no contacto. Se trata de sondas que permiten la adquisición de datos sin necesidad de entrar en contacto físico con la pieza a medir. La tecnología que cada tipo de palpador es algo que se escapa al ámbito de este breve resumen, pero que puede ser consultado en la literatura especializada. Aún considerando los avances en la sensorización mediante la visión artificial, en lo que respecta a la medición de piezas medianas y grandes la solución más completa y satisfactoria sigue siendo la sensorización táctil (ver figura).

Figura 6.34 Aspectos de algunos palpadores táctiles.

Dado que éstas máquinas pueden formar parte de células de mecanizado flexibles, la necesidad de realizar las mediciones en la misma ubicación en la que se producen las piezas hace que las condiciones ambientales y, en particular, los gradientes térmicos espaciales y temporales puedan influir negativamente en la fiabilidad de los resultados. Para conseguir estructuras mucho más inertes a las condiciones ambientales de taller se han desarrollado diversas soluciones: • Cabinas de protección acondicionadas. • Materiales inertes a la tensión térmica (fibra de carbono, cerámicas, etc.) • Materiales de rápida actualización de los coeficientes de su estructura molecular respecto a las variaciones térmicas, analizados mediante un programa de compensación.

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