apuntes de tecnología de fabricación

Universidad Politécnica de CartagenaE.T.S. Ingeniería Industrial

Departamento de Ingeniería de Materiales y Fabricación

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POLITÉCNICA DEC

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Fechos Allend Mar

Apuntes de Tecnología de Fabricación

Manuel Estrems Amestoy

Cartagena, 2003

Índice general

Índice general i

1. Morfología de los Procesos de Fabricación 11.1. Aproximación a la Ingeniería de Fabricación . . . . . . . . . . . . . . 11.2. Introducción a la morfología de procesos de fabricación . . . . . . . . 21.3. Estructura básica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.3.1. Procesos básicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.4. Flujo de material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.4.1. Estado del material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.4.2. Categoría del proceso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.4.3. Tipo de flujo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.5. Flujo de energía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.5.1. Flujo de energía en procesos básicos mecánicos . . . . . . . . 41.5.2. Flujo de energía en procesos básicos térmicos . . . . . . . . . 51.5.3. Flujo de energía en procesos básicos químicos . . . . . . . . . 5

1.6. Flujo de información . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2. Metrología dimensional 92.1. Introducción histórica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.2. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.3. Plan de Calibración . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.3.1. Definiciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.4. Cualidades de un instrumento de medida . . . . . . . . . . . . . . . 12

i

ii Índice general

2.5. Relación entre tolerancia, incertidumbre y división de escala . . . . . 142.6. Errores en la medición . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.7. Medidas indirectas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.7.1. Ley de propagación de varianzas . . . . . . . . . . . . . . . . 162.7.2. Calibración de un instrumento de medida . . . . . . . . . . . 162.7.3. Métodos de medida indirecta más usuales . . . . . . . . . . . 18

2.8. Rugosidad superficial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202.9. Problemas de metrología . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

3. Introducción a la Ingeniería de Calidad 253.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253.2. Calidad del producto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253.3. Aseguramiento de la Calidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263.4. Ingeniería de calidad como filosofía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

3.4.1. Métodos de Deming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273.4.2. Juran Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283.4.3. Taguchi Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

3.5. Normalización . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293.6. Normativa de la ISO 9000 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293.7. Normativa ISO 14000 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

4. Introducción a los procesos de mecanizado 314.1. Introducción histórica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314.2. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334.3. Generación de superficies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344.4. Formación de viruta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354.5. Geometría de corte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

4.5.1. Influencia de los ángulos de corte en el funcionamiento . . . . 414.6. Fuerzas de corte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

4.6.1. Energía específica de corte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424.6.2. Fuerzas de fricción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

4.7. Temperaturas de corte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 444.8. Desgaste de herramientas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 454.9. Rugosidad superficial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 464.10. Problemas de mecanizado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

5. Procesos de conformado por deformación plástica 515.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 515.2. Deformación permanente en metales . . . . . . . . . . . . . . . . . . 515.3. Curva del ensayo de tracción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

5.3.1. Modelización del material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 545.3.2. Punto de inestabilidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

5.4. Trabajo de deformación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 555.5. Laminación de chapa metálica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 555.6. Tecnologías de transformación de chapa metálica . . . . . . . . . . . 56

iii

5.7. Problemas de deformación plástica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

6. Proceso de conformado por fundición 616.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 616.2. Metal fundido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 626.3. Tecnologías de moldeo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 636.4. Colada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 636.5. Solidificación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 646.6. Problemas de Fundición . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

7. Procesos de unión 677.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 677.2. Clasificación morfológica de los procesos . . . . . . . . . . . . . . . . 687.3. Soldadura por fusión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

7.3.1. Soldadura por arco . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 687.3.2. Soldaduras por rayos de alta densidad energética . . . . . . . 687.3.3. Soldadura termoquímica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

7.4. Soldadura por presión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 687.4.1. Soldadura en frío . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 687.4.2. Soldadura por resistencia eléctrica . . . . . . . . . . . . . . . 68

7.5. Procesos basados en materiales de relleno . . . . . . . . . . . . . . . 687.5.1. Soldadura blanda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 687.5.2. Soldadura fuerte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 687.5.3. Unión por adhesivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

8. Problemas 698.1. Problemas de metrología . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 698.2. Problemas de mecanizado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 708.3. Problemas de deformación plástica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 748.4. Fundición . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 768.5. Control Numérico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

9. Cuestiones de examen 79

iv Índice general

Capítulo1

Morfología de los Procesos deFabricación

1.1. Aproximación a la Ingeniería de Fabricación

Uno de los hechos que ha diferenciado al hombre desde la Prehistoria, ha sido lacapacidad de procesar o transformar los materiales que la naturaleza ha puesto a sudisposición, para la elaboración de herramientas y útiles que le ayudaran a realizarciertas funciones que no podría llevar a cabo directamente con su esfuerzo físico, ole resultaban pesadas o costosas.

Esta actividad del hombre de realizar útiles, máquinas, etc., recurriendo a suingenio e inteligencia, tratando de cubrir las necesidades (primarias y secundarias)de los individuos o de la comunidad, lleva consigo la utilización de una gran cantidadde recursos tanto humanos como materiales. De la conjunción de estos recursosdependerá la realización del producto final, actividad que exige la realización detres fases:

Fase de información, en la cual se lleva a cabo la adquisición de los conoci-mientos para la ejecución de los mismos, mediante un trabajo de investigación.

Fase de diseño, que consiste en la concepción del producto de acuerdo con losrequerimientos exigidos.

Fase de fabricación, en que se efectúa la transformación de los materiales hastaobtener el producto terminado.

1

2 Capítulo 1. Morfología de los Procesos de Fabricación

En esta tercera fase es en la que se inserta la Ingeniería de Fabricación, pero sinolvidar aquellos aspectos de las fases iniciales que en cierta forma tienen repercusiónsobre la misma.

Una posible definición de Ingeniería de Fabricación podría ser la siguiente: con-junto de conocimientos referentes a procesos de conformación de los ma-teriales; a las máquinas, útiles, instrumentos y sistemas de fabricaciónutilizados; y a los controles y verificaciones necesarias para asegurar pie-zas y productos acordes con las normas y especificaciones establecidas,bajo criterios económicos y de rentabilidad.

1.2. Introducción a la morfología de procesos de fa-

bricación

Hay mucha variedad de procesos de fabricación.Para seleccionar la mejor secuencia en la ruta de fabricación se necesita tener

un amplio y fundamental conocimiento de los procesos de fabricación con sus posi-bilidades y limitaciones.

El objetivo de este tema es ofrecer una visión coherente y global de la estructuraen la que todos los procesos están basados.

1.3. Estructura básica

El proceso se puede definir como el cambio en las propiedades de un objeto. Paraello interaccionan material con su información determinada, y la energía aplicada.En esta asignatura solo se van a tratar los procesos de material, lo que no implicauna limitación en los principios generales.

Todo objeto material tiene materia y forma, que son los principios constitutivosdel ente en la filosofía clásica. En nuestro caso a la forma es información sobreel objeto, como propiedades geométricas, físicas, características de funcionamiento,etc.

En la gráfica siguiente viene representado un esquema en el que se puede observarla forma en que interactúan los distintos elementos.

El material M1 tiene una información determinada, entre la que se incluye siestá dividido o está todo en un solo bloque. Durante el proceso se le aplica unaenergía para transformarlo en M2 en donde parte de esta energía se pierde, y partedel material también puede perderse en forma de desecho Md. Además de la infor-mación en el material de salida, también hay una información de control que enfunción de datos recogidos en el material de entrada y salida, en la energía aporta-da y desechada, tiene la facultad de variar los parámetros del proceso con el fin deoptimizar variables de coste, calidad y productividad.

1.4. Flujo de material 3

ProcesoBásico

M1

E1

E2

M2

Figura 1.1: Esquema básico de un proceso de fabricación.

1.3.1. Procesos básicos

Para obtener un componente, el material de entrada suele sufrir varias trans-formaciones. Cada una de estas unidades simples de transformación se le denominaproceso básico. De todos los procesos básicos de una cadena de transformación, hayuno que es el principal, el más crítico para los fines de la transformación. A esteproceso se le llama proceso básico primario, el resto de procesos básicos son secun-darios, y su objetivo es preparar el material para el proceso básico primario, o darun acabado a la pieza después del proceso básico primario.

1.4. Flujo de material

1.4.1. Estado del material

Los procesos básicos se pueden clasificar según el estado del material:

Sólido

Granular

Líquido

Semisólido

1.4.2. Categoría del proceso

Los procesos básicos se pueden distinguir tres categorías: mecánicos, térmicosy químicos. Según el tipo de transformación ocurrido en el material. La siguienteTabla presenta los procesos básicos más frecuentes en cada una de estas categorías:


MECÁNICOS TÉRMICOS QUÍMICOSDeformación plástica Fundición Solución/disoluciónFractura frágil Solidificación CombustiónFractura dúctil Condensación EndurecimientoFlujo Calentamiento PrecipitaciónDeformación elástica Enfriamiento Transformación de faseMezcla Evaporación Deposición electroquímicaColocación ... DifusiónTransporte ......

1.4.3. Tipo de flujo

Según el tipo de flujo, los procesos se pueden clasificar en:

Flujo directos: La masa del objeto de entrada en el proceso es la misma quela del objeto de salida.

Flujo divergente: La masa del objeto de entrada se divide en dos objetos, unode los cuales puede ser el producto de desecho.

Flujo convergente: El proceso une dos objetos diferentes para formar uno sóloa la salida.

1.5. Flujo de energía

Para el análisis del flujo de energía en los procesos de fabricación se van a estudiarpor separado el flujo según las distintas categorías, y las distintas fuentes de energíautilizadas para cada tipo de procesos.

La primera distinción que se puede aplicar es que la energía se puede aplicar demodo directo o indirecto, en este último caso hay un medio de transferencia quees el que actúa realmente sobre la pieza, y que sirve de enlace entre la fuente deenergía y la pieza correspondiente.

1.5.1. Flujo de energía en procesos básicos mecánicos

Dentro de las fuentes de energía se distinguirán entre las que son de tipo mecá-nico, las eléctricas, y las químicas, y térmicas:

Fuente de energía mecánica para PB mecánicos

Energía de masa (cinética y potencial)

Presión en un medio

Vacío

Fuente de energía eléctrica para PB mecánicos

1.5. Flujo de energía 5

Descarga entre electrodos: onda de choque en medio fluido

Campos electromagnéticos: inducción en conformado de tubos

Efecto magnetoestrictivo: maquinado ultrasónico

Efecto piezoeléctrico: maquinado ultrasónico

Fuente de energía química para PB mecánicos:

Explosivos

Detonación

Deflagración en pistón

Fuente de energía térmica para PB mecánicos: Aprovecha la dilatación o con-tracción de materiales con la temperatura para producir esfuerzos mecánicos. Esmuy frecuente usarlo la dilatación de gases.

1.5.2. Flujo de energía en procesos básicos térmicos

La temperatura del material se puede elevar aportando la energía directamenteal material o a través de un medio de transferencia.

Fuentes de calor de origen mecánico: Son los que proceden de la fricción entresuperficies, principalmente.

Fuentes de calor de origen eléctrico:

Conducción eléctrica: resistencia

Inducción electromagnética: Corrientes parásitas.

Descarga eléctrica: arco o chispa

Calentamiento dieléctrico

Haz de electrones

LASER

Antorcha de plasma

Fuentes de calor basadas en la energía química: Se basan en reacciones exotér-micas, como la combustión de hidrocarburos, la reducción de óxidos,..

1.5.3. Flujo de energía en procesos básicos químicos

Este tipo de procesos requiere un estudio profundo de las condiciones energéticasde las reacciones químicas involucradas en el proceso.


O2

O1

EA

Figura 1.2: Elementos en la impresión de información.

1.6. Flujo de información

El término flujo de información cubre la impresión de forma geométrica en elmaterial de trabajo. En la figura 2 se definen los elementos que intervienen: la piezade trabajo A, los elementos de transferencia O1 y O2, y el mecanismo de impresión einformación E. En muchos casos uno de los elementos de transferencia no transmiteinformación geométrica cumpliendo únicamente con la función de amarrar la pieza,mientras que el otro medio pasa a ser la Herramienta que sí transforma la geometría.

Habitualmente la geometría final de la pieza se genera a partir de la geometríade la herramienta y del patrón de movimientos entre la herramienta y la pieza.

Los principios básicos de creación de superficies se definen según la cantidad deinformación final de la pieza que posee la herramienta. De este modo se definencuatro posibilidades:

Conformación libre: La herramienta O2 no contiene información geométricaalguna de la pieza final. La geometría final se alcanza mediante principiosinternos de comportamiento de la pieza. Ej.: Torsión.

Conformado bidimensional : El elemento de transferencia contiene un puntoo un elemento de superficie de la geometría final deseada. La integración detodos elementos generados dará lugar a la geometría final. Como es lógico, paragenerar una superficie bidimensional se requieren al menos dos movimientosrelativos entre la herramienta y la pieza. Ej.: Torneado.

Conformado unidimensional : El medio de transferencia contiene una genera-triz de la superficie final. Esta generatriz puede ser una línea o una superficie alo largo de una línea. Para generar la superficie sólo se requiere un movimientorelativo entre la herramienta y la pieza. Ej.: Extrusión.

1.6. Flujo de información 7

Conformación total : El medio de transferencia contiene toda la informacióngeométrica de la superficie final, lo que significa que no se necesita ningúnmovimiento relativo. Ej.: Colada.

El conocimiento de estos principios es muy útil para idear nuevos procesos, oencontrar el proceso más eficiente para generar una superficie determinada.

Capítulo2

Metrología dimensional

2.1. Introducción histórica

Aunque actualmente los sistemas de unidades cubren todas las magnitudes co-nocidas de la Física, como temperatura, intensidad luminosa, presión, corrienteeléctrica y muchas más, en otros tiempos las medidas se limitaban a cuatro básicas:masa (que no se distinguía del peso), volumen (para expresar los líquidos y áridos),longitud y superficie. Es por ello que la metrología no se conocía como tal, y losconocimientos y técnicas de medida se englobaban dentro de la denominación depesas y medidas. Dentro de un sistema de pesas y medidas es esencial el máximogrado de uniformidad posible. Al mismo tiempo, es imprescindible ponerse de acuer-do sobre la denominación que se aplica a cada cantidad de referencia. Los sistemasde unidades primitivos resolvieron todo ello introduciendo las unidades como canti-dades concretas de referencia que materializaron como prototipos o patrones que secustodiaban y diseminaban cuidadosamente. Muchos de estos patrones primitivostuvieron un origen antropomórfico, relacionándolos con dimensiones o capacidadesde personas egregias.

En Mesopotamia, se emplearon sistemas sexagesimales y decimales, con una grancoherencia entre los múltiplos y submúltiplos de las unidades. Quizá el registro másantiguo de una unidad de longitud es el de la regla graduada existente en una estatuadel Louvre que data del 2130 a.C. La balanza de doble platillo para la medida demasas era un instrumento bien conocido por egipcios y sumerios dos milenios antesde nuestra era. Quizá la balanza más antigua de la que se posee constancia es laencontrada en una tumba de Naqada (Egipto) que data del 4500 a.C. Dos mil añosantes del cristianismo, en Mesopotamia y Egipto se determinaba el tiempo medianteel gnomon, una varilla que situada perpendicularmente al suelo permitía deducir la

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10 Capítulo 2. Metrología dimensional

hora en función de la longitud y posición de su sombra. Posteriormente estas dosculturas utilizaron los relojes de agua, empleados en Europa hasta el siglo XVII.

Durante el periodo que se extiende desde el siglo V a.C. hasta el siglo III d.C.(culturas griega y romana) la metrología continuó aportando a la sociedad los con-troles o parámetros precisos para regular numerosas funciones de la vida cotidiana,pero no para contribuir a un incremento del conocimiento científico. En relacióncon la comparación de masas, los romanos llevaron a cabo el perfeccionamiento dela balanza. A ellos se les atribuye la balanza de taras móviles y brazos desigualesque sólo poseía un platillo para la mercancía a pesar, aunque parece que ya eraconocida en Egipto y Mesopotamia hacia el año 1300 a.C. En cuanto a las medi-das del tiempo, utilizaron la clepsidra (reloj de agua) con un sistema de regulaciónautomática.

Desde el siglo III, en el que se acentuó el declive del imperio romano, hastael siglo XI, el desorden imperante en Europa no propició el desarrollo racional delos sistemas de pesas y medidas. A las unidades romanas se añadieron otras de losinvasores nórdicos, alcanzándose tal diversidad que resultaba frecuente encontrarunidades específicas, sin relación entre ellas. A partir del siglo XI, coincidiendo conel punto máximo de la influencia islámica, se inicia en Europa una etapa de ciertoprogreso técnico que se mantiene durante toda la Baja Edad Media y que preparael camino para la revolución científica que comienza con el Renacimiento.

En el aspecto instrumental, durante la Edad Media las aportaciones más signi-ficativas se producen sobre aparatos relacionados con la navegación y astronomía,varios de ellos desarrollados o introducidos en España por los árabes. Así cabe desta-car el astrolabio plano, probablemente inventado en Alejandría, y muy utilizado porlos navegantes árabes para determinar la latitud. Los árabes desarrollaron impor-tantes estudios sobre el peso y densidad de los cuerpos y perfeccionaron la balanzahidrostática.

Las exigencias de piezas más precisas en la fabricación mecánica, la navegaciónastronómica y, en menor medida, las necesidades de la alquimia y del comercio,determinan un desarrollo importante de los instrumentos de medida de longitud,tiempo y masa a partir del siglo XVI. La aparición de municiones de metal en laspostrimerías del siglo XV hace surgir la noción de calibre, lo que permite fabricarmunición de reserva. El primer instrumento para medidas precisas de longitud esel micrómetro. El fundamento de este instrumento se piensa que fue descubierto en1637 por Willian Gascoigne, astrónomo inglés. James Watt utilizó para la fabrica-ción de su máquina de vapor un micrómetro construido por él mismo. La primerapatente de un micrómetro básicamente semejante a los actuales fue desarrollada porel francés Jean Laurent Palmer, en 1848.

Con el gran desarrollo de los métodos de fabricación que se fue produciendo apartir de la Revolución Industrial, se hizo necesario asegurar con mayor exigencia lasmedidas de las magnitudes características de los productos industriales. Al mismotiempo, el impresionante avance de la ciencia y de la técnica durante los siglos XIXy XX determinó una creciente demanda de nuevos y mejores métodos de medida.

Los antiguos sistemas de pesas y medidas evolucionaron con posterioridad a la

2.2. Introducción 11

Revolución Industrial hacia sistemas de unidades, tal y como se conocen hoy en día,según dos modelos que se distinguen históricamente: los sistemas evolutivos, comoel Imperial Británico, que creció más o menos fortuitamente debido a su uso, y lossistemas planificados, tales como el actual Sistema Internacional (SI), que es de usogeneral por la comunidad científica internacional y la mayor parte de las naciones.

La especialización del trabajo y la demanda de mayores series de productos igua-les impusieron la necesidad de la intercambiabilidad. Esta intercambiabilidad no sealcanzó hasta el presente siglo con la introducción de las tolerancias en la especifi-cación de los componentes de cierta responsabilidad. Los primeros antecedentes dela intercambiabilidad a escala industrial se encuentran en los astilleros (Venecia, s.XV) y en los orígenes de la fabricación de armas de fuego.

En el congreso de Praga (1928), Francia propuso la adopción de un sistemainternacional para la definición de tolerancias. Nace el sistema ISA (InternationalFederation of the National Standardizing Association), que en 1947 fue sustitui-do por la normativa ISO de la recién constituida International Organization forStandarization (1946).

2.2. Introducción

El objetivo del tema es un mejor manejo de la información de control geométricode los procesos mediante la medición. De los procesos de medición depende:

Depende la capacidad de hacer ajustes.

Posibilita la división del trabajo.

Cumplir especificaciones de producto, y la mejora contínua de la Calidad.

Este tema ocupa el primer lugar del temario por su carácter de finalidad dentrode la «Ingeniería de Fabricación» pues se fabrica para satisfacer al cliente en calidad,precio y plazo.

2.3. Plan de Calibración

La información geométrica de una pieza viene dada por una serie de datos numé-ricos ordenados. Para que la pieza cumpla bien su función se requiere que todas lasdimensiones tengan un rango de valores fuera de los cuales no se puede asegurar quela pieza cumpla su misión. Este rango se le suele denominar tolerancia de diseño.

Cuando se fabrica una pieza, antes de ponerla en servicio o de venderla se pro-cede a la medición de cotas para comprobar que las dimensiones están dentro delas tolerancias permitidas en el diseño. Esta comprobación se realiza mediante un«instrumento de medida».

El instrumento de medida debe estar calibrado de forma adecuada para que lamedida sea correcta. Si el proveedor y el cliente han quedado en unas dimensionesconcretas, ambos hablarán el mismo lenguaje y sus medidas deben ser equivalentes.


El punto de referencia común es el patrón mediante el cual se han calibrado susrespectivos instrumentos de medida.

2.3.1. Definiciones

Patrones: Son aquellos objetos o instrumentos que permiten materializar y re-producir las unidades de medida o los múltiplos y submúltiplos de ellas.

Trazabilidad metrológica: La propiedad del resultado de una medición o de unpatrón por la que se puede relacionar con referencias determinadas, generalmente apatrones nacionales o internacionales, por medio de una cadena ininterrumpida decomparaciones teniendo todas las incertidumbres determinadas.

Diseminación de unidades: Proceso que, en sucesivos escalones, tiene por objetofacilitar a empresas y organismos a partir de patrones primarios u otros aceptadoscomo tales, patrones de nivel de precisión inferior.

Mediante un plan de calibración adecuado se puede tener controlado el gradode precisión de un instrumento.

Esta cadena incluye los siguientes patrones:

Patrón Nacional. Es el patrón primario por encima del cual no hay ninguno.

Patrón Nacional de referencia. Se usa para preservar el primario de posiblescontingencias.

Patrones de Calibración. Realizan la diseminación y abastecen a distintossectores

Patrones de Transferencia. Son móviles y establecen el enlace con los labora-torios locales.

Patrones de Calibración de Laboratorio. Abastecen a una zona.

Patrones Industriales. Cada taller tiene los suyos. Con ellos se calibran losinstrumentos que realizan directamente la medida.

2.4. Cualidades de un instrumento de medida

A continuación se expone un extracto del vocabulario usado en metrología, re-lativo al instrumento de medida:

Campo de medida: Intervalo de valores que puede tomar la magnitud a medircon un instrumento de manera que el error de medida, operando dentro de lascondiciones de empleo, sea inferior al máximo especificado para el instrumento. Unaparato puede tener varios campos de medida.

Alcance: Valor máximo del campo de medida.Escala: Conjunto ordenado de signos en el dispositivo indicador que representan

valores de la magnitud medida.

2.4. Cualidades de un instrumento de medida 13

División de escala: Intervalo entre dos valores sucesivos de la escala. Hay ins-trumentos de división constante y de división variable

Sensibilidad : Se expresa por el cociente entre el incremento observado de lavariable (en el lugar de apreciación) y el incremento correspondiente de la magnitudmedida. Está relacionado con el sistema de amplificación usado para apreciar lasdiferencias de magnitud.

Precisión: Cualidad que caracteriza la aptitud de un instrumento para dar in-dicaciones próximas al valor verdadero de la magnitud medida, teniendo en cuentatanto los errores sistemáticos como los aleatorios.

Incertidumbre: Ha sido práctica usual llamar precisión a la expresión cualitativade los errores de medida. La tendencia moderna es emplear incertidumbre para laexpresión cuantitativa.

Repetitibilidad : Grado de concordancia entre los resultados de mediciones sucesi-vas de la misma magnitud, obtenidos con el mismo método, por el mismo observador,con los mismos instrumentos de medida, en el mismo laboratorio y a intervalos detiempo suficientemente cortos.

Reproducibilidad : Grado de concordancia entre los resultados de mediciones suce-sivas de la misma magnitud y con el mismo método, pero en condiciones diferentes;por ejemplo, con diferentes instrumentos de medida, por diferentes observadores,en diferentes laboratorios, a intervalos de tiempo suficientemente grandes compa-rados con la duración de un medición, en diferentes condiciones de empleo de losinstrumentos de medida, etc.

Dispersión: Grado de separación o diseminación que presentan las observacioneso medidas de una serie. Normalmente se estima en por el valor máximo absoluto delas desviaciones de dicha serie.

Reversibilidad : Diferencia de indicaciones de un instrumento de medida cuandose mide el mismo valor de la magnitud, bien creciendo o bien decreciendo ésta.

Fiabilidad : Facultad de un elemento, servicio o proceso para realizar una funciónrequerida bajo condiciones establecidas.

Sesgo o exactitud : Proximidad del valor medio estimado por un instrumentotras unas serie de medidas, al valor verdadero o preestablecido, realizadas sobre elmismo patrón, por el mismo operador y en el mismo lugar

Ejemplo de cálculo: Un instrumento para medida de longitudes entre 25 y 50mm, tiene una escala en la que cada trazo representa 0.01 mm y se encuentradibujado a una distancia de 2 mm del trazo contiguo. Se toman 20 medidas sobreun bloque patrón de 30 mm y se obtiene un valor medio de 30.03 mm.

Campo de medida= 50 - 25 = 25 mm Alcance= 50 mm División de escala= 0.01mm Sensibilidad = 2/0.01= 200 Sesgo: 0.03 mm

Todos los instrumentos de medida deben estar sometidos a un plan de calibra-ción, que garantice la trazabilidad de sus medidas.

En un laboratorio de metrología debe haber un diagrama de niveles en el queestén incluidos todos sus instrumentos de medida. En este diagrama habría unnivel de referencia en el que estarían los instrumentos calibrados en laboratoriosexternos y son lo que calibran a algunos instrumentos de niveles inferiores. Todos


U U

Tol. de diseño

Tol. fabr.

Figura 2.1: Tolerancia de fabricación

los instrumentos del laboratorio deben ser trazables con ese nivel de referencia. Losinstrumentos del último nivel son aquellos que son calibrados pero que no calibranningún otro instrumento.

Todos los instrumentos deben poseer:

Posición dentro del diagrama de niveles

Fichero de instrucciones

Archivo de datos. Histórico de todas sus calibraciones

Etiquetas de calibración

Carta de trazabilidad.

2.5. Relación entre tolerancia, incertidumbre y di-

visión de escala

En el control de una cota con su tolerancia, se ha de utilizar un instrumento capazde comprobarla. Como no hay instrumento absolutamente preciso, se establece unintervalo de control para determinar si una pieza cumple la especificación. El anchode este intervalo suele ser la tolerancia de diseño menos dos veces la incertidumbrede la medición, según la figura 2.1

Se recomienda que la relación entre la tolerancia de diseño y la incertidumbredel instrumento de medida con el que se compruebe guarde cierta relación:

3 <T

2U< 10 (2.1)

Razones técnicas por la derecha ya que se correría un alto riesgo de rechazarpiezas válidas. Razones económicas por la izquierda, ya que el coste del instrumentode medida crece exponencialmente con la precisión del mismo. Este criterio tambiénsirve al diseñador que debe establecer cotas e índices de calidad que sean realmentecomprobables.

2.6. Errores en la medición 15

Por otra parte la división de escala del instrumento de medida debe guardarcierta relación con la división de escala del mismo:

Si UE

< 0,5 Medida sencilla, muy repetitiva en la que es imposible tomar unamedida fuera distinta de la dimensión real de la pieza.

Si 1 ≤ UE

< 8 Medida de precisión. Se requiere tomar varias medidas, ya que sepuede tener información de la medida real a partir de los distintos valores tomados.

Si UE

> 10 División de escala muy desarrollada. A la medida tomada le sobra almenos un dígito.

2.6. Errores en la medición

Una medición no indica la magnitud exacta de una dimensión debido a impre-cisiones tanto en la pieza a medir como en el instrumento de medida.

Sobre la precisión de fabricación de componentes mecánicos se suelen aplicar losprincipios de Causalidad y de Imperfección. El primero establece que todo error tieneuna causa y que las mismas causas producen los mismos errores. Si las causas sonconocidas, éstas producen una desviación que es por lo tanto corregible, por lo tanto,para eliminar los errores dimensionales o geométricos en procesos de mecanizadose necesita avanzar en el conocimiento (si es posible cuantitativo) de los factoresque influyen en el proceso y las causas que han podido dar lugar a estos errores. ElPrincipio de Imperfección establece que ningún fenómeno o sistema es totalmenteperfecto ni perfectamente conocido. Esto se traduce que siempre se podrá mejoraren los métodos de resolución de problemas de precisión en procesos de mecanizadocon el fin de obtener mejores prestaciones de los componentes fabricados. Los errorescorregibles se denominan errores sistemáticos o sesgos, el resto de errores son losaleatorios, sobre los cuales no se pueden tener ningún control.

Por un lado, la dimensión a comprobar en la medición no es entre dos puntos,sino entre dos planos, dos líneas, . . . los cuales implican un error geométrico. Deaquí que las medidas entre puntos de esas dos entidades sean entre puntos cuyadistancia es una variable aleatoria con una distribución estadística desconocida conuna media y una varianza.

Por otro lado se han de añadir los errores propios del instrumento de medida elcual habrá sido previamente sometido a un proceso de calibración que proporcionasu exactitud y su incertidumbre global.

Estudiando conjuntamente los dos errores y suponiendo que las medidas siguenuna distribución normal N(µ, σ), si te toman n medidas un estimador del valor realµ y su desviación típica σ será:

µ ≈ x =

∑

xi

n

σ2 ≈ s2 =

∑

(xi − x)2

n − 1

(2.2)

Como es lógico x también será una distribución estadística normal N(µ, σ√n),

pero lo que interesa saber es la información que x nos ofrece sobre el valor real


de la dimensión µ. Para ello existe una distribución t-Student para determinar unintervalo de valores (intervalo de seguridad) entre los que se encuentra el valor realµ con una probabilidad 1 − α (nivel de confianza). Así queda:

Pr

(

x − ts√n

< µ < x − ts√n

)

= 1 − α (2.3)

El valor de t se puede obtener mediante tablas en función de los grados delibertad n − 1 y el nivel de confianza 1 − α.

Esta sería la forma de obtener la incertidumbre de una medición para un de-terminado nivel de confianza. Sin embargo, la distribución no suele ser Normal, yel valor medio del muestreo tampoco es una Normal alrededor del valor real, puesel instrumento de medida tiene en sí un sesgo. Los sistemas de medición industria-les han establecido otros procedimientos para determinar las incertidumbres de lasmedidas.

2.7. Medidas indirectas

Para estimar el valor real de una medida en relación al patrón internacionalcorrespondiente, se tiene que los errores de comparación se van propagando en cadauna de las calibraciones. Lo que interesa al medidor es garantizar que el valor realestá en un intervalo de seguridad (dado por el valor medio y la incertidumbre) con unnivel de confianza adecuado (dado por el factor de cobertura K de la incertidumbre).

2.7.1. Ley de propagación de varianzas

Cuando una variable aleatoria y depende de otras variables aleatorias xi in-dependientes unas de otras, suponiendo que todas siguen una ley de distribuciónNormal, se puede estimar la varianza de y determinando la media cuadrática de loserrores debidos a cada una de las variables xi:

u2y =

(

∂y

∂x1

)2

x1

u2x1 + · · · +

(

∂y

∂xn

)2

xn

u2xn (2.4)

Cuando alguna variable xi es discreta (obtenida por muestreo) su varianza uxi

se estimará por si, y ∂y∂xi

por 1√ni

.Este es el medio más usual para obtener la incertidumbre de las medidas a partir

de la propagación de errores en la cadena de calibración.

2.7.2. Calibración de un instrumento de medida

Calibrar un sistema medidor es hallar la desviación sistemática o corrección yla dispersión o incertidumbre del medidor al compararlo con un patrón de mayorprecisión previamente calibrado.

2.7. Medidas indirectas 17

En el proceso de calibración se realizan nc medidas sobre un bloque patrónobteniendo un valor medio Xc y un estimador de la desviación típica sc.

El sesgo o error sistemático del instrumento ∆Xc = X0 − Xc. Siendo X0 lamedida nominal del bloque patrón.

La incertidumbre de la medida será calculada a partir de la incertidumbre aso-ciada al bloque patrón U0 y aplicando la ley de propagación de varianzas:

(

U

K

)2

=

(

U0

K0

)2

+ s2c

(

1

nc

+1

n

)

(2.5)

Como se puede observar, la incertidumbre de la medida es mayor que la delpatrón. Para obtener mayor precisión se requiere valores bajos de sc y altos de nc.Y cuanto mayor sea el número de medidas n menor será la incertidumbre.

Para simplificar el procedimiento se suele proceder a establecer la incertidumbreglobal del instrumento de medida para todo el campo de medida de éste. Para elloel sistema de calibración industrial (SCI) ha establecido el siguiente procedimiento:

1. Se escogen bloques patrón cuyas medidas van a representar el campo de me-dida del instrumento. Cada uno de estos bloques patrón tendrá una medidax0 y una varianza u0

2. Se establece el número de medidas calibradoras que se van a realizar sobrecada bloque patrón nc.

3. Después de realizar las nc medidas sobre cada bloque se obtienen valoresmedios xci y las desviaciones típicas sci de las medidas realizadas.

4. Mediante un criterio de control (por ejemplo el de Chauvenet) se compruebanque las medidas realizadas pertenecen a la misma distribución estadística.

5. A partir de las desviaciones parciales en cada bloque patrón ∆Xci = X0 −xci

se obtiene el sesgo global del instrumento ∆Xc = (Σ∆Xci)/n

6. La incertidumbre local en la medida de cada bloque patrón será calculada apartir de la varianza. Es decir:

u2i = u2

0 +s2

ci

nc

(2.6)

Ui = K · ui (2.7)

7. Para hallar la incertidumbre se calcula primero la desviación de la media encada bloque patrón δi = ∆Xc−∆Xci. La incertidumbre global del instrumentoserá:

U2 = máx{δ2i + U2

i } (2.8)


H2

H1

a

L

r

Figura 2.2: Regla de Senos para medir ángulo α

Las cualidades del instrumento en cuanto a la precisión quedarán representadospor el sesgo ∆Xc y la incertidumbre U indicando el factor de cobertura utilizadoK entre paréntesis.

El criterio de Chauvenet, señalado en el punto 4 del procedimiento, consiste enrechazar las medidas (y por lo tanto volverlas a tomar) que se desvíen de la mediamás de una relación con el estimador de desviación típica. Ej.: Para una calibraciónrealizada con nc = 10 una vez calculada la media xc y la desviación típica sc, serechazarán todos los valores xi que cumplan | xi − xc |> Knsc siendo Kn un valortabulado que toma un valor de Kn = 1,96 para nc = 10.

2.7.3. Métodos de medida indirecta más usuales

Se exponen a continuación algunos métodos para la determinación de ángulos yradios de modo indirecto.

Regla de senos

senα =H1 + d1 − H2 − d2

L(2.9)

Conicidad exterior

tg(α/2) =M1 − M2

2(L1 + r1 − L2 − r2)(2.10)

2.7. Medidas indirectas 19

M

r

L

Figura 2.3: Método para medir conicidad exterior

H1

H2

r1

r2

Figura 2.4: Método para medir conicidad interior


bR

c

Figura 2.5: Funcionamiento de la sonda de rodillos fijos

Conicidad interior

senα

2=

r2 − r1

H1 + r1 − H2 − r2

(2.11)

Sonda de rodillos fijos

R =b2 − 2rb + (c/2)2

b(2.12)

2.8. Rugosidad superficial

La rugosidad de una superficie se suele obtener mediante un rugosímetro queexplora dicha superficie y obtiene un perfil de la superficie z(x) siendo x la dimensiónde la longitud explorada. A partir de este perfil se definen los siguientes parámetrosque caracterizan la rugosidad superficial.

Longitud de exploración, L: Es la longitud del perfil geométrico explorado porel rugosímetro.

Longitud básica, l: Es la longitud del perfil geométrico elegida para evaluar larugosidad. Suele coincidir con la longitud de exploración.

Línea media de perfil: Situada a una cota z0 es el valor medio de la funciónz a lo largo de la longitud básica l. Es la línea que divide al perfil efectivo,de manera que entre los límites de la longitud básica, la suma de las áreas

2.9. Problemas de metrología 21

encerradas por encima de esta línea y el perfil efectivo, es igual a la suma delas áreas encerradas por debajo de ésta línea y el citado perfil, a nuestra líneade referencia. Se calcula de la siguiente forma:

z0 =1

l

∫ l

0

z(x)dx (2.13)

Rugosidad media, Ra: Es la media de la desviación del perfil respecto a lalínea media z0. Su cálculo matemático sería:

Ra =1

l

∫ l

0

|z(x) − z0| dx (2.14)

Rugosidad total o máxima, Rt: Es la desviación máxima entre pico y valle.

Rt = zmax − zmin (2.15)

Desviación típica, Rs: Es la raíz cuadrada de la media de los cuadrados de ladesviación del perfil respecto de su media.

Rs =1

l

√

∫ l

0

(z(x) − z0)2dx (2.16)

Para caracterizar la rugosidad superficial se usará Rt, Ra, o Rs dependiendo delfin para el cual se esté caracterizando. El más sencillo de calcular es Rt, pues norequiere el empleo de ningún cálculo especial. El más usado es Ra pues su medidaes mucho más repetitiva que la de la rugosidad total, y es el parámetro cuya re-presentación está normalizada. La desviación típica de alturas Rs es un valor másrepetitivo que el valor de Ra, pero su cálculo no ha sido posible hasta la apariciónde rugosímetros con salida digital, por lo que no está todavía muy extendido. Enlos estudios de mecánica de contacto se suele caracterizar la superficie por Rs.

2.9. Problemas de metrología

1. Para calibrar un instrumento de medida en un punto de su escala, se empleaun patrón de 30 mm e incertidumbre U0 = 0,4 mm (K0 = 3) obteniéndoselos valores siguientes: 30.001, 29.992, 29.993, 29.999, 29.996, 30.001, 29.995,29.997, 30.002, 29.994.

Una vez calibrado el instrumento se mide una pieza tres veces obteniéndoselas medidas: 29.998, 30.001, 30.004.

Se pide medida e incertidumbre de la pieza.

R: 30,004 ± 0,011 mm (K=3)


2. Un taller va a mecanizar el exterior de un eje cilíndrico con dimensiones es-pecificadas 2R = 50 ± 0,025 mm. En la fase de preparación se mecaniza unapieza y se comprueba un radio situando ésta sobre un mármol y aproximándo-le dos varillas calibradas por ambos lados, tomando la cota M entre las partesexternas de los rodillos.

Los rodillos tienen un radio de 10 mm con incertidumbre de 2 µm con K = 2,y el aparato de medida tiene una incertidumbre de 3 µm con K = 2. La cotaM da un valor de 83.858 mm.

Calcular el radio de la pieza fabricada e incertidumbre del procedimiento.

R

r

M

R: D = 50,973 ± 0,0214 mm (K=2)

3. Calcular la conicidad del cono de la figura cuando M1 = 100, r = 8, y L1 = 20.Si se toma otra medida con L2 = 10, resulta que M2 = 75. (Las unidadesvienen en mm)

Si además se sabe que la incertidumbre de L es UL = 0,006 + 0,001 · L (conKL = 2), y que UM = 0,02 (con KM = 2). Determinar la incertidumbre de lamedida de la conicidad para un K = 3.

M

r

L

4. Se pretende medir un ángulo mediante una regla de senos y bloques patrón, talcomo se muestra en la figura. Los datos numéricos son los siguientes: L = 50;r = 10; H1 = 20; H2 = 42. Las incertidumbres son: Ur = 0,01; UH1 = 0,005;y UH2 = 0,007, todas con K = 2. Calcular α y su incertidumbre en gradossexagesimales.

Todas las magnitudes longitudinales vienen en mm

2.9. Problemas de metrología 23

H2

H1

a

L

r

R: α = 0,45559 ± 0,001959 rad (K=2)

5. En la medida de una conicidad interior se han utilizado una sonda de profun-didad y dos esferas calibradas tal como se indica en la figura. Si la incerti-dumbre del instrumento de medida es de UH = 0,01 y las de las esferas sonUR = 0,007×R calcular la conicidad y su incertidumbre en grados. Todas lasunidades vienen en mm. Todas las incertidumbres se calculan con K = 2

H1

H2

r1

r2

R: α = 11,46 ± 0,373◦ (K=2)

Capítulo3

Introducción a la Ingeniería deCalidad

3.1. Introducción

Antes de entrar un producto en el mercado en el mercado, o transferir los compo-nentes para su montaje, los productos son inspeccionados en algunas de sus carac-terísticas. Esta inspección tiene especial importancia para asegurar que las partesvan a ajustar adecuadamente durante el montaje, y para identificar productos cuyamala calidad puede acarrear serios daños en la seguridad del trabajador, en la eco-nomía de la empresa u otra fatalidad cualquiera. Ejemplos típicos son la fracturade cables, de frenos, de álabes de turbinas, etc.

En este capítulo se describen algunos métodos sencillos muy usados para ins-peccionar los productos fabricados.

3.2. Calidad del producto

Usamos términos como calidad pobre o alta calidad para describir in produc-to particular, cierto almacén, . . . . £Qué es la calidad? Aunque la podemos reconoceren algunos productos, técnicamente es muy difícil de establecer con precisión.

Calidad se puede definir por:

La adecuación de un producto para su uso

La totalidad de características que determinan sobre la capacidad de un pro-ducto para satisfacer una necesidad determinada. Más recientemente , algunas

25

26 Capítulo 3. Introducción a la Ingeniería de Calidad

dimensiones de la calidad han sido identificadas, incluidas las prestaciones delproducto, dimensiones, durabilidad, fiabilidad, estética, y calidad percibida.

La calidad tiene factores que se pueden definir técnicamente, pero también de-pende de opiniones subjetivas.

Normalmente, todas las mejoras en la planificación de la fabricación así como ensu automatización se deben llevar a cabo sin una perdida de la calidad del producto.

Al contrario de lo que la gente suele creer, un aumento de calidad puede resultaractualmente en una reducción de coste del producto considerando que la calidadpobre trae consigo:

Coste por insatisfacción del cliente, que puede hacer que se pierda

Aumenta las dificultades en el montaje y en el mantenimiento de los compo-nentes

Aumenta el número de reparaciones en campo.

3.3. Aseguramiento de la Calidad

El Aseguramiento de Calidad se puede definir como todas las acciones nece-sarias para garantizar que se cumplirán todos los requisitos de calidad. Es el esfuerzototal que un fabricante hace para garantizar que su producto es conforme a un con-junto detallado de especificaciones y normas. Mientras que Control de Calidad esel conjunto de técnicas operacionales usadas para cumplir las requisitos de calidad.

Para realizar un control de calidad se requiere:

Medir cuantitativamente el nivel de calidad

Identificar todos los materiales y las variables del proceso que pueden sercontroladas

El aumento de la competencia global ha hecho que el aseguramiento de la ca-lidad sea cada vez más importante. La calidad abarca ahora todas las fases delciclo del producto (diseño, producción, montaje, venta, servicio post-venta,. . . ). Elaseguramiento de la calidad requiere evaluar tanto el producto como la satisfaccióndel cliente. La suma de todas las actividades se denomina Total Quality Mana-gement (TQM).

Conceptos relacionados con el TQM son:

Prevención de defectos en lugar de detección de defectos

Mejora continua de las operaciones mediante el liderazgo y trabajo en equipo

Control sobre los procesos y no sobre las partes producidas.

Círculos de calidad. Que consisten en reuniones frecuentes de grupos de traba-jadores con el objeto de mejorar y mantener al calidad del producto en todoslos pasos de proceso de fabricación

3.4. Ingeniería de calidad como filosofía 27

3.4. Ingeniería de calidad como filosofía

Algunos expertos en control de calidad han descrito su propio concepto de ca-lidad estableciendo como unos primeros principios de los cuales derivan todas laselaboraciones prácticas que presentan sus sistemas de calidad. Entre estos expertoscabe destacar Deming, Juran y Taguchi por el impacto que han tenido y siguenteniendo en la industria actual.

3.4.1. Métodos de Deming

W.E.Deming (1900-1993) es famoso por las conferencias que impartió a empre-sarios japoneses después de la 2da guerra mundial, y a él se atribuye el despegueindustrial de Japón. Posteriormente es recordado por sus 14 puntos por los cualesidentifica a la fábrica que produce productos de alta cualidad.

1. Crear un ambiente de constancia en el propósito de mejorar la calidad de losproductos y servicios

2. Adoptar la nueva filosofía

3. Dejar de depender de la inspección en masa para conseguir la calidad

4. Acabar con la práctica de premiar a la empresa sobre la base del índice deprecios

5. Mejorar constantemente y siempre el sistema de producción y servicio, paramejorar la calidad y la productividad, y así disminuir constantemente el coste

6. Instituir el entrenamiento en el trabajo

7. Instituir el liderazgo (en lugar de la supervisión)

8. Desterrar el miedo para que todos puedan trabajar efectivamente

9. Romper las barreras entre departamentos

10. Eliminar slogans, exhortaciones, y objetivos para el cero defectos y los nuevosniveles de productividad

11. Eliminar las cuotas de producción y la dirección por números, objetivos nu-méricos. Sustituir por el liderazgo

12. Quitar obstáculos que roben al trabajador el orgullo de tener una habilidad

13. Instituir un programa riguroso de educación y automejora

14. Poner a trabajar a todos los miembros de la compañía en realizar esta trans-formación


3.4.2. Juran Methods

J.M. Juran (1904- ) resalta las siguientes ideas:

Reconocer la calidad en todos los niveles de una organización, incluida la altadirección

Fomentar una cultura corporativa de responsabilidad

Entrenar a todo el personal en planificar, controlar y mejorar la calidad

Su libro Manual de Control de Calidad en dos tomos es ampliamente uti-lizado en la industria y ha sido la base para el establecimiento de la normas decalidad ISO 9000.

3.4.3. Taguchi Methods

G.Taguchi (1924- ) resalta la importancia de :

Reforzar la interacción entre equipos multidisciplinares, sobre todo entre losingenieros de diseño y los ingenieros de fabricación

Implementación de un diseño experimental en los que los factores involucradosen un proceso o operación y sus interacciones son estudiadas simultáneamen-te. Esto se realiza mediante un análisis factorial y con el uso de vectoresortogonales, de forma similar a como lo hace el Diseño de Experimentos.

Entre los conceptos aportados por Taguchi se encuentran a robustez y la funciónde pérdida de calidad.

Robustez

Un diseño, proceso, o sistema es robusto si continúa funcionando dentro de unosparámetros aceptables a pesar de la variabilidad del ambiente (variables imprede-cibles).

Función de Pérdida de Taguchi

Se define pérdida de calidad como la pérdida financiera de la compañía despuésde que un producto es rechazado. Dentro de estas pérdidas se incluye:

La mala calidad lleva a la insatisfacción del cliente

Costes de reparaciones y servicios de los productos defectuosos, algunos en elcampo

Disminuye la credibilidad del fabricante en el mercado

El fabricante pierde la fracción del mercado, al menos eventualmente.

3.5. Normalización 29

En la contabilidad tradicional, una pieza es defectuosa y por lo tanto incurre enuna pérdida económica si está fuera de tolerancia de diseño, si no, no hay pérdidapara la compañía. Sin embargo, para Taguchi, la desviación respecto al objetivo dediseño ya constituye un pérdida de calidad por insatisfacción del cliente.

Si Y es el valor medio de la fabricación, T es el valor objetivo de diseño, s esla desviación típica, la función de pérdida se puede representar como una parábolacon vértice en la función objetivo y 0 perdida de calidad, y en sus extremos (enel Límite de Control Inferior (LCI) y en el Limite de Control Superior )LCS)) detolerancia de diseño adquiere el valor de sustitución de una pieza:

Coste de pérdida = k[

(Y − T )2 + s2]

(3.1)

con lo que la constante k de la parábola tiene un valor de:

k =Coste de sustitución

(LCI − T )2(3.2)

3.5. Normalización

Las características del mercado global han creado la necesidad de establecer unahomogeneidad internacional mediante consenso de unos métodos para el estableci-miento de la calidad, fiabilidad y seguridad de los productos.

3.6. Normativa de la ISO 9000

La serie ISO 9000 incluye las siguientes normas:

ISO 9001 Modelo de aseguramiento de la calidad en el diseño, producción,instalación y servicio

ISO 9002 Modelo para el aseguramiento de la calidad en la producción y enla instalación

ISO 9003 Modelo para el aseguramiento de la calidad en la inspección final yen los ensayos

ISO 9004 Gestión de la Calidad y elementos de un sistema de calidad: Líneasde actuación

3.7. Normativa ISO 14000

Al igual que se ha realizado con la calidad, el impacto ambiental de los productos,también pueden estar sujetos a normativa, en concreto a la norma ISO 14000. Lasactividades que regula pueden ser internas o externas a la compañía.


Las actividades que regula esta norma abarcan desde la producción hasta laretirada de servicio del producto, e incluye los efectos sobre el entorno que producenestas actividades como son la polución, la generación de desechos y su disposición,ruido, impacto sobre los ecosistemas y los recursos naturales, y el uso de la energía.

Capítulo4

Introducción a los procesos demecanizado

4.1. Introducción histórica

Las técnicas de corte de metales han sufrido una notable evolución hasta llegara las máquinas herramienta de control numérico de nuestros días, que son capacesde llevar a cabo operaciones de corte complicadas mediante la ejecución de unprograma. El desarrollo de estos procesos ha venido marcado por factores talescomo la obtención de mecanismos capaces de articular el movimiento de corte,la aparición de máquinas de generación de energía como la máquina de vapor, laimplantación de técnicas de control numérico y la investigación acerca de nuevosmateriales para herramientas.

El empleo de los procesos de arranque de material para la fabricación de compo-nentes se remonta a la Prehistoria. Los primeros materiales que fueron conformadospor arranque de material fueron la piedra y la madera. Existen evidencias arqueo-lógicas de que los egipcios emplearon mecanismos rotatorios formados por palos ycuerdas para realizar taladros.

Posteriormente se trataron de aplicar los procesos que se habían desarrolladopara el corte de materiales como la madera, para la conformación de piezas metáli-cas. Una de las primeras máquinas para el corte de metales es el torno de pértiga,que se inventó alrededor de 1250.

A principios del siglo XV se diseñó un torno con transmisión por correa y accio-namiento mediante una manivela. Durante esta época se produjeron avances comoel diseño de un torno para roscar por Leonardo da Vinci, la construcción de unamáquina cepilladora en 1550 por Marx Lobsinger, la introducción del contrapunto

31

32 Capítulo 4. Introducción a los procesos de mecanizado

en el torno, el apoyo de la herramienta y el mandril alrededor de 1568 y el diseño deun torno con carro porta-herramientas conocido como torno de Vaucason en 1760.

Algunos autores consideran que la primera máquina herramienta fue la mandri-nadora de John Wilkinson, construida alrededor de 1774. La energía consumida poresta máquina perforadora era suministrada por medio de un accionamiento hidráu-lico y sin ella no habría sido posible fabricar la máquina de vapor de James Watt.Cuando James Watt diseñó su máquina de vapor en Inglaterra alrededor de 1763,uno de los problemas con que tropezó fue la necesidad de que la superficie interiordel cilindro presentara la precisión suficiente para que el vapor no se escapase porel lateral del pistón. Hasta que apareció la máquina mandrinadora de John Wilkin-son no existían métodos adecuados para obtener tolerancias tan estrechas como lasrequeridas para la máquina de vapor de James Watt.

Después de los diseños elaborados por Leonardo da Vinci en el siglo XV y Bes-son en 1569, Henry Maudsley desarrolló el primer torno cortador de tornillos enInglaterra alrededor de 1800. Algunos autores consideran que la primera máquinacepilladora fue la construida por Roberts en 1817, pero en realidad esta catego-ría corresponde a la máquina fabricada por Bramah en 1802. La primera máquinafresadora fue construida por Eli Whitney en Estados Unidos en 1818. En 1835,Whitworth fabricó un taladro de columna y en 1836 James Nasmyth diseñó la pri-mera máquina limadora.

El primer torno automático fue construido por Shipe en 1842. La máquina devapor permitió automatizar el movimiento de avance de la herramienta, haciendoposible efectuar las operaciones de roscado con una precisión mucho mayor. En 1846James Nasmyth construyó una máquina de taladrar que hizo posible la ejecuciónde agujeros de gran precisión y en 1851 Cocquilhat publicó el primer trabajo cien-tífico sobre el corte de metales, estableciendo las primeras relaciones entre energíaconsumida y material separado en el taladrado. En 1860 Moseley fabricó la pri-mera rectificadora cilíndrica y Joesel llevó a cabo las primeras experiencias sobrevelocidades de corte y ángulos de filo recomendables para procesos de mecaniza-do, basándose en la relación entre la cantidad de material separado y la energíaabsorbida.

En 1861 la firma Brown y Sharpe construyó la primera fresadora universal.En 1871 se empezaron a utilizar herramientas de acero aleado y en 1891 Achesondescubrió el primer abrasivo artificial, el carburo de silicio. Después de los primerosestudios sobre formación de la viruta, realizados por Time en 1870, y los estudiossobre la formación de la viruta como un proceso de deformación plástica, así como lainfluencia de los lubricantes, llevados a cabo por Malloch en 1881, en 1893 Zovrykinefectuó un estudio sobre la geometría de la viruta y de las fuerzas de corte.

En 1898 la sociedad Pratt y Whitney construyó un torno automático con carga-dor automático de piezas. La primera brochadora fue construida en 1899 por Smithy Coventry. En 1898 Taylor y White fabricaron las primeras herramientas de acerorápido y en 1906 se mejoraron las propiedades de estas herramientas con la adiciónde vanadio. En 1907 Taylor y White publicaron el trabajo On the art of cutting

metals y en 1925 Schlesinger llevó a cabo la medición de las fuerzas de corte y

4.2. Introducción 33

estableció normas para la verificación de máquinas-herramienta. Un año después,en 1926, Hebert demostró que la formación de la viruta está unida a un proceso decizallamiento.

En 1930 la firma alemana Krupp comenzó a fabricar herramientas de metal du-ro o carburo sinterizado. Estas herramientas estaban constituidas por carburo detungsteno o compuestos similares que no se encuentran directamente en la natu-raleza sino que se obtienen por metalurgia de polvos. El carburo de tungsteno fuefabricado por primera vez a finales del siglo XIX por el francés Henri Moissan, perosu importancia tecnológica no fue apreciada hasta dos décadas después.

En 1940 se estableció la teoría de Ernst y Merchant sobre el corte de los metalesy Palmer y Oxley publicaron Mechanics of the ortogonal machining. En esta época,concretamente en 1943, Lazarenko descubrió el mecanizado por electroerosión.

Uno de los factores que han influido considerablemente en el desarrollo de losprocesos de mecanizado ha sido la aparición de nuevos materiales para herramientascapaces de elevar la velocidad de corte y trabajar con materiales de propiedadesmecánicas más exigentes. En 1955 se empezaron a utilizar las primeras herramientascon recubrimiento cerámico. La mayoría de máquinas herramienta convencionalesempleadas hoy en día responden al mismo diseño básico de las versiones antiguasdesarrolladas durante los dos últimos siglos. El desarrollo del ordenador permitióla construcción de máquinas herramienta de control numérico y en los años 50 sedesarrollaron los centros de mecanizado, máquinas herramienta de control numéricocapaces de realizar varias operaciones de corte.

La aparición de nuevos materiales de mayor dureza y resistencia hace necesarioel empleo de procesos de mecanizado no convencional. Estos procesos comprenden,entre otros, el mecanizado por electroerosión, mecanizado ultrasónico y corte porchorro abrasivo, y permiten a su vez la obtención de geometrías complejas para lascuales no se pueden emplear los procesos de mecanizado convencional tales como eltorneado, taladrado o fresado.

En la actualidad los procesos de mecanizado en general están siendo sometidosa un estudio exhaustivo de características tales como las fuerzas de corte y ma-teriales para herramienta que permitan mejorar la productividad del proceso sinperjudicar el acabado de las superficies mecanizadas, determinar la influencia delas fuerzas de corte en las vibraciones de las máquinas herramienta y establecer larelación existente entre los mecanismos de desgaste de la herramienta y las condi-ciones de corte, así como diseñar herramientas que permitan reducir las toleranciasdimensionales y mejorar las condiciones de mecanizado de materiales de elevadaspropiedades mecánicas y materiales compuestos.

4.2. Introducción

Los procesos de mecanizado por arranque de viruta están muy extendidos en laindustria. En estos procesos, el tamaño de la pieza original circumscribe la geometríafinal, y el material sobrante es arrancado en forma de virutas. La cantidad de desecho


va desde un pequeño porcentaje hasta un 70-90% de la pieza original.Comparando este tipo de fabricación con otros métodos para conseguir la geo-

metría final se incluyen ventajas e inconvenientes según los casos.Entre las ventajas de este tipo de procesos de mecanizado, que son las razones

por las que su uso está tan extendido, están:

Se consigue una alta precisión dimensional en sus operaciones

Pueden realizar una amplia variedad de formas

No cambia la microestructura del material por lo que conserva sus propiedadesmecánicas

Se consigue texturas superficiales convenientes para los distintos diseños

Son procesos fáciles de automatizar siendo muy flexibles

Requiere poco tiempo de preparación

Poca variedad de herramientas

Por otra parte, también tiene desventajas respecto a los otros procesos de fabri-cación, sobretodo respecto a los de conformado por deformación plástica y los defundición:

Genera material de desecho en muchos casos no reciclable

Requieren una mayor energía de proceso

Los tiempos de producción son elevados

El tamaño de las piezas está limitado al permitido por la máquina herramienta

Suelen ser poco económicos cuando el tamaño de lote es muy elevado

4.3. Generación de superficies

El principio de generación de superficies en este tipo de procesos es el bidimen-sional, ya que la geometría de la herramienta sólo posee información de un punto oelemento de superficie de la geometría final. Esto tiene como ventaja la flexibilidadpara generar mucha variedad de superficies con la misma herramienta. Para gene-rar la superficie se requieren al menos dos movimientos relativos entre la pieza y laherramienta.

La geometría de la pieza final se origina mediante la combinación de dos ele-mentos: La geometría de la herramienta, y el patrón de movimientos relativos entrela pieza y la herramienta. Las máquinas herramienta son las encargadas de generaresos movimientos relativos aportando la energía necesaria al proceso.

4.4. Formación de viruta 35

De los dos movimientos relativos mínimos para generar la superficie, suele haberuno que es el que consume la mayor parte de la potencia de la máquina. Este movi-miento se le suele denominar movimiento primario o de corte. El otro movimientose usa combinado con el movimiento de corte para ayudarle a eliminar el materialsobrante, este movimiento es llamado movimiento de avance.

Estos movimientos pueden ser a su vez lineales o circulares, pueden llevarlos laherramienta o las piezas indistintamente. Esto hace que haya mucha variedad demáquinas herramientas para generar las superficies: A modo de ejemplo veamoscómo se combinan estas variables en las máquinas herramientas más usuales:

Herramienta Mov. Tipo mov. PortadorLimadora Mc Lineal Herramienta

Ma Lineal PiezaCepilladora Mc Lineal Pieza

Ma Lineal HerramientaTorno Mc Circular Pieza

Ma Lineal HerramientaFresadora Mc Circular Herramienta

Ma Lineal PiezaTaladradora Mc Circular Herramienta

Ma Lineal Herramienta

4.4. Formación de viruta

En el estudio de la formación de viruta se va a suponer que la herramienta esun diedro que desliza sobre la superficie que está generando. Esta superficie está unpoco por debajo de la superficie de la pieza original, de forma que su movimientoprovoca el desprendimiento de la viruta del material base. La intersección de losdos planos del diedro es una recta que es el filo S de la herramienta. Las dos carasde este diedro son:

Cara de incidencia o flanco de la herramienta Aα, que es el plano más cercanoa la superficie generada

Cara de desprendimiento Aγ que es el plano por el que desliza la viruta

Esta herramienta desliza sobre la superficie con una velocidad ~vc que es la ve-locidad de corte, se puede definir como la velocidad instantánea del movimiento decorte respecto la pieza y suele medirse en m/min.

Si esta velocidad es perpendicular al filo, se dice que el corte es ortogonal, en otrocaso se dice que el corte es oblicuo. El corte ortogonal es más sencillo de estudiar queel corte oblicuo ya que se presenta un estado de deformación plana. La superficiegenerada por encima de la cual se elimina el material por la cara de desprendimientoes el plano de filo Ps y viene definido por el filo S y la velocidad de corte.

Otras definiciones de conceptos importantes son:


Avance: Es el movimiento que agregado al de corte conduce a la elimina-ción progresiva de material. Suele medirse en mm/s, mm/rev, mm/diente,mm/pasada, . . . .

Espesor de viruta sin deformar ac: Es el espesor de la viruta medido perpen-dicular al filo y en un plano perpendicular al corte.

Espesor de viruta deformado ao: Es el espesor de viruta medido después delcorte.

Relación de corte rc: es el cociente entre el espesor de viruta no deformado yel espesor de viruta deformado. rc = ac

ao< 1.

Ancho de viruta aW : es el ancho de la viruta medido en la dirección del filo.

Área de corte Ac: es el área perpendicular la velocidad de corte que es barridapor la herramienta.

Área de avance Af : es el área perpendicular a la velocidad de avance barridapor la herramienta.

Tasa de arranque ZW : Volumen de material de la pieza arrancado por unidadde tiempo. Tiene unidades de caudal.

Si se analizan los fenómenos ocurridos en torno al arranque de viruta se obser-varía que:

La viruta es más dura y frágil que el material base

ao > ac por lo que rc < 1 siempre

La cara de la viruta que ha estado en contacto con Aγ es lisa y brillantemientras que la otra es oscura y rugosa

La viruta cambia de color al desprenderse del material

Se producen grandes incrementos de temperatura en la zona de corte

La forma de la viruta depende de la velocidad del material

El arranque de viruta en materiales dúctiles se produce mediante la deformaciónplástica que ocurre en una franja estrecha llamada plano de cizalladura. El materialdeformado desliza sobre la cara de desprendimiento venciendo fuerzas de rozamientoelevadas.

Se distinguen tres tipos básicos de viruta:

Viruta discontinua: se produce cuando se mecanizan materiales frágiles, y conmateriales dúctiles a velocidades muy bajas de corte. El corte se produce abase de pequeñas fracturas del material base.

4.5. Geometría de corte 37

Viruta con protuberancias o corte con recrecimiento de filo: se produce enmateriales muy dúctiles, o a velocidades de corte bajas. Cuando la fricciónentre la viruta y la herramienta es muy alta, se produce una adhesión muyfuerte entre el material de la viruta y la superficie de la herramienta, con lo quela viruta empieza a deslizar, no directamente sobre la cara de desprendimientosino sobre material adherido sobre ella. Este filo recrecido puede llegar a untamaño en el cual se desprenda el material adherido sobre la pieza o sobre laviruta dejando en todo caso un acabado superficial muy deficiente.

Viruta continua: Es el régimen normal de corte y es el que mejor acabadosuperficial deja.

Hay materials que pueden presentar los tres regímenes de corte citados depen-diendo de la velocidad de corte tomada.

4.5. Geometría de corte

Para estudiar la geometría de la herramienta se va a seguir el sistema de larecomendación ISO/DIS 3002. Esta norma establece un sistema de planos a partirde los cuales se van a definir los ángulos de corte.

La norma distingue entre geometría herramienta en mano y geometría herra-

mienta en uso. El primer sistema se usa con fines de fabricación y afilado de herra-mientas, mientras que el segundo se define cuando la herramienta está realmentecortando. Esta es una forma de tener en cuenta los efectos de los grandes avances ylos posicionamientos de las herramientas en las máquinas distintos de los estánda-res. Lo único que puede distinguir un sistema de otro es la dirección de la velocidadresultante y la dirección de la sujeción en el montaje.

De este modo en un punto del filo O de la herramienta se puede definir unsistema de ejes cartesianos en el cual el eje OX sea la dirección del la sujeción dela herramienta (en el caso del torno, la dirección del vástago) y como eje OY comoel de la velocidad de corte. El eje OZ se obtendrá de los dos anteriores y suelecoincidir con el el eje Z del sistema de la máquina herramienta. Tanto el eje OXcomo el eje OZ son positivos en el sentido en el que la herramienta se aleja de lapieza. Este sistema de coordenadas es intrínseco a la máquina herramienta que esla que produce los movimientos relativos entre pieza y herramienta( eje OY ), y laque sujeta la herramienta (eje OX). Con esta construcción se definen los siguientesplanos herramienta en mano:

Plano de referencia Pr: es el plano XOZ y es el que físicamente representa elplano perpendicular a la velocidad de corte

Plano de trabajo Pf : contiene al eje OY y el movimiento de avance teórico.(En el cilindrado es el plano Y OZ y en el refrentado Y OX)


Vástago

Eje de laherramienta

Flanco principal

Filo principal

Cara

Filosecundario

Flancosecundario

Punta de laherramienta

Figura 4.1: Nomenclatura en una herramienta de torneado

Plano longitudinal PL: Es el plano perpendicular a los dos anteriores. Encondiciones normales (la vc coincide con el eje OY ) contendría a la velocidadde corte y sería perpendicular al avance.

Junto a los planos anteriores se definen otros planos que tienen en cuenta lageometría de la herramienta, llamados planos de situación:

Plano de filo Ps: Es el plano que contiene al filo S y a la velocidad de corte~vc. Por contener a ~vc este plano es perpendicular a Pr.

Plano normal Pn: el plano normal al filo S.

Cara de desprendimiento Aγ : es la cara de la herramienta por la que deslizael material situado por encima del plano de filo.

Cara de incidencia Aα: es la cara de la herramienta más cercana al plano delfilo.

Los tres últimos planos son intrínsecos a la geometría de la herramienta y sonindependientes de su posición en la máquina herramienta.

Con este sistema de planos ya se pueden definir los ángulos de corte. Estos serepresentan con una letra griega y un subíndice que indica el plano sobre el cual semiden.

En el plano normal Pn se definen los siguientes ángulos:

Ángulo de desprendimiento γn: es el que forman Aγ y Pr

Ángulo de incidencia αn: es el que forma Aα y Ps

4.5. Geometría de corte 39

XZ

Y

O

Pr

Pf

Pl

Figura 4.2: Definición de planos en una herramienta de torneado

bn

gn

an

kr

’

kr

ls

Ps

Ps

Pn

Pn

Pf

Pr

Pr

Ag

Aa

Figura 4.3: Geometría en una operación de cilindrado


ls

Pf

Pr

Pr

S

v

Figura 4.4: Geometría en una operación de fresado frontal

Ángulo de filo βn: es el que forma Aγ y Aα y es complementario a los dosanteriores

En el Plano de referencia Pr se mide el ángulo de posición de filo principal κr

que es el ángulo que hay entre Ps y Pf , medido sobre el Pr.

En el Plano de filo Ps se define el ángulo de inclinación de filo λs que es elformado entre S y Pr. Si λs = 0 el corte es ortogonal.

Cuando la herramienta termina en punta, suelen intervenir dos filos en el corte.El principal, que es el que mayor parte de carga lleva, y el secundario. Las magni-tudes referidas al filo secundario se denominan colocando un símbolo ′ después delsímbolo. Así se denomina κ′

r, . . .

Esta geometría puede cambiar en las condiciones de uso debido a la influenciade los avances o la desviación en el posicionamiento de la herramienta. En estecaso se definen las mismas magnitudes añadiendo el subíndice e a las magnitudesdefinidas anteriormente: γne, κre, λse, etc. La traslación de un sistema a otro serealiza mediante cálculos geométricos, a partir del nuevo posicionamiento del ejeOY ′ en línea con la velocidad.

4.6. Fuerzas de corte 41

4.5.1. Influencia de los ángulos de corte en el funcionamiento

Si el ángulo de desprendimiento γne es grande las fuerzas de corte disminuyenpues el material se deforma menos plásticamente y la herramienta se desgasta muchoen la cara de desprendimiento al aumentar la fuerza de fricción, y la velocidadrelativa de la viruta sobre la cara de la herramienta.

Si el ángulo de incidencia αne es grande la herramienta puede fracturar su puntadebido a las altas fuerzas de corte, pero cuanto más pequeño sea mayor desgastesufrirá la punta aumentando las pérdidas por rozamiento de la herramienta con lasuperficie de la pieza.

El ángulo de inclinación de filo λse influye en la dirección de la viruta en susalida por la cara de desprendimiento. Toma valores positivos cuando echa la virutafuera de la pieza. Y toma valores negativos cuando tiende a hacer chocar la virutade nuevo con la pieza. Cuando se mecanizan materiales duros y frágiles se usanλse < 0.

Un ángulo de posición de filo κre distinto de 90◦ permite un mejor aprovecha-miento de la longitud de filo sobre todo cuando se tiene limitada la profundidad depasada. También se usa para evitar fuerzas de impacto al inicio del corte, suavizandola entrada de la herramienta en el corte.

4.6. Fuerzas de corte

Aunque el coste de la potencia consumida en una operación de mecanizado no esun factor económico importante habitualmente, es necesario su conocimiento paraser capaces de estimar la cantidad de potencia necesaria para realizar la operacióndebido a las limitaciones impuestas por la máquina disponible. La capacidad deestimar la potencia de una operación es importante sobretodo en las operacionesde desbaste ya que lo que interesa es realizar la operación en el menor tiempo y enel menor número de pasadas posible. Por otra parte, las fuerzas de corte tambiénintervienen en fenómenos como el calentamiento de la pieza y la herramienta, eldesgaste de la herramienta, la calidad superficial y dimensional de la pieza, el diseñodel amarre y utillajes necesarios, etc.

La interacción entre la herramienta, la viruta y la pieza, se traduce en unaserie de presiones sobre la superficie de la herramienta. Este sistema de fuerzas ypresiones se puede reducir a una fuerza resultante F . El momento resultante sepuede despreciar ya que el área sobre el que se aplica la fuerza es muy pequeña.Una primera descomposición de esta fuerza es en dos direcciones ortogonales, unaen la dirección de la velocidad de corte que será la fuerza de corte Fc, y la otra enla dirección perpendicular a la velocidad de corte que será la fuerza de empuje Ft.De las dos fuerzas, la única que consume potencia es Fc, siendo la función de Ft lade mantener la posición del filo de la herramienta en el plano el filo Ps.


4.6.1. Energía específica de corte

Se define la energía específica de corte ps como la energía necesaria para remo-ver una unidad de volumen de material. Este valor relaciona la potencia Pm y lavelocidad de arranque de material Zw.

ps =Em

V=

Em/t

V/t=

Pm

Zw

(4.1)

Si se tiene el valor de ps junto con el valor de la potencia disponible en lamáquina, se puede calcular la tasa de arranque máxima de la operación, o sea, elvolumen máximo de material que se puede arrancar por unidad de tiempo. Esta tasade arranque tiene unidades de caudal, y se puede calcular integrando el productoescalar del área de barrido por la velocidad de barrido. De modo simplificado sepuede usar el área de corte o el área de avance para su cálculo. Siendo el área decorte Ac el área barrida por la herramienta perpendicular a la velocidad de corte, yel área de avance Af el área barrida por la herramienta perpendicular a la velocidadde avance.

Zw = Ac · vc = Af · vf (4.2)

Por lo tanto, el valor de ps también relaciona la fuerza de corte Fc y el área decorte Ac, por lo que también se le suele llamar fuerza específica de corte Ks.

ps =Pm

Zw

=Fc · vAc · v

=Fc

Ac

(4.3)

Los experimentos pueden decir cómo varía ps con las condiciones de corte. Enconcreto, se va a estudiar el efecto de la velocidad de corte y del espesor de virutasobre el valor de ps.

A velocidades bajas, la energía específica de corte es muy alta, disminuyendoconforme aumenta la velocidad hasta un valor a partir del cual ps permanece cons-tante. Esto se debe al recrecimiento de filo que aparece a bajas velocidades de cortey cuando la fricción es alta. Normalmente se debe trabajar en el tramo en el que ps

es constante ya que también es la más económica.ps disminuye al aumentar ac, muchos fabricantes de herramientas proporcionan

una expresión de esta variación. El aumento de ps al disminuir ac se debe al efectode tamaño, ya que las fuerzas de fricción en la cara de incidencia y aplastamientode la punta redondeada representan un porcentaje mayor en la energía consumidaal disminuir ac.

4.6.2. Fuerzas de fricción

La fricción en las operaciones de mecanizado tiene ciertas peculiaridades que ha-cen que sus leyes sean distintas de las que siguen los fenómenos de fricción normales.Para ello se van a distinguir tres tipos de deslizamiento entre superficies metálicas:

4.6. Fuerzas de corte 43

Contacto débil.

Las superficies metálicas en estado normal tienen una capa de óxido que re-cubre los átomos metálicos, esta capa tiene la función de proteger el metal deposteriores oxidaciones. La tensión de cizallamiento entre capas de óxido esmuy bajo, con lo que si además la presión normal es pequeña, el bajo valordel área de contacto real hará que el el coeficiente de rozamiento del orden deµ = 0,1 para los aceros.

Contacto con microsoldaduras.

Cuando entre dos superficies metálicas rugosas, la presión normal es algoelevada, la capa pasiva de las puntas de las asperezas en contacto es eliminada,entrando en contacto directo los dos metales sin ningún óxido que los separe.Al entrar en contacto los átomos de una y otra superficie, se forma una uniónmetálica interatómica, hay coalescencia entre los dos materiales. Al fin y alcabo la soldadura ocurre entre las dos superficies a nivel microscópico. Lassuperficies soldadas son la de los picos de las asperezas, que suman el áreareal de contacto Ar, que es menor que el área aparente de contacto Aa quese observa macroscópicamente. Para conseguir deslizar una superficie sobre laotra se han de cizallar las micro soldaduras las cuales tienen una tensión deresistencia a la cizalladura de τsl, de forma que la fuerza de rozamiento totalserá:

FR =∑

i

Ai · τsl = Ar · τsl (4.4)

Por otra parte se sabe que en superficies con distribuciones alturas de aspe-rezas gaussiana y para cargas ligeras, Ar es proporcional a la presión normalaplicada, que en un área determinada será la fuerza normal FN , con lo que:

Ar = C · FN (4.5)

FR = τsl · Ar = τsl · C · FN = µFN (4.6)

con lo que se cumple la ley de la fricción de Coulomb de proporcionalidadentre FR y FN , siendo µ el coeficiente de rozamiento.

Contacto pleno.

Cuando las fuerzas de contacto son muy elevadas la proporcionalidad empiezaa fallar hasta que el contacto entre las superficies llega a ser pleno, es decir,Ar = Aa, con lo que la fuerza de fricción también llega a ser constante FR =Aa · τsl, e independiente de la fuerza o presión normal aplicada.


En el deslizamiento de la viruta sobre la cara de desprendimiento, las superficiesestán libres de capas de óxidos, ya que la de la viruta está recién creada y no hatenido contacto con el aire ni con nada sino con la cara de la herramienta, y la carade desprendimiento ha estado rozando anteriormente con viruta ya desprendidaque a los primeros metros ha dejado desnuda a la herramienta de cualquier capa deóxido.

Por otra parte las presiones normales son elevadísimas, por encima de la tensiónde fluencia de la pieza, por lo que el contacto entre superficies será pleno.

Esto explica lo observado en los experimentos:

La fuerza de rozamiento es independiente de γne

Al aumentar γne disminuye la fuerza de corte pero no la fuerza de rozamiento.Por otro lado, aumenta la velocidad de deslizamiento de la viruta sobre laherramienta aumentando de manera considerable el calentamiento y desgastede la herramienta.

La fuerza de rozamiento es menor cuanto más disimilares sean los materialesde la herramienta y de la pieza. De donde viene la importancia de recubrirbien los materiales de herramienta, con capas cerámicas.

4.7. Temperaturas de corte

Una de la limitaciones de los procesos de corte son las temperaturas alcanzadasdurante el mecanizado. La potencia consumida en el corte se invierte en la deforma-ción plástica de la viruta y en los distintos rozamientos. Estos trabajos se conviertenen calor que se invierte en aumentar las temperaturas de la viruta, la herramien-ta y la pieza de trabajo. La herramienta pierde resistencia conforme aumenta sutemperatura, aumentando su desgaste y por lo tanto disminuyendo su vida útil.Por otro lado, un calentamiento excesivo de la pieza de trabajo puede variar laspropiedades del material debido a cambios microestructurales por efectos térmicos,también puede afectar a la precisión del mecanizado al estar mecanizando una piezadilatada que a temperatura ambiente se puede contraer.

Aunque no se va a estudiar a fondo el fenómeno termodinámico, sí que convienetener algunos conceptos claros respecto a la influencia de los distintos parámetrosde corte en las temperaturas de la herramienta y en la pieza y, por los tanto, en laeconomía y calidad del proceso.

Generación de calor

La potencia consumida en una operación de corte Pm se convierte en calorprincipalmente por los siguientes mecanismos:

Deformación plástica en la zona de cizalladura de la viruta. El calor genera-do por unidad de tiempo tiene un valor se puede calcular en función de lavelocidad de cizallado y la fuerza de cizallado: Ps = Fsvs.

4.8. Desgaste de herramientas 45

Fricción entre la viruta y la herramienta. El flujo de calor generado será Pf =Frvo

Fricción entre la herramienta y la pieza. Su valor, al igual que los anterioresserá el producto de la fuerza de rozamiento por la velocidad relativa entre laherramienta y la pieza: Pfw = τsl ·V B · aw · v. Esta fuente de calor dependerádel desgaste V B que será nulo cuando la herramienta está recién afilada.

4.8. Desgaste de herramientas

Desgaste es la pérdida de material por fricción que hace cambiar la geometríade la herramienta hasta llegar a inutilizarla.

Los mecanismos de desgaste en las operaciones de corte son principalmente tres:

Adhesión: Debido a las microsoldaduras, los átomos de la superficie de laherramienta son arrastrados por la viruta.

Abrasión: La pieza de trabajo contiene inclusiones de partículas muy durasque rayan la superficie de la herramienta.

Difusión: A temperaturas elevadas, los átomos de aleación se difunden haciadonde existe menos concentración. Por este mecanismo la superficie de laherramienta se empobrece de elementos de aleación debilitándose.

Estos mecanismos se agravan cuando aumenta la temperatura, y cuando losmateriales son más afines.

El desgaste en la herramienta de corte es de dos tipos principalmente:

En la cara de desprendimiento se produce un cráter, normalmente en el puntodonde la temperatura alcanza su máximo.

En la cara de incidencia se produce un achaflanamiento de la punta debido alrozamiento de la herramienta con la superficie mecanizada.

El desgaste por craterización se caracteriza por los parámetros KT , KM , y KB.Mientras que el desgaste en la cara de incidencia se caracteriza por V B, y por NB.

Para estimar la gravedad del desgaste se suele utilizar V B y KT . Un valorexcesivo de V B produce inestabilidades en el contacto con vibraciones además deaumentar las pérdidas por fricción en la cara de incidencia. Un valor excesivo deKT aumentaría el riesgo de fractura de la punta de la herramienta.

La norma ISO TC29 establece unos valores máximos de V B KT como criteriode vida de la herramienta, para cada tipo de material de herramienta. Entre lasdistintas especificaciones destaca la limitación de V B a un valor de 0.3 mm de valormedio a lo largo del filo, o a un valor máximo de 0.6 mm.

El valor V B sigue una evolución lineal con el tiempo, pero la pendiente de esarecta depende de la velocidad. Existe para una herramienta una relación entre el


la velocidad de corte y el tempo en que V B tarda en alcanzar el valor de 0.3 mm(llamado vida de herramienta t). Esta relación se aproxima mucho a la llamada ley

de Taylor la cual establece que vtn = C. C y n son obtenidos experimentalmentey dependen del material de la herramienta y de la pieza a mecanizar, geometría decorte, refrigeración, . . . .

La vida de la herramienta según KT depende de γne. Debido a que a partirde un valor de γne el desgaste puede ser catastrófico, por lo γn está limitado paralo distintos tipos de materiales. Para los metales duros su valor suele es de 3.5ž,para los aceros rápidos su valor está comprendido entre 0ž y 14ž cuando mecanizamateriales duros, y entre 14ž y 30ž cuando mecaniza materiales dúctiles.

4.9. Rugosidad superficial

Según la información de la geometría de la herramienta y el patrón de movimien-tos se puede conocer la rugosidad superficial ideal. Sin embargo, debido a efectosmicroestructurales, recrecimiento de filo, . . . , la rugosidad superficial natural es ma-yor que la ideal, aproximándose a ésta conforme la velocidad aumenta. La rugosidadnatural puede también variar por diversas irregularidades en el corte.

Se va estudiar la rugosidad superficial dejada en la pieza según sea la huella detipo angular, o de tipo circular.

4.10. Problemas de mecanizado

1. Una herramienta de torno con punta angular, donde κr = 60◦ y f = 0,05mm/rev. £Cuál debe ser el ángulo de filo secundario para obtener una rugo-sidad media Ra = 3 µm bajo condiciones ideales?

R: κr = 15,57◦

2. En una operación de torneado de un cilindro φ70 × 300 mm el avance es de0.25 mm/rev y la velocidad de corte de 1 m/s. La fuerza de corte está limitadaa 3 kN y la energía específica de corte del material es de 2000 MPa. Calcular:

a) El tiempo de realización de la operación.

b) La profundidad máxima de pasada.

R: 263.9 s; 6 mm

3. En una operación de taladrado con una broca de dos filos, la velocidad angularnt = 300 r.p.m., el avance es f = 0,2 mm/rev, el ángulo de filo principalκr = 60◦, el diámetro de la broca es dt = 12 mm. Si la energía específica decorte del material que está cortando es ps = 3000 MPa.

Calcular:

a) La tasa de arranque.

4.10. Problemas de mecanizado 47

b) El espesor de viruta no deformado.

c) El par motor de la taladradora.

R: 113.1 mm3/s; 0.087 mm; 10.8 N·m

4. En una operación de cilindrado la vida de la herramienta obedece a la siguienteecuación de Taylor t = v−3f−0,8a−0,1

p estando v, f , y ap en unidades S.I.

Estimar el efecto en% sobre la vida de la herramienta, al duplicar la tasa dearranque incrementando:

a) La velocidad.

b) El avance.

c) La profundidad de corte.

R: 87%; 43%; 7%

5. En una operación de torneado, se reduce el diámetro de un cilindro φ40 × 70a 35 mm. Primero mediante una pasada de desbaste hasta un diámetro de36 mm y después mediante una pasada de acabado hasta el diámetro final.La herramienta tiene un radio de punta de 2 mm y el ángulo de posición defilo es κr = 75◦. La máquina tiene una potencia máxima de 5 kW. La energíaespecífica de corte viene dada en función del espesor de viruta mediante lasiguiente expresión:

ps = 3000

[

0,4

ac

]0,29

viniendo acmax en mm, y ps en MPa

Determinar:

a) El avance máximo en la pasada de desbaste si la velocidad de corte es de70 m/min.

b) El avance máximo en la pasada de acabado si la rugosidad superficial aconseguir es de Ra=5 µm.

6. Un redondo de 80 mm de diámetro se rebaja a en una pasada a 75 mm dediámetro a lo largo de una longitud de 150 mm. La energía específica de cortedel material de trabajo es de 2000 MPa. El avance es de 0.25 mm/rev y lavelocidad angular del husillo es de 300 rpm. Calcular:


a) El tiempo de realización de la operación

b) El par motor y la potencia necesaria para realizar dicha operación.

ae

ap

Figura 4.5: Fresado periférico

7. En una operación de escuadrado con fresa periférica (Figura 8.1), según eldibujo de la figura, la pieza tiene una longitud de 50 mm y una energía espe-cífica de corte ps = 2000 MPa. La fresadora tiene 10 dientes y un diámetrode 50 mm. Determinar el avance en mm/rev para que la rugosidad superficialsea Rt = 0,2 µm. Calcular en este caso el espesor máximo de viruta.

R: 2 mm/rev; 0.12 mm

8. Con los datos del problema anterior y sabiendo que la potencia máxima de lamáquina es de 3 kW y la velocidad de la fresa es de 100 r.p.m. Determinar elavance máximo en mm/rev y el tiempo de mecanizado.

R: 6 mm/rev; 6.5 s

9. En un fresado periférico la fresa tiene 20 dientes y su diámetro es de 200 mm.La velocidad de rotación es de 5 rev/s, el avance 1.3 mm/s, la penetración 6mm, y el ancho de la pieza de 50 mm. La relación entre el espesor máxtmo deviruta no deformado acmax y la energía específica de corte viene dado por:

ps = 1,4

(

1 +0,5 · 10−6

acmax

)

(4.7)


viniendo acmax en m, y ps en GJ/m3.

Estimar:

a) La tasa máxima de arranque.

b) La potencia mínima en kW requerida por la operación

10. En una operación de fresado periférico, los siguientes datos: velocidad de ro-tación es de 2.8 rev/s, el avance 2 mm/s, la penetración 10 mm, el ancho dela pieza de 50 mm, la longitud de la pieza 150 mm, el diámetro de la fresa40 mm, n.o de dientes de la fresa 10. La relación entre el espesor máximo deviruta no deformado acmax y la energía específica de corte viene dado por:

ps = 3000

[

0,4

acmed

]0,29

(4.8)

viniendo acmed en mm, y ps en MPa

Estimar:

a) La potencia requerida por la máquina si tiene una rendimiento del 80%

b) Tiempo de mecanizado

11. En una operación de fresado periférico, la pieza de trabajo tiene un ancho de75 mm y una longitud de 200 mm, y se ha de rebajar su espesor 5 mm en unapasada. La fresa tiene 50 mm de diámetro y 3 dientes, la potencia nominal dela fresadora es de 3 kW y la energía específica de corte es de 3.6 GJ/m3.

Determinar:

a) La máxima velocidad de avance.

b) La velocidad angular de la rueda para que la rugosidad superficial teóricaRt sea inferior a 1.5 µm.

c) El tiempo de mecanizado de la pieza.

12. En una operación de fresado frontal, la profundidad de corte es 5 mm lavelocidad de avance 0.67 mm/s, el ancho de la pieza 50 mm, y la fresa tiene20 dientes con un diámetro de 800 mm. La velocidad de corte es de 1 m/s.

Calcular:

a) Velocidad angular de la fresa


b) Tasa de arranque máxima

c) tiempo necesario para mecanizar 100 piezas de longitud 150 mm si eltiempo de carga y descarga es de 180 s.

Capítulo5

Procesos de conformado pordeformación plástica

5.1. Introducción

El conformado por deformación plástica es el proceso más antiguo para la fabri-cación de piezas metálicas. El notable desarrollo tecnológico que han sufrido estosprocesos hasta la actualidad permite disponer de una amplia variedad de técnicasadaptadas para las distintas aplicaciones, que abarcan desde productos que sirvencomo materia prima para otros procesos de fabricación hasta componentes finales.

5.2. Deformación permanente en metales

El enlace metálico que une los átomos con orbitales d tienen los electrones deestos orbitales compartidos por los distintos núcleos, circulando libremente a travésde todo el material.

La temperatura del material afecta a la distancia media existente en los átomos:A mayor temperatura, mayor será la amplitud de la vibración de los átomos y, porlo tanto, mayor distancia entre ellos.

La forma de los átomos y la distancia entre ellos hace que el metal cristalice deuna manera característica. El aluminio critaliza cúbico centrado en caras, el titanioy el zinc cristaliza en hexagonal compacto, el hierro y el cobalto tienen formasalotrópicas, es decir, dependiendo de la temperatura cristalizan en cúbico centradoen cuerpo a temperatura ambiente y cúbico centrado en caras a altas temperaturas.

Según la forma de cristalizar, el metal tendrá unos planos característicos dedeslizamiento. El que más planos de deslizamiento tiene es el cúbico centrado en

51

52 Capítulo 5. Procesos de conformado por deformación plástica

caras seguido del centrado en cuerpo y por último el hexagonal que sólo tiene unplano de deslizamiento.

Un metal está formado por granos microscópico, cada uno de los cuales es uncristal con miles de átomos y con una orientación determinada. La distinta orien-tación de los granos cuyo conglomerado forma el metal hace que el material tengaun comportamiento isotrópico a escala macroscópica.

Al deformar el metal siempre se encontrarán granos con planos cristalográficosorientados en la dirección del cortante máximo que se deformarán permanentemente,mientras que los que no lo están rotarán hasta que se encuentren en la dirección paradeformarse. Esto hace que el metal deformado esté internamente muy distorsionado,y los granos deformados aumenten sus imperfecciones cristalinas (dislocaciones). Sedice entonces que el material posee acritud.

Esta acritud hace que localmente muchas partículas se encuentren tensionadas,aunque globalmente el material se encuentre en equilibrio, son las tensiones re-siduales. Otro efecto de la acritud es el aumento de resistencia a la deformaciónpermanente que se produce (endurecimiento), y la disminución de capacidad dedeformación antes de la rotura (fragilización).

La acritud se puede eliminar manteniendo el metal a alta temperatura durantelargo tiempo. Este aumento de temperatura aumenta la vibración de los átomospermitiendo una más rápida recolocación y reorganización de los átomos y granos(recristalización), aliviando las tensiones residuales. Este tratamiento térmico sueleconocerse como recocido, o revenido.

Una característica propia del material es su temperatura de recristalización, de-finida como la temperatura a la cual el material alivia un 95% de sus tensionesresiduales en una hora. Esta temperatura varía con la composición de la aleación,la cantidad de deformación (acritud) y con las transformaciones de fase que ten-gan que ocurrir. Esta recristalización se realiza en tres fases: Difusión de defectoscristalinos (cristalitas), alivio de tensiones, y crecimiento de grano (éste hace decre-cer la resistencia del material). Habitualmente se estima que esta temperatura seencuentra entre un medio y un tercio de la temperatura de fusión.

5.3. Curva del ensayo de tracción

Un ensayo típico para la estimación de las propiedades plásticas de un materiales el «Ensayo de tracción». Este ensayo consiste en estirar una probeta a una ve-locidad constante registrando la resistencia (fuerza) que opone al estiramiento. Deaquí se obtiene una curva fuerza-incremento de longitud. La curva que habitual-mente (Figura 5.1) se usa es la fuerza dividida el área de la sección inicial de laprobeta frente al incremento de longitud dividido por la longitud inicial de la pro-beta. A uno y otro valor se le denomina tensión nominal s y deformación nominale respectivamente.

Las tensiones y deformaciones nominales están referidos a valores geométricosiniciales, pero la tensión real depende del área actual que soporta la carga y la

5.3. Curva del ensayo de tracción 53

l

P

A

P

s A= /P 0

e l l= /D 0

UTS

YS

Figura 5.1: Curva de ensayo a tracción

deformación real depende de la historia de las distintas deformaciones a las queha sido sometida la probeta. Para relacionar los valores nominales con los reales separte de la hipótesis de conservación de volumen durante el procesos de deformación.Esta hipótesis parte de que la densidad del material no cambia y por lo tanto elproducto del área por la longitud en cualquier instante es igual al producto entrevalores iniciales:

A0 · l0 = A · l (5.1)

Por lo tanto la tensión real será:

σ =P

A=

P · A0

A0 · A= s · (1 + e) (5.2)

Del mismo como se procede con la deformación real.

ε =

∫ l

l0

dl

l= ln

l

l0= ln(1 + e) (5.3)

El uso de la deformación real tiene la ventaja adicional de que sus valores sonaditivos.

Otro valor interesante es la velocidad de deformación en función de la velocidadlineal, ya que de este factor depende la curva de tracción en materiales deformadosen caliente.

e =de

dt=

dl

dt

1

l0=

v

l0(5.4)


ε =dε

dt=

ln ll0

t=

v

l(5.5)

Los puntos característicos de esta curva son la resistencia a fluencia YS quelimita la zona elástica y la tensión última UTS que indica la mayor fuerza quepuede resistir un material para una tensión inicial dada.

5.3.1. Modelización del material

La curva de tracción suele tener una zona plástica mucho más amplia que laseñalada en la figura 5.1, ya que la parte elástica es mucho más pequeña en relaciónal total de la dimensión de la UTS tanto en la parte de tensiones como en la dedeformaciones. Por ello se suele aproximar el comportamiento del material medianteuna curva exponencial en el que las abcisas son las deformaciones permanentes ylas ordenadas son las tensiones de fluencia para cada deformación permanente. Suforma general será:

σ = C · εn · εm (5.6)

El exponente n indica el grado de endurecimiento por deformación, y el valorde m indica el endurecimiento por velocidad de deformación (en procesos en frío sesuele considerar m = 0).

Para ciertos cálculos esta curva exponencial se suele simplificar tomando unvalor constante de la tensión de fluencia que será la media de la curva exponencialen el rango de valores que se vaya a usar.

Y =1

ε

∫ ε

0

σdε (5.7)

5.3.2. Punto de inestabilidad

En procesos de tracción o expansión o estiramiento se podría producir adelga-zamientos, los cuales se convierten en los puntos más débiles de la pieza que se estádeformando pudiendo ocurrir que toda la deformación plástica pase a concentrarseen esos puntos. Cuando esto ocurre se dice que el proceso ha entrado en fase de ines-tabilidad. Casos típicos son el acuellamiento en tracción, los cráteres en estiramientoplano, o la explosión de tubos a presión.

En el caso de la tracción unidimensional la inestabilidad ocurre cuando la de-formación es tal que para una fuerza constante un punto se deforma plásticamentea costa de la recuperación elástica del resto de la pieza. Este fenómeno coincidiríacon el máximo de la curva P − ε.

dP

dε= 0 =

d(σ · A)

dε= Cεn(−A) + ACnεn−1 (5.8)

Por lo que la inestabilidad ocurre cuando la deformación alcanza el valor delexponente n.

5.4. Trabajo de deformación 55

5.4. Trabajo de deformación

Para el cálculo de fuerzas y potencias de proceso, el método más simple esmediante la obtención del trabajo de deformación homogénea. En el cual se calculala deformación sufrida por el material considerando el estado final de éste, y a partirde la energía necesaria para llevar a cabo esta deformación, se mayora la energíanecesaria multiplicándolo por factores que estimen la fricción y la irreversibilidad(o redundancia) del proceso.

δW = Pδl = σAδl = V σδε (5.9)

Si el material sigue la ley exponencial.

w

V=

∫ εf

0

Cεndε =C

n + 1εn+1 (5.10)

5.5. Laminación de chapa metálica

La laminación es un proceso de conformado en el que el material es forzado apasar entre dos elementos rotatorios por la fricción con uno de ellos. Es el procesomediante el cual se genera la chapa metálica usada en multitud de aplicaciones,aunque también se sigue este proceso para generar otros perfiles como raíles detren, vigas metálicas estructurales, perfilado de tubos, etc.

En el laminado se distinguen los procesos de laminado en caliente y en frío. Conel laminado en caliente se pueden obtener hasta espesores de 2 mm, para obtenerespesores menores con la suficiente calidad superficial se requiere realizar el procesoen frío. En acero, el espesor más extendido es el de 0.6 mm que es el más usado paralas carrocerías de la industria de automoción. En aluminio se obtienen espesores decentésimas de milímetros con acabado superficial excelente y tienen aplicaciones enla industria alimentaria e sanitaria.

En el laminado hay dos rodillos de los que uno posee la fuerza motriz y tiene unacabado superficial más irregular para que el rozamiento provoque el avance de lachapa. El diámetro de los rodillos influye decisivamente en las tensiones residualesque quedan en la chapa después de deformar en frío. Si los diámetros son excesi-vamente grandes genera unas tensiones residuales de tracción en la superficie quefacilita la aparición de grietas, picaduras por corrosión, etc. Lo habitual es que enla superficie queden tensiones residuales de compresión que permitan el doblado ya la vez aumente su resistencia a la corrosión por picaduras y a la fatiga, ya quelas propias tensiones residuales tienden ha cerrar las pequeñas grietas que pudieranformarse, impidiendo su crecimiento.

El proceso de laminación en frío se realiza en varias etapas montadas en serie(el tren de laminación), y el producto final se enrrolla en una bobina para facilitarel transporte y conservación de la misma. En las etapas finales de la laminación,cuando el espesor es muy pequeño, para que el diámetro del rodillo sea similar al


espesor de la chapa, el movimiento se transmite a través de rodillos más rígidos queeviten la flexión por compresión.

5.6. Tecnologías de transformación de chapa metá-

lica

Una de las características más importantes de la chapa metálica es su anisotro-pía. Las diferentes características que presenta en las distintas direcciones se puedeaprovechar para obtener productos de mejor calidad. Por ejemplo, conseguir unabuena resistencia a la deformación en la dirección perpendicular al plano de lami-nación permite que ésta no adelgace en un proceso de doblado presentando la zonadoblada buena resistencia y rigidez. Esta es una propiedad que tienen las chapasde acero y titanio pero que no tienen las de aluminio, por ello el aluminio tiene unuso limitado en las carrocerías de los coches. Por otro lado, si las propiedades sondistintas en las dos direcciones del plano de la chapa, a la hora de embutir es fácilque se formen como orejas en los bordes, lo cual hace necesario añadir al procesouna operación de eliminación de material y enrrasado de bordes.

El parámetro más usado para estimar la anisotropía de la chapa es la relaciónentre las deformaciones plásticas en la dirección perpendicular al estirado y la delespesor de viruta.Este parámetro es el coeficiente de anisotropía R en una direccióndeterminada.

R =εw

εt

=ln(Wf/W0)

ln(tf/t0)(5.11)

en donde W es el ancho de la probeta y t es el espesor. Por lo tanto, despuésdel estirado se tiene que Wf < W0 y que tf > t0. Cuanto mayor sea el coeficien-te de anisotropía, más facilidad tendrá la chapa de ser doblada o embutida sinadelgazamientos.

Estimando los coeficientes de anisotropía a 0o de la dirección de laminación,y a 45o y a 90o se pueden obtener coeficientes de anisotropía característicos delmaterial: Coeficiente de anisotropía medio Rm y el coeficiente de anisotropía planoRp.

Rm =R0 + 2R45 + R90

4(5.12)

Rp =R0 − 2R45 + R90

2(5.13)

En el proceso de embutición hay un coeficiente que delimita el diámetro quese puede embutir de una chapa determinada (D0) respecto al diámetro del punzón(Dp). Este coeficiente es la Relación Límite de Embutición (LDR). El defecto máshabitual que puede presentar el producto cuando se embuten diámetros mayores esla rotura por adelgazamiento en la base. Para evitar este defecto conviene que el

5.7. Problemas de deformación plástica 57

2

3

1 2 30

Acero Titanio

Aluminio

zinc

Rm

LDR

Figura 5.2: Relación entre la LDR y el coeficiente de anisotropía medio

material tenga un coeficiente de anisotropía normal elevado. Para que el las orejas elproducto sean pequeñas el coeficiente de anisotropía plano debe ser lo más próximoa 0.

LDR =D0

Dp

(5.14)

Experimentalmente se ha estimado de forma general el valor que toma la LDRrespecto a Rm.

5.7. Problemas de deformación plástica

1. En un ensayo de tracción sobre una probeta cilíndrica de acero inoxidable del0 = 50,8 mm y sección A0 = 35,8 mm2 se ha obtenido los siguientes datos:

Carga (N) ∆l (mm)7208 011250 5.50813500 2.0316200 2.0818900 10.1620200 15.2420700 21.813200 24.0

La sección de la zona fracturada era de Amin = 10,0 mm2

Representar gráficamente la curva σ − ε. Calcular las constantes del compor-tamiento exponencial.


Figura 5.3: Extrusión directa

2. En la figura se muestra una pieza producida por una extrusión directa. De-terminar la fuerza necesaria para producirla. El material es un acero cuya leyde deformación plástica es σ = 650ε0,26 N/mm2.

3. Determinar la potencia necesaria para el accionamiento de una prensa hidráu-lica capaz de comprimir en caliente un tocho cilíndrico de acero de 530 mmde diámetro, desde una longitud inicial de 150 mm hasta una final de 80 mm,a una velocidad de 0.1 mm/s

Supóngase que:

El comportamiento del material sigue una ley del tipo Y =47 N/mm2

El rendimiento global del sistema hidráulico-mecánico de la prensa es del45%

La velocidad relativa de acercamiento de las plataformas de la prensa esde 0.4%

Los efectos de fricción y distorsión interna pueden introducir incrementospromedios de un 40%

4. Se pretende realizar el estiramiento de un cilindro de φ20× 50 mm hasta unalongitud de 70 mm. El material sigue una ley de comportamiento plásticoσ = 650ε0,22 N/mm3.

a) ¿Cuál es la energía de deformación del proceso?

b) ¿Cuál es la fuerza máxima que se alcanza durante el proceso?.

5. En un proceso de estirado de chapa metálica se pretende reducir el espesor deun fleje de 20 × 1 mm a 0.8 mm (sin reducción del ancho) mediante su pasoentre dos rodillos. El metal tiene una tensión de fluencia de σ = 240 · ε0,33

MPa. Las pérdidas por fricción y redundancia son el 30% de la energía totaldel proceso.


a) Calcular la fuerza necesaria para la realización del proceso

b) Determinar el aumento de resistencia a fluencia del fleje con la reducciónde espesor

c) Calcular la productividad máxima del proceso cuando la potencia dispo-nible en la máquina es de 5 kw

F

6. Determinar la potencia necesaria para el accionamiento de una trefiladoracapaz de disminuir un alambre desde un diámetro D1 = 6 mm a un diámetroD2 = 5 mm en una sola etapa, y con una productividad de 5 m/s.

Supóngase que:

El comportamiento del material sigue una ley del tipo σ = 745ε0,48

N/mm2

El rendimiento global del sistema mecánico de la máquina es del 70%


7. Un tubo con un diámetro exterior D1 = 60 mm y espesor t1 = 10 mm esreducido a un diámetro D2 = 50 mm en un proceso de trefilado simple (aunquecon un mandril interior). El material es cobre con σ = 440ε0,3 N/mm2.

a) ¿Cuál es la fuerza del proceso cuando el espesor final es t2 = 7 mm?

8. Calcular el coeficiente de anisotropía medio de una chapa de acero en el quese ha hallado que R0=0.8, R45=1.5, R90=1.7. Calcular el diámetro máximode chapa que se puede embutir para hacer un cuenco de 20 mm de diámetrointerior. ¿Se formarán orejas?.

Capítulo6

Proceso de conformado porfundición

6.1. Introducción

El conformado de metales por fundición es uno de los más antiguos. Básicamenteconsiste en la colada de un metal fundido en un molde con la forma deseada. Actual-mente hay una gran variedad de piezas metálicas en automoción y en maquinariaque son fundidas.

Las ventajas e inconvenientes de este tipo de procesos se resume en la siguientetabla:

Ventajas InconvenientesAhorro energético glo-bal

Poca flexibilidad

Forma final de piezascomplejas

Procedimientos artesa-nales

Rapidez (salvo solidifi-cación)

Se deteriora la micro-estructura

Piezas de tamaño ili-mitado

Poros, oxidación,...

El proceso de conformado por fusión tiene las etapas descritas en la Figura 6.1.La clasificación de los procesos de fundición se pueden clasificar de varios modos:

1. Según la fuente de energía usada en el horno para fundir el metal:

Combustión

Resistencia

61

62 Capítulo 6. Proceso de conformado por fundición

FundiciónMoldeo

Colada

Solidificación

Extracción

Figura 6.1: Proceso de conformado por fundición

Inducción electromagnética

Arco eléctrico

2. Según el permanencia del molde y el modelo:

Permanente (coquilla)

No permanente

• Modelo permanente (moldeo en arena, en cáscara)

• Modelo no permanente (moldeo a la cera perdida)

3. Según el vertido:

Gravedad

Baja presión (0.1 ÷ 2 MPa)

Alta presión (15 ÷ 80 MPa)

4. Según el tiempo de solidificación:

Rápida

Lenta

6.2. Metal fundido

Cada metal puro tiene una temperatura característica en la que pasa de estadosólido a estado líquido, absorbiendo una cantidad de calor (entalpía de cambio defase). Cuando el metal es una mezcla de metales puros con distinta temperatura defusión, el cambio de fase no se produce en una determinada temperatura sino enun rango de temperaturas, salvo que la mezcla consista en unas proporciones deter-minadas que hacen que se comporte como un metal puro, a este punto se le llamaeutéctico, y su punto de fusión está por debajo de la menor temperatura de fusiónde los metales puros que componen la mezcla. Las aleaciones comerciales (salvo las

6.3. Tecnologías de moldeo 63

del hierro) suelen tener composición eutéctica por las ventajas que comporta. Casostípicos son la aleación de Aluminio (Tf=660ž) con Silicio al 12% que funde a 562ž.Otros casos son el de la fundición de hierro con un 4% de carbono, el bronce, ellatón, el zamac, etc.

La fundición del metal se debe realizar en un recipiente (crisol) que debe te-ner consistencia suficiente a la temperatura máxima de fundición. Estos materialessuelen ser de naturaleza cerámica y se llaman refractarios. Estos materiales se clasi-fican según la reactividad que tienen con el metal fundido (caldo): son ácidos si sonsensibles al contenido de azufre del caldo, o básicos si no lo son para el azufre perosí para el carbono. Los refractarios ácidos suelen constar de sílice (SiO2) y óxidosde hierro, mientras que los básicos constan de óxidos de magnesio (magnesita) ysuelen ser bastante más caros.

La chatarra se coloca en el crisol mezclada con una arenilla (fundente) que tienediversas funciones durante la fundición:

Limpia el metal fundido de impurezas, evitando que la pieza final tenga mu-chas inclusiones.

Evita la oxidación del caldo pues forma una capa compacta (escoria) flotandosobre el caldo que aisla a éste del oxígeno y de otros gases.

Ajuste de composición química del metal

Los fundentes también son susceptibles de reaccionar químicamente con el metalfundido y con el refractario de las paredes. Para evitar esta reactividad última eltipo de fundente (si ácido o básico) debe ser el mismo que el del refractario usadopara construir el crisol.

Respecto a la temperatura del metal fundido, conviene que esté por encima dela temperatura de fusión para que no solidifique antes de tiempo durante la colada,pero no debe ser demasiado elevada pues podría dañar el molde y la absorción degases (el N2, H2, . . . ) aumenta con la temperatura, tendiendo a la efervescencia.

6.3. Tecnologías de moldeo

Moldeo en arena, en cáscara, en coquilla, a la cera perdida. Fundición en moldemetálico a baja y a alta presión. Estas técnicas de moldeo vienen ilustrados en lasfiguras adjuntas.

6.4. Colada

El flujo del metal fundido por los bebederos y canales de distribución vienedado por las ecuaciones de la mecánica de fluidos. Para conocer la presión y lavelocidad de flujo basta la ecuación de Bernoulli (6.1) y continuidad (6.2), pues laspérdidas son muy pequeñas. El régimen de flujo conviene que sea de turbulenciamoderada, ya que con el régimen laminar el metal fundiría en las paredes de los


canales pudiendo obstruirlos, por ello el número de Reynolds (6.3 conviene que estécomprendido entre 2000 y 20.000.

h +p

ρg+

v2

2g= cte (6.1)

Q = A1 · v1 = A2 · v2 (6.2)

Re =v · D · ρ

η(6.3)

6.5. Solidificación

Velocidad de solidificación (Ecuación de Chvorinov). El tiempo de solidificacióndepende del tamaño de la pieza y de la superficie que dispone para transmitir elcalor. Cuanto mayor sea la pieza, más tiempo de solidificación requerirá. Chvorinov(6.4) estableció una relación que puede ser orientativa a la hora de hacer pruebas apequeña escala.

ts = C

(

VolumenSuperficie

)2

(6.4)

Contracción. La contracción de la pieza se produce en la solidificación y en elenfriamiento hasta la extracción, por lo que los modelos suelen ser de mayor tamañoque el deseado para las piezas finales.

La contracción puede tener efectos no deseados como los rechupes y poros queson impercetibles desde el exterior, pero que debilitan mucho la pieza. Para evitarestos defectos se procura que la solidificación sea direccional y siguiendo un frenteconocido. Esto se consigue mediante pequeños depósitos que mantienen diertas zo-nas calientes y alimentan de metal fundido la pieza mientras se está produciendo lasolidificación. Estos depósitos suelen tomar la forma de rebosaderos o mazarotas.

6.6. Problemas de Fundición

1. Un aluminio puro es vertido en un molde de arena. El nivel del metal en laartesa está 20 cm por encima del final del canal de alimentación. (El alumi-nio tiene una densidad de ρ=2385 Kg/m3, y una viscosidad de η=0.0013 Pas.)Calcular:

a) Rango de valores en el que se debe encontrar el diámetro del canal dealimentación al final de su trayecto.(No de Reynolds Re= vDρ

η)

b) Determinar el caudal máximo al inicio de la colada.

6.6. Problemas de Fundición 65

aaaa

aaaa

aaaaaa150

90

80

Figura 6.2: Proceso de conformado por fundición


2. En el molde de arena de la figura 6.2, calcular el peso muerto necesario parasostener la semicaja superior.

3. Estimar la fuerza de cierre para el proceso de fabricación de unos soldadosde plomo por fundición a presión de 20 MPa. Cada soldado tiene un áreaproyectada de 5.000 mm2. ¿Cuántos se podrían fabricar en una inyección si lafuerza del pistón es de 1 MN?

Capítulo7

Procesos de unión

7.1. Introducción

Métodos principales de unión entre dos elementos:

1. Unión permanente por una coalescencia localizada, basada en la cohesión oadhesión entre elementos.

2. Mediante cerramientos geométricos basados en deformaciones elásticas o plás-ticas.

3. A través de elementos especiales de unión (tornillos, remaches,. . . ).

67

68 Capítulo 7. Procesos de unión

7.2. Clasificación morfológica de los procesos

7.3. Soldadura por fusión

7.3.1. Soldadura por arco

Formación del arco

Tecnologías de soldadura por arco

7.3.2. Soldaduras por rayos de alta densidad energética

Soldadura por haz de electrones

Soldadura rayo LASER

7.3.3. Soldadura termoquímica

7.4. Soldadura por presión

7.4.1. Soldadura en frío

7.4.2. Soldadura por resistencia eléctrica

7.5. Procesos basados en materiales de relleno

7.5.1. Soldadura blanda

7.5.2. Soldadura fuerte

7.5.3. Unión por adhesivos

Capítulo8

Problemas

8.1. Problemas de metrología

1. Un taller va a mecanizar el exterior de un eje cilíndrico con dimensiones es-pecificadas 50 ± 0,025 mm. En la fase de preparación se mecaniza una piezay se comprueba un radio situando ésta sobre un mármol y aproximándoledos varillas calibradas por ambos lados, tomando la cota M entre las partesexternas de los rodillos.

Los rodillos tienen un radio de 10 mm con incertidumbre de 2 µm con K = 2,y el aparato de medida tiene una incertidumbre de 3 µm con K = 2. La cotaM da un valor de 83.858 mm.

Calcular el radio de la pieza fabricada e incertidumbre del procedimiento.

2. Calcular la conicidad del cono de la figura cuando M1 = 100, r = 8, y L1 = 20.Si se toma otra medida con L2 = 10, resulta que M2 = 75. (Las unidadesvienen en mm)

Si además se sabe que la incertidumbre de L es UL = 0,006 + 0,001 · L (conKL = 2), y que UM = 0,02 (con KM = 2). Determinar la incertidumbre de lamedida de la conicidad para un K = 3.

69

70 Capítulo 8. Problemas

M

r

L

3. Se pretende medir un ángulo mediante una regla de senos y bloques patrón, talcomo se muestra en la figura. Los datos numéricos son los siguientes: L = 50;r = 10; H1 = 20; H2 = 42. Las incertidumbres son: Ur = 0,01; UH1 = 0,005;y UH2 = 0,007, todas con K = 2. Calcular α y su incertidumbre en gradossexagesimales.

Todas las magnitudes longitudinales vienen en mm

H2

H1

a

L

r

8.2. Problemas de mecanizado

1. Una herramienta de torno con punta angular, donde κr = 60◦ y f = 0,05mm/rev. £Cuál debe ser el ángulo de filo secundario para obtener una rugo-sidad media Ra = 3 µm bajo condiciones ideales?

R: κr = 15,57◦

2. En una operación de torneado de un cilindro φ70 × 300 mm el avance es de0.25 mm/rev y la velocidad de corte de 1 m/s. La fuerza de corte está limitadaa 3 kN y la energía específica de corte del material es de 2000 MPa. Calcular:

a) El tiempo de realización de la operación.

b) La profundidad máxima de pasada.


R: 263.9 s; 6 mm

3. En una operación de taladrado con una broca de dos filos, la velocidad angularnt = 300 r.p.m., el avance es f = 0,2 mm/rev, el ángulo de filo principalκr = 60◦, el diámetro de la broca es dt = 12 mm. Si la energía específica decorte del material que está cortando es ps = 3000 MPa.

Calcular:

a) La tasa de arranque.

b) El espesor de viruta no deformado.

c) El par motor de la taladradora.

R: 113.1 mm3/s; 0.087 mm; 10.8 N·m

4. En una operación de cilindrado la vida de la herramienta obedece a la siguienteecuación de Taylor t = v−3f−0,8a−0,1

p estando v, f , y ap en unidades S.I.

Estimar el efecto en% sobre la vida de la herramienta, al duplicar la tasa dearranque incrementando:

a) La velocidad.

b) El avance.

c) La profundidad de corte.

R: 87%; 43%; 7%

5. En una operación de torneado, se reduce el diámetro de un cilindro φ40 × 70a 35 mm. Primero mediante una pasada de desbaste hasta un diámetro de36 mm y después mediante una pasada de acabado hasta el diámetro final.La herramienta tiene un radio de punta de 2 mm y el ángulo de posición defilo es κr = 75◦. La máquina tiene una potencia máxima de 5 kW. La energíaespecífica de corte viene dada en función del espesor de viruta mediante lasiguiente expresión:

ps = 3000

[

0,4

ac

]0,29


Determinar:

a) El avance máximo en la pasada de desbaste si la velocidad de corte es de70 m/min.


Figura 8.1: Fresado periférico

b) El avance máximo en la pasada de acabado si la rugosidad superficial aconseguir es de Ra=5 µm.

6. Un redondo de 80 mm de diámetro se rebaja a en una pasada a 75 mm dediámetro a lo largo de una longitud de 150 mm. La energía específica de cortedel material de trabajo es de 2000 MPa. El avance es de 0.25 mm/rev y lavelocidad angular del husillo es de 300 rpm. Calcular:

a) El tiempo de realización de la operación

b) El par motor y la potencia necesaria para realizar dicha operación.

7. En una operación de escuadrado con fresa periférica (Figura 8.1), según eldibujo de la figura, la pieza tiene una longitud de 50 mm y una energía espe-cífica de corte ps = 2000 MPa. La fresadora tiene 10 dientes y un diámetrode 50 mm. Determinar el avance en mm/rev para que la rugosidad superficialsea Rt = 0,2 µm. Calcular en este caso el espesor máximo de viruta.

R: 2 mm/rev; 0.12 mm

8. Con los datos del problema anterior y sabiendo que la potencia máxima de lamáquina es de 3 kW y la velocidad de la fresa es de 100 r.p.m. Determinar elavance máximo en mm/rev y el tiempo de mecanizado.

R: 6 mm/rev; 6.5 s

9. En un fresado periférico la fresa tiene 20 dientes y su diámetro es de 100 mm.La velocidad de rotación es de 5 rev/s, el avance 1.3 mm/s, la penetración 6mm, y el ancho de la pieza de 50 mm. La relación entre el espesor máximo deviruta no deformado acmax y la energía específica de corte viene dado por:


ps = 1,4

(

1 +2,5 · 10−6

acmax

)

(8.1)


Estimar:



10. En una operación de fresado periférico, la pieza de trabajo tiene un ancho de75 mm, y una longitud de 200 mm, su espesor ha de rebajarse 5 mm en unapasada.

a) £Qué velocidad de avance debe usarse si la potencia disponible para elcorte es de 3 kW y la fuerza específica de corte es de 3.6 GJ/m3?

b) Si la fresa tiene 100 mm de diámetro, un solo diente y la rugosidadmáxima superficial ideal es de 1.5 µm. £Cuál debe ser la la velocidad derotación mínima de la fresa?

c) £Cuál es la velocidad de corte?

d) £Y el tiempo de mecanizado?

11. En un fresado periférico la fresa tiene 20 dientes y su diámetro es de 200 mm.La velocidad de rotación es de 5 rev/s, el avance 1.3 mm/s, la penetración 6mm, y el ancho de la pieza de 50 mm. La relación entre el espesor máximo deviruta no deformado acmax y la energía específica de corte viene dado por:

ps = 1,4

(

1 +2,5 · 10−6

acmax

)

(8.2)


Estimar:



12. En una operación de fresado periférico, los siguientes datos: velocidad de ro-tación es de 2.5 rev/s, el avance 2 mm/s, la penetración 10 mm, el ancho dela pieza de 50 mm, la longitud de la pieza 150 mm, el diámetro de la fresa


40 mm, nž de dientes de la fresa 10.La relación entre el espesor máximo deviruta no deformado acmax y la energía específica de corte viene dado por:

ps = 3000

[

0,4

amed

]0,29

(8.3)


Estimar:

a) La potencia requerida por la máquina si tiene una rendimiento del 80

b) Tiempo de mecanizado

13. En una operación de fresado periférico, la pieza de trabajo tiene un ancho de75 mm y una longitud de 200 mm, y se ha de rebajar su espesor 5 mm en unapasada. La fresa tiene 50 mm de diámetro y 3 dientes, la potencia nominal dela fresadora es de 3 kW y la energía específica de corte es de 3.6 GJ/m3.

Determinar:

a) La máxima velocidad de avance.

b) La velocidad angular de la rueda para que la rugosidad superficial teóricaRt sea inferior a 1.5 µm.

c) El tiempo de mecanizado de la pieza.

14. Wn una operación de fresalo frontal, la profundidad de corte es 5mm la velo-cidad de avance 0.67 mm/s, el ancho de la pieza 50 mm, y la fresa tiene 20dientes con un diámetro de 800 mm. La velocidad de corte es de 1 m/s.

Calcular:

a) Velocidad angular de la fresa

b) Tasa de arranque máxima

c) tiempo necesario para mecanizar 100 piezas de longitud 150 mm si eltiempo de carga y descarga es de 180 s.

8.3. Problemas de deformación plástica

1. Determinar la potencia necesaria para el accionamiento de una prensa hidráu-lica capaz de comprimir en caliente un tocho cilíndrico de acero de 530 mmde diámetro, desde una longitud inicial de 150 mm hasta una final de 80 mm.


Figura 8.2: Extrusión directa

Supóngase que:

El comportamiento del material sigue una ley del tipo Y =47 N/mm2

El rendimiento global del sistema hidráulico-mecánico de la prensa es del45%

La velocidad relativa de acercamiento de las plataformas de la prensa esde 0.4%


2. En la figura se muestra una pieza producida por una extrusión directa. De-terminar la fuerza necesaria para producirla. El material es un acero cuya leyde deformación plástica es σ = 650ǫ0,26 N/mm2.

3. En un ensayo de tracción sobre una probeta cilíndrica de acero inoxidable del0 = 50,8 mm y sección A0 = 35,8 mm2 se ha obtenido los siguientes datos:

Carga (N) ∆l (mm)7208 011250 5.50813500 2.0316200 2.0818900 10.1620200 15.2420700 21.813200 24.0

La sección de la zona fracturada era de Amin = 10,0 mm2

Representar gráficamente la curva σ − ǫ. Calcular las constantes del compor-tamiento exponencial.


4. Determinar la potencia necesaria para ej accionamiento de una trefiladoracapaz de disminuir un alambre desde un diámetro D1 = 6 mm a un diámetroD2 = 2 mm en una sola etapa, y con una productividad de 5 m/s.

Supóngase que:

El comportamiento del material sigue una ley del tipo σ = 745ǫ0,48

N/mm2

El rendimiento global del sistema mecánico de la máquina es del 70%


5. Un tubo con un diámetro exterior D1 = 60 mm y espesor t1 = 10 mm esreducido a un diámetro D2 = 50 mm en un proceso de trefilado simple (aunquecon un mandril interior). El material es cobre con σ = 440ǫ0,3 N/mm2.

a) £Cuál es la fuerza del proceso cuando el espesor final es t2 = 7 mm?

6. Se pretende realizar el estiramiento de un cilindro de φ20× 50 mm hasta unalongitud de 70 mm. El material sigue una ley de comportamiento plásticoσ = 650ε0,22 N/mm3.

a) £Cuál es la energía de deformación del proceso?

b) £Cuál es la fuerza máxima que se alcanza durante el proceso?.

8.4. Fundición

1. Un aluminio puro es vertido en un molde de arena. El nivel del metal en laartesa está 20 cm por encima del final del canal de alimentación. (El alumi-nio tiene una densidad de ρ=2385 Kg/m3, y una viscosidad de η=0.0013 Pas.)Calcular:

a) Rango de valores en el que se debe encontrar el diámetro del canal dealimentación al final de su trayecto.(Nž de Reynolds Re= vDρ

η)

b) Determinar el caudal máximo al inicio de la colada.

8.5. Control Numérico

1. Escribir un posible programa para un torno de control numérico que realiceen desbaste la pieza de la figura a partir de un cilindro. Usar, entre otras, lasfunciones G92, G88 y G39. El cero máquina inicial está en el apoyo sobre lasgarras, sobre el punto negro. La forma inicial de la pieza está limitada por lalínea discontinua y se puede eliminar en una sola pasada.

Indicar sobre el programa las operaciones que se vayan realizando.

Imaginar el resto de los datos.

8.5. Control Numérico 77

22

5

f25 f30

2x45º

40

2. Escribir un posible programa de control numérico para el acabado y roscado(G86) de la pieza de la figura. El cero máquina inicial está en el círculo señaladoen la figura. El paso de rosca es P10=K3.5 y el ángulo de punta P12=K60.

Indicar sobre el programa las operaciones que se vayan realizando.

Imaginar los datos no especificados.

2x45º2035

f30

Capítulo9

Cuestiones de examen

1. £En qué consiste el principio de generación de superficies unidimensional?.Cita dos casos en deformación plástica.

2. Clasificación de los procesos básicos según el flujo de energía.

3. Define la trazabilidad de una medida de precisión.

4. Define la sensibilidad de un instrumento de medida.

5. Diferencia entre repititibilidad y reproducibilidad de un procedimiento de me-dida.

6. ¿Cuál es el intervalo de seguridad y el nivel de confianza de una medida?

7. Indica la cadena de diseminación de unidades desde el patrón nacional hastalos instrumentos de medida de taller.

8. Relación que suele existir entre la tolerancia de diseño y la incertidumbre delinstrumento de medida en una medida de precisión.

9. Relación conveniente que debe existir entre incertidumbre del instrumento demedida y la tolerancia de la cota a comprobar.

10. Indica la relación conveniente entre incertidumbre y división de escala de uninstrumento de medida.

11. £Cómo depende en la incertidumbre de una medida la incertidumbre del pa-trón con que se ha calibrado el instrumento.

12. ¿En qué consiste un diagrama de niveles de instrumentos de medida?

79

80 Capítulo 9. Cuestiones de examen

13. £Qué parámetros se utilizan con más frecuencia para cuantificar la calidad deacabado superficial?

14. ¿Cómo se mide la rugosidad superficial media Ra a partir del perfil dado porel rugosímetro?.

15. Describe el proceso de moldeo en cáscara.

16. Indica la regla de Chorinov relativa al tiempo de solidificación de metales.

17. £De qué depende la disolución de gases en un metal fundido?£Qué tipo dedefectos producen?

18. Describe el proceso de moldeo en cáscara.

19. £Qué es una mazarota? £Para qué sirve?

20. Indica brevemente cómo se construye un molde para fundición en arena.

21. Describe el proceso de fundición en cámara caliente con cuello de cisne.

22. £En qué consiste la soldadura por autógena?.

23. Explicar el fenómeno termoiónico en el establecimiento del arco.

24. Soldadura por puntos.£Qué parámetros se usan para ajustar el proceso?

25. Cuándo se usan electrodos básicos en soldadura con electrodo revestido.

26. Diferencia entre soldadura fuerte y soldadura blanda. Cita, para cada tipo,dos metales que se usan como material de aportación.

27. Realiza un esquema de funcionamiento de la soldadura MIG. £Qué ventajapresenta frente a otros tipos de soldadura?

28. Reacción química en la que se basa la aluminotermia

29. Tipos de llama en soldadura oxiacetilénica.

30. Reacción química principal en la soldadura autógena con acetileno. £Cuándose usa llama oxidante?

31. ¿Cuándo conviene usar la soldadura en arco sumergidos(SAW)?.

32. Ilustra con un esquema el funcionamiento de la soldadura TIG. ¿Qué ventajaspresenta frente a otros métodos?

33. ¿Como afecta la temperatura a la deformación plástica de metales?

34. Deduce dónde se encontraría el punto de inestabilidad en un proceso de esti-rado cuando la curva tensión-deformación sigue la ley σ = Cεn.

81

35. Relación entre tensión real y tensión nominal en un ensayo de tracción.

36. Define el coeficiente de anisotropía plano de una chapa metálica. ¿Como in-fluye este parámetro en el proceso de embutición?

37. ¿Cómo influye la velocidad de deformación en procesos de deformación plásticaen caliente?

38. ¿Qué dificultades presenta el aluminio para el doblado frente al acero?

39. Deduce las expresiones de las deformaciones y tensiones reales a partir de lasdeformaciones y tensiones nominales dados en el ensayo de tracción.

40. ¿Qué factores influyen en la relación límite de embutición (LDR)?

apuntes de tecnología de fabricación

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