apuntes de teoría

UNIVERSIDAD DE ALMERÍA

ÁREA DE INGENIERÍA MECÁNICA

TECNOLOGÍA DE LA FABRICACIÓN Grado en Ingeniería Electrónica Industrial (Plan 2010)

Grado en Ingeniería Mecánica (Plan 2010) Grado en Ingeniería Química Industrial (Plan 2010)

Grado en Ingeniería Eléctrica (Plan 2014)

APUNTES DE TEORÍA

Autores: Editor: Alejandro López Martínez Alejandro López Martínez Javier López Martínez Almería, noviembre 2015

APUNTES DE TEORÍA DE TECNOLOGÍA DE LA FABRICACIÓN ÍNDICE

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ÍNDICE TEMA 1: INTRODUCCIÓN A LA FABRICACIÓN. PROCESOS Y SISTEMAS .................3

1.1 Historia de los Sistemas de Producción ....................................................................................5 1.2 La Tecnología Moderna (de la revolución industrial hasta la actualidad) ................................14 1.3 Los Procesos de Fabricación, una parte del concepto de producción .......................................22 TEMA 2: SISTEMAS Y PROCESOS DE FABRICACIÓN. ORGANIZACIÓN DE A PRODUCCIÓN ..........................................................................................................................40

2.1 Introducción a los Sistemas de Producción y Fabricación. Sistemas de Fabricación Flexible ..40 2.2 Gestión de Recursos Materiales. Planificación y Control de la Producción .............................53 2.3 Introducción a la Gestión de la Información ...........................................................................62 ANEXO I – Cálculo de Costes .....................................................................................................66 TEMA 3: PROCESOS DE MOLDEO ......................................................................................70

3.1 Introducción. Clasificación (METAL)............................................................................................70 3.2 El moldeo de fundiciones (METAL)..............................................................................................80 3.3 El moldeo por inyección (METAL) ...............................................................................................98 3.4 El moldeo de materiales plásticos (POLÍMEROS) .............................................................................99 TEMA 4: PROCESOS DE ARRANQUE DE VIRUTA .........................................................125

4.1 Introducción a los procesos de arranque de viruta. Clasificación...........................................125 4.2 Parámetros y fuerzas de corte. Tiempos y costes de mecanizado...........................................139 4.3 Materiales. Desgaste y Lubricación ......................................................................................148 4.4 Torneado..............................................................................................................................160 4.5 Fresado ................................................................................................................................171 4.6 Taladrado .............................................................................................................................184 4.7 Roscado ...............................................................................................................................188 4.8 Rectificado ...........................................................................................................................189 TEMA 5: PROCESOS DE CONFORMADO POR DEFORMACIÓN PLÁSTICA.............197

5.1 Introducción a la deformación plástica. Clasificación ...........................................................197 5.2 Laminación ..........................................................................................................................201 5.3 La forja ................................................................................................................................212 5.4 La extrusión .........................................................................................................................221 5.5 Procesos de conformado de chapa ........................................................................................229 5.6 Otros procesos de fabricación...............................................................................................246 6 BIBLIOGRAFÍA...................................................................................................................252

APUNTES DE TEORÍA DE TECNOLOGÍA DE LA FABRICACIÓN TEMA 1

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1 TEMA 1: INTRODUCCIÓN A LA

FABRICACIÓN. PROCESOS Y SISTEMAS

A continuación se presentan algunas definiciones de términos presentes en la asignatura de

Tecnología de la Fabricación (www.rae.es):

Ciencia: Conjunto de conocimientos obtenidos mediante la observación y el razonamiento, sistemáticamente estructurados y de los que se deducen principios y leyes generales.

Conformar: Dar forma a algo.

Innovación: Creación o modificación de un producto, y su introducción en un mercado.

Ingeniería: Estudio y aplicación, por especialistas, de las diversas ramas de la tecnología.

Fabricación: Acción y efecto de fabricar.

Fresadora: Máquina provista de fresas que sirve para labrar metales.

Fabricar: Producir objetos en serie, generalmente por medios mecánicos.

Manufactura: Obra hecha a mano o con auxilio de máquina. En un sentido completo, es el proceso de convertir materias primas en productos.

Mecanizado: Proceso de elaboración mecánica.

Mecanizar: Implantar el uso de las máquinas en operaciones militares, industriales, etc. Someter a elaboración mecánica. Dar la regularidad de una máquina a las acciones humanas.

Máquina: Artificio para aprovechar, dirigir o regular la acción de una fuerza. Conjunto de aparatos combinados para recibir cierta forma de energía y transformarla en otra más adecuada, o para producir un efecto determinado.

Moldear: Hacer molduras en algo. Sacar el molde de una figura. Dar forma a una materia echándola en un molde.

Oxicorte: Técnica de cortar metales con soplete oxiacetilénico.

Prototipo: Ejemplar original o primer molde en que se fabrica una figura u otra cosa.

Tecnología: Conjunto de teorías y de técnicas que permiten el aprovechamiento práctico del conocimiento científico. Conjunto de los instrumentos y procedimientos industriales de un determinado sector o producto.

Torno: 1. Máquina simple que consiste en un cilindro dispuesto para girar alrededor de su eje por la acción de palancas, cigüeñas o ruedas, y que ordinariamente actúa sobre la resistencia por medio de una cuerda que se va arrollando al cilindro. 2. Armazón giratoria compuesta de varios tableros verticales que concurren en un eje, y de un suelo y un techo circulares, la cual se ajusta al hueco de una pared y sirve para pasar objetos de una parte a otra, sin que se vean las personas que los dan o reciben, como en las clausuras, en las casas de expósitos y en los comedores. 3. Máquina que, por medio de una rueda, cigüeña, etc., hace que algo dé vueltas sobre sí mismo, como las que sirven para hilar, torcer seda, devanar, hacer obras de alfarería, etc. 4. Máquina para labrar en redondo piezas de madera, metal, hueso, etc. 5. Instrumento eléctrico formado por una barra con una pieza giratoria en su extremo, usada por los dentistas para limpiar y limar la dentadura. 6. Torniquete (II dispositivo para que las personas pasen de una en una). 7. Freno de algunos carruajes, que se


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maneja con un manubrio. 8. Vuelta alrededor, movimiento circular o rodeo. 9. Recodo que forma el cauce de un río y en el cual adquiere por lo común mucha fuerza la corriente. 10. Acción de pasar la adjudicación del remate, en los arrendamientos de rentas, al postor que ofrece mayores ventajas inmediatamente después de otro que lo tuvo primero y no dio dentro del término las fianzas estipuladas.

Torno paralelo: Aquel cuyo portaherramientas se mueve en sentido paralelo al eje de la pieza que se tornea, y que sirve para roscar.

Torno revólver: torno automático o semiautomático que dispone de un revólver para el cambio de herramientas.

Otras dos definiciones a tener en cuenta:

Tecnología Mecánica: Ciencia cuyo objeto es el conocimiento, aplicación y desarrollo de procesos óptimos para la conformación de conjuntos mecánicos, según especificaciones de diseño, basándose en el uso de factores productivos y teniendo en cuenta las necesidades del individuo, empresa y sociedad.

Figura 1. Tecnología Mecánica.

Proceso de fabricación: El objeto es obtener productos según especificaciones de diseño (planos e instrucciones) a partir de preformas o materias primas, con el apoyo de recursos de producción (materiales, equipos auxiliares, energía, información, personal…) realizado en un sistema de fabricación, mediante el empleo de una máquina o instalación con un método óptimo, de acuerdo a ciertas reglas conocidas y sometido simultáneamente a parámetros no dominados.

*Lecturas recomendadas para este tema: Introducción general de la referencia bibliográfica [1]. Capítulo 2 de la referencia bibliográfica [2].

Conocimiento

Aplicación

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((óóppttiimmoo))

Diseños Factores

Productivos

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Necesidades


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1.1 Historia de los Sistemas de Producción

Si observamos cualquier objeto de nuestro alrededor observamos que, tanto el objeto como sus componentes, tienen diferentes formas que difícilmente se podrían encontrar en la naturaleza. Estos objetos se obtienen a partir de materias primas que son transformadas y ensambladas.

Podemos encontrar objetos formados por una sola pieza (un tornillo o un tenedor); objetos formados por varias piezas (unas tijeras, un lápiz o una silla); y son muchos los objetos que nos rodean que están formados por multitud de piezas (una impresora, una lavadora o un coche). Todos estos productos se fabrican por medio de diversos procesos denominados manufactura.

Manufactura: proceso de convertir materias primas en productos. Incluye también las actividades en el que un producto ya fabricado se utiliza para elaborar otros productos (Ejemplo: máquinas extrusoras, producto ya fabricado, que forman perfilería de aluminio, nuevo producto fabricado).

La palabra manufactura deriva del latín manu factus (“hecho a mano”) y se utilizó por primera vez en 1567. La palabra manufacturar apareció en 1683. La palabra producto significa “algo que se produce” y apareció, junto con el término producción, en el siglo XV. Los términos manufactura y producción suelen utilizarse de manera indistinta.

Los términos fabricar y producir hacen referencia a la realización de una serie de actividades cuyo objetivo es obtener un producto o bien determinado.

Podemos denominar sistema productivo al conjunto de elementos cuya interacción nos proporciona un determinado producto o bien. Dentro de cada sistema productivo tendrá lugar una serie de procesos, complejos o sencillos, que se pueden dividir en fases y operaciones.

A través de la manufactura, proceso o sistema productivo se transforman las materias primas en productos útiles. Estos productos manufacturados adquieren un valor añadido.

Dentro de la manufactura podemos diferenciar dos tipos básicos: (i) aquellos procesos destinados a fabricar productos discretos (partes individuales: clavos, bolas para rodamientos, latas de conservas, bloques de motor…); (ii) productos continuos (alambre, hojas de metal, tubos…) que luego se cortan en piezas individuales y se convierten en productos discretos.

La manufactura es una actividad bastante compleja, en ella interfieren gran variedad de recursos y actividades:

- Diseño del producto.

- Máquinas y herramientas.

- Planificación del proceso.

- Materiales.

- Compras.

- Manufactura propiamente dicha.

- Control de la producción.

- Servicios de soporte.

- Mercado.

- Ventas.

- Embarque.

- Servicios al cliente.

Manufactura ≈ Fabricación


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Además, las actividades de manufactura deben responder a distintas demandas del mercado (clientes) y las tendencias de cada momento:

- Requisitos de diseño, especificaciones y normas.

- Seguir métodos económicos y respetuosos con el medio ambiente.

- Calidad del producto en todas sus etapas (desde el diseño hasta el ensamblado). Y no centrar los controles de calidad solo una vez obtenido el producto final.

- Los métodos de producción deben ser flexibles para poder adaptarse a las demandas del mercado en cualquier momento.

- Los continuos desarrollos de materiales, métodos de producción e integración a las computadoras deben evaluarse constantemente con el objetivo de que su implantación sea apropiada, oportuna y económica.

- Las actividades de manufactura deben considerarse como un gran sistema, cuyas partes se relacionan entre sí en diferente grado. Estos sistemas se pueden estudiar mediante la aplicación de modelos matemáticos que permitan analizar el efecto de cambios en uno varios de los factores que afecten al sistema (demandas de mercado, diseño del producto, métodos de producción, calidad…).

- Debe haber una relación entre el cliente final y el fabricante (retroalimentación) para conseguir una mejora continua del producto. Además de ofrecer al cliente final un buen servicio de postventa (mantenimiento, asesoramiento…).

- Búsqueda continua del máximo nivel de productividad (uso óptimo de los recursos: materia prima, mano de obra, maquinaria, energía, tecnología y capital). Se debe maximizar la producción por empleado y hora en todas las fases.

Un poco de Historia

El inicio de la manufactura data de los años 5000 a 4000 a.C. Aunque el origen de la manufactura posiblemente sean más antiguo que la historia registrada. La realización de los dibujos encontrados en cuevas y rocas primitivas requería del uso de algún tipo de pincel o brocha y de la “pintura” o “material” necesario para grabar en la roca. El hombre primitivo no disponía de ambos elementos tal cual en la naturaleza, por lo que necesitaba fabricarlos de algún modo.

En cuanto al uso de los diferentes materiales, se comenzó con la fabricación de productos en madera, cerámica, piedra y metal. Los materiales y procesos utilizados para dar forma a los productos (mediante fundición y martillado) se han ido desarrollando gradualmente con el paso de los siglos.

De oro, cobre y hierro eran los primeros materiales que se utilizaron para fabricar utensilios domésticos y ornamentales; seguidos de la plata, el plomo, estaño, latón y bronce. Entre los años 600 y 800 d.C. se introduce el acero; desde entonces se han desarrollado una gran multitud de diversos materiales ferrosos y no ferrosos. En la actualidad, los materiales empleados para tecnologías avanzadas incluyen materiales de ingeniería, desarrollados para fines concretos, con propiedades concretas y únicas: materiales cerámicos de última generación, plásticos reforzados, materiales compuestos, nanomateriales…

En cuanto a las tecnologías aplicadas en procesos de manufactura y fabricación, antes de la Revolución Industrial (que comenzó a mitad del siglo XVIII), los sistemas de fabricación dependían


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principalmente de la mano de obra en todas sus fases. Con la revolución industrial llegó la mecanización de los procesos productivos; comenzando con el desarrollo de maquinaria para la industria textil y para el corte de metal. Este desarrollo iniciado en Inglaterra, rápidamente se expandió por Europa y Estados Unidos. En 1800 se implantó el uso de partes intercambiables (creadas por Eli Whitney); antes de esta aportación era necesario el ajuste a mano de cualquier máquina, ya que no se podían fabricar dos piezas iguales. Actualmente, en la reparación de cualquier máquina se da por entendido que se puede cambiar cualquier elemento roto por otro nuevo de idénticas características. A día de hoy, son innumerables los avances y desarrollos de nuevas tecnologías que se han llevado a cabo.

A partir de la década de 1940 los avances tecnológicos se han desarrollado a gran velocidad, cabe destacar el desarrollo de las computadoras, desde sus comienzos hasta su estado actual. A día de hoy, los sistemas informáticos (control por ordenador, robótica, sensores) han permitido que los métodos de producción hayan avanzado mucho, permitiendo altas velocidades de producción, gran calidad en los procesos y productos, así como la gran facilidad de reproducir los procesos (reproductibilidad de productos).


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Tabla 1. Desarrollo histórico de materiales y procesos de manufactura. (Fuente [1])

Periodo Años Metales y fundición Diversos materiales y

composites Formado y modelado Unión Herramientas, mecanizado y sistemas de manufactura

< 4000 aC Oro, cobre, hierro meteórico

Artículos de tierra, vidriería, fibras naturales

Martillo --

Herramientas de piedra, pedernal, madera, hueso, marfil, herramientas de composites

4000 – 3000 aC

Fundición de cobre, moldes de piedra y metales, proceso a la cera perdida, plata, plomo, estaño, bronce

Estampado, joyería Soldadura de cobre Corindón (alúmina, esmeril)

3000 – 2000 aC Fundición y estirado de bronce y oro

Perlas de vidrio, torno alfarero, recipientes de vidrio

Alambre (corte de hojas metálicas)

Remaches Fabricación de azadones, hachas, herramientas para herrería y carpintería.

2000 – 1000 aC Hierro maleable, bronce

1000 – 1 aC Hierro fundido, acero fundido

Prensado y soplado de vidrio

Estampado de monedas

Soldadura por forja de hierro y acero, pegado

Cinceles, sierras, limas, tornos para madera

1 – 1000 Zinc, acero Vidrio veneciano Armaduras, acuñado, forja, espadas de acero

Grabado de armaduras

1000 – 1500 Alto horno, diversos metales, fundición de campanas, peltre

Cristal Estirado de alambre, orfebrería en oro y plata

Papel lija, sierra impulsada por molino de viento

1500 – 1600 Cañones de hierro fundido, placa de estaño

Vidrio plano fundido, vidrio de pedernal

Potencia hidráulica para trabajo de metales, laminación de tiras para monedas

Torno de mano para madera

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1600 – 1700

Fundición en molde permanente, latón a partir de cobre y zinc metálico

Porcelana Laminación (plomo, oro, plata).

Mandrilado, torneado, mecanizado de roscas, taladro de columna


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Tabla 1. Desarrollo histórico de materiales y procesos de manufactura (continuación). (Fuente [1])


composites Formado y modelado Unión

Herramientas, mecanizado y sistemas

de manufactura

1700 – 1800 Hierro fundido maleable, acero de crisol (barras y varillas de hierro)

Extrusión (tubos de plomo), embutición profunda, laminación

1800 – 1900

Fundición centrífuga, proceso Bessemer, aluminio electrolítico, barras de níquel, metales babbitt, acero galvanizado, metalurgia de polvos, acero de hogar abierto

Vidrio para ventana de cilindro dividido, lámpara de luz, vulcanización, procesamiento del hule, poliéster, estireno, celuloide, extrusión de hule, moldeo

Martillo de vapor, laminación de acero, tubos sin costura, laminación de rieles de acero, laminación continuo, electrodeposición

Cepillo de mesa fija, fresa, torno copiador, torno de torreta, fresado universal, disco vitrificado para rectificado

1900 – 1920 Fabricación automática de botellas, baquelita, vidrio de borosilicato

Doblado de tubos, extrusión en caliente

Oxiacetileno, soldadura de arco, resistencia eléctrica y térmica

Torno engranado, roscado automático, tallado de engranajes con fresa madre, herramientas de acero de alta velocidad, óxido de aluminio y carburo de silicio (sintético)

1920 – 1940 Fundición a presión

Desarrollo de plásticos, fundición, moldeo, cloruro de polivinilo PVC, acetato de celulosa, polietileno, fibras de vidrio

Alambre de tungsteno a partir de polvo metálico

Electrodos recubiertos Carburo de tungsteno, producción en masa, máquinas de transferencia

1940 – 1950 Proceso a la cera perdida para piezas de ingeniería

Acrílicos, hule sintético, epóxidos, vidrio fotosensible

Extrusión (acero), estampado, metales en polvo para piezas de ingeniería

Soldadura de arco sumergido

Recubrimientos de conversión de fosfato, control de calidad total

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1950 – 1960 Molde cerámico, hierro dúctil, semiconductores, fundición continua

Acrilonitrilo butadieno estireno, fluorocarbonos, poliuretano, vidrio flotado, vidrio templado, cerámicos variados

Extrusión en frío (acero), formado explosivo, procesamiento termomecánico

Soldadura de arco de metal y gas, de tungsteno y gas y de electroescoria; soldadura por explosión

Mecanizado eléctrico y químico, control automático


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Tabla 1. Desarrollo histórico de materiales y procesos de manufactura (continuación). (Fuente [1])


composites Formado y modelado Unión Herramientas,

mecanizado y sistemas de manufactura

1960 – 1970 Fundición por compresión, álabes para turbinas de monocristales

Acetales, policarbonato, formado en frío de plásticos, plásticos reforzados, devanado de filamentos

Hidroformado, extrusión hidrostática, electroformado

Soldadura de arco de plasma y de haz de electrones, adhesivos

Carburo de titanio, diamante sintético, control numérico (CN), microcircuito integrado

1970 – 1990

Grafito compactado, fundición al vacío, arena aglutinada orgánicamente, automatización del moldeo y colado, solidificación rápida, composites de matriz metálica, trabajo de metales semisólidos, metales amorfos, aleaciones con memoria de forma (materiales inteligentes), simulación por ordenador

Adhesivos, materiales composites, semiconductores, fibras ópticas, cerámicos estructurales, composites de cerámicos estructurales, plásticos biodegradables, polímeros conductores de la electricidad

Forjado de precisión, forjado isotérmico, formado superplástico, matrices fabricadas con diseño y fabricación asistida por ordenador (CAD/CAM), forjado y formado de forma neta, simulación por ordenador

Rayo láser, unión por difusión, soldadura blanda

Nitruro de boro cúbico, recubrimiento de herramientas, torneado de diamante, mecanizado de ultraprecisión, fabricación asistida por ordenador, robots industriales, centros de mecanizado, fabricación flexible, tecnología de detectores (sensores), inspección automatizada, sistemas expertos, simulación por ordenador

Era

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1990 – 2000

Refundición, diseño de moldes y matrices asistido por ordenador, montaje rápido de herramientas

Nanomateriales, espumas metálicas, recubrimientos avanzados, superconductores de alta temperatura, cerámicos mecanizables, carbono como diamante

Prototipado rápido, montaje rápido de herramientas, fluidos respetuoso con el medio ambiente

Soldadura por fricción, soldadura a tope con láser, adhesivos conductores de la electricidad

Micro y nanofabricación, litografía, LIGA (litografía, electrodeposición y moldeo), mecanizado en seco, transmisiones de motores lineales, redes neuronales artificiales, seis sigma


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Algunos conceptos a destacar de la Tabla 1:

- Pedernal: variedad de cuarzo, que se compone de sílice con muy pequeñas cantidades de agua y alúmina. Es compacto, de fractura concoidea, translúcido en los bordes, lustroso como la cera y por lo general de color gris amarillento más o menos oscuro. Da chispas herido por el eslabón.

- Corindón: Piedra preciosa, la más dura después del diamante. Es alúmina cristalizada, y hay variedades de diversos colores y formas.

- Azadones: Instrumento que se distingue de la azada en que la pala, cuadrangular, es algo curva y más larga que ancha. Sirve para rozar y romper tierras duras, cortar raíces delgadas y otros usos análogos.

- Vidrio: Sólido duro, frágil y transparente o translúcido, sin estructura cristalina, obtenido por la fusión de arena silícea con potasa, que es moldeable a altas temperaturas.

- Acuñar: Imprimir y sellar una pieza de metal, especialmente una moneda o una medalla, por medio de cuño o troquel.

- Peltre: Aleación de cinc, plomo y estaño.

- Cristal: 1. Sólido cuyos átomos y moléculas están regular y repetidamente distribuidos en el espacio. 2. Vidrio, especialmente el de alta calidad.

- Vidrio o Cristal: principal diferencia que el cristal contiene óxido de plomo (que no se puede fundir en el mismo horno junto con vidrio, la temperatura de fusión es diferente).

- Orfebrería: Arte del orfebre.

- Orfebre: Persona que labra objetos artísticos de oro, plata y otros metales preciosos, o aleaciones de ellos.

- Vidrio de pedernal: o vidrio de plomo, contiene potasio y plomo.

- Acero de crisol: acero elaborado mediante diferentes técnicas, basadas en el calentamiento lento y enfriado de hierro puro en un crisol (en presencia de carbono).

- Crisol: 1. Recipiente hecho de material refractario, que se emplea para fundir alguna materia a temperatura muy elevada. 2. Cavidad que en la parte inferior de los hornos sirve para recibir el metal fundido.

- Proceso Bessemer: primer proceso de fabricación químico que sirvió para la fabricación en serie de acero, fundido en lingotes, de buena calidad y con poco coste a partir del arrabio.

- Arrabio: Fundición de hierro que se obtiene en el alto horno y que constituye la materia prima de la industria del hierro y del acero

- Aluminio electrolítico: obtención de aluminio mediante electrolisis.

- Electrolisis: Descomposición de una sustancia en disolución mediante la corriente eléctrica.

- Metales babbitt: o metales de cojinete, aleación que se utiliza para la superficie de apoyo en cojinetes de fricción (actualmente existen muchos tipos de aleación).

- Acero galvanizado: El galvanizado es el proceso electroquímico por el cual se puede cubrir un metal con otro (por ejemplo acero+zinc).

- Acero de hogar abierto: fabricado en hornos de hogar abierto.

- Vulcanización: Acción y efecto de vulcanizar.


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- Vulcanizar: Combinar azufre con goma elástica para que esta conserve su elasticidad en frío y en caliente.

- Hule: Caucho o goma elástica.

- Baquelita: Resina sintética que se obtiene calentando formaldehído y fenol en presencia de un catalizador. Tiene mucho uso en la industria, especialmente en la preparación de barnices y lacas y en la fabricación de objetos moldeados.

- Acrílicos: Dicho de una fibra o de un material plástico: Que se obtiene por polimerización del ácido acrílico o de sus derivados.

- Polimerización: Reacción química en la que dos o más moléculas se combinan para formar otra en la que se repiten unidades estructurales de las primitivas y su misma composición porcentual cuando estas son iguales.

- Epóxidos: En química orgánica un epóxido es un radical formado por un átomo de oxígeno unido a dos átomos de carbono, que a su vez están unidos entre sí mediante un solo enlace covalente.

- Vidrio fotosensible: responden a la acción de la luz.

- Hierro dúctil: El hierro dúctil se obtiene mediante la introducción controlada de magnesio en el hierro fundido, y bajas proporciones de azufre y fósforo.

- Semiconductor: Se dice de las sustancias aislantes, como el germanio y el silicio, que se transforman en conductores por la adición de determinadas impurezas. Se usan en la fabricación de transistores, chips y derivados. Elemento que se comporta como un conductor o como aislante dependiendo de diversos factores (campos eléctricos o magnéticos, la presión, la radiación o la temperatura ambiente).

- Vidrio flotado: plancha de vidrio fabricada haciendo flotar el vidrio fundido sobre una capa de estaño fundido.

- Cerámica: Arte de fabricar vasijas y otros objetos de barro, loza y porcelana.

- Álabes para turbinas de monocristales: superaleaciones monocristal (a base de níquel).

- Aleación: Producto homogéneo, de propiedades metálicas, compuesto de dos o más elementos, uno de los cuales, al menos, debe ser un metal.

- Devanar: Ir dando vueltas sucesivas a un hilo, alambre, cuerda, etc., alrededor de un eje, carrete, etc.

- Hidroformado: conformado de algún material mediante algún líquido a presión (agua o emulsiones de agua y aceite).

- Composites: Los composites o resinas compuestas son materiales sintéticos que están mezclados heterogéneamente.

- Fibras ópticas: Hilo o haz de hilos de material altamente transparente por el cual se transmite información a grandes distancias mediante señales luminosas.

- Formado superplástico: El conformado superplástico es un método de fabricación basado en el comportamiento extremadamente dúctil de ciertos materiales que permite obtener formas casi acabadas mediante su deformación plástica.

- Trabajo de metales semisólidos: Moldeo de metales en estado semisólido, producción de piezas de metales no-férreos (aluminio, cobre, magnesio), combinando las ventajas de la fundición y la forja.

- Metales amorfos: metal con su estructura atómica desordenada.


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- Aleaciones con memoria de forma (materiales inteligentes): capaces de recuperar su forma después de una deformación significativa.

- Sistemas expertos: sistemas informáticos capaces de realizar tareas y resolver operaciones complejas igual que lo harían expertos en la materia, pero con una capacidad mucho mayor.

- Nanomateriales: materiales con propiedades morfológicas inferiores a un micrómetro a alguna dimensión.

- Espumas metálicas: o espuma de aluminio. Combinan las ventajas estructurales de la espuma con las propiedades de los metales.

- Prototipado rápido: tecnología que hace posible la obtención de prototipos en tiempos relativamente bajos.

- LIGA (litografía, electrodeposición y moldeo): proceso utilizado para la fabricación de microsistemas, desarrollado hacia fines de los años 1970 en Kernforschungszentrum Karlsruhe (KfK). La sigla "LIGA" proviene del alemán, representan las siguientes etapas:

o Litografía de rayos X: el patrón en dos dimensiones de las microestructuras es duplicado por litografía de rayos X sobre una capa de polímero fotosensible.

o Galvanización por electro-deposición: el metal es depositado sobre las microestructuras.

o Conformado: tras la disolución del polímero sobrante, el bloque de metal resultante suele tener la función de herramienta de formación.

- Mecanizado en seco: sin uso de lubricante/refrigerante (sin fluido de corte).

- Seis sigma: metodología de mejora de procesos, como objetivo tiene reducir la variabilidad del proceso, hasta niveles máximos de 3.4 defectos por cada millón de posibilidades.

¿¿Hacia donde vamos??

Gary Acres: “Las fábricas tradicionales no desaparecerán de la noche a la mañana, pero se empezarán a ver aparecer una nueva generación de fábricas mejor adecuadas. Se trata de fábricas más pequeñas que producen un solo producto especializado”

Torben Andersen: “La fábrica del futuro no será el tipo de esas vastas naves de producción en masa. Un mayor número de proveedores, geográficamente alejados, enviarán los diferentes componentes de un producto a la unidad de montaje. Esta fábrica será más extensa, compuesta de células individuales autónomas”

La especialización de cada unidad mejorará la eficacia. La competitividad dependerá de la productividad y de la calidad de los intercambios entre distintas unidades. También se mejorará la relación proveedor-cliente Producto-Servicio. Fuerte presencia de las Tecnologías de la información (TIC’s) Productos Inteligentes (capaces de aprender de su entorno). Otras metas: nuevos materiales, menos contaminación desde el diseño del producto (fabricar pensando en reciclar).

IMPORTANCIA DEL POTENCIAL HUMANO


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1.2 La Tecnología Moderna (de la revolución industrial hasta la actualidad)

En el último tercio del siglo XVIII surgen dos corrientes muy importantes en el desarrollo y evolución de la sociedad, la del conocimiento y la de la experimentación, con personajes históricos de gran relevancia (L. Euler, J. LouisLagrange, B. Franklin, J. D’Alembert, A. Lavoisier, D. Bernoulli).

La Revolución Industrial: el primer invento a considerar, quizás el más importante, sea la máquina de vapor (James Watt). Desde 1780 la máquina de vapor se introduce en fábricas de hilo de algodón, posteriormente en la fundición de hierro. En años sucesivos se van incorporando inventos que hacen posible pasar de la fabricación artesanal a la concentración de la fabricación en lo que hoy día conocemos como fábricas.

Aumenta (o se inicia) la relación entre ciencia e industria, lo que hace que los avances científicos se transfieran rápidamente a la fabricación o producción industrial. Algunos hechos importantes (siglo XIX):

- Desarrollo de los medios de transporte (máquina de vapor, ferrocarril). La primera locomotora de Stephenson data en 1813. La primera línea de ferrocarril data en 1825.

- Mejora de la comunicación (telégrafos).

- Gras estima de la ingeniería por parte de la sociedad.

- En Europa, se modifican universidades, se le da mucha importancia a los centros o institutos de investigación.

- En Alemania, a finales del siglo XVIII y comienzos del siglo XIX, se reestructuraron las universidades (libertad docente, vocación científica). Se le dio autonomía a los alumnos para estudiar (composición de su currículo). Se le dio autonomía a la institución para investigar (fuerte desarrollo). Como resultado fuerte desarrollo.

- Nacimiento de los estudios de ingenieros: Alemania 1770 (Technische Universität Berlin); Francia 1794 (École Polytechnique); Inglaterra 1823 (Mechanic’s Institute. Londres); España 1850 (Estudios de Ingeniero Industrial en Madrid, Barcelona, Sevilla y Vergara).

- En Estados Unidos, surgieron conflictos entre los que apoyaban la forma tradicional de docencia en universidades y el interés de la sociedad por tener conocimientos más prácticos. A principios del siglo XIX la carencia de ingenieros en los Estados Unidos era muy importante (a penas 2 ingeniero por estado). Las universidades tardaron en reaccionar, hasta 1861 no se fundó el Massachusetts Institute of Technology (MIT), en 1865 abría su Escuela Industrial. Con el tiempo se copió el modelo europeo y proliferaron los institutos de investigación.

- Comienzan los estudios sistemáticos sobre procesos industriales (conformado por deformación plástica y mecanizado)

- Progresivamente los pequeños talleres pasan a centros de producción en cadena (fábricas).

- Muy importante: intercambiabilidad de piezas y montaje.

- Gran interés de producir en masa objetos estándares (sobretodos cuando eran componentes de maquinaria) ingeniería de precisión (sobretodo en acero).

- A partir de 1856, el proceso de Bessemer (producción a gran escala) y posteriormente el horno abierto de Siemens (obtención de lingotes), permitieron la obtención de acero a precios asequibles. El procedimiento Bessemer fue el primer proceso de fabricación que sirvió para la fabricación en serie de acero, fundido en lingotes, de buena calidad y con poco


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coste a partir del arrabio (material fundido que se obtiene en el alto horno mediante reducción del mineral de hierro; se utiliza como materia prima en la obtención del acero en los hornos siderúrgicos).

Figura 2. Horno de Bessemer.

- Principios siglo XIX, Whitworth desarrolló un sistema capaz de medir con gran exactitud (metrotecnia) las dimensiones de cualquier pieza, lo que permitió desarrollar máquinas capaces de fabricar elementos idénticos (inicio de la producción en serie).

- Alessandro Volta consigue en 1800 producir corrientes eléctricas de forma continua.

- Desarrollo del electromagnetismo, lo que permitió grandes avances tecnológicos.

- Inducción electromagnética (Faraday).

- Corriente alterna (Gramme).

- Obtención de fuerza motriz de origen eléctrico (alternativa al vapor).

- Fuerte desarrollo de los telares, se pasa del diseño manual de los dibujos de las telas, al uso de tarjetas perforadas para la selección de los hilos de urdimbre que se levantaban (sólo podían levantarse los hilos donde había un agujero en la tarjeta). Por ejemplo, para tejer un retrato eran necesarias 24000 tarjetas. Este sistema aún se utiliza para tejer telas de lujo por la compañía japonesa Nishijin. Estas tarjetas se pueden considerar como las percusoras del Control Numérico.

- Primer telar automático y primer torno para mecanizar metales (Jacques Vaucanson, 1709-1782).

- Primer máquina textil que realizaba distintos tipos de tejidos con solo modificar el programa introducido por medio de tarjetas de latón perforadas (Joseph Marie Jacquard, 1801).


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Figura 3. Telar de Jacquard.

- Primero intentos de diseñar y fabricar mecanismos que simulen los movimientos humanos.

- A mediados del siglo XIX: se construye la primera calculadora, capaz de realizar cuatro operaciones aritméticas. Memoria capaz de almacenar mil números de 50 cifras. La entrada de datos se hacía mediante fichas de papel perforadas.

- A mediados del siglo XIX: se fabrican los primeros dispositivos de cálculo digitales de tipo electromecánico construido con relés.

- Leonardo Torres Quevedo (1852-1936): calculador de raíces.

El progreso tecnológico y la segunda revolución industrial: el periodo comprendido entre 1870 y 1914 es considerado por muchos historiadores como la “Segunda Revolución Industrial”, el progreso tecnológico continuo pasó a ser un elemento estructural en la economía mundial. Se producen un gran número de innovaciones que van transfiriéndose de un país a otro cada vez con mayor facilidad. A destacar:

- Capacidad de reproducir mecánicamente los textos escritos difusión de conocimientos (Mejora de la imprenta: impresión en continuo, rotativas; máquina de escribir).

- Nuevas fuentes de energía (petróleo y electricidad). Pila de Volta, generadores de corriente continua, generadores de corriente alterna.

- Motor de combustión interna (Nikolaus Otto, 1868).

- Neumático (Dunlop, 1888).

- Tratado sobre electricidad y magnetismo (Maxwell, 1873).

- Primera locomotora eléctrica (Werner V. Siemens, 1879).

- El 29 de enero de 1886, Karl Benz solicitó la patente de un vehículo de tres ruedas, que hoy es reconocido oficialmente como el primer automóvil del mundo.


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Figura 4. Primer automóvil reconocido actualmente.

- Emite señales de radio (Marconi, 1896).

- El teléfono (Bell, 1876).

- La lámpara incandescente (Edison).

- La radio y la televisión.

- Almacenamiento de información sonora (grabación y recuperación de la información) sobre cintas magnéticas. El telegráfono que graba sonidos por medios magnéticos.

- En el ámbito doméstico: la máquina de coser (Isaac Merrit Singer, 1854), la plancha eléctrica (1880), la lavadora (John Fisher, 1908).

Figura 5. Máquina de coser de Singer (a); Imágenes de las primeras planchas eléctricas patentadas (b); lavadora de fabricación alemana (c).

- En 1882 Hadfield patenta su acero al manganesio comienza la era del acero de aleación.

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- Taylor introduce el cálculo de la duración herramientas de corte, vida útil (1903).

- Aplicación de nuevas aleaciones en herramientas de corte que soportaban mayores temperaturas de corte y permitían aumentar la velocidad de mecanizado. Aumenta la vida útil de las herramientas.

- Aparecen las herramientas de acero rápido.

- Desarrollo de nuevos materiales para herramientas: aleaciones fundidas (no férricas), carburos cementados.

- Aleaciones magnéticas (Kotaro Honda, 1916).

- Acero inoxidable (Elwoor Haynes, 1919).

- Con las nuevas herramientas se pasaba de tiempos de mecanizado de 100 minutos (a principios del siglo XX) a tiempos de 6 minutos en 1927 con los nuevos carburos cementados.

- Desarrollo de la industria química.

- Se produce un fuerte cambio en la organización de las empresas (grandes industrias): distribución de tareas y responsabilidades, planificación de la producción, protocolos y procedimientos escritos, control de la calidad (no solo del producto final, sino durante todo el proceso). Estudios sobre la planificación de la producción (optimización).

- Planificación y organización del trabajo (Grantt).

- Concepto de piezas intercambiables.

- Se demanda mayor presencia de la automatización de los procesos (sobretodo en industria automovilística).

- Primer coche fabricado en serie (Carl Benz, 1894).

- A principios del siglo XX se crea la primera planta de montaje donde se construían vehículos a partir de piezas estandarizadas fabricadas en otra factoría. El vehículo permanecía en un lugar fijo y los operarios iban y venían con los componentes (Ejemplo, fabricación del Ford T desde 1903). Con el coche fijo y los operarios moviéndose, excesivo gasto de tiempo.

Figura 6. Henry Ford (Izq.). Ford T (Dcha.).

- Henry Ford (1913) prueba en su fábrica de Detroit un nuevo sistema: línea de fabricación de coches en cadena. El chasis del coche se monta sobre una cadena de eslabones que se mueve a lo largo de la nave industrial, son los operarios quienes permanecen fijos en sus estaciones


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de trabajo (cada estación de trabajo se encarga de una tarea diferente). Se ahorra en el tiempo de montaje un 85%.

- Se inicia la industria del plástico (PVC, 1912).

Segundo tercio del siglo XX. El ordenador: a mediados del siglo XX las empresas se replantean los métodos de fabricación y de producción:

- Importancia de la calidad. No sólo importa la calidad del producto final, se introducen términos como la calidad en el diseño (mejorar los diseños a partir de estudios de mercado y de los datos del servicio de post-venta).

- II Guerra Mundial impulsora del estudio de métodos y tiempo.

- Durante los años cincuenta se mejoran las máquinas de mecanizado, ganando en potencia y estabilidad. Desarrollo de nuevas herramientas para reducir el tiempo de mecanizado. Desarrollo de las plaquitas intercambiables para herramientas de mecanizado.

- Gran desarrollo de máquinas copiadoras para mecanizado. Utilización de plantillas y cintas perforadoras para el control de las máquinas.

- El control por leva en la automatización pasó al uso de sistemas hidráulicos y electrónicos. También se desarrollaron los finales de carrera.

- La industria aeroespacial (que requería de piezas complejas que sólo podían obtenerse por mecanizado) fue la verdadera impulsora del desarrollo de las máquinas-herramienta.

- La evolución de los ordenados permitió mecanizar una leva tridimensional para el regulador de la bomba de inyección de motores de aviación. La complejidad de esta leva hacía imposible su obtención mediante mecanizado convencional. Para obtener esta leva, se conecta una fresadora tridimensional de altas prestaciones con un potente calculador que envía la información codificada de la trayectoria de la herramienta. Este hecho es el precursor del Control Numérico Computerizado (CNC) de las máquinas-herramienta., así como de la robótica.

Figura 7. Primer ordenador (Izq.); primer ordenador Apple (Dcha.)

- Desarrollo ordenadores: permite los avances en control de calidad y automatización en procesos de fabricación.

- 1947 (John C. Parsons, Estados Unidos): control numérico de fresadoras mediante tarjetas perforadas.


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Figura 8. Cinta perforada para el control de máquinas-herramienta.

- 1946 (G.C. Devol, Estados Unidos): control numérico con entrada de información almacenada por medios magnéticos.

- 1950 en el MIT: se desarrollan las primeras máquinas con Control Numérico gobernadas por ordenador.

Figura 9. Torno CNC (Izq.); Fresadora CNC (Dcha.).

- 1961 se publica el lenguaje APT (Adaptative Program Tooling) para programación de control numérico.

- Ingeniería asistida por ordenador.

- Desarrollo de sistema de manipulación y robótica. Los manipuladores eléctricos e hidráulicos Robots.

- Importante: Cambio Automático de herramientas (a finales de los años 50).

- Desarrollo de plaquitas intercambiables de metal duro recubiertas de carburo de titanio (1960-1970).

- Normas ISO para las plaquitas intercambiables (códigos de identificación).


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Figura 10. Robot con accionamiento hidráulico (Arriba); Robot eléctrico (Abajo).

Último tercio del siglo XX. Los años 70 fueron el comienzo de décadas en las que se produjeron grandes avances en la mejora de máquinas-herramienta, herramientas de corte, controles y métodos.

- Avances en tecnologías electrónicas e informática.

- Tecnología electrónica: permite obtener controles numéricos más potentes y fiables.

- Informática: programación de las máquinas (programación manual, programación asistida, programación gráfica interactiva…).

- Evolución: Control Numérico Computerizado (CNC) --- Sistemas Flexibles de Fabricación --- Fabricación Integrada por Computador.

- Diseño Asistido por Ordenador (CAD), Fabricación Asistida por Ordenador (CAM).

- Antes de 1974 los robots eran una mezcla de tecnología eléctrica, hidráulica y neumática. Aparecen los robots con accionamiento íntegramente eléctrico.

- Fuerte desarrollo de la robótica en todos sus campos.

- 1980: gran cantidad de software disponible, bajada de precios del hardware.

- Desarrollo de nuevos materiales para piezas, y nuevos materiales para herramientas que trabajen estos nuevos materiales para piezas.

- Ingeniería Concurrente: integración de los procesos de diseño con los procesos de fabricación.

- Métodos de control de la productividad. No sólo se busca el avance tecnológico, sino la mejor combinación posible entre hombre-máquina para conseguir la mayor productividad posible.


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1.3 Los Procesos de Fabricación, una parte del concepto de producción

Proceso de fabricación: El objeto es obtener productos según especificaciones de diseño (planos e instrucciones) a partir de preformas o materias primas, con el apoyo de recursos de producción (materiales, equipos auxiliares, energía, información, personal…) realizado en un sistema de fabricación, mediante el empleo de una máquina o instalación con un método óptimo, de acuerdo a ciertas reglas conocidas y sometido simultáneamente a parámetros no dominados.

Figura 11. Proceso de Fabricación.

Un proceso de fabricación es aquel que, partiendo de unas materias primas, obtiene un producto diferente que satisface unas necesidades del propio fabricante o de su cliente. Existe una confluencia entre: el material (materia prima), la maquinaria y herramientas, la energía (necesaria) y la tecnología (cada vez más presente y más avanzada).

Sistema (RAE): 1. Conjunto de reglas o principios sobre una materia racionalmente enlazados entre sí. 2. Conjunto de cosas que relacionadas entre sí ordenadamente contribuyen a determinado objeto.

Productivo (RAE): 1. Que tiene virtud de producir. 2. Que es útil o provechoso. 3. Que arroja un resultado favorable de valor entre precios y costes.

Sistema Productivo: conjunto de elementos (materiales, maquinaria, personal…) relacionados entre sí cuyo objetivo o finalidad es la obtención de algún producto o bien. Tendremos:

- Entradas Materia prima, piezas elaboradas en otros procesos…

- Proceso/s El propio proceso de fabricación.

- Salidas Productos acabados, componentes de otros productos, prototipos… Los productos obtenidos pueden ser productos industriales (herramientas, motores…), bienes de consumo (alimentos, textiles…) o servicios.

PPrroocceessoo ddee FFaabbrriiccaacciióónn

Diseño Materia Prima

PPrroodduuccttoo

Recursos de producción

Maquinaria

Reglas conocidas

Parámetros no

controlables


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- Entorno Medio ambiente (residuos…), sociedad de consumo (clientes, mano de obra…), otros sistemas productivos (suministro de materia prima…), economía local y global, mercados locales, mercados internacionales, leyes, gobiernos, economía local, economía global... Relaciones bastantes complejas.

Un sistema productivo puede ser discreto:

- La variedad de productos es muy grande (flexibilidad).

- El producto se contabiliza por unidades.

- La automatización de los sistemas es compleja.

- Son sistemas que reaccionan rápidamente al cambio de tipo de producto (flexibilidad).

- Inversión más baja que en los continuos, a excepción de los que se desee automatizar.

- Necesidad de coordinación del gran número y variedad de materias primas.

- Los equipos utilizados son válidos para atender a distintas necesidades (máquinas universales y flexibles).

Un sistema productivo puede ser continuo:

- El producto obtenido es único, o si son varios, sus diferencias son muy pequeñas.

- Producción muy elevada. Se contabiliza en peso o volumen.

- Variables del sistema: temperatura, humedad, presión…

- Fábricas muy automatizadas.

- Sistemas rígidos al cambio de tipo de producto.

- Operan a plena capacidad (día y noche).

- El número de materias primas es bajo.

- Los equipos e instalaciones están muy especializadas para la fabricación de un producto concreto.

Un sistema productivo puede ser combinado:

- Continuos con características de discretos (más flexibles).

- Sistemas Justo a Tiempo (Just in Time).


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Clasificación de los Procesos de Fabricación

Para cada producto y/o componente suelen existir diferentes procesos de fabricación posibles. Existen diferentes criterios para clasificar los diferentes procesos de fabricación:

- Según el producto obtenido (sólido, líquido o gaseoso, etéreo). Esta clasificación es demasiado sencilla e implica algunas dudas, ¿dónde incluimos los productos pastosos?

- Según el campo del sector productivo:

o Procesos de Fabricación Mecánica: se obtienen productos en los que no se altera, en principio, su composición química. Generalmente se obtienen productos sólidos.

o Procesos de Fabricación Química: su objetivo principal es alterar la composición química del material que se trabaje. Generalmente se obtienen productos líquidos y gaseosos, aunque también sólidos.

o Procesos de Obtención de Sistemas de Información: su objetivo es crear herramientas que sirven de enlace y control de otros tipos de procesos.

La frontera entre un tipo de proceso y otro no es definitiva, existen procesos de fabricación que se pueden considerar procesos mecánicos y químicos.

Los Procesos de Fabricación Mecánica pueden:

- Dar consistencia: se parte de materia prima en estado líquido, pastoso, granulado o gaseoso y se obtienen productos sólidos (Ej. La fundición).

- Conservar la consistencia: se transforma una materia conservando su masa, sin eliminar ni añadir nada (Ej. Conformado por deformación plástica).

- Disminuir la consistencia: se transforma una materia eliminando material (Ej. Mecanizado).

- Aumentar la consistencia: se transforma una materia añadiendo material (Ej. Galvanizado).

Alternativas de clasificación de los procesos de fabricación (ver Capitulo 1 - libro [2]):

- Producto final obtenido: se pueden obtener piezas/productos semiacabado, componentes, piezas/productos finales, productos industriales, prototipos o productos de consumo. ¿Dónde incluimos el reciclado?

- Material sobre el que se trabaja: metales (aceros y derivados, aluminio…), materiales plásticos (termoplásticos, termoestables…), madera (madera natural, papel, conglomerados…), materiales compuestos, vidrio (laminado, ornamental), cerámicas, porcelanas y textiles.

- Sector industrial al que se destina el producto obtenido (gremios artesanales): automóvil, aeronáutico, naval, ferroviario, electrónico, electrodomésticos, minería, mueble, forestal, juguetes, construcción, edificación y obras públicas, petroquímico, energético, alimentario, médico y farmacéutico.

- Características del proceso: moldear, conformar, separar, unir, recubrir, modificar las propiedades del material, modificar las propiedades del producto.

- Máquina y herramienta: prensas, fresadoras o centros de mecanizado, tornos o centros de torneado, hornos, máquinas taladradoras, cilindros de laminación, máquinas de tracción o torsión. Algunas herramientas son susceptibles de ser implementadas en varios tipos de


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máquinas o funcionar de manera autónoma: herramientas de roscado, herramientas de atornillado, herramientas de marcado, herramientas de palpado.

- Grado de calidad del producto obtenido: no es lo mismo fabricar una tubería para la bajante de aguas residuales de un edificio residencial, que una tubería para una bajante de aguas residuales de un centro de investigación con productos altamente contaminantes o que una tubería para el circuito primario de una central nuclear.

- Grado de innovación tecnológica del proceso: podemos diferenciar entre procesos convencionales y procesos no convencionales. En general nos referimos a procesos en los que trabajamos con nuevos materiales avanzados, que requieren nuevos procesos de fabricación, de conformado, alto requerimiento de calidad, personal cualificado, procesos altamente automatizados, complejidad de formas, reducción de desechos, nuevas herramientas… Aunque lo que hoy podemos denominar no convencional, mañana será convencional.

- Consideraciones ambientales: contaminan, no contaminan, uso eficaz de los recursos o no (materiales, energía…), reciclado, reutilización...

- Otras clasificaciones: según costes, según tipo de energía…

Para una visión global de nuestra asignatura, estableceremos la siguiente clasificación:

- Fundición: moldes desechables o moldes permanentes.

- Conformado por deformación plástica y moldeado: laminación, forja, extrusión, estirado o trefilado, conformado de chapa, metalurgia de polvos y moldeo.

- Mecanizado: torneado, mandrilado, taladrado, fresado, cepillado, escariado y rectificado, mecanizado por ultrasonidos, mecanizado químico, eléctrico y electroquímico; mecanizado por rayos láser.

- Unión: soldadura (blanda y fuerte), unión por difusión, por adhesión y unión mecánica.

- Acabado: pulido, tratamientos superficiales, satinado, recubrimiento…

- Nanofabricación: la tecnología más avanzada, capaz de producir piezas con dimensiones en el nivel nano (una milmillonésima).

La selección de un proceso o método de fabricación dependerá de múltiples factores: tipo de industria, tipo de materiales, capacidad de la empresa de incorporar determinadas tecnologías…


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Fundición

Modelo y molde desechables y otros

Molde desechable, modelo permanente

Molde permanente

Fundición de revestimiento

Fundición a la espuma perdida

Crecimiento de monocristales

Proceso rotativo

Molde de arena

Molde de cáscara

Molde cerámico

Molde permanente

A presión

Centrífuga

Por compresión

Figura 12. Clasificación de los procesos de fabricación. (Fuente [1])


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Conformado por deformación plástica

Laminación Forja Extrusión y estirado

Laminado plano

Laminado de perfiles

Laminado de anillos

Formado por laminación

Matriz abierta

Matriz cerrada

Recalcado

Extrusión directa

Extrusión en frío

Estirado

Estirado de tubos Penetración

Figura 12. Clasificación de los procesos de fabricación (continuación). (Fuente [1])


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Conformado de chapa

Cizallado Doblado y embutición

Formado

troquelado

Ranurado

Punzonado

Penetrado

Doblado

Plegado

Formado en rodillos

Formado por estirado

Hidroformado

Repujado

Pulsos magnéticos Embutición profunda



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Polímeros

Termoplásticos Termoestables Prototipado rápido

Extrusión

Moldeo por inyección

Moldeo por soplado

Termoformado

Moldeo por compresión

Pultrusión

Moldeo por vacío

Estereolitografía

Moldeo por deposición fundida

Impresión 3D

Objetos laminado Moldeo por tranferencia



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Mecanizado y acabado

Mecanizado Mecanizado avanzado

Acabado

Torneado

Taladrado

Fresado

Brochado

Electroerosión por hilo

Electroquímico / químico

Láser

Rectificado de superficies

Rectificado sin centros

Lapeado (abrasivo)

Pulido electroquímico Chorro de agua



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Procesos de

unión

Soldadura por fusión

Otras soldaduras Sujeción y pegado

Arco metálico protegido

Arco de metal y gas

Arco con núcleo de fundente

Arco de tungsteno y gas

Agitación - fricción

Soldadura por resistencia

Por explosión

Pegado adhesivo

Unión mediante tornillos

Soldadura por ola

Soldadura fuerte Soldadura en frío



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Para cada producto y/o componente suelen existir diferentes procesos de fabricación posibles. Existen diferentes criterios para clasificar los diferentes procesos de fabricación. Algunos criterios a tener en cuenta para elegir un método de fabricación u otro:

- Precisión dimensional y acabado superficial: en función de la complejidad de la pieza a fabricar y de las dimensiones y tolerancias permitidas se deberá seleccionar un método u otro:

o Piezas planas y delgadas son difíciles de obtener por fundición.

o Piezas complejas son difíciles de obtener solo mediante conformado por deformación plástica.

o En caliente suele obtenerse peor acabado superficial y peores tolerancias que en frío.

o No todos los procesos de fundición presentan el mismo acabado superficial.

- Coste: el coste del utillaje y herramientas es otro aspecto fundamental a tener en cuenta (aspectos relacionados: tiempo de fabricación, vida útil de las herramientas y del utillaje). También hay que tener en cuenta el porcentaje de desperdicio de material en un proceso de fabricación (no es lo mismo realizar un conformado por deformación plástica que un mecanizado). Otros aspectos:

o Disponibilidad de maquinaria.

o Experiencia y capacidad del personal.

o Número de componentes a fabricar.

o Capacidad de producción (lotes pequeños o lotes grandes).

o Coste medioambiental.

Y si no elegimos el material adecuado para un componente o el proceso de fabricación correcto:

- Puede dejar de funcionar nuestro producto (fallo de algún componente).

- El resultado conseguido no sea el esperado (no funciona todo lo bien que se desea, se desgasta fácilmente…).

- Vida útil baja, fallos de funcionamiento en poco tiempo: elevado coste de mantenimiento.

Concepto Manufactura Neta: este concepto hace referencia a que actualmente es difícil conseguir nuestro producto acabado con un único proceso de fabricación. Por ejemplo es difícil que mediante un proceso de conformado plástico consigamos el acabado final de nuestra pieza. Imagina que fabricamos una biela mediante fundición y moldeo, la pieza obtenida tendrá rebabas y las cotas finales posiblemente deberán ser obtenidas mediante mecanizado, al igual que el acabado superficial definitivo. El concepto de Manufactura Neta hace referencia a lo cerca que se fabrica una pieza o componente de su dimensiones finales deseadas, tolerancias, acabado superficial y especificaciones finales mediante la primera operación que se realice.


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Diseñar para Fabricar

El diseño de los productos se pude considerar como una de las fases más importantes, ya que en función de las decisiones tomadas durante la fase del diseño depende el 70-80% del coste total de desarrollo y fabricación del producto. El diseño de un producto requiere:

- Conocer sus funciones y finalidad.

- Conocer el mercado (potencial consumidor). Análisis de mercado y ventas.

- Saber si es nuevo o modificación de otro ya existente.

- Conocer los procesos de fabricación posibles.

- Flujo de información entre el departamento de ingeniería (saber cómo se fabrica) y el departamento de marketing (saber qué queremos).

Figura 13. Fases comprendidas entre diseño y fabricación de un producto (Izq.). Flujo general de un producto en Ingeniería Concurrente (Dcha.). (Fuente [1])

Definición de la necesidad del producto; información de mercado

Diseño conceptual y evaluación; estudio de factibilidad

Análisis del diseño; revisión de códigos y normas; modelos físicos y analíticos

Producción de prototipos; prueba y evaluación

Planos de producción; instrucciones

Especificación de materiales; selección de procesos y equipos; revisión de seguridad

Producción piloto

Producción

Inspección y control de calidad

Embalaje; etiquetado

Producto Final

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Mercado

Especificaciones

Diseño Conceptual

Diseño de Detalle

Manufactura

Venta


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Ingeniería Concurrente: en la actualidad los productos entran y salen de los mercados con mucha facilidad, la vida de un producto es cada vez más efímera. El mercado devora productos, siempre quiere productos nuevos, que mejoren los actuales. La Ingeniería Concurrente o Simultánea se basa en las interacciones recíprocas entre todos los departamentos responsables de un mismo producto. Todos los departamentos se involucran en las primeras fases de desarrollo de un producto, de este modo se reduce el número de errores, reduciendo la posible pérdida de tiempo. Es muy importante la comunicación entre diferentes disciplinas (ingeniería, mercado, servicio postventa, diseño, fabricación, diseño para el reciclaje, diseño para la seguridad).

El objetivo principal de la Ingeniería Concurrente, al integrar la fase de diseño y la fase de fabricación de un producto, es optimizar el ciclo de vida del producto, así reduce:

- Los cambios de diseño y la ingeniería del producto.

- El tiempo y coste entre el diseño y la fabricación (puesta en el mercado).

Un producto bien diseñado:

- Debe ser funcional (diseño).

- Tendrá un proceso de fabricación óptimo.

- Embalaje y empaquetado que asegure que el producto llega en perfecto estado al consumidor final.

- Funcionará correctamente para la finalidad que haya sido diseñado.

- Será fiable (cumplirá con su función el tiempo establecido), en caso de avería será tendrá una reparación sencilla (mantenimiento, servicio post-venta).

- Reciclable.

Ejemplo del beneficio de la Ingeniería Concurrente: una empresa redujo un 30% el número de componentes en uno de los motores que fabrica, con esto consiguió reducir un 25% el peso del motor y un 50% el tiempo de fabricación.

Importante: gracias al uso de técnicas como modelado y diseño asistido por ordenador (CAD), ingeniería asistida por computadora (CAE) y manufactura asistida por computadora (CAM), podemos analizar de forma rápida cualquier proceso de fabricación, diseñar de forma integra complejos sistemas o productos, simular situaciones reales para la ayuda en la toma de decisiones, fabricación de prototipos…


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Diseño para la Fabricación, Ensamblaje y Desensamblaje y Servicio

Diseñar para fabricar o Diseño para manufactura (DFM): las personas responsables del diseño de un producto deben tener siempre en cuenta el modo en el que este producto se fabrica (materiales, procesos de fabricación, planificación de los procesos de fabricación, ensamblaje de componentes, controles de calidad). En la fase del diseño se deben tener en cuenta el tipo de máquina que se va a utilizar, las características y propiedades del material, la precisión dimensional, el acabado superficial…

Diseñar para ensamblar y para desensamblar: las operaciones de ensamblaje de los componentes de una pieza pueden suponer gran parte del coste de fabricación. En el diseño del producto se deberá tener esto en cuenta.

Mal Bien Mal

Mal

Mal

Mal

Bien Bien

Bien

Bien

La parte puede no encajar bien

y colgarse

El biselado ayuda a que la parte caiga en

su lugar

La parte debe soltarse antes de

estar bien colocada

La parte se coloca antes de

soltarla

Se puede enredar

fácilmente

Sólo se enreda bajo presión

Una pieza pude deslizar sobre otra, difícil de

transportar en cadena

Fácil de transportar en cadena

Inserción difícil

Agujero de expulsión de

aire en la pieza

Agujero o plano de expulsión de aire en

el perno

Figura 14. Diseño para ensamble. (Fuente [1])

Se deberá diferenciar si el proceso de montaje es manual o automatizado:

- Montaje manual: debe ser ergonómico (diseñado para ser montado por una persona); las piezas no deben ser ni muy pequeñas ni muy grandes, fáciles de agarrar, evitar que sean frágiles. Es preferible la simetría en las piezas, de modo que puedan ser montados en varias posiciones; si no hubiera simetría, el operario debe poder identificar fácilmente la posición correcta para el montaje. Además, debe haber buena iluminación, todos los componentes a ensamblar deberán ser accesibles, evitar grandes esfuerzos, evitar componentes complejos (normalización), sencillez de montaje, facilitar el autocentrado o autoacoplamiento, evitar el uso de tuercas (usar agujeros roscados).

- Montaje automatizado: se deberá prestar especial atención a la presentación de las piezas (el sistema automático de montaje deberá recibir las piezas en su posición correcta); tipo de acoplamiento (ajustes forzados, sujeción roscada, retenes, ajustes elásticos, soldadura y adhesivos, remachado, costura…); control de esfuerzos (debe haber algún sistema que los esfuerzos durante el montaje automático para evitar daños en los componentes y/o en el producto final).


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Criterios para la selección de materiales

Principales materiales disponibles:

- Metales ferrosos: aceros al carbono, aleaciones, inoxidables...

- Metales no ferrosos: aluminio, magnesio, cobre, níquel, titanio, superaleaciones, metales refractarios, berilio, zirconio, aleaciones de bajo punto de fusión y metales preciosos.

- Plásticos (polímeros): termoplásticos, termoestables y elastómeros.

- Cerámicos, vidrios, cerámicos vidriados, grafito, diamante.

- Composites: plásticos reforzados, de matriz metálica, de matriz cerámica (materiales de ingeniería).

- Nanomateriales, aleaciones con memoria de forma, aleaciones amorfas, semiconductores, superconductores y otros materiales avanzados con propiedades únicas.

Propiedades a tener en cuenta a la hora de seleccionar un material:

- Mecánicas (resistencia, tenacidad…).

- Físicas (densidad, calor específico, conductividad eléctrica…).

- Químicas (oxidación, corrosión…).

- Propiedades de manufactura (determinan que tecnologías de fabricación son aplicables a cada material, si se puede fundir, mecanizar…).

- Coste.

- Disponibilidad.

- Aspecto.

- Vida útil.

- Reciclaje.

Fabricación y Medio Ambiente

La actividad industrial tiene efectos negativos sobre el medio ambiente, el ecosistema de la Tierra y, por tanto, en la calidad de vida del ser humano (contaminación del agua, del aire, reducción de la capa de ozono, lluvia ácida, efecto invernadero, residuos peligrosos). Se debe pensar siempre en minimizar el efecto negativo sobre el medio ambiente. Algunos criterios:

- Reducir el desperdicio de material (desde el diseño hasta la fabricación).

- Reducir el uso de materiales peligrosos.

- Invertir en I+D (Investigación y Desarrollo) para la obtención de nuevos materiales y procesos de fabricación respetuosos con el medio ambiente.

- Planificación e integración del reciclaje, tratamiento de residuos y reutilización de materiales desde el diseño del producto hasta el final de su ciclo de vida.

Concepto Diseño y fabricación consciente del medio ambiente.

Concepto Diseño para el medio ambiente o Diseño verde: este método intenta anticiparse al impacto negativo que la fabricación de un producto, su uso y desuso pueda tener el medio ambiente, definiendo y aplicando las medidas correctoras oportunas. Objetivos: evitar la contaminación, promover el reciclaje y la reutilización de los residuos (Diseño para el reciclaje).


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Fabricación y los ordenadores

Con el desarrollo de los ordenadores (software y hardware) y su integración en los sistemas productivos y en la industria, se ha extendido la denominada Manufactura o Fabricación Asistida por Ordenador (CAM), donde se integra el hardware y el software desde la concepción de un producto (su diseño) hasta su fabricación y distribución en el mercado, ventajas.

- Capacidad de respuesta a los cambios de demanda del mercado y del consumidor.

- Optimización en el uso de materiales, herramientas, utillaje y personal.

- Mayor control sobre la producción y la administración.

- Producción de alta calidad a bajo coste.

Algunas de las aplicaciones más importantes:

- Control Numérico por Computador (CNC): sus inicios remontan a la década de 1950, se basa en el control del movimiento de máquinas-herramienta mediante la codificación de las órdenes en forma de códigos numéricos.

- Control Adaptable (AC): los parámetros que regulan un proceso de fabricación se regulan y ajustan de forma automática para optimizar la velocidad de producción y la calidad del producto, minimizando su coste. En el control se integran sensores que monitorizan diferentes variables (fuerza, temperatura, acabado superficial, dimensiones de las piezas…) en función de las cuales se regulan los parámetros del proceso.

- Robótica Industrial: sus inicios se remontan a la década de 1960, sustituyen la mano de obra humana en tareas peligrosas y/o repetitivas, reduciendo los errores humanos, la variabilidad en la calidad de producción y aumentando la jornada de trabajo, aumentando la productividad.

- Manejo automatizado de materiales: manejo eficiente de materiales y componentes: transporte de materiales de un puesto de trabajo a otro…

- Sistemas de ensamblaje automatizado o robotizado.

- Planificación de procesos asistida por ordenador: se optimiza la productividad de un proceso mediante la planificación de todo el proceso, reduciendo costes.

- Tecnología de grupos: se agrupa la fabricación de piezas o componentes similares en familias o grupos (por similitud en su modo de fabricación). Se estandarizan los diseños y la planificación de la producción.

- Sistema de fabricación Justo a Tiempo (Just in Time): la materia prima, los componentes y partes de un producto se suministran en cada fase productiva justo en el momento en el que hacen falta. Los componentes y partes se fabrican justo en el momento que hace falta. Los componentes y piezas se fabrican justo en el momento que los necesita el cliente. Se elimina o reduce al mínimo el almacenaje de productos. La calidad del producto se verifica en cada puesto de trabajo, cada puesto es responsable de la calidad en ese momento (la calidad no se verifica solo al final del proceso). Este sistema tiene su origen en Japón, donde la disponibilidad de suelo industrial es reducida. Método Sakichi Toyoda:

o Just In Time (ジャストインタイム) Justo a Tiempo.

o Kanban (看板, también かんばん) Tarjeta, o ficha.

o Muda (無駄, también ムダ) Despilfarro.


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o Heijunka (平準化) Nivelado de la producción

o Andon (アンドン) Pizarra.

o Poka-yoke (ポカヨケ) evitar (yokeru) errores inadvertidos (poka).

o Jidoka (自働化) No dejar pasar el error.

o Kaizen (改善) Mejora Continua.

- Manufactura o Fabricación Celular: se utilizan estaciones de trabajo o “Celdas de Fabricación” (con varias máquinas-herramienta) controladas por un control central. Cada máquina realiza una operación diferente.

- Sistemas de Fabricación Flexible: integran Celdas de Fabricación en un sistema superior, todos ellos gestionados o controlados por un control central. Son sistemas costosos, pero que son muy flexibles a la hora de cambiar el tipo de producto producido.

- Sistemas Expertos: sistemas informáticos capaces de realizar tareas y resolver operaciones complejas igual que lo harían expertos en la materia, pero con una capacidad mucho mayor.

- Inteligencia Artificial: uso de máquinas y ordenadores para reemplazar la inteligencia humana. Sistemas que sean capaces de aprender de su entorno y tomar decisiones. Las Redes Neuronales Artificiales tratan de simular el razonamiento humano aplicado a modelar y simular procesos de fabricación, controlarlos, diagnosticar problemas…

Clasificación de los niveles de automatización en fabricación industrial:

- Trabajos de Taller: se utilizan máquinas herramienta y centros de mecanizado con elevada participación de la mano de obra. Son muy flexibles pero con baja productividad.

- Producción autónoma de NC: utiliza máquinas de Control Numérico, pero con elevada participación también de la mano de obra. Aumenta la producción con respecto al anterior, pero baja bastante la flexibilidad.

- Celdas de manufactura: utilizan conjuntos de máquinas con control integrado por ordenador y manejo flexible de materiales (incluso con robots industriales). Aumenta la producción con respecto los anteriores y mejora la flexibilidad con respecto al anterior.

- Sistemas flexibles de fabricación: utilizan control por ordenador en todos los aspectos de la fabricación, incorpora varias celdas de manufactura y sistemas automatizados de manejo de materiales. Aumenta la producción con respecto a los anteriores y alcanza niveles de flexibilidad similares al primero.

- Líneas Flexibles de fabricación: organiza la maquinaria controlada por ordenador en línea, disminuye la flexibilidad con respecto al anterior pero aumenta la productividad.

- Líneas de flujo y líneas de transferencia: agrupamientos organizados de maquinaria con manejo automatizado de materiales y máquinas. Estas líneas suelen tener la flexibilidad limitada, pues se busca elevadas productividades a costa de ser un sistema más rígido.


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En general, ventajas de la automatización:

- Integración de los diferentes aspectos relacionados con la fabricación o producción, se mejora la calidad, uniformidad, tiempos de fabricación, costes…

- Mejora la productividad

- Mejora la calidad (mayor repetibilidad)

- Menor participación humana (reduce error humano)

- Reduce pérdidas de piezas de trabajo por daño o fallo

- Mayor seguridad para el personal

- Minimiza la necesidad de espacio.


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2 TEMA 2: SISTEMAS Y PROCESOS DE

FABRICACIÓN. ORGANIZACIÓN DE LA PRODUCCIÓN

2.1 Introducción a los Sistemas de Producción y Fabricación. Sistemas de Fabricación Flexible

Un Proceso de Fabricación se puede definir como el conjunto de diferentes fases o etapas sucesivas que tienen lugar en la operación de fabricación. Un proceso de fabricación es aquel que, partiendo de unas materias primas y aportando un valor añadido, obtiene un producto diferente que en principio satisface las necesidades del fabricante o del cliente.

El estudio de un Proceso de Fabricación se centra en conocer las transformaciones que se llevan a cabo (físicas, químicas o de cualquier otro tipo). El objetivo de estudiar cualquier proceso de fabricación es analizar todas las etapas o transformaciones y la tecnología implicada a cada etapa, existiendo siempre un gran número de posibilidades para una misma operación.

Un Sistema de Fabricación se puede definir como el conjunto de entidades y componentes, físicos o lógicos, que ordenadamente relacionados entre sí contribuyen al objeto de la fabricación.

El concepto Sistema de Fabricación es más amplio que el Proceso de Fabricación, ya que incluye todo lo relativo al tipo de máquinas, métodos, recursos, costes, plazos, calidad… Se podría decir que un proceso de fabricación es una parte de un sistema de fabricación.

Por ejemplo, suponiendo el corte de una chapa:

- En el estudio del proceso de corte de una chapa se analizaría el proceso en sí, las transformaciones sucesivas que tienen lugar y la tecnología asociada a cada secuencia. Existen muchas posibilidades de realizar el proceso de corte: láser, plasma, oxicorte, cizalla, punzonado…

- Desde el punto de vista del sistema de fabricación, la perspectiva de estudio es más amplia, abordando las diferentes alternativas relativas al tipo de máquina, métodos, recursos, costes, plazos, calidad…

En un Sistema de Fabricación podemos hablar del papel que juegan los sistemas de transferencia, los robots, el control numérico, el sistema de control de planta, el diseño asistido por ordenador (CAD) o la fabricación asistida por ordenador (CAM). Un tipo de sistema de fabricación particular que se estudiará más en detalle es el denominado Sistema de Fabricación Flexible.

*Estos conceptos se estudiarán en profundidad en la asignatura Fabricación Industrial, de modo que en este tema se hará una breve introducción de cada uno.


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Sistemas de Transferencia

Suelen ser habituales cuando el número de piezas a fabricar es muy elevado. Presentan dos componentes principales: el propio sistema de transferencia o transfer y las denominadas máquinas especiales.

En principio se usaban máquinas universales capaces de realizar un gran número de operaciones; pero cuando en un puesto de trabajo se realiza una operación sencilla, como un taladrado, no se justificaba la inversión. Las máquinas especiales están diseñadas específicamente para realizar una tarea concreta. Es común agrupar sobre una misma máquina operaciones de la misma naturaleza (taladradoras multi-husillos, tornos con cambio de herramienta múltiple, fresas con varios cabezales…); de esta agrupación surgen las unidades autónomas de trabajo o cabezales especiales (elemento básico de una máquina especial).

Unidades autónomas de trabajo o cabezales especiales: están compuestas por elementos mecánicos motorizados provistos de un eje giratorio portaherramientas (unidad de giro); alojados en un bloque que permite hacer desplazamientos de avance y retroceso (unidad de avance). Operaciones comunes: taladrado, roscado, fresado, ranurado, refrentado…

Tipos de máquinas:

- Máquinas especiales de puesto fijo (la pieza de trabajo permanece fija y se realizan las operaciones necesarias). Diseñadas para producir un producto estándar. Aunque los parámetros de producción (velocidad, avance, profundidad de corte…) se pueden modificar, suelen ser máquinas poco flexibles y muy especializadas. No suele ser posible modificarlas para producir una pieza diferente de la ya preestablecida.

- Máquinas de transferencia: se utilizan para mover las piezas de un lugar a otro: rieles (Fig. 1a); mesas giratorias (Fig. 1b); trasportadores o bandas transportadoras aéreas. Pueden ser: abiertas (lineales o en U) o cerradas (circulares). Las lineales son menos flexibles pero permiten un mayor número de puestos de trabajo que las circulares o en U.

Cabezales Cabezales

Piezas de trabajo

Piezas de trabajo

Tarima Mesa Giratoria

Figura 1. Transferencia lineal (a); Transferencia circular (b). (Fuente [1])

Ventajas de este tipo de máquinas:

- Reduce la mano de obra, el consumo de útiles, la superficie necesaria, el tiempo de fabricación, gastos de mantenimiento, piezas defectuosas.

- La normalización de los componentes básicos de este tipo de máquinas hace que estos sistemas de fabricación sean muy flexibles, pudiendo adaptarse a los cambios exigidos por el mercado (No confundir con la poca flexibilidad de las máquinas especiales de puesto fijo; aunque estas máquinas consideradas individualmente sean poco flexibles, al conjunto se le considera bastante flexible).

- Gran uniformidad en la calidad y acabado de las piezas.


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Robots (breve introducción)

Autómata: máquina que imita la figura y movimientos de un ser animado, término utilizado ya en la antigua Grecia.

Robot: término utilizado por primera vez en 1921 en la obra Rossum’s Universal Robot del escritor checo Karen Capek (1890-1938). El término podría haber caído en desuso si no hubiera sido tan recurrido en los escritos de ciencia ficción. El escritor ruso Isaac Asimov (1920-1992) fue el máximo impulsor del término robot, fue quien enunció por primera vez las tres leyes de la robótica:

1. Un robot no puede perjudicar a un ser humano, ni con su inacción permitir que un ser humano sufra daño.

2. Un robot ha de obedecer las órdenes recibidas de un ser humano, excepto si tales órdenes entran en conflicto con la primera ley.

3. Un robot debe proteger su propia existencia mientras tal protección no entre en conflicto con la primera o segunda ley.

Telemanipuladores: pueden considerarse los antecesores de los robots. Surgieron de la necesidad de manipular material radioactivo sin peligro para el operador. El primer manipulador consistía en un sistema mecánico maestro-esclavo. El maestro situado en zona segura era movido por el operador, el esclavo unido mecánicamente con el maestro reproducía los movimientos del maestro para manipular el material radioactivo. De la unión mecánica se pasó al uso de la tecnología electrónica y el servocontrol. La evolución de los telemanipuladores no ha sido tan destacada como la de los robots, quedando los primeros limitados a su uso en la industria nuclear, militar, espacial… Los telemanipuladores necesitan la presencia del maestro-operador que los maneja. Al sustituir al operador por un ordenador que controla los movimientos se pasó al concepto de robot.

Figura 2. Telemanipuladores.

Los robots más conocidos quizás sean los denominados robots industriales o robots de producción, ligados a la fabricación industrial. También nos encontramos con los robots de servicio o robots especiales, que poco a poco se van incorporando a la vida cotidiana de las personas (robots de asistencia personal, de ayuda para discapacitados…).


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Definición de Robot industrial: existe cierta controversia a la hora de definir el concepto de robot industrial, ya que puede variar de un país a otro.

- Para Japón un robot industrial es cualquier dispositivo mecánico destinado a la manipulación.

- En occidente se exige una mayor complejidad sobretodo en lo relativo al control.

- Según la Asociación de Industrias Robóticas (RIA): un robot industrial es un manipulador multifuncional reprogramable, capaz de mover materias, piezas, herramientas o dispositivos especiales, según trayectorias variables, programadas para realizar tareas diversas.

- Según la Organización Internacional de Estándares (ISO): un robot industrial es un manipulador multifuncional reprogramable con varios grados de libertad, capaz de manipular materias, piezas, herramientas o dispositivos especiales según trayectorias variables programadas para realizar tareas diversas.

- Según la Asociación Francesa de Normalización (AFNOR):

o Manipulador: mecanismo formado generalmente por elementos en serie, articulados entre sí, destinado al agarre y desplazamiento de objetos. Es multifuncional y puede ser gobernado directamente por un operador humano o mediante dispositivo lógico.

o Robot: manipulador automático servocontrolado, reprogramable, polivalente, capaz de posicionar y orientar piezas, útiles o dispositivos especiales, siguiendo trayectorias variables reprogramables, para la ejecución de tareas variadas.

- Según la Federación Internacional de Robótica (IFR): por robot industrial de manipulación se entiende a una máquina de manipulación automática, reprogramable y multifuncional con tres o más ejes que puedan posicionar y orientar materias, piezas, herramientas o dispositivos especiales para la ejecución de trabajos diversos en las diferentes etapas de la producción industrial, ya sea en una posición fija o en movimiento.

Clasificación de los robots industriales en generaciones:

- 1ª Generación: repiten una tarea programada secuencialmente. No tiene en cuenta alteraciones de su entorno.

- 2ª Generación: adquiere información limitada de su entorno y actúa en consecuencia. Puede localizar, clasificar (visión) y detectar esfuerzos y adaptar sus movimientos en consecuencia.

- 3ª Generación: se programan utilizando el lenguaje natural. Es capaz de planificar tareas de forma automática.

Definición de Robot de servicio: dispositivos electromecánicos móviles o estacionarios, dotados normalmente de uno o varios brazos mecánicos independientes, controlados por un programa de ordenador y que realizan tareas no industriales de servicio. En esta categoría entrarían aquellos robots destinados a cuidados médicos, educación, domésticos, intervención en ambientes peligrosos, aplicaciones espaciales, submarinas, agrícolas. Esta clasificación excluye a los telemanipuladores.


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Estructura de un robot: un robot suele estar constituido por una serie de eslabones unidos mediante articulaciones que permiten el movimiento relativo de un eslabón respecto otro. Las articulaciones podrán tener 1 (prismática), 2 (planar) o 3 (rótula) grados de libertad. El número de grados de libertad total del robot vendrá dado por el número y tipo de articulaciones. En la Figura 3 se muestran las configuraciones más comunes en los robots. El grado de libertad de un robot se define como el número de movimientos que puede realizar el robot en el espacio. La estructura del robot industrial suele denominarse por brazo y muñeca. Suelen tener 6 grados de libertad (3 en el brazo y tres en la muñeca).

Según la estructura del robot, se puede considerar cuatro estructuras básicas:

- Polar: el brazo telescópico describe o se mueve en un volumen de una esfera o semiesfera.

- Cilíndrica o tipo SCARA: el extremo del brazo o actuador puede moverse en el volumen comprendido entre dos cilindros concéntricos.

- Cartesiana: el extremo se puede desplazar en el volumen incluido en un paralelepípedo.

- Antropomórfico, de brazo articulado o angular: generalmente con la forma de un brazo humano.

Figura 3. Principales configuraciones en robots industriales. (Fuente [3])

Volumen de trabajo: se refiere al espacio físico que es accesible por el robot (por el actuador final del robot).

Figura 4. Volúmenes de trabajo para diferentes configuraciones de robots.


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Actuador o efector final: es el encargado de realizar las operaciones de manipulación para las que esté destinado el robot (pinzas para manipular, pistola de pintar, electrodos de soldadura, atornillador-desatornillador, taladros, ventosas de vacío para coger piezas planas, electroimanes, cucharas para fundición, sensores…).

Fuente de potencia: cada movimiento o grado de libertad del robot (ya sea lineal o rotacional) se controla y regula con actuadotes independientes (eléctricos, neumáticos o hidráulicos). Cada fuente de energía tiene sus propias características, ventajas e inconvenientes.

Sensores: el avance de la tecnología y de la programación permite la existencia de robots capaces de realizar operaciones programadas y además, modificar esas operaciones en función de su entorno. Para esto, es necesario dotar al robot de sensores que transformen en una señal eléctrica la magnitud que se quiera considerar. Algunos sensores: mecánicos (miden posición, forma, velocidad, fuerza, presión, vibración…), eléctricos (voltaje, corriente…), magnéticos (campos magnéticos, flujo, permeabilidad), térmicos (temperatura, flujo de calor, conductividad, calor específico) y otros (acústicos, ultrasonidos, químicos, ópticos, de radicación…).

Aplicaciones: los tres principales campos de actuación son:

- Carga y descarga: manipulación física de piezas para transportarlas de un puesto de trabajo a otro, a la hora de diseñar el robot se tendrá que tener en cuenta:

o Orientación y posicionamiento de las piezas.

o Tipo de pinza o efector final.

o Volumen de trabajo requerido.

o Peso total (robot + pieza) --- Potencia necesaria.

o Grados de libertad.

o Precisión y repetitividad.

- Operaciones de procesado: el efector final del robot realiza alguna operación sobre la pieza. La operación puede ser de fabricación (soldadura, pintura, mecanizado…) o de control de calidad (selección mediante visión artificial, control de medidas, control de acabados…); ambas operaciones dan valor añadido a las piezas.

- Operaciones de montaje y acabado: en estas operaciones, además de las precauciones de elección del actuador final adecuado, volumen de trabajo…, hay que tener en cuenta que el sistema de alimentación de las piezas hacia el robot debe asegurar la posición correcta de llegada de las piezas. En estas operaciones son fundamentales el control de la posición y el control de esfuerzos.


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Una clasificación amplia de robots actualmente en uso es la siguiente:

- Robots de secuencia fija y variable: Fija: se programan para una secuencia específica de operaciones (es común la de coger una pieza y llevarla a otro sitio). Los movimientos suelen ser de punto a punto y el ciclo se repite de forma continua. Variable: igual que el anterior, pero es posible reprogramarlo.

- Robot reproductor con movimiento: un operador hace que el robot reproduzca los movimientos (trayectorias) y operaciones; el robot registra toda la secuencia de movimientos y es capaz de reproducirla automáticamente.

- Robot controlado numéricamente: se programa como una máquina CNC, mediante un lenguaje de programación propio. Se puede reprogramar tantas veces se quiera. Se pueden programar movimientos punto a punto o trayectorias.

- Robot inteligente (sensorial): es capaz de realizar algunas tareas y funciones como los humanos. Presenta sensores de visión, táctiles o de contacto; el robot puede observar y analizar su entorno, evaluarlo (siguiendo patrones) y tomar decisiones.

Vehículos autoguiados: se puede considerar como un robot al que se le ha dotado de capacidad de movimiento o desplazamiento. Al igual que en un robot, tendremos el vehículo y el ordenador que lo gobierna. Quizás la principal diferencia sea que en un vehículo la comunicación con el ordenador debe ser sin cables (transmisión mediante infrarrojos, por radio) con los inconvenientes que pueda tener (deba haber contacto visual con entre el vehículo y el puesto de control, en el caso de los infrarrojos, o que pueda haber interferencias). Principales tipos de vehículos: sobre ruedas (simples u orugas), patas, para interior de tubos o conductos, exploración submarina.


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Control Numérico

El control numérico de las máquinas-herramienta no surgió de la necesidad de automatizar la producción (para grandes lotes), sino de la necesidad de fabricar piezas muy complejas para la industria aeronáutica, imposibles de conseguir con métodos convencionales. El control numérico se basa en el control de las trayectorias y operaciones de máquinas-herramienta (tornos, fresadoras, centros de mecanizado, máquinas de corte…) mediante ordenador. Se utilizan lenguajes de programación que se basan principalmente en líneas de código o comandos expresados por números (y letras). Aunque en la actualidad, existen muchas máquinas en las que el código que se utiliza para programar las máquinas utiliza comandos más complejos que no sólo utilizan líneas de código numéricas (y letras) [códigos de nivel superior].

El Control Numérico (CN) es un método basado en el control de los movimientos de las máquinas-herramienta mediante el uso de órdenes o instrucciones codificadas en líneas de números y letras. Estas líneas de código numéricas son leídas e interpretadas por la máquina dando como resultado diferentes señales de salida. Estas señales de salida se dirigen a los diferentes componentes de la máquina para llevar a cabo la función u operación indicada (movimientos de la pieza de trabajo, movimientos de la herramienta, activación/desactivación del fluido de corte, cambio de herramienta…).

Al principio las instrucciones se proporcionaban a las máquinas con control numérico mediante el uso de tarjetas o cintas perforadas, del mismo modo que se hacía en los ordenadores antiguos. Con el desarrollo de la tecnología, las máquinas-herramienta incorporaron sus propios ordenadores, a lo que se le denomina Control Numérico Computarizado (CNC).

Las ventajas del mecanizado CN o CNC frente al mecanizado tradicional parecen claras, podemos mencionar algunas:

- Permite realizar formas mucho más complejas; aumenta la flexibilidad de la máquina en cuanto a la complejidad y variedad de trabajos distintos que se pueden realizar.

- Aumenta la precisión dimensional.

- Se pueden repetir los trabajos fácilmente.

- Reduce la pérdida de material.

- Permite mayores velocidades de trabajo.

- Aumenta la calidad de las piezas y la productividad.

- Reduce el coste de material (no es necesario el uso de plantillas)(menor número de errores).

- Se facilita el ajuste de la máquina.

- Se reducen los tiempos muertos (cambios de herramienta, inicio de nuevos trabajos…).

- La programación de piezas complejas es relativamente rápida. Los programas se almacenan en bases de datos y se pueden reutilizar.

- Permite la producción de prototipos con rapidez.

- Se requiere menor cualificación del operador de la máquina (aunque requiere de un programador).

Principales inconvenientes el coste inicial, necesidad de un programador, equipos informáticos y el mantenimiento requerido.

Nota: El mecanizado o conformado por arranque de viruta es un procedimiento que permite modificar formas, dimensiones y/o el grado de acabado superficial de piezas obtenidas con otros procesos de fabricación. Esta transformación o modificación se realiza arrancando capas de metal (o creces de mecanizado) que se transforman en viruta.


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Sistemas de Control de Planta

En producción se pueden distinguir diferentes niveles jerárquicos de control a modo de estructura piramidal (a veces denominados subsistemas) (Pirámide CIM). En cada nivel se toman decisiones y se genera información que afecta a los niveles inferiores, los cuales a su vez informan a los niveles superiores sobre las operaciones realizadas necesarias para alcanzar los objetivos establecidos.

- Nivel 0: dispositivos y sensores de control activo (reguladores, actuadores, transductores, sensores, medidores…).

- Nivel 1: controladores de máquinas y procesos (máquinas-herramienta CNC, robots, manipuladores…)

- Nivel 2b: dirección de célula (supervisa las actividades llevadas a cabo en los procesos de producción, coordina las tareas del proceso y se encarga de la conexión con los dispositivos de control).

- Nivel 2a: dirección de área (enlace entre niveles para la coordinación de tareas y análisis de datos de proceso, informes y planificación a corto plazo).

- Nivel 3: dirección de planificación (planifica a medio plazo los recursos productivos de la empresa, establece el plan de calidad a seguir y se realiza el diseño de los procesos productivos y de los productos).

- Nivel 4: dirección estratégica (establece los objetivos a alcanzar, evalúa los resultados y gestiona al personal y otros activos).

En los niveles 2a y 2b se distribuye la información generada en los niveles 3 y 4 a los niveles inferiores. En los niveles 3 y 4, la toma de decisiones y el flujo de información puede durar años, en los niveles 2 la información se transmite a los niveles inferiores en días.

Sistemas de control de planta (SCADA: Supervisory, Control And Data Adquisition System): abarca a todos los sistemas de información encargados de recoger de forma flexible datos de una red de telemedida y control, supervisar los datos, analizarlos y producir señales de control avanzado. Algunas de las funciones más comunes son:

- Plataformas de integración de dispositivos.

- Bases de datos en tiempo real.

- Histórico y generador de informes.

- Gestión de alarmas.

- Interfaz hombre-máquina.

- Unidad de programación.

- Funciones complementarias.


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Diseño Asistido por Ordenador (CAD)

El Diseño Asistido por ordenador (CAD) abarca el uso de los ordenadores para la obtención de planos (2D) y modelos (3D) del diseño de productos. En general el diseño asistido por ordenador se asocia a gráficos interactivos (sistemas CAD). Los sistemas de diseño asistido por ordenador son herramientas muy potentes y útiles para el diseño geométrico de piezas, componentes, productos… Como ejemplo de una herramienta podemos citar los programas AutoCAD y el programa SolidWorks; el primero surgió de la necesidad de realizar diseños en 2D y el segundo para el diseño de piezas en 3D.

Figura 5. Tipos de modelado con herramientas CAD. (Fuente [1])

Programas CATIA (Aplicaciones Interactivas Tridimensionales Asistidas por Ordenador): estos programas permiten que el diseño CAD pueda ser sometido a análisis de ingeniería y detectar problemas futuros (exceso de carga, deflexión…). También podemos almacenar en la base de datos CAD información como listas de materiales, especificaciones de fabricación… Con toda esta información se pueden realizar análisis económicos y proponer diseños alternativos.

Ingeniería Asistida por Ordenador (CAE): permite el intercambio de información entre diferentes aplicaciones:

- Análisis de esfuerzos, deformaciones, deflexiones, distribución de temperatura mediante elementos finitos.

- Generación de CNC.

- Diseño de circuitos integrados y dispositivos electrónicos.

El diseño en programas CAD se puede resumir en cuatro etapas:

1. Modelado Geométrico.

2. Análisis y optimización del diseño.

3. Revisión y evaluación de diseños.

4. Documentación y proyectos.

Planta y Perfil (2D)

Perfil del cuerpo

Cuerpo giratorio

Modelo de estructura de alambres

Modelo de superficies

Modelo de volúmenes


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Fabricación Asistida por Ordenador (CAM)

A menudo se combina el Diseño Asistido por Ordenador (CAD) con la Fabricación Asistida por Ordenador (CAM) dando lugar a los denominados sistemas CAD/CAM. Esta combinación permite transferir información desde la etapa de diseño hasta la etapa de fabricación.

La CAM almacena y procesa la información desarrollada u obtenida durante el diseño en CAD, obteniendo los datos e instrucciones necesarios para el control y manejo de la maquinaria de producción.

Una característica muy importante de los sistemas CAD/CAM es su gran capacidad para obtener y describir las trayectorias de las herramientas a partir del diseño de una pieza en CAD.

Algunas aplicaciones de los sistemas CAD/CAM:

- Programación de control numérico.

- Programación de robots industriales.

- Diseño de matrices y moldes para fundición.

- Diseño de matrices complejas para conformado de chapa metálica, matrices de estampado.

- Diseño de herramientas.

- Control de calidad e inspección.

- Planificación y programación de procesos.

- Distribución en planta.


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Sistemas de Fabricación Flexible

Sistemas de Fabricación Flexible (FMS): integra todos los elementos característicos de un sistema de fabricación altamente automatizado. Este tipo de sistemas se desarrollaron a principios de la década de 1960. Están formados por diferentes Celdas de Fabricación Flexibles, con Robots Industriales que dan servicio a diferentes Centros de Mecanizado; consta además de un sistema de gestión automatizado de materiales; todo ello conectado o centralizado mediante un ordenador central.

Las máquinas, herramientas y operaciones de fabricación adquieren una flexibilidad incorporada Sistemas Flexibles de Fabricación.

Como resultado, el sistema es capaz de responder a los cambios en las demandas del mercado (cambios de tipo de producto) y, además, permite asegurar la entrega a tiempo de los pedidos (similar a los sistemas “Justo a Tiempo”).

Gracias al uso de técnicas CAD/CAM y de prototipado rápido se consigue reducir el tiempo de respuesta ante cambios de demanda en el mercado (lanzamientos de nuevos productos).

Principales elementos o componentes de un Sistema de Fabricación Flexible:

- Estaciones de Trabajo y Celdas Flexibles (centros de mecanizado de tres a cinco ejes; fresadoras, taladradoras y rectificadoras; equipos de inspección; ensamblaje; limpieza; formado de láminas; troquelado; cizallado; forjado; hornos; prensas; tratamientos térmicos…).

- Manejo y Transporte Automatizado de materiales y piezas (vehículos guiados; bandas transportadoras; mecanismos de transferencia; pallets).

- Sistema de Control.

Las operaciones más comunes son: (i) procesos de mecanizado, rectificado, corte, formado, metalurgia de polvos, tratamiento térmico y acabado; (ii) manejo de materias primas; (iii) medición en inspección (control de calidad); (iv) ensamblado.

Figura 6. Esquema de un Sistema Flexible de Fabricación. (Fuente [1])

Centro de Mecanizado

Carrusel de herramientas

Husillo

Máquina de medición de coordenadas

Estación de Tarimas (Pallets)

Vehículos Autoguiados


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En este tipo de sistemas se pueden gestionar diferentes piezas (y sus componentes) por separado para cada una de las estaciones de trabajo. El sistema puede gestionar la fabricación de un gran número de piezas diferentes y obtenerlas en cualquier orden. El sistema de control central permite optimizar todo el proceso en base a ir optimizando cada una de las operaciones individualmente. Las máquinas no suelen estar organizadas por líneas (avance de piezas lineal), sino que las piezas pueden desplazarse de una máquina a otra según las necesidades en cada caso.

Los Sistemas Flexibles de Fabricación combinan la alta productividad de sistemas de fabricación del tipo “Líneas de Transferencia” (muy poco flexibles) y la flexibilidad del trabajo en taller. Los Sistemas de Fabricación Flexible permiten que la producción para una serie limitada de piezas obtenga las ventajas características de la fabricación de grandes series.

Tabla 1. Comparación de características generales de Líneas de Transferencia y Sistemas Flexibles de Fabricación. (Fuente [1])

Línea de Transferencia Sistema Flexible de Fabricación Variedad de Piezas Poca Infinita Tamaño del lote >100 1-50 Tiempo de cambio de pieza Alto Muy bajo Cambio de herramienta Alto – Manual Automático Control adaptable Difícil Disponible Inventario Alto Bajo Producción durante mantenimiento Ninguna Parcial Justificación de gasto de capital Simple Difícil

En un Sistema de Fabricación Flexible:

(i) Las piezas se pueden producir de forma aleatoria y en tamaños de lote reducidos (hasta de una unidad y con un coste unitario inferior que en otros sistemas).

(ii) Se reduce o elimina la mano de obra directa y los inventarios;

(iii) El tiempo para el cambio de producto es bajo.

(iv) La calidad de producción es uniforme (incorpora sistemas de control que permiten ajustar el proceso productivo durante el mismo).

¿Cómo saber si necesitamos un Sistema de Fabricación Flexible?

- Si tenemos piezas similares, tamaños de lote medianos y relativamente grandes en este caso podría no ser necesario tener máquinas-herramientas encadenadas, bastaría con disponer de almacenes intermedios para las piezas en curso. Al tener piezas similares no sería necesaria la flexibilidad de este tipo de sistemas. Al tener tamaños de lote medianos o grandes, podría ser más adecuado irnos a un sistema de fabricación más productivo, aunque menos flexible (automatización más rígida: líneas de flujo convencional, líneas de transferencia).

- Producción de lotes medianos de piezas diferentes en este caso tenemos piezas diferentes, por lo que necesitamos cierta flexibilidad, pero trabajamos con lotes medianos. En este caso podría ser suficiente con centros de mecanizado autónomos.

- Fabricación de varias piezas distintas, tamaño de lotes pequeño y los modelos varían constantemente en este caso si se requiere de la flexibilidad que aporta un Sistema de Fabricación Flexible.


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2.2 Gestión de Recursos Materiales. Planificación y Control de la Producción

El objetivo principal de una empresa industrial, tanto en el sector de bienes de consumo como en el sector servicios, es producir; y además ser rentable. Para lograr ese objetivo son necesarios una serie de recursos (tecnológicos, financieros y humanos), materia prima, maquinaria, herramientas, energía...

Ahora bien, no es lo mismo una empresa que se dedique a productos perecederos o una empresa que trabaje sobre pedido en el sector naval. Una organización industrial de tipo general puede enfrentarse a un mercado con las siguientes características:

- Productos con ciclos de vida corto.

- Alta variedad de líneas de productos.

- Los productos deben estar diseñados a la medida de las necesidades del usuario.

- Alta exigencia de calidad y fiabilidad.

- Incorporación de tecnología punta.

- Amplio abanico de clientes.

- Clientes exigentes.

- Universalidad de mercados (se puede distribuir en todo el mundo y cualquier fabricante de todo el mundo puede ser competencia).

Esta situación, con clientes exigentes, altos requerimientos de calidad, fuerte competencia… se puede volver en contra de la organización industrial si no está al máximo nivel, o ser un punto a su favor si la organización trabaja de forma óptima al máximo nivel.

En la Figura 7 se presenta un esquema de la organización global de una empresa industrial. La representación gráfica de la organización de una empresa se puede realizar mediante un organigrama. Se observa como el flujo de materias primas, hasta obtener el producto final, representa una pequeña parte de la estructura global de la empresa. Para que dicho flujo de material sea posible es necesaria la estrecha colaboración del resto de la organización (desde el diseño y concepción del producto hasta su obtención).

Al departamento de marketing y al departamento comercial (pedidos) entraría la información del exterior (estudios de mercado y necesidades de los clientes). También se debería tener en cuenta toda la información adquirida por el departamento de post-venta, que no aparece en el esquema. Hoy en día, la opinión del consumidor final es muy importante, se debe prestar especial atención a todo lo relacionado con el servicio de post-venta (mantenimiento, averías, asesoramiento…).

Toda la información recabada se estudia en el departamento de planificación estratégica, quien se encarga de establecer el plan general de la empresa. Este departamento dirige o plantea sus decisiones al departamento de diseño, ventas, planificación de los recursos y planificación de la producción; también debe encargarse de coordinar dichos departamentos.

El departamento de calidad es el encargado de asegurarse que se cumplen todas las normativas aplicables en el diseño de los productos y en la planificación de la producción. También es el encargado de realizar todos los controles de calidad pertinentes, tanto durante la producción como de los productos finales (mejor prevenir posibles errores que tener que subsanar errores en el producto final).

También es importante el mantenimiento de todas las instalaciones, máquinas y equipos. Estos deberán estar en condiciones adecuadas para la actividad a la que estén encomendados. Se puede hacer un mantenimiento preventivo (para evitar fallos previsibles) o correctivo (para corregir en el menor tiempo posible los fallos y averías imprevistas).


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Figura 7. Esquema organizativo de una empresa industrial. (Fuente [2])

En el departamento o área de diseño se realiza el diseño de todos los productos. Es importante que este departamento tenga en cuenta, desde la concepción de los productos, cuál será el sistema de producción. Los ingenieros responsables del diseño de los productos deben diseñar teniendo en cuenta cómo se van a fabricar los productos. Es muy importante que haya flujo de información entre el departamento de marketing (qué queremos), el departamento de diseño (cómo lo queremos) y el departamento de producción (cómo lo fabricamos) [INGENIERÍA CONCURRENTE].

La producción de los productos se realiza en la planta de producción, conforme a las especificaciones de diseño y siguiendo las indicaciones o exigencias del departamento de calidad.

El objetivo final de la empresa es equilibrar sus recursos (posibilidades de fabricación y distribución) con el mercado disponible. Puede darse la situación de tener más recursos de los

DIRECCIÓN ESTRATÉGICA

Marketing Planificación estratégica

Diseños Información

recopilada

Necesidades Productos

Planificación de la

producción

Planos

Ventas

Pedidos

Gestión de recursos, compras y subcontratación

Previsiones

Compras

Subcontratación

Producción y montaje

Procedimientos Lista de componentes

Recursos

Distribución Almacén Inventario

Pedidos

Útiles

Productos Terminados

Utillaje y Materias Primas

GE

STIÓ

N D

E C

AL

IDA

D

Nor

mas

C

ontr

ol d

e C

alid

ad


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necesarios (sobredimensionada, no rentable) o no tener recursos suficientes (siendo necesaria la subcontratación), ambas situaciones no son deseables.

Se trata de obtener los productos que demanda el mercado, con la calidad exigida y al más bajo coste posible (siempre dentro de las posibilidades de la empresa).

*Nota: Este esquema puede resultar bastante simple en comparación con lo que podáis encontrar en vuestra vida profesional.

Otros Departamentos que se pueden considerar

En este apartado comentaremos un poco los pasos a seguir desde que aparece la necesidad de fabricar un nuevo producto en una empresa hasta que se define todo el proceso de fabricación:

- Oficina de Proyectos: ante un nuevo proyecto, se debe estudiar las especificaciones y necesidades del cliente y buscar toda la información necesaria. Se deben plantear diferentes alternativas y elegir la más adecuada. Definir el producto, elaborar los planos de definición y realizar los cálculos necesarios para asegurar que se cumplen todas especificaciones. Diseñar todas las piezas y componentes del conjunto (Lista de Materiales). Todo ello cumpliendo con las normas pertinentes y utilizando herramientas de diseño (CAD/CAM).

- Ingeniería de Producción: es el departamento que recibe los planos de todas las piezas del producto en cuestión diseñado en la oficina de proyectos. Se plantean diferentes alternativas en cuanto a procesos de fabricación y se selecciona la más adecuada (según especificaciones, número de piezas, plazos de entrega, calidades…). Se deben plantear modificaciones del producto para una optimizar la fabricación. Definición del proceso de fabricación (paso a paso). Definición de utillajes y herramientas. Cálculo de tiempos de fabricación…

- Ingeniería de Producto: el trabajo se materializa en una Hoja de Proceso:

o Trabajos a realizar: fases, subfases y operaciones.

Fase: conjunto de transformaciones tecnológicamente afines que se llevan a cabo sobre el producto en la misma máquina, instalación, equipo o puesto de trabajo.

Subfase: paso intermedio entre las fases y las operaciones. Conjunto de operaciones relacionadas entre sí por alguna característica común. Generalmente actúan sobre el producto sin que varíe la colocación y sujeción de este sobre la máquina o puesto de trabajo.

Operación: cada una de las tareas elementales que se pueden llevar a cabo en una máquina o puesto de trabajo (uso de otra herramienta, cambio en el movimiento de la máquina).

o Máquinas, herramientas y útiles necesarios.

o Tiempos que se han de emplear (preparación, maniobra, operación).

o Cálculo de tiempos (tablas de tiempos normalizados, en función de las variables de cada proceso).

o Los tiempos repercuten en la programación y planificación de la producción (lanzamientos del producto; comienzo de fabricación de una pieza determinada) y administración o contabilidad (presupuesto a clientes; pago de primas a los operarios).

- Diseño de Utillaje: elementos auxiliares utilizados en los procesos de fabricación.


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- Programación: programas de control de la maquinaria, CNC u otros.

- Taller de Prototipos: suele depender del departamento de producción o de proyectos. Se fabrican prototipos de nuevos diseños para que puedan optimizarse en la fase de desarrollo. Se analizan nuevos procesos de fabricación. Se fabrican piezas con diferentes procesos de fabricación para determinar el más adecuado. Se prueban nuevas herramientas…

- Taller: el responsable es el jefe de taller. Puede haber distintas secciones a cargo de los jefes de sección o jefes de línea.

- Almacén de herramientas: Se guardan y gestionan las herramientas normalizadas [herramientas consumibles (plaquita de torno) o no consumibles (destornillador)].

Productividad

Se define productividad como la relación entre los ingresos obtenidos y las inversiones realizadas:

realizadassInversione

obtenidosIngresosdadproductivi (1)

Los ingresos obtenidos pueden ser relativamente sencillos de calcular cuando el objetivo es producir un producto, aunque hasta que no se venda dicho producto no se ha alcanzado realmente el objetivo. Las inversiones realizadas pueden resultar un poco más complicadas de determinar, en general podemos incluir:

- Mano de obra directa.

- Mano de obra indirecta.

- Amortización de máquinas y equipos.

- Inventarios.

- Compras.

- Pérdidas

- …

Además, siempre se deben considerar los impuestos. El objetivo principal es conseguir una alta productividad (>>1). Cuando la productividad es igual a 1 se dice que entramos en fase de letargo, ya que la empresa tendrá poca capacidad de reaccionar ante cualquier cambio.

Tabla 2. Factores que pueden afectar a la productividad. (Fuente [2])

Fuerza del trabajo

Remuneraciones Políticas de motivación Capacitación Selección del personal Estructura jerárquica Diseño del puesto de trabajo Mandos intermedios Fuerzas sindicales Gestión de la calidad

Proceso

Diseño del proceso Automatización Flujo de materiales Distribución en planta Máquinas y equipos Control de calidad Mejora de la calidad

Producto Investigación y desarrollo Diversidad y alternativas Análisis del valor

Recursos

Compras Inventarios en almacén Útiles de producción Gestión de la capacidad

Mercado Demanda de los clientes Competencia Imagen de la marca Publicidad Legislación


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Planificación y Control de la Producción

La planificación de la producción depende de los pedidos ya confirmados y las previsiones de ventas futuras. Las previsiones se obtienen de datos históricos del mercado en años anteriores, previsiones de lanzamientos de nuevos productos y otros datos. Se debe realizar un plan de producción a medio-largo plazo acorde con la capacidad real de producción de la planta que satisfaga la demanda de mercado. Es importante evitar periodos en los que la demanda de trabajo de las máquinas sea excesiva o periodos de paro total.

Con todos los datos que se puedan recabar se debe realizar el denominado Plan Maestro de Producción donde se especifiquen:

- Producto o productos a fabricar.

- Cantidad.

- Fecha o plazo.

Para cada producto (y sus componentes) que se necesite comprar se debe conocer la referencia de los proveedores y los plazos de entrega.

Para cada producto (y sus componentes) que se necesite fabricar se debe conocer una estimación del tiempo necesario para obtener 1 unidad.

Determinada la cantidad de producto a obtener en unas fechas determinadas (plan de producción), se obtienen los denominados diagramas de tiempos en el que se establecen las fechas en las que se debe ejecutar una orden de compra o una orden de fabricación. Así se obtiene:

- Listado de órdenes de compra: generan automáticamente los pedidos.

- Listado de órdenes de trabajo: podemos hablas de hojas de ruta y bonos de trabajo:

o Hojas de ruta: documento que acompaña a las materias primas desde el almacén general. En este documento se indica el recorrido que debe seguir dicha materia prima.

o Bonos de trabajo: o procedimientos operativos, documento que recoge la información que debe conocer el operario del puesto de trabajo al que llegue la materia prima (o pieza), indicando las operaciones a realizar (Ej. Un programa de control numérico para un centro de mecanizado para una pieza determinada).

Principales funciones del Plan Maestro de Producción:

- Determinar el momento de empezar un trabajo, las máquinas que se utilizarán y la fecha de finalización prevista.

- Asegurarse de que están preparados, para el comienzo del trabajo las máquinas, materiales, herramientas, útiles especiales, la documentación.

- Dar la orden de lanzamiento para que los talleres empiecen los diversos trabajos.

- Controlar que el trabajo se está realizando según las instrucciones indicadas.

- Comprobar que se anota sobre la documentación de cada producto (o componente) los datos que se necesiten misma (operario, número de piezas, fecha de realización de cada fase, etc.).

- Anotar las interrupciones y sus causas, los retrasos, adelantos, fallos para tenerlos en cuenta en futuros lanzamientos.

- Sugerir la adopción de medidas para contrarrestar los retrasos.


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Podemos destacar:

Planificación: ante un plan de producción ambicioso, con un gran número de proveedores, tipos de productos que se fabrican, capacidad de producción alta… el cálculo del plan maestro de producción requiere del uso de herramientas informáticas denominadas “Aplicaciones de Planificación” [Management Resources Planning (MRP) y Computer Asisted Production Planification (CAPP)].

Existen diferentes métodos de planificación y control de la producción, como la fabricación en función del volumen o los sistemas justo a tiempo.

Lanzamiento: se deben dar las órdenes a los talleres para empezar los trabajos, se utilizan los documentos “Hoja de Ruta” y “Bonos de Trabajo”.

Control de Producción: control del trabajo según lo establecido en la planificación. Importante el control del almacén de utillajes, de herramientas especiales y de piezas de trabajo en curso (piezas aún no terminadas que por logística se deben retirar).

Management Resources Planning (MRP)

La Planificación de Necesidades de Materiales o Planificación de Requerimiento de Materiales (MRP) son sistemas basados en el uso de la informática para el manejo de inventarios y la planificación del calendario de entrega (o llegada) de materia prima y herramientas (También es conocido como Control de Inventario). El objetivo principal de estos sistemas es controlar el proceso de producción en empresas cuya actividad se desarrolla en un entorno de fabricación.

La producción en este entorno supone un proceso complejo, con múltiples etapas intermedias, en las que se transforman los materiales empleados, se realizan montajes de componentes para obtener unidades de nivel superior, que a su vez pueden ser componentes de otras unidades, hasta la terminación del producto final, listo para ser entregado a los clientes. La complejidad de este proceso es variable, dependiendo del tipo de producto que se fabrique.

Este sistema de planificación, aunque su metodología sea común para cualquier caso, su implantación en una industria concreta depende de sus particularidades. En general se persiguen los siguientes objetivos:

- Controlar y coordinar los materiales para que se pueda disponer de ellos donde y cuando se necesitan. Responde a las preguntas: ¿Qué? ¿Cuánto? ¿Cuándo? (material se debe disponer).

- Producción eficiente (ajustar inventarios, capacidad, mano de obra, costes de producción, plazos de fabricación y cargas de trabajo en todas las áreas implicadas).

- Evitar excesos innecesarios.

- Promover la flexibilidad (para poder adaptarse a los posibles cambios en el proceso productivo debido a cambios en el mercado).

Antes del desarrollo de estos sistemas (debido a la gran cantidad de datos que había que manejar y a la complejidad de los procesos) las empresas utilizaban almacenes o stocks de seguridad (con la MRP se reduce la necesidad de stocks), lo que incrementaba el coste de producción. El desarrollo de los ordenadores permitió la implantación de la MRP.

Este método requiere de la existencia de registros de inventarios de materiales, suministros, partes en las distintas etapas de la producción (conocido como Trabajo en Proceso o WIP), órdenes, compras y programación o planificación.


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Tabla 3. Comparativa entre las técnicas clásicas de planificación y la MRP.

Técnicas clásicas MRP

Tipo de demanda Independiente (no depende de la empresa, depende del mercado, de los clientes)

Dependiente o predeterminada (se genera a partir de las decisiones de la empresa, si por ejemplo se estima una demanda de mercado de 100 productos, la empresa puede decidir fabricar 120)

Determinación de la demanda

Herramientas estadísticas en base a datos históricos.

En base al Plan Maestro de Producción.

Tipo de artículos Se consideran los productos acabados y piezas de repuesto.

Se consideran todas las partes y componentes de los productos.

Base de los pedidos Se basa en la reposición Se basa en las necesidades

Stocks de seguridad Necesarios para compensar las fluctuaciones en la demanda.

Tienden a desaparecer.

Objetivos directos Satisfacer la demanda del cliente.

Satisfacer las necesidades de producción.

En el MRP son necesarios diversos archivos y datos:

- El Plan Maestro de Producción (en el que se establece las fechas y cantidades en las que tienen que estar disponibles todos los materiales).

- Listas de Materiales (BOM).

- Estado del inventario.

En base a toda la información recogida en los documentos anteriores, se obtiene:

- El plan de producción de cada una de las piezas que deben ser fabricadas (cantidades y fechas de las órdenes de fabricación). Se calcula la carga de trabajo de cada una de las áreas de la planta y se establece el programa de fabricación más adecuado.

- El plan de aprovisionamiento de material (fechas y tamaños de los pedidos a proveedores).

- El informe de excepciones (órdenes de fabricación que van retrasadas y sus posibles repercusiones sobre el plan de producción y sobre las fechas de entrega de los pedidos a los clientes). Esto permite: renegociar con los clientes, lanzar órdenes de fabricación urgentes, adquisición a otras empresas, pagar horas extras o cualquier otra medida que el responsable considere oportunas.


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Figura 8. Diagrama MRP.

La Planificación de Recursos de Fabricación (MRP-II) controla todos los aspectos de la planificación de la fabricación mediante retroalimentación. Se consigue coordinar conjuntamente las actividades de las distintas áreas de la empresa, la mejor forma de conseguir beneficios sustanciales en la aplicación del MRP.

Son sistemas complejos que permiten: (i) Planificar la producción hasta la obtención del producto final; (ii) Supervisar los resultados en tiempo real; (iii) Comparación de los resultados obtenidos con los planificados.

La Planificación de Recursos de Empresas (ERP) se implantó a principios de la década de 1990. Se puede considerar como una ampliación de la MRP-II en la que se incluyen todos los recursos necesarios para el funcionamiento de una empresa con el objetivo de planificar órdenes de productos, fabricación, envíos a los clientes, servicio postventa… La ERP intenta coordinar, optimizar e integrar de forma dinámica toda la información, actividades técnicas y actividades financieras que pueda haber en una gran industria. La implantación de la ERP es bastante compleja:

- Es necesario una comunicación adecuada (efectiva, fiable) entre todos los departamentos. El equipo de trabajo es fundamental.

- El marcado cambia continuamente (necesidades de los clientes, evolución del negocio, comercio electrónico).

- Requiere de equipos muy potentes (software y hardware) – Infraestructura.

Departamento de Marketing

Plan Maestro de Producción

Lista de

Materiales

Estado del inventario

(stock)

Plan de Producción

Plan de aprovisionamiento

(necesidades) Informe de excepciones

MRP

Previsión de inventario

(stock)

Pedidos fijos de clientes

Pronóstico de demanda de

clientes aleatorios

Plan de productos

Departamento de Diseño o Ingeniería

Cambios en el diseño


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Computer Asisted Production Planification (CAPP)

La Planificación de Procesos Asistida por Ordenador (CAPP) es un sistema experto que analiza las capacidades de un sistema de fabricación específico con el objetivo de crear un plan para la fabricación de una pieza previamente diseñada (en CAD). En este plan se especifica:

- La maquinaria necesaria.

- La secuencia de producción.

- Las herramientas necesarias.

- Los parámetros de las operaciones (velocidades de corte, avance…).

La planificación CAPP permite optimizar los procesos y disminuir el coste, sobretodo cuando se planifica la producción de más de un diseño.

Distribución en Planta

Una mala distribución en planta de toda la maquinaria y equipos implicados en el proceso productivo puede repercutir negativamente en el coste final del producto. En general las tareas de cualquier sistema de producción o fabricación se clasifican en:

- Tareas productivas: fabricación, montaje o control de calidad.

- Tareas no productivas: manipulación (transporte de un puesto de trabajo a otro)-

Las tareas productivas deben ser analizadas con el objetivo de reducir costes. Las tareas no productivas deben ser analizadas con el objetivo de minimizarlas.

Anécdota: a principios del siglo XX se crea la primera planta de montaje donde se construían vehículos a partir de piezas estandarizadas fabricadas en otra factoría. El vehículo permanecía en un lugar fijo y los operarios iban y venían con los componentes (Ejemplo, fabricación del Ford T desde 1903). Con el coche fijo y los operarios moviéndose, excesivo gasto de tiempo. Henry Ford (1913) prueba en su fábrica de Detroit un nuevo sistema: línea de fabricación de coches en cadena. El chasis del coche se monta sobre una cadena de eslabones que se mueve a lo largo de la nave industrial, son los operarios quienes permanecen fijos en sus estaciones de trabajo (cada estación de trabajo se encarga de una tarea diferente). Se ahorra en el tiempo de montaje un 85%. En este caso se aplicó la teoría de Taylor que decía que cada trabajador debía realizar el trabajo más adecuado para él.

Se han desarrollado sistemas de análisis de métodos y tiempos para el análisis de procesos, subprocesos y movimientos, consiguiendo el equilibrado de la línea de producción (eliminando cuellos de botella y con todas las tareas sincronizadas de principio a fin).

En general, podemos hablar de dos sistemas básicos de distribución en planta:

- Distribución lineal: planta abierta, posibilidad de entrada de materiales y componentes por diferentes puntos. La salida de los productos finales está claramente diferenciada de la entrada de materias primas. Al tener varios puntos de entrada de materiales las operaciones de control pueden ser algo más complejas.

- Distribución en U: la salida del producto final se realiza por el mismo punto que la entrada de materias primas. Es poco operativo introducir componentes y utillaje a lo largo de la línea.

Estas dos opciones son viables cuando el producto que se fabrica tiene que pasar por todas las unidades productivas. Esta situación no es lo normal. Una empresa de mediana complejidad suele


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tener un abanico de productos, que no necesariamente deben pasar por todas las unidades productivas.

Ante esta situación, se puede:

- Clasificar las unidades de producción por máquinas afines: todas las máquinas similares se agrupan formando islas productivas (isla de mecanizado, isla de pintura…).

- Clasificar las unidades de producción por producto obtenido: cada unidad o isla puede ser independiente, formando pequeñas unidades productivas íntegras.

Cálculo de Costes (ver Anexo al Tema 2)

2.3 Introducción a la Gestión de la Información

El área de fabricación de una empresa productiva recibe gran cantidad de información necesaria (del área de diseño, del área de planificación…). Tradicionalmente esta información se transmitía por escrito o de viva voz, cuando los procesos eran relativamente sencillos y se basaban en la experiencia de los operarios. Actualmente, esto sería imposible de llevarlo a cabo sin la ayuda de los ordenadores:

- El volumen de información que se maneja es muy elevado.

- Se debe garantizar la correcta transmisión de la información.

- Generalmente los datos se generan mediante sistemas computerizados.

- Los equipos de fabricación (máquinas-herramienta…) se controlan por ordenador.

- Es necesaria una retroalimentación de la información para una correcta planificación.

- Gran parte de la información es compartida por distintas áreas o departamentos.

Aunque hoy en día el departamento o área de diseño trabaja con ordenadores, todavía es común que las órdenes de trabajo se impriman en papel y así lleguen a los operarios a pie de máquina. Poco a poco se va evolucionando y se plantean diferentes alternativas:

- Sistemas centralizados: un potente ordenador central soporta toda la información.

- Sistemas distribuidos: cada área o departamento es responsable de los datos que genera y de transmitirlos a otras áreas (bases de datos compartidas).

Ya hemos comentado anteriormente que existe un documento muy importante denominado Lista de materiales, suele consistir en una base de datos en la que se recogen:

- Todos los productos a fabricar.

- Todos los componentes de cada producto (en estructura jerárquica):

o Componente: elemento comprado que no puede desmontarse en otros elementos.

o Producto: conjunto de componentes que sale al mercado y puede ser adquirido por el cliente (bien de consumo directo, de mantenimiento o repuesto).

o Subconjunto: elemento que puede ser desmontado en componentes y que a su vez forma parte de otro elemento de orden superior (otro subconjunto o el producto final).


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Se puede establecer una relación directa entre esta estructura jerárquica y los procesos productivos, ya que un subconjunto será el resultado de una serie de operaciones realizadas sobre sus componentes. Y, a ese subconjunto se le aplicarán otra serie de operaciones para obtener otro subconjunto de orden superior o el producto final.

Aspecto clave: ¿qué codificación se utiliza para denominar a cada componente de forma inequívoca? Se recomienda ayudarse de la tecnología de grupos, agrupar los componentes, subconjuntos y productos en familias de piezas con alguna característica común y asignar la codificación de los elementos de acuerdo con esta estructura de familias. Con esto se consigue una cierta lógica en la codificación, lo que ayuda a los operarios a no confundirse.

Una buena base de datos de la Lista de materiales es fundamental para la gestión de la producción en cualquier organización industrial. Cada producto tiene una estructura en forma de árbol con todos sus componentes, de forma que si se actualiza algún componente en la base de datos se actualiza automáticamente todo el conjunto. En este árbol se recogen todos los componentes y subconjuntos (el número de cada uno de ellos que conforman el producto final, el coste unitario de cada componente, la operación que los relaciona…). Así, si por ejemplo el departamento de diseño modifica algún componente (con distinto coste, con menor número, con otra operación necesaria) se actualiza la base de datos y este cambio repercute de forma automática en el producto final (coste y procesos de fabricación).

En cuanto al coste, para cada componente tenemos:

- Coste del componente.

- Coste de operación (el coste de la operación que hay que realizar sobre dicho componente, incluye las horas de trabajo con maquinaria, mano de obra…). Una alternativa a este coste, es incluir en la base de datos la operación de producción como un componente más.


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Figura 9. Ejemplo de la estructura jerárquica de la Lista de Materiales para un teléfono móvil.


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Figura 10. Ejemplo de la nomenclatura de los componentes de la estructura Pilar-Dintel Central en un invernadero multitúnel.


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ANEXO I – Cálculo de Costes

En cualquier empresa siempre se necesita dar un presupuesto al cliente antes de realizar el trabajo. Se pueden plantear dos situaciones:

- Presupuesto excesivo el cliente no acepte el presupuesto.

- Presupuesto bajo pérdida de dinero.

Ante esta situación resulta imprescindible realizar un cálculo correcto del coste de fabricación de los productos. En algunos casos se realiza un cálculo directo (analizando el coste de todos los materiales, mano de obra, energía, uso de maquinaria…) lento y complicado. En otros casos se realiza un cálculo comparativo (en función de trabajos previos realizados cuyo coste es conocido).

A continuación se va a explicar un método básico para determinar el presupuesto de un producto fabricado.

Empezaremos suponiendo que conocemos el Coste de Total CT de nuestro producto, en ese caso la empresa deberá establecer que porcentaje de Beneficio B [%] desea obtener de la venta de ese producto. De este modo podemos obtener el Presupuesto Final P como:

TCB

P

1001 (2)

Veamos como determinar el Coste Total CT, éste podemos descomponerlo en:

gfT CCC (3)

donde, Cf representa los Costes Directos o de Fabricación y Cg representa los Costes Indirectos o Generales. Los costes indirectos o generales (alquileres, mano de obra indirecta, consumo de energía, otros…) suelen determinarse como: (i) un porcentaje de los costes directo Cf; (ii) como un coeficiente que multiplica al coste de cada puesto de trabajo y pasa a formar parte del coste directo igualmente.

Los Costes Directos Cf se pueden descomponer en:

huAomf CCCCCC (4)

donde:

- Coste de Materia Prima Cm.

- Coste de Mano de Obra Directa Co.

- Coste de Amortización de máquinas y equipos empleados CA (puede aplicarse sobre los costes indirectos o generales, pero es más preciso calcularlo sobre cada tipo de máquina y equipo).

- Coste de Útiles especiales Cu.

- Coste de Herramientas Ch.


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Coste de Materia Prima Cm

Se deben considerar todas las materias primas y componentes utilizados para la fabricación del producto. Suponiendo que conocemos el precio unitario p [€ kg-1, € m3, € m2…] de cada material utilizado, el Coste de Materia Prima [€ ud-1] podemos determinarlo como:

m

iiim pQC

1

(5)

siendo, Q la cantidad de material por unidad fabricada [kg ud-1, m3 ud-1, m2 ud-1…], m el número total de materiales utilizados para la fabricación del producto. En el coste de la materia prima debe incluirse el coste del transporte, del almacenamiento, aranceles, porcentaje de material defectuoso…

Si con el desperdicio o sobrante del material utilizado se obtiene algún tipo de rendimiento (venta a terceros, reutilización para otros productos) debe descontarse del coste de matera prima.

Coste de Mano de Obra Directa Co

Se considera el gasto de la empresa correspondiente a la mano de obra directa implicada en la fabricación del producto. Se puede determinar como:

m

iiiopo StC

1

(6)

siendo, m el número de operarios implicados, top las horas empleadas por cada operario [h] y S el precio de la hora de trabajo de cada operario [€ h-1]. El precio de la hora de trabajo de cada operario puede determinarse como:

][

][€1

1

añohjoAnualHorasTraba

añotoAnualSalarioBruS (7)

En este precio por hora suelen incluirse las cargas sociales (ayudas de acción social), vacaciones… La retribución de los operarios por antigüedad o cargos suele incluirse en los costes indirectos.

Coste de Amortización de máquinas y equipos empleados CA

Aquí se considera el coste anual, mensual u horario de cada máquina implicada en el proceso. Este coste debe tenerse en cuenta para afrontar la inversión realizada en la adquisición de la máquina y amortizarlo en un tiempo determinado (vida útil de la máquina). Este coste puede determinarse como:

t

nmaq

A hhn

iCC

1

(8)

siendo, Cmaq la inversión realizada en la compra de la máquina, el precio de la máquina, i el interés del préstamo bancario (en tanto por 1) en el caso de que la máquina se haya adquirido mediante un préstamo bancario o el coste de oportunidad del dinero (en tanto por 1) en el caso de haberla adquirido con fondos propios, n es el número de años de amortización o de vida útil de la máquina, h es el número de horas al año que trabaja la máquina (en todos los procesos que exista en la empresa) y η es el rendimiento de la máquina o índice de ocupación de la máquina (generalmente entre 0.7 y 0.8). Por último, ht es el número de horas que trabaja la máquina para la pieza o producto cuyo coste se esté determinando.


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Coste de Útiles especiales Cu.

En el caso de que sea necesario utilizar algún útil especial para la fabricación de la pieza, debemos repartir el coste de ese útil por el número total de piezas que se fabriquen con él. Este tipo de útiles especiales suelen diseñarse y fabricarse en la propia empresa (por lo que el coste de ese útil se debe calcular previamente).

Suponiendo que conocemos o que ya hemos determinado el coste de todos los útiles diferentes necesarios U [€ útil-1], el Coste de Útiles Cu se puede determinar como:

m

i ip

iu n

UC

1

(9)

siendo, m el número de útiles especiales diferentes que se deben utilizar para fabricar la pieza, U el coste de cada útil [€] y np el número de piezas que se pueden fabricar con cada útil.

Coste de Herramientas Ch.

En este concepto se incluyen aquellas herramientas consumibles (fungible, como por ejemplo las plaquitas de corte de una herramienta de torno), no se consideran aquellas herramientas no consumibles (Ej. unas mordazas). El Coste de Herramientas Ch se calcula como:

m

i iu

ihihh V

tpC

1

(10)

siendo, m el número total de herramientas diferentes utilizadas para la fabricación de la pieza, ph el precio de compra de cada herramienta [€ herramienta-1], th el tiempo de uso de cada herramienta para la fabricación de 1 pieza [h] y Vu la vida útil de cada herramienta [h].

Otra agrupación de los Costes Directos o de Fabricación Cf:

Se puede considerar que los Costes Directos o de Fabricación están compuestos por:

hoperativosfijosf CCCC (11)

Costes Fijos del Proceso Cfijos: se consideran la materia prima y el uso de útiles especiales.

umfijos CCC (12)

Costes Operativos del Proceso Coperativos: se consideran la mano de obra directa y la amortización de la maquinaria (los costes del uso de cada puesto de trabajo).

Aooperativos CCC (13)

Costes de herramientas Ch: que varían con el tiempo de fabricación.


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Tiempo de fabricación: a la hora de determinar el tiempo de fabricación de cada pieza se pueden considerar los siguientes tiempos:

- tp, tiempo de preparación: es el tiempo que se emplea en preparar todo el proceso productivo, incluye aquellas operaciones previas al propio proceso de fabricación. Por ejemplo: el tiempo que se emplea en preparar las herramientas y el utillaje, el tiempo necesario para programar las máquinas y equipos que lo necesiten, las pruebas y puesta a punto del proceso….

- tm, tiempo de maniobra: aquí se incluyen todas aquellas operaciones que no se consideran productivas, como por ejemplo el movimiento en vacío de las herramientas, el tiempo que se pueda emplear en cambiar las herramientas de la máquina (por ejemplo el cambio de herramienta en un torno), el tiempo necesario para cambiar de pieza…

- tt, tiempo de transformación: el tiempo que se emplea en las operaciones propias de la fabricación (por ejemplo, el tiempo de corte en un torno).

Así, el tiempo total de fabricación se calcula como:

tmpf tttt (14)

A veces se pueden considerar el tiempo de preparación y el tiempo de maniobra despreciables frente al tiempo de transformación. Por ejemplo, el cambio de herramienta en un torno CNC, con revólver porta-herramientas con cambio automático de herramientas, puede ser inferior a 1 segundo; por el contrario, si trabajamos con un torno con cambio de herramienta manual, la duración del cambio de herramienta puede suponer una proporción bastante importante del tiempo total de fabricación.

Determinación del coste mínimo a costa de reducir el tiempo de fabricación: si para reducir los Costes Directos o de Fabricación se varían los parámetros del proceso (principalmente aumentando la velocidad) para disminuir el tiempo de fabricación, se repercute principalmente en:

- Aumenta la velocidad de trabajo disminuye la vida útil de la herramienta.

- Aumenta el coste de herramientas Ch.

- Disminuye el coste operativo (mano de obra + amortización).

Se debe buscar la velocidad óptima del proceso que permita el menor coste posible.

Costes Indirectos o Generales: son aquellos que no se pueden asignar de forma directa a la fabricación de una pieza determinada, son costes que repercuten en todos los productos que se fabriquen:

- Mano de obra indirecta (administrativos, dirección, oficina técnica, encargados…).

- Alquiler o préstamo del local o locales.

- Energía: consumo eléctrico, gas, agua…

- Impuestos, contribuciones, seguros.

- Materiales indirectos (material de oficina, lubricantes de máquinas, productos químicos…).

- Gastos de mantenimiento. Gastos de dirección. Gastos comerciales (publicidad, promociones…). Otros gastos.


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3 TEMA 3: PROCESOS DE MOLDEO

3.1 Introducción. Clasificación (METAL)

En este apartado se hará una breve introducción al fundamento de la fundición de metales. El proceso de moldeado por fundición de metales es un procedimiento que se basa en la fusión de los metales y sus aleaciones. El material fundido se vierte o cuela en un molde (de arena, metal u otros materiales) que reproduce la forma de la pieza a fundir, posteriormente se deja enfriar hasta su completa solidificación.

Figura 1. Crisol con bronce fundido de la ual (dcha.). Pistón de aluminio fundido y después de ser mecanizado (dcha.). (Fuente [1])

FUNDAMENTOS

Factores que se pueden considerar importantes en el proceso de fundición:

- Flujo del metal fundido en la cavidad del molde.

- Solidificación y enfriamiento del metal dentro del molde.

- Influencia del tipo de material del molde.

Solidificación de los metales

Durante la solidificación y enfriamiento del metal, en moldes a temperatura ambiente, ocurren una serie de eventos que influyen en el tamaño, forma, uniformidad y composición química de los granos formados durante la fundición, lo que influye en las propiedades generales del producto final. En la solidificación de los metales se debe considerar:

- Tipo de metal.

- Propiedades térmicas del metal y del molde.

- Relación geométrica entre el volumen y el área superficial de la fundición.

- Forma del molde.


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En metales puros: tienen el punto de fusión (o solidificación) bien definido (Fig. 2), el metal se solidifica a temperatura constante (Ej. Aluminio 660ºC, hierro 1537ºC, tungsteno 3410ºC). El metal fundido se enfría hasta llegar a su temperatura de solidificación, a continuación la temperatura permanece constante mientras se disipa el calor latente de fusión. Durante el proceso de solidificación parte del material se encuentra en estado líquido, pero la temperatura es constante hasta que se solidifica todo el material. Se genera un frente de solidificación (interfaz sólido-líquido) que se mueve desde las paredes del molde hacia el interior. Una vez que el metal se ha solidificado, se saca del molde y se deja enfriar a temperatura ambiente.

En la Figura 2a se muestra la estructura del grano en una fundición de un metal puro en molde cuadrado. En la zona próxima a las paredes del molde el metal se enfría con rapidez, reproduce una capa superficial solidificada (cáscara) de finos granos equiaxiales. Posteriormente, estos granos crecen en la dirección opuesta a la de la transferencia de calor a través del molde. Estos granos que tienen una dirección preferente se denominan granos columnares (Fig. 3). Al alejarnos de las paredes, la transferencia de calor disminuye y los granos pueden volverse equiaxiales y gruesos. Cerca de la pared del molde se produce una nucleación homogénea, los granos crecen sobre sí mismos. A partir de la pared del molde, algunos granos bloquean el crecimiento de otros granos con orientaciones sustancialmente diferentes (Fig. 3).

Figura 2. Temperatura vs tiempo en un proceso de solidificación de un metal puro (izq.). Diferentes estructuras de metales fundidos en molde cuadrado (dcha.): metal puro (a);

aleaciones de solución sólida (b) y estructura con agentes nucleantes (c). (Fuente [1])

Figura 3. Granos metálicos en las proximidades a las paredes del molde. (Fuente [1])

Zona columnar

Zona enfriamiento rápido

Molde

Enfriamiento del líquido

Inicio solidificación Fin solidificación

Enfriamiento del sólido

Sólido

Líquido +

Sólido

Líquido

Temperatura solidificación

Tiempo

Tem

per

atu

ra

Zona de enfriamiento rápido Zona columnar Zona equiaxial

Est

ruct

ura

equi

axia

l

a) b) c)


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En aleaciones: no presentan un punto de fusión bien definido, la solidificación comienza cuando la temperatura desciende por debajo de TL (liquidus) y finaliza cuando alcanza a TS (solidus). Entre ambas temperaturas, el metal se encuentra en estado pastoso o blando formando dendritas columnares (del griego dendron “parecido a” y drys “árbol”). Entre los brazos de las dendritas nos encontramos metal líquido (Figs. 4 y 5). Los fenómenos que suceden durante la zona pastosa (Fig. 4) son importantes en la solidificación. Esta zona se describe como la diferencia entre TL y TS y se denomina rango de solidificación o de congelamiento.

Los metales puros tienen un rango de solidificación próximo a cero, el frente de solidificación se mueve como un frente plano, sin formar la zona pastosa. En las aleaciones, se considera un rango de solidificación corto cuando es inferior a 50ºC y un rango de solidificación largo cuando es superior a 110ºC. Las fundiciones ferrosas suelen tener zonas pastosas estrechas, las aleaciones de aluminio y de magnesio tienen zonas amplias.

Efecto de la velocidad de enfriamiento: las velocidades bajas (102 K s-1) producen estructuras dendríticas gruesas, con grandes espacios entre los brazos de las dendritas. Para velocidades mayores (104 K s-1) la estructura resultante será más fina. Para velocidades aún mayores (106-108 K s-1) las estructuras que se desarrollan son amorfas. La estructura formada y el tamaño del grano afectan a las propiedades de las fundiciones.

Al disminuir el tamaño del grano: (i) aumenta la resistencia; (ii) aumenta la ductilidad; (iii) disminuye la microporosidad (huecos por la contracción de las dendritas); (iv) disminuye la tendencia al agrietamiento en caliente. La falta de uniformidad en el tamaño del grano y en su distribución da lugar a fundiciones con propiedades anisotrópicas.

Figura 4. Esquema de la solidificación de una aleación. (Fuente [1])

Otro criterio para definir la cinética de la interfaz sólido-líquido es la relación G/R, gradiente térmico [entre 102-103 K m-1] / velocidad [10-3-10-4 m s-1] a la que se mueve la interfaz. Las estructuras tipo dendrítico (Fig. 6a y b) se dan para G/R entre 105 (dendrítica orientada) -107 (dendrítica no orientada); las estructuras no dendríticas de frente plano se dan para G/R entre 1010-1012.

Metal puro % aleación

Tem

per

atu

ra

Sólido Líquido

Pastoso

Sólido Líquido

Dendritas


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Figura 5. Patrones de solidificación en hierro fundido (arriba) y aceros con diferente contenido en carbono (abajo) en molde de arena y metálico de enfriamiento rápido. (Fuente [1])

Figura 6. Estructuras fundidas: dendrítica columnar (a); dendrítica equiaxial (b); equiaxial no dendrítica (c). (Fuente [1])

Las estructuras formadas durante la solidificación son importantes en la fundición, pues de ellas dependen ciertas propiedades.

Microsegregación: si la aleación se enfría de forma lenta las dendritas tendrán una composición uniforme, pero esto no suele suceder. En condiciones normales (enfriamientos rápidos) se forman dendritas con composición no uniforme “dendritas con núcleo”. La composición superficial es diferente a la del núcleo (gradiente de concentración). En la superficie la concentración de la aleación es mayor, debido al rechazo del soluto desde el núcleo hacia el exterior de la dendrita durante el proceso de solidificación (se produce una migración de los elementos de aleación del núcleo a la superficie). En la figura 6, la zona oscura representa zonas con mayor concentración de aleantes.

Macrosegregación: implica diferencias de composición a lo largo de la propia fundición:

- Segregación normal: con frentes de solidificación planos, los elementos con puntos de fusión más bajos se desplazan al centro de la fundición (los elementos de aleación se concentran más en el interior).

- Segregación inversa: con estructuras dendríticas ocurre lo contrario, el centro de la fundición presenta menor concentración de aleantes. Esto se debe a que la fracción líquida (con mayor concentración de aleantes) entra en las cavidades que se forman al contraerse por solidificación los brazos de las dendritas.

- Segregación por gravedad: los elementos con mayor densidad descienden y los de menor densidad ascienden.

*Soluto: compuesto de menor concentración de una disolución.

Minutos tras el llenado del molde

Aceros al carbono 0.05-0.10% 0.25-0.30% 0.55-0.60%

Minutos tras el llenado del molde

Hierro fundido

Molde arena

Molde metal

Molde arena

Molde metal

Molde arena

Molde metal

Mol

de

Mol

de

Mol

de

Sól

ido

Sól

ido

Sól

ido

Líquido

Líquido

Líquido

a) b) c)


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Nucleación heterogénea: el uso de agentes nucleantes favorecen la formación de granos equiaxiales (Fig. 2c).

Convección: tiene gran importancia en las estructuras que se desarrollan, promueve la formación de una zona exterior de enfriamiento que refina el tamaño del grano y acelera la transmisión de granos columnares a equiaxiales:

- Aumentar la convección favorece la formación de granos equiaxiales, separando los brazos de las dendritas “multiplicación de las dendritas”.

- Disminuir la convección favorece la formación de granos dendríticos gruesos y largos.

Agitación o vibración mecánica: los brazos de las dendritas se pueden romper en las etapas iniciales de la solidificación, dando lugar a granos no dendríticos de tamaño más fino, equiaxiales, distribuidos con mayor uniformidad.

Se están estudiando los procesos de fundición en el espacio en condiciones sin gravedad, donde no existen diferencias significativas de densidad o gradientes térmicos.

Flujo del fluido en fundiciones: de vital importancia en fundiciones. Por ejemplo, en una fundición por gravedad (Fig. 7) el metal fundido se vierte por la copa de vaciado, fluye a través del sistema de alimentación (bebedero, canales y compuertas) hasta llenar la cavidad del molde. Las mazarotas son reservorios de material fundido para suministrar el metal necesario y evitar la porosidad debida a la contracción durante la solidificación.

Figura 7. Esquema de una fundición por gravedad. (Fuente [1])

En fundición es fundamental el diseño y control del proceso de solidificación para asegurar un adecuado flujo de material fundido dentro del molde. Así, un buen sistema de distribución debe evitar que ciertas impurezas (óxidos y otras inclusiones), que pueda haber en el metal fundido, lleguen a la cavidad del molde. Esto se puede evitar haciendo que queden adheridas a las paredes de los canales de distribución. El sistema de alimentación debe evitar enfriamientos prematuros, debe facilitar la salida de gases y minimizar la turbulencia.

Para el diseño del sistema de distribución se utilizan principalmente: (i) El Teorema de Bernoulli; (ii) La Ley de la Conservación de la Masa.

Mazarota

Mazarota

Fundición Compuerta

Bebedero

Copa de vaciado

Pozo Canal


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Fluidez del metal fundido: la capacidad que tiene el metal fundido de llenar todas las cavidades del molde depende de sus características y de los parámetros de la fundición. Las características del metal fundido que influyen en su fluidez son:

- Viscosidad, tensión superficial e inclusiones: cuanto mayor sean menor será la fluidez.

- Patrón de solidificación de la aleación: cuanto mayor sea el intervalo de solidificación (zona pastosa) menor será la fluidez.

En cuanto a los parámetros de fundición que afectan a la fluidez:

- Diseño del molde.

- Material del molde (características superficiales): a mayor rugosidad y a mayor conductividad térmica del molde, menor será la fluidez.

- Sobrecalentamiento: aumentar la temperatura por encima del punto de fusión del material aumenta la fluidez, a la vez que retrasa la solidificación.

- Velocidad de vaciado: a menor velocidad de vaciado, menor fluidez.

- Transferencia de calor.

En la siguiente figura se muestra un ejemplo de un ensayo de fluidez, se vierte el metal fundido en el dispositivo y se deja enfriar a temperatura ambiente, en función de la distancia que recorra se obtiene una medida de su fluidez.

Figura 8. Método de medida del Índice de Fluidez en molde espiral. (Fuente [1])

Capacidad de fundición (colabilidad): concepto que se utiliza para describir la facilidad de un metal para ser fundido y producir piezas de fundición con calidad (además de la fluidez del material, se consideran otros aspectos de la fundición).

Transferencia de calor: este es otro factor muy importante que debe considerarse durante el ciclo completo de fundición. El flujo de calor es un fenómeno complejo y depende de diversos factores (material fundido, tipo de molde, parámetros del proceso). Se debe conocer bien, por ejemplo, en fundiciones con paredes delgadas se debe establecer una velocidad adecuada, ni muy baja, lo que dará lugar a un enfriamiento prematuro, ni muy alta, lo que dará lugar a turbulencias indeseadas. El tiempo de solidificación t se puede determinar en función del volumen de la fundición V, su área superficial A, una constante C, que depende del material del molde, de las propiedades del metal a fundir y de la temperatura, y n que es un parámetro que vale entre 1 y 2:

n

A

VCt

(1)

Copa de vaciado

Bebedero

Medida del Índice de Fluidez


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Conociendo el tiempo de solidificación en un proceso de fundición nos permite estimar el grado de solidificación de una pieza en cada momento del proceso.

Figura 9. Ejemplo de solidificación de una fundición de acero en función del tiempo. (Fuente [1])

Contracción: de igual modo que los metales se dilatan al aumentar su temperatura, se contraen al solidificarse y al enfriarse. Esta contracción provoca cambios dimensionales en nuestras piezas de fundición, y a veces produce agrietamiento:

- El metal fundido se contrae al enfriarse antes de solidificarse.

- El metal se contrae al pasar de líquido a sólido.

- El metal ya sólido se contrae al enfriarse (en este punto es cuando mayor es la contracción).

Se debe tener en cuenta el porcentaje de contracción del metal con el que estemos trabajando (aluminio 7.1%, oro 5.5%, aceros al carbono 2.5-4%, hierro blanco 4-5.5, hierro gris 2.5).

Principales defectos en fundición:

- Proyecciones metálicas: aletas, rebabas, ampollas y superficies rugosas.

- Cavidades: cavidades redondeadas o rugosas, internas o externas.

- Discontinuidades: grietas o desgarres en frío o caliente. Suelen producirse si no se permite que el material se contraiga libremente.

Figura 10. Ejemplo de grietas en caliente. (Fuente [1])

- Punto frío (discontinuidad): interfaz en una fundición que no se funde totalmente al producirse el encuentro entre dos corrientes de fluido líquido (al utilizar más de una compuerta en el molde).

Fundición

Grieta en caliente

Grieta en caliente

Grieta en caliente

Copa de vaciado

Bebedero

Canal Fundición

Macho


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Figura 11. Ejemplos de defectos comunes en fundición. (Fuente [1])

- Superficie defectuosa: pliegues, traslapes, cicatrices, capas de arena adherida, óxido.

- Fundición incompleta: debido a la solidificación prematura, volumen insuficiente de material fundido, pérdidas de material. Puede deberse también a una temperatura muy baja del metal fundido o una velocidad de vaciado muy lenta.

- Dimensiones o formas incorrectas: por contracción del material, incorrecto montaje del molde, modelo incorrecto.

- Inclusiones: cuando se produce el filtrado de pequeñas partículas en el material fundido durante la fusión, al reaccionar el material con el medio ambiente (oxígeno), al reaccionar con el crisol o con el material del molde. También se pueden producir mediante reacciones químicas entre los componentes de la fundición, por la presencia de escoria en la materia prima u otros elementos extraños. También se puede producir por el astillado de las paredes del molde o de los machos (de ahí la importancia de la calidad del molde).

Porosidad: la porosidad influye negativamente en la ductilidad de la fundición, afecta a su acabado superficial, aumenta la permeabilidad de la fundición (afectando a la hermeticidad en el caso de recipientes producidos por fundición). Se puede producir por contracción y/o por los gases que se producen durante la fundición:

- Por contracción: las zonas delgadas se solidifican antes que las zonas gruesas. La porosidad se puede generar en la parte central de las partes más gruesas debido a la contracción del material al solidificarse. Microporosidad: debido a la contracción entre las dendritas y entre sus ramas. Para reducir este tipo de porosidad:

o Suministrar la cantidad adecuada de material fundido.

o Utilizar enfriadores, elementos que aumentan la velocidad de solidificación en zonas críticas. Se suelen fabricar con el mismo material de la fundición. Pueden dar problemas si estos no se funden de forma apropiada.

o En aleaciones, aumentando el gradiente de temperatura. Por ejemplo, utilizando materiales con una mayor conductividad térmica.

o Mediante prensado isostático en caliente (proceso de conformado por deformación plástica).

Superficie Cavidad exterior Cicatriz Ampolla

Costra

Capa de arena adherida o arrastre

Compuerta

Compuerta

Bebedero

Fundición incompleta

Punto frío

Compuertas


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Figura 12. Diferentes tipos de enfriadores. (Fuente [1])

- Por gases: el metal líquido tiene mayor solubilidad para los gases que el metal sólido, de modo que cuando se solidifica el metal comienza a expulsar gases. Los gases también pueden producirse al reaccionar el metal fundido con el material del molde. Estos gases se acumulan en zonas donde haya porosidad o pueden ocasionar microporosidad, se suelen dar en hierro, aluminio y cobre fundido. Para evitar estos gases se puede:

o Hacer un lavado o purga del metal fundido con gas inerte.

o Realizando el proceso de fundición en vacío.

MATERIALES PARA FUNDICIÓN

En trabajos de fundición podemos dividir los procesos según el material utilizado:

- Fundiciones no ferrosas.

- Fundiciones ferrosas.

FUNDICIONES NO FERROSAS

- Metal ligero: aleaciones con base de aluminio y base de magnesio.

o Aleaciones con base de aluminio: presentan una amplia gama de propiedades mecánicas, gracias al uso de diferentes tipos de aleaciones y a la posibilidad de aplicar tratamientos de endurecimiento y tratamientos térmicos. En general presentan: alta conductividad eléctrica, resistencia a la corrosión atmosférica, buena colabilidad y maquinabilidad y son ligeras, baja resistencia al desgaste y abrasión. Su aplicación es diversa: en arquitectura, decoración y en automóviles.

o Aleaciones con base de magnesio: son las aleaciones comerciales de densidad más baja. Presentan buena resistencia a la corrosión, resistencia ante esfuerzos moderada. Se usan para ruedas de automóviles, cubiertas y monobloques de motores con refrigeración por aire.

- Aleaciones con base de cobre: son costosas, tienen buena conductividad eléctrica y térmica, resistencia a la corrosión y ninguna toxicidad, resistencia al desgaste adecuada para materiales de soporte. Existe una gran variedad: latones, bronces de aluminio, de fósforo y de estaño.

- Aleaciones con base de zinc: bajo punto de fusión, excelente resistencia a la corrosión, buena fluidez y resistencia adecuada para aplicaciones estructurales.

Enfriadores internos

Enfriadores externos


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- Aleaciones con base de estaño: baja resistencia mecánica, pero buena resistencia a la corrosión. Se utilizan para superficies de cojinetes.

- Aleaciones con base de plomo: aplicaciones similares a las aleaciones con base de estaño, con el inconveniente de la toxicidad del plomo.

- Aleaciones de alta temperatura: amplia gama de propiedades, se requieren temperaturas de hasta 1650ºC para fundir el titanio y las superaleaciones o temperaturas aún más elevadas en el caso de aleaciones refractarias (Mo, Nb, W y Ta). Se utilizan para boquillas y componentes de motores de reacción y cohetes (métodos especiales de fundición).

FUNDICIONES FERROSAS

- Hierros fundidos: son los más numerosos y se pueden fundir formas complejas con cierta facilidad. En general presentan resistencia al desgaste, dureza y buena maquinabilidad. El término hierro fundido se refiere a una familia de aleaciones, que incluye:

o Hierro fundido gris: tienen pocas cavidades por contracción y poca porosidad. Existen tres tipos: ferrítico, perlítico y martensítico. Cada tipo tiene diferente estructura y, por tanto, diferentes propiedades. Se usan para monobloques de motores, alojamientos de motores eléctricos, tubos y superficies de desgaste para máquinas. Tienen buena capacidad de amortiguamiento, por lo que se suele usar para bancadas de máquinas-herramienta.

o Hierro dúctil (nodular): se utilizan para componentes de máquinas, carcasas, engranajes, tubos, rodillos (cilindros de laminación), cigüeñales de automóviles.

o Hierro fundido blanco: extrema dureza y resistencia al desgaste. Se usa sobretodo para cilindros de laminación, zapatas de frenos en ferrocarril y revestimientos en maquinaria para procesar materiales abrasivos.

o Hierro maleable: se usan principalmente para componentes ferroviarios y para herrajes, accesorios y componentes en aplicaciones eléctricas.

o Hierro de grafito compactado: con propiedades entre los hierros grises y los hierros dúctiles. Presenta capacidad de amortiguación y propiedades térmicas similares a las del hierro gris, y resistencia y rigidez comparables a las del hierro dúctil. Se pueden hacer piezas pequeñas y ligeras. Es fácil de fundir y de mecanizar.

- Aceros fundidos: presentan altas temperaturas de fundición (1650ºC), esto dificulta la selección de los materiales para los moldes, el acero reacciona con el oxígeno durante la fundición y el vaciado del metal. Sus propiedades son uniformes, se pueden soldar, aunque la soldadura afecta al metal base, modificando sus propiedades mecánicas. Requieren tratamientos térmicos posteriores para restaurar las propiedades de la fundición. Se utilizan para vías férreas, minería, plantas químicas, campos petroleros y construcción pesada.

- Aceros inoxidables fundidos: el proceso de la fundición implica dificultades similares a la de los aceros fundidos. Presentan altas temperaturas de fundición y rangos de solidificación amplios. Su estructura puede variar según su composición y los parámetros de la fundición. Algunos se pueden tratar térmicamente y soldar. Tienen alta resistencia al calor y a la corrosión, propiedades de interés para la industria química y alimentaria.

*Para más información sobre las propiedades y características de los materiales aquí descritos se recomienda la lectura de los capítulos 4 y 10 de la referencia [1].


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CLASIFICACIÓN

Figura 13. Clasificación de los procesos de fundición de metales.

3.2 El moldeo de fundiciones (METAL)

El desarrollo de las fundiciones ha seguido dos vertientes: (i) mecanización y automatización de los procesos; (ii) desarrollo de fundiciones de alta calidad, con tolerancias dimensionales pequeñas.

Los procesos de fundición los vamos a estudiar según la siguiente clasificación (Fig. 13):

- Moldes desechables: de arena, yeso, cerámica o similares mezclados con algún aglutinante que mejora sus propiedades (ejemplo, 90% arena, 7% arcilla, 3% agua). Son materiales refractarios, soportan elevadas temperaturas. Una vez solidificada la fundición, el molde se rompe para sacar la pieza fundida.

- Moldes permanentes: de metal resistente a las altas temperaturas. Son moldes de más de un uso, deben diseñarse para facilitar la extracción de la pieza fundida. Estos moldes tienen mayor capacidad de transferencia del calor que los moldes desechables, por lo que la velocidad de enfriamiento y de solidificación es mayor, lo que afecta a la microestructura y tamaño del grano.

- Moldes composites: compuestos por dos o más materiales (arena, grafito, metales), combinando las ventajas de cada material. Presentan una parte permanente y otra parte desechable.

Fundición de metales

Molde desechable Molde permanente Crecimiento de monocristales

Molde compuesto

En arena En cáscara De modelo desechable De yeso De cerámica De revestimiento

Hueca A presión Centrífuga Por dado impresor Semisólida

Monocristales para microelectrónica Álabes monocristalinos para turbinas De solidificación direccional


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Tabla 1. Características generales de los procesos de fundición. (Fuente [1])

Proceso Ventajas Inconvenientes

Arena Casi todos los metales. Sin límite de tamaño, forma o peso. Bajo coste de herramientas.

Necesita acabado posterior. Acabado superficial mejorable. Tolerancias grandes.

Cáscara Buena precisión dimensional. Buen acabado superficial. Alta capacidad de producción.

Tamaño limitado de piezas. Modelos y equipos costosos.

Modelo evaporativo Casi todos los metales. Sin límite de tamaño, forma o peso.

Modelos con baja resistencia. Puede ser costoso para bajas producciones.

Molde de yeso

Formas complejas. Buena precisión dimensional. Buen acabado superficial. Baja porosidad.

Limitado a metales no ferrosos. Tamaño limitado de las piezas. Volumen de producción limitado. Requiere tiempo de fabricación del molde.

Molde cerámico Formas complejas. Buena precisión dimensional. Buen acabado superficial.

Tamaño limitado de las piezas.

Revestimiento

Formas complejas. Excelente acabado superficial. Excelente precisión dimensional. Casi todos los metales.

Mano de obra costosa.

Molde permanente

Buen acabado superficial. Buena precisión dimensional. Baja porosidad. Alta capacidad de producción.

Alto coste del molde. Complejidad limitada de las piezas. No adecuada para altas temperaturas de fusión.

A presión en matriz Excelente acabado superficial. Excelente precisión dimensional. Alta capacidad de producción.

Alto coste de la matriz. Tamaño de piezas limitado. Generalmente para metales ferrosos. Bastante tiempo de producción.

Centrífuga Grandes piezas cilíndricas o tubulares de buena calidad. Alta capacidad de producción.

Equipo costoso. Piezas de formas limitadas.

MOLDES DESECHABLES

Fundición en arena

Método tradicional. Básicamente consiste en: (i) colocar el modelo en el molde y todos los conductos para el sistema de distribución del metal fundido; (ii) rellenar el molde con arena bien compactada; (iii) retirar el modelo; (iv) llenar la cavidad del molde con el metal fundido; (v) enfriado y solidificación de la fundición; (vi) abrir el molde y retirar la arena; (vii) mecanizar las partes fundidas correspondientes al sistema de distribución.

Tipos de arenas: la arena más utilizada es la arena de sílice (SiO2), es barata y con un elevado punto de fusión. La arena debe estar limpia y preferiblemente sin usar. Existen dos opciones:

- Arena aglutinada naturalmente o banco de arena. Como aglutinante se utiliza arcilla.

- Arena sintética o arena de lago. Como aglutinante se utilizan productos orgánicos e inorgánicos. Son más resistentes y se consigue mayor precisión dimensional. Su ventaja es que se puede controlar su composición.


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Figura 14. Esquema del proceso de fundición en moldes de arena. (Fuente [1])

Tipos de moldes de arena: en función del tipo de arena y de cómo sea la preparación de los moldes tenemos:

- Arena verde para moldeo (más económico): arcilla húmeda como aglutinante. Durante la fundición se genera vapor de agua. Es el método más sencillo y la arena se puede reciclar fácilmente.

- Secados o de superficie seca: los moldes se cuecen en hornos o al aire mediante sopletes antes de realizar la fundición (tiempo extra en el proceso). Son más resistentes, se consigue un mejor acabado. Como inconveniente presentan que son más elásticos, sensibles a las contracciones (la distorsión del molde es superior), de modo que la precisión dimensional de las piezas fundidas suele ser peor. Las fundiciones son más sensibles al desgarramiento.

- Procesos de curado en frío.

o Moldes de caja fría: se usan aglutinantes químicos orgánicos e inorgánicos, se consigue unir químicamente los granos de arena. No es necesario el secado en hornos. Son más resistentes, permiten una mayor precisión dimensional y calidad superficial. Son más caros.

o Molde no cocido: se utilizan resinas sintéticas líquidas y la mezcla se endurece a temperatura ambiente.

- Moldeado al CO2: los moldes y machos de arena se endurecen sin cocerlos. Se utiliza arena de sílice y silicato sódico como aglomerante, una vez preparado el molde se hace pasar una corriente de CO2 por el molde que produce gel de sílice, endureciendo el molde.

Principales componentes de un molde de fundición (Fig. 15):

- Caja: sirve de soporte para el molde. Pueden ser de dos piezas (molde superior e inferior) unidos en la línea de partición. En el caso de usar más piezas, al resto se les llama centros.

- Copa de vaciado o basín: por donde se vierte el metal fundido.

- Bebedero: por donde el metal fundido fluye hacia los canales de alimentación o distribución.

Modelo

Molde Arena

Fundir el metal

Vaciado en el

molde

Solidificación y

enfriamiento

Sacudido, retirar

mazarotas y sistema de

alimentación

Tratamiento térmico

Limpieza y acabado

Inspección

Horno Tratamiento térmico adicional

Defectos, hermeticidad a la presión, dimensiones

Fabricar el modelo Fabricar los machos o corazones Sistema de alimentación


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- Canales de alimentación: lleva el metal fundido hacia la cavidad del molde. La entrada a la cavidad del molde recibe el nombre de compuerta.

- Mazarotas: reservorios de metal fundido para compensar la contracción del metal durante la solidificación y asegurar el llenado completo de la cavidad del molde. Pueden ser ciegas o abiertas.

- Machos o corazones: insertos de arena que se colocan en la cavidad del molde para definir partes huecas en la pieza a obtener. También se puede utilizar en la cara exterior de la cavidad para obtener letras en la superficie de la pieza o cavidades exteriores.

- Respiraderos (vientos): para extraer los gases que se producen durante la fundición y dejar salir el aire de la cavidad del molde conforme la va llenando el metal fundido.

Figura 15. Componentes de un molde de arena. (Fuente [1])

Modelos: se utilizan para definir la forma de la pieza de fundición que se quiera obtener. Se utilizan para dar forma a la mezcla de arena del molde. Pueden ser de madera, metal o plástico (depende del tamaño y forma de la fundición, precisión dimensional, cantidad de fundiciones que se quieran realizar, tipo de proceso). Los modelos se suelen utilizar varias veces, de modo que su resistencia deberá ser función del número de repeticiones. Es importante su resistencia al desgaste, sobretodo en regiones críticas a la hora de retirar la arena. También se suelen utilizar agentes de separación que ayudan a extraer posteriormente la fundición del molde.

- Modelos de una pieza (sueltos o sólidos): formas simples y pocas repeticiones, suelen ser de madera, son económicos.

- Modelos divididos: suelen ser de dos piezas, permiten formas más complejas.

- Modelos de placa bipartidos: modelos de dos piezas, cada mitad ajusta con la forma de la caja del molde. El sistema de alimentación se puede montar sobre la placa superior (Fig. 20).

Los modelos deben diseñarse teniendo en cuenta la contracción del metal, deben facilitar la extracción del modelo del molde una vez tengamos la arena compactada (con ciertos ángulos de inclinación en las paredes paralelas a la dirección de extracción, evitando ángulos rectos…), deben facilitar el flujo del metal fundido durante el llenado…

Caja

Bebedero Arena

Línea de partición

Arena

Copa de vaciado

Respiradero

Mazarota abierta

Molde superior

Molde inferior

Corazón o macho (arena)

Cavidad del molde

Canal de alimentación

Pozo Compuerta

Mazarota ciega


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Figura 16. Modelo sin ángulo de salida (izq.) y con cierto ángulo de salida (dcha.). (Fuente [1])

Machos o corazones: se utilizan para fundiciones con cavidades internas, por ejemplo un bloque de motor. Se colocan en la cavidad del molde para evitar que la parte interior de esa cavidad sea ocupada por el metal fundido. Sus propiedades deben ser adecuadas para soportar las condiciones a las que se verán sometidas durante la fundición (presión, temperatura, permeabilidad). Se suelen hacer de arena y se fabrican en cajas de machos para su moldeado. Para colocar el macho en la cavidad del molde se pueden utilizar:

- Plantillas de corazones.

- Soportes de corazón (se utilizan cuando las plantillas de corazones no aportan la suficiente estabilidad al macho).

Figura 17. Macho fijado con plantillas (izq.) y con plantilla y soporte (dcha.). (Fuente [1])

Máquinas para moldeo de arena: el método más antiguo para la compactación de la arena es manual mediante martillado (apisonado) o compactando la arena alrededor del modelo. En la actualidad es más habitual utilizar máquinas de moldeo:

- Moldeo vertical sin caja: las mitades del modelo se colocan verticalmente, lanzando la arena y compactándola contra el modelo. Las mitades del molde se apilan horizontalmente, quedando la línea de partición en vertical. No es necesario el uso de cajas, tiene una alta capacidad de producción.

Figura 18. Moldeo vertical sin caja. (Fuente [1])

Caja Cavidad

Modelo

Apisonado Arena

Plantilla de corazones

Plantilla de corazones

Cavidad Cavidad Macho Macho Soporte

Molde


Caja

Arena

Modelo Ángulo de escape o salida

Superficie dañada


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- Lanzadores de arena: se llena el molde de arena de forma uniforme mediante una corriente de arena a alta presión. Para cajas grandes. Se utiliza algún tipo de máquina provista de aspas que lanza la arena a velocidades muy elevadas, que no solo distribuye la arena de forma uniforme sino que también la compacta (Fig. 19).

- Por presión: el apisonado de la arena se consigue aplicando presión por la parte superior del molde (Fig. 19).

- Sacudidas: se apisona la arena en las cajas mediante sacudidas de la mesa de la máquina (Fig. 19). Suelen estar accionadas mediante un sistema neumático. Son adecuadas para moldear piezas complicadas.

- Mixtas (sacudidas+presión).

Figura 19. De izquierda a derecha: lanzador de arena; apisonado por presión; moldeo por sacudidas: émbolo (1); cilindro (2); mesa (3); escape (4); entrada (5). (Fuente [1])

- Moldeo por impacto: la arena se compacta mediante explosión controlada o mediante la liberación de gases comprimidos.

- Moldeo de vacío (proceso V): (i) el modelo se cubre con una capa de plástico; (ii) se coloca en una mitad de la caja y se llena de arena seca sin aglutinante; (iii) se cubre la arena con una segunda capa de plástico; (iv) se aplica vacío y se compacta la arena. (v) Se hace el mismo procedimiento para las dos partes del modelo, así se obtiene la mitad inferior y superior de la caja de moldeo, que se unen. (vi) Durante el vaciado del metal el molde se mantiene al vacío, pero no la cavidad de la fundición. (vii) Cuando se solidifica la fundición, se desactiva el vacío y la arena cae, pudiendo retirar la fundición. Este tipo de moldeo consigue buena calidad superficial y precisión dimensional. Es adecuada para piezas grandes y relativamente lisas.

Operación de fundición en arena (para un modelo de dos piezas): se obtiene el modelo, se coloca cada pieza del modelo y los machos en su correspondiente caja (al modelo de la parte superior se incorporan los bebederos, sistema de distribución…), se añade la arena y se compacta, se unen las dos partes de la caja y se fijan bien (para soportar la presión que realizará el metal fundido), se vierte el metal fundido, esperamos a que se enfríe y solidifique la fundición, se sacude el molde (agitador o chorro de arena) y se retira la arena de la pieza de fundición.


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La pieza de fundición se puede limpiar mediante chorro de granalla de acero. La pieza de fundición tendrá unidas a ella las partes correspondientes al sistema de distribución, estas partes se deben quitar mediante mecanizado, mediante corte oxiacetilénico, mediante discos abrasivos… Las piezas también se pueden tratar mediante procesos electroquímicos o mediante decapado para eliminar el óxido superficial que puedan presentar.

También se le pueden realizar tratamientos térmicos u otras operaciones de acabado (mecanizado, enderezado, forjado…).

Figura 20. Secuencia de operaciones en fundición en arena. (Fuente [1])

Moldeo con grafito compactado

Se utiliza grafito compactado en lugar de arena. Se utiliza para metales que reaccionan con el sílice (titanio, zirconio). El procedimiento es similar a la fundición en arena, los moldes se secan al aire, se hornean a 175ºC, se calientan a 870ºC y se almacenan a humedad y temperatura controlada.

Plano pieza Placa molde superior

Placa molde inferior

Cajas de corazones

Corazones Caja superior Molde superior + arena y sin

modelo

Molde inferior Molde inferior + arena y sin

modelo

Molde inferior + corazón

Molde superior e inferior unidos

Pieza fundida Pieza terminada

Plantillas de corazones

Plantillas de corazones

Compuerta

Bebedero Mazarotas

Caja

Superior

Inferior

Cierre


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Moldeo en cáscara

Se consigue buena precisión dimensional y acabado superficial a bajo coste. Para piezas pequeñas que requieren mayor precisión:

(i) Se parte de un modelo (en metal ferroso o aluminio) que se calienta entre 175-370ºC.

(ii) Se recubre con un agente de separación (silicona).

(iii) Se fija en una caja o cámara con arena fina mezclada (2.5-4% de aglutinante de resina termoestable).

(iv) La caja se voltea o la mezcla de arena se sopla hacia el modelo, que queda recubierto de arena. Se puede controlar el espesor de la cáscara controlando el tiempo que el modelo está en contacto con la arena.

(v) Se hornea el modelo recubierto de arena para que se cure la resina.

(vi) La cáscara se endurece alrededor del modelo.

(vii) Se retira la cáscara utilizando pernos previamente colocados (se obtienen 2 mitades de cáscara).

(viii) Se unen ambas medias cáscaras para formar el molde.

(ix) A continuación el proceso es similar a la fundición en arena.

Figura 21. Secuencia de operaciones en moldeo en cáscara. (Fuente [1])

Ventajas: la arena de la cáscara tiene menos permeabilidad que la arena verde.

Inconvenientes: el aglutinante de la cáscara produce mayor cantidad de gases que hay que evacuar del molde durante la fundición.

Modelo en caja de volteo Giro de la caja Arena recubriendo

al modelo

Cáscara recubriendo al modelo

Cáscara en dos mitades

Colocamos el molde en arena y se vierte

el metal fundido

Caja de volteo

Modelo

Arena

Modelo

Arena Modelo

Arena

Cáscara

Exceso arena Adhesivo Abrazaderas

Arena

Cáscaras

Caja


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Fundición en molde de yeso

También se le conoce como fundición de precisión (gran precisión y acabado superficial).

(i) El molde se fabrica en blanco de Paris (yeso o sulfato de calcio), talco y harina de sílice; que se mezclan con agua.

(ii) La masa resultante se vierte sobre el modelo; se endurece el yeso (15 min. aprox.).

(iii) Se separa el molde del modelo (2 mitades de molde); se deja secar el molde a 120-260ºC para eliminar la humedad.

(iv) Se ensamblan las 2 mitades del molde, formando la cavidad para la fundición.

(v) Se precalientan a 120ºC.

(vi) Se vierte el metal fundido.

Ventajas: acabado superficial con detalles finos. La conductividad térmica del molde es baja, el enfriamiento de la fundición es lento, se produce una estructura de grano más uniforme.

Inconvenientes: los moldes de yeso tienen poca permeabilidad, el metal se puede verter en vacío o a presión. Existen métodos para aumentar la permeabilidad del molde. La temperatura que soporta el molde es de unos 1200ºC (apta para aluminio, magnesio, zinc y algunas aleaciones de cobre).

Modelos: suelen ser de aluminio, zinc o plásticos termoestables, los de madera no son adecuados para ser usados repetidas veces, ya que están en contacto con el yeso húmedo.

Fundición en molde cerámico


Similar al molde de yeso, en este caso el molde se realiza con materiales refractarios (soportan altas temperaturas), aptos para metales ferrosos y otras aleaciones de alta temperatura.

(i) El molde se fabrica con una mezcla de zirconio de grano fino (ZrSiO4), óxido de aluminio y sílice fundida, más agentes aglutinantes.

(ii) Esta mezcla se vierte sobre el modelo (madera o metal), colocado en una caja de moldeo.

(iii) Se produce el endurecimiento de la mezcla.

(iv) Se retira el molde (caras de cerámica).

(v) Se seca, se quema para eliminar partículas volátiles y se hornea.

(vi) Se sujetan con firmeza las partes del molde cerámico.

(vii) Se vierte el metal fundido.

Figura 22. Secuencia de operaciones con molde cerámico. (Fuente [1])

Recipiente

Lodo cerámico

Modelo

Caja

Molde en verde

Modelo

Placa

Caja Molde

Soplete


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Opcional: las caras cerámicas se pueden reforzar exteriormente con arcilla refractaria (proceso Shaw).

Ventajas: buena precisión dimensional y buen acabado superficial, apto para diferentes tamaños y formas de las piezas de fundición.

Inconveniente: costoso.

Fundición de modelo evaporativo (a la espuma perdida o molde lleno)

Se utilizan “modelos desechables”. Se debe producir un modelo y un molde para cada fundición. Se utiliza un modelo de poliestireno que se evapora al contacto con el metal fundido, formando la cavidad del molde conforme se vierte el metal fundido.

(i) Se colocan perlas o granza de poliestireno desechable (EPS) sin tratar, con un 5-8% de pentano (hidrocarburo volátil) en una matriz precalentada de aluminio (con el negativo de la pieza que se desea obtener).

(ii) Se aplica calor para fundir y unir las perlas o granza.

(iii) Se deja enfriar y se retira el modelo de poliestireno.

(iv) Se recubre el modelo con un lodo refractario (a base de agua).

(v) Se deja secar.

(vi) Se coloca el modelo en una caja de moldeo.

(vii) Se rellena la caja con arena fina suelta (rodea y soporta al modelo) y se compacta.

(viii) Se vierte el metal fundido que vaporiza al modelo y va ocupando el espacio que éste ocupaba (el modelo es degradado, los productos de la degradación pasan a la arena que lo rodea). La velocidad de vertido depende de la velocidad de degradación del modelo.

Figura 23. Fabricación de monobloques de motor mediante fundición a la espuma perdida. (Fuente [1])

Ventajas: proceso simple, no existen líneas de partición, uso de machos ni mazarotas. Alta flexibilidad de diseño. Las cajas de moldeo son económicas. El poliestireno es barato. Podemos producir modelos de formas complejas, tamaños diversos y detalles finos. Requiere pocas operaciones de acabado y limpieza. Se puede automatizar.

Inconvenientes: el modelo requiere mucha energía para degradarse, por lo que se genera un gradiente térmico importante, haciendo que el enfriamiento de la fundición sea muy rápido. Esto hace que la estructura de la fundición pueda llegar a presentar direcciones preferentes. El coste de la matriz para fabricar los modelos de poliestireno es elevado.


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Fundición por revestimiento (a la cera perdida)


(i) El modelo se fabrica con cera o plástico termoplástico mediante moldeo por inyección u otra técnica apropiada. Se pueden unir varios modelos formando un árbol.

(ii) Se sumerge o recubre el modelo con material refractario (por ejemplo, arena de sílice muy fina, aglutinantes, agua, silicato de etilo y ácidos).

(iii) Se deja secar.

(iv) Se vuelve a recubrir tantas veces se desee hasta conseguir el espesor adecuado (por ejemplo, con yeso). Para modelos delicados se pueden introducir en una caja de moldeo y recubrir con lodo líquido y dejar secar.

(v) Se deja secar el molde al aire.

(vi) Se calienta el molde a 90-175ºC.

(vii) Se invierte el molde para dejar salir la cera fundida (unas 12 horas).

(viii) Se calienta a 650-1050ºC durante cuatro horas (eliminar humedad y quemar posible cera residual).

(ix) Se vierte el metal fundido, se deja enfriar y se rompe el molde para obtener la pieza de fundición.

Figura 24. Secuencia de operaciones en fundición o moldeo a la cera perdida. (Fuente [1])

Ventajas: la cera se puede reutilizar. Permite realizar fundiciones de metales con alto punto de fusión, con buenos acabados superficiales y precisión dimensional, reduciendo la necesidad de realizar operaciones de acabado posteriores.

Inconvenientes: la cera es poco resistente y hay que manejarla con extremo cuidado. Costoso.

Molde para el modelo


Expulsión molde

Molde

Árbol Recubrimiento con lodo

Recubrimiento con yeso

Molde terminado

Extracción de la cera fundida

Horno autoclave

Calor Calor

Vaciado del metal

Metal fundido

Sacudido

Pieza fundición

Modelo inicial


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Figura 25. Fotografías durante un proceso de fabricación mediante moldeo a la cera perdida: (i) modelo en barro; (ii) pintado del molde con cera; (iii) modelo recubierto de cera; (iv)

montaje del árbol para la distribución del metal fundido; (v) molde con canales; (vi) y (vii) preparación de moldes para el llenado; (viii) preparación del molde con canales de

distribución; (ix) horno con cilindros cerámicos; (x) moldes llenos; (xi) extracción del crisol; (xii) limpieza de escorias del crisol. (Fuente [www.fademesa.com])

(i) (ii) (iii)

(iv) (v) (vi)

(vii) (viii) (ix)

(x) (xi) (xii)


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Fundición artística de Bronce mediante moldeo a la cera perdida:

Para la fabricación de esculturas en bronce (huecas) se utiliza esta misma técnica de moldeo a la cera perdida. La diferencia radica en que el modelo se fabrica de material refractario de forma artesanal, posteriormente el modelo se recubre de cera, se deja secar la cera, se recubre otra vez con material refractario (se utilizan pernos para fijar el material refractario interior con el del exterior), se invierte el molde y se calienta para extraer la cera y sigue el proceso de forma similar al explicado anteriormente.

Otra opción es hacer el modelo, obtener el molde con material refractario en dos mitades, recubrir las paredes internas del molde con cera, llenar el interior del molde con material refractario, cerrar el molde, calentar e invertir para extraer la cera y verter el metal fundido.

Figura 26. Fotografías durante un proceso de fabricación mediante moldeo a la cera perdida (cont.): (i) llenado del molde; (ii) fundición de lingotes con el material sobrante; (iii)

extracción de la pieza del molde; (iv) pieza antes de la limpieza con chorro de arena; (v) pieza después de la limpieza con chorro de arena; (vi) y (vii) esculturas terminadas. (Fuente

[www.fademesa.com])

(i) (ii) (iii) (iv)

(v) (vi) (vii)


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Figura 27. Fotografías durante un proceso de fundición artística de bronce: (i) modelo; (ii), (iii), (iv) y (v) moldes; (vi) llenado del molde; (vii) soldadura de piezas; (viii) acabado; (ix)

escultura en proceso de acabado; (x) escultura pintada y expuesta. (Fuente [www.fademesa.com])

(i) (ii)

(iii) (iv)

(v) (vi)

(vii) (viii)

(ix) (x)


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Fundición por revestimiento de cáscara cerámica

También se le conoce como fundición de precisión.

Es una variante de la fundición o moldeo a la cera perdida.

(i) Utiliza un modelo de cera o termoplástico.

(ii) Se sumerge en un gel de silicato de etilo.

(iii) Se sumerge en cama fluida de sílice de grano más grueso para integrar recubrimientos adicionales y obtener el espesor adecuado.

(iv) El resto del procedimiento es similar.

Ventajas: es económico, se utiliza para la fundición de precisión de aceros y aleaciones de alta temperatura.

Figura 28. Fundición por revestimiento de cáscara cerámica de un rotor: ensamble del modelo en cera (a); modelo con cáscara cerámica (b); modelo tras fundir la cera (c); rotor

fundido (d). (Fuente [1])

MOLDES PERMANENTES

Fundición en molde permanente

(i) Se fabrica un molde en dos mitades con materiales con alta resistencia a la erosión y a la fatiga térmica (hierro fundido, acero, latón…). El material del molde dependerá del punto de fusión del metal a fundir.

(ii) La cavidad del molde y el sistema de distribución del metal fundido se mecanizan en el propio molde, quedando todo integrado.

(iii) Se utilizan machos si se desean partes huecas en la pieza fundida (machos de arena aglutinada, yeso, grafito, hierro gris, acero al carbono…).

(iv) Para alargar la vida del molde se pueden recubrir las superficies de la cavidad con algún material refractario o rociarse con grafito. Estos recubrimientos ayudan a controlar la velocidad de enfriamiento.

(v) Puede ser necesario el uso de expulsores mecánicos que faciliten la expulsión de la pieza fundida del molde.

(vi) Se cierra el molde y se sujeta mecánicamente.

(vii) Se calientan a 150-200ºC para facilitar el flujo del metal fundido y reducir el daño térmico del molde.

a) b) c) d)


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(viii) Se vacía el metal fundido.

(ix) Se deja enfriar y solidificar. Se emplean sistemas de refrigeración (por aire o agua).

(x) Se abre el molde y se retira la pieza de fundición.

Ventajas: se puede automatizar. Buen acabado superficial y precisión dimensional. Se consiguen propiedades mecánicas buenas y uniformes. Presenta gran capacidad de producción.

Inconvenientes: alto coste de la matriz, no es económico para pequeños lotes ni para piezas con formas complejas.

Si se utilizan machos de arena para conseguir partes huecas Fundición de molde semipermanente.

Fundición de vacío

Se utiliza una mezcla de arena fina y uretano (curado mediante vapor de amina) para recubrir el molde o matriz metálica. Se deja una compuerta para dejar pasar el metal fundido. Todo el molde se sujeta a un brazo y se sumerge parcialmente en el metal que permanece fundido en un horno de inducción (se puede fundir al aire CLA o en vacío CLV). Se aplica vacío dentro del molde metálico lo que hace que el metal fundido se vaya introduciendo en la cavidad del molde.

Ventajas: se puede automatizar. Costes similares a la fundición en arena verde.

Figura 29. Fundición al vacío. (Fuente [1])

Fundición hueca

Se aplica el principio explicado en la figura 9. En una fundición primero se solidifica la capa superficial (en contacto con las paredes del molde) y posteriormente se va solidificando hacia el interior de la cavidad. Conociendo el tiempo de solidificación se pueden obtener fundiciones huecas de paredes delgadas si se detiene el proceso en el momento adecuado, por ejemplo invirtiendo el molde para dejar salir el metal fundido.

Fundición a presión

El metal fundido se fuerza a entrar en la cavidad del molde mediante gas a presión. El molde suele ser de grafito o metálico. La presión se mantiene hasta que el metal se ha solidificado por completo. También se puede obligar a entrar en el molde mediante aplicación de vacío. Este tipo de fundición se utiliza para producir piezas de alta calidad.

Vacío

Fundición

Metal fundido

Molde Compuerta


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Fundición a presión en matriz (se conoce como inyección de metales)

El coste de la matriz y del equipo es alto, pero los costes de mano de obra suelen ser bajos (suelen estar casi o totalmente automatizados). Es económica para grandes lotes.

El metal fundido se introduce en la cavidad del molde a una presión que va desde 0.7 a 700 MPa. Este proceso no es el mismo que el visto anteriormente de “Fundición a presión”.

Nos encontramos dos variantes o tipo de máquinas:

Proceso de cámara caliente: común para aleaciones de bajo punto de fusión (zinc, magnesio, estaño y plomo). Para zinc permite entre 200-300 inyecciones hora-1. Para componentes pequeños puede llegar a 18000 inyecciones hora-1.

(i) Utiliza un pistón que introduce cierto volumen de metal fundido en la cavidad de la matriz, a través de un cuello de ganso y una boquilla.

(ii) Presión media de 15 MPa, llegando hasta 35 MPa.

(iii) Se mantiene la presión hasta que se solidifica el metal.

(iv) Las matrices suelen refrigerarse mediante agua o aceite.

Figura 30. Fundición a presión en matriz de cámara caliente. (Fuente [1])

Proceso de cámara fría: el metal fundido se vuelca dentro del cilindro de inyección (cámara de inyección). Esta cámara no está caliente. Se utilizan presiones entre 20-70 MPa, pudiendo llegar a 150 MPa. Las máquinas pueden ser horizontales o verticales. Este método se suele utilizar para aleaciones de alto punto de fusión.

Figura 31. Matrices para fundición a presión en matriz. (Fuente [1])

Cilindro hidráulico

Barra del émbolo

Cuello de ganso

Émbolo

Metal fundido

Olla

Horno

Boquilla

Cavidad de la matriz

Matriz de expulsión

Matriz de cubierta


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Figura 32. Fundición a presión en matriz de cámara fría. (Fuente [1])

Fundición centrífuga

Fundición realmente centrífuga: se producen piezas cilíndricas huecas (tubos sin costura, cañones de armas, bujes, revestimientos para cilindros de motores…). El metal fundido se vierte en un molde giratorio. El eje de rotación suele ser horizontal, pudiendo ser vertical en piezas de poca longitud.

Los moldes se fabrican de grafito, acero o hierro, pudiendo estar recubiertos con algún material refractario. La superficie exterior puede tener formas diferentes, pero la superficie interior siempre será cilíndrica, ya que el metal fundido se distribuye por la fuerza centrífuga.

Las propiedades de la fundición no son uniformes, ya que las partículas de mayor densidad tienden a desplazarse hacia la superficie exterior del cilindro.

Figura 33. Esquema del proceso de fundición realmente centrífuga. (Fuente [1])

Fundición semi-centrífuga: se utiliza para fundir piezas con algún eje de simetría rotatorio (por ejemplo, una rueda de ferrocarril).

Centrifugado (o fundición centrífuga): el molde se coloca a cierta distancia del eje de giro, la fuerza centrífuga obliga al metal fundido, que se vuelca por el centro, a ocupar la cavidad del molde.

Metal fundido

Canaleta

Rodillos

Molde Molde

Rodillos

Cavidad Parte fija

Parte móvil

Mitad matriz móvil

Caja expulsora

Mitad matriz fija Cámara inyección

Émbolo

Sistema de cierre Caja expulsora

Matriz Manguito metálico

Cilindro de inyección

Orificio de vaciado Émbolo Barra del émbolo


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Figura 34. Esquema del proceso de fundición semi-centrífuga (izq.) y centrifugado (dcha.). (Fuente [1])

Fundición por dado impresor y formado de metales semisólidos

En estos procesos se combina la fundición con el forjado.

Fundición por dado impresor: se produce la solidificación del metal fundido a alta presión. Se utiliza una matriz, un punzón y un perno expulsor. Se aplica presión al material fundido que toma la forma de la matriz, esta alta presión hace que los gases queden atrapados en la solución, se produce un enfriamiento rápido, consiguiendo una estructura con buenas propiedades mecánicas.

Figura 35. Esquema del proceso de fundición por dado impresor. (Fuente [1])

Formado de metal semisólido: el metal (líquido + componentes sólidos) se introduce en una matriz y se agita. Al agitarlo se trituran las dendritas en sólidos finos, al enfriarse en la matriz se obtiene una estructura de grano fino. La aleación muestra un comportamiento tixotrópico (su viscosidad disminuye cuando se agita).

El procesado de materiales en estado pastoso ha dado lugar al desarrollo de procesos de extrusión, forjado y laminación de estado pastoso (trabajos de metales semisólidos).

Fundición en molde composite

Se utilizan moldes con dos o más materiales diferentes, se utilizan en moldeo en cáscara y otros procesos de fundición. Se usan para formas complejas, cuando se necesite alta resistencia del molde, buen acabado superficial y precisión dimensional.

3.3 El moldeo por inyección (METAL)

Ver proceso Fundición a presión en matriz, conocido como inyección de metales (apartado 3.2)

Matriz

Cavidad

Perno expulsor

Se funde el metal

Se vierte el metal

Cierre + presión

Expulsión

Pieza

Copa de vaciado y compuerta

Molde superior

Molde inferior

Cajas

Sistema de fijación

Pieza de fundición

Mesa giratoria

Molde Molde

Metal fundido


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3.4 El moldeo de materiales plásticos (POLÍMEROS)

POLÍMEROS

El término plástico suele emplearse para referirse a los polímeros. Este uso del término “plástico” puede dar lugar a confusión. Existe una gran variedad de tipos de polímeros que, según su composición, podrán tener un comportamiento plástico o elástico frente a un esfuerzo.

La palabra plástico proviene del griego “plástikos” que significa “capaz de ser moldeado y formado”.

Gracias a la gran variedad de polímeros, con diferentes propiedades, únicas y diversas, estos materiales han ido reemplazando a los materiales metálicos en muchas aplicaciones (componentes de automóviles, aeronaves, artículos deportivos…).

Algunas características generales de los polímeros son:

- Resistencia a la corrosión y a productos químicos.

- Baja conductividad térmica y eléctrica.

- Baja densidad.

- Alta relación Resistencia/Peso (sobretodo en plásticos reforzados).

- Buen comportamiento como aislante acústico.

- Gran variedad de colores y transparencias.

- Facilidad de manufactura.

- Posibilidad de diseño complejo.

- Coste relativamente bajo.

- Otras características que se deben tener en cuenta:

o Baja resistencia y rigidez.

o Alto coeficiente de expansión térmica.

o La máxima temperatura que soportan es baja (hasta 350ºC).

Los materiales plásticos se pueden formar, mecanizar, fundir y unir con relativa facilidad, suelen requerir muy pocas o ninguna operación de acabado, lo que supone una ventaja muy importante sobre los metales.

Los primeros polímeros se fabricaron con materiales orgánicos naturales. Por ejemplo, la celulosa se transforma en: (i) acetato de celulosa utilizado para fabricar películas fotográficas (celuloide); celofán; fibras textiles; (ii) nitrato de celulosa para plásticos y explosivos; (iii) rayón (fibra textil); (iv) barnices.

El primer polímero sintético fue un fenol formaldehído (termoestable) en 1906 denominado baquelita.

El desarrollo de la tecnología moderna relacionada con los plásticos se inicia a partir de 1920, cuando se obtuvieron las materias primas para fabricar polímeros del carbón y del petróleo. Por ejemplo, el etileno que es el principio básico para el polietileno.

Todos los polímeros comerciales (polipropileno, cloruro de polivinilo, polimetilmetacrilato, policarbonato…) se fabrican de manera similar y se les conoce como polímeros orgánicos sintéticos.


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Figura 36. Descripción de los procesos con polímeros. (Fuente [1])

Estructura de los polímeros

Las moléculas de los polímeros se caracterizan por su gran tamaño. Los polímeros son moléculas de cadena larga que se forman por polimerización (mediante enlaces covalentes y enlaces cruzados entre diferentes monómeros). Un monómero es el elemento básico de un polímero (muchos meros). La palabra mero, viene del griego (significa “parte”), representa la unidad más pequeña que se repite. La mayoría de los monómeros son orgánicos, en los que los átomos de carbono se unen mediante enlaces covalentes (compartiendo electrones) con otros átomos (hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, flúor, cloro, silicio y azufre).

Figura 37. Estructura molecular de Polietileno y Cloruro de Polivinilo (PVC).

Polimerización: proceso químico mediante el cual los monómeros se van uniendo y formando moléculas cada vez más largas:

- Polimerización por condensación: los polímeros se producen al formarse enlaces entre dos tipos de meros reactivos. Se condensan productos derivados de la reacción (como el agua).

- Polimerización por adición: no se condensan productos derivados de la reacción. Se le denomina “reacción en cadena” por la rapidez con la que se forman las moléculas.

Polietileno Cloruro de Polivinilo (PVC)

Monómero Monómero

Mero Polímero

Aditivos: Rellenos Plastificantes Estabilizadores Colorantes Lubricantes …

Calor, presión, catalizador

Polimerización Amorfo Parcialmente cristalino Lineal Ramificado Homopolímero Copolímero Terpolímero

Termoplásticos

Termoestables

Elastómeros

Enlace cruzado


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Grado de polimerización (DP): relación entre el peso molecular del polímero y el peso molecular de la unidad repetitiva. A mayor DP, mayor viscosidad y resistencia al flujo.

Tipo de enlaces:

- Enlaces primarios (covalentes): más fuertes.

- Enlaces secundarios (interacciones de Van der Waals, puentes de hidrógeno, iónicos): más débiles.

Según su estructura podemos encontrar:

- Polímeros lineales: se les denomina así a aquellos polímeros con estructura secuencial.

- Polímeros ramificados: presentan una cadena principal y cadenas secundarias que salen de ésta.

- Polímeros de enlace cruzado o entrelazados: presentan cadenas adyacentes unidas por enlaces covalentes. Se les denomina termoestables o termofijos.

- Polímeros en red: presentan redes espaciales tridimensionales con tres o más enlaces covalentes.

- Homopolímero: cuando todas las unidades repetitivas (meros) son de un mismo tipo.

- Copolímero: cuando se utilizan dos tipos de polímeros (ejemplo, estireno-butadieno).

- Terpolímeros: cuando se utilizan tres tipos de polímeros (ejemplo, ABS acrilonitrilo-butadieno-estireno).

Figura 38. Cadenas de polímeros. (Fuente [1])

Según cristalinidad tenemos:

- Amorfos: las cadenas poliméricas no siguen ningún patrón.

- Parcialmente cristalinos: el polímero presenta zonas con moléculas ordenadas según algún patrón y zonas amorfas.

- Nunca se llega al 100% cristalino. Se habla de Grados de cristalinidad:

o Cristal casi completo (Ej. 95% de cristalinidad para el polietileno).

o Polímeros ligeramente cristalizados (en su mayoría amorfo).

- En general al aumentar el grado de cristalinidad el polímero se vuelve más rígido, más duro, menos dúctil, más denso, menos flexible, más resistente al calor… También afecta a las propiedades ópticas, la reflexión de la luz en los límites entre las regiones amorfas y cristalinas provoca opacidad. Los polímeros totalmente amorfos pueden ser transparentes, como el policarbonato y los acrílicos.

Lineal

Ramificado

Enlaces cruzados

En red


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Figura 39. Región amorfa y cristalina. (Fuente [1])

Temperatura de transición vítrea: los polímeros amorfos no tienen un punto de fusión específico, pero sufren un cambio en su comportamiento mecánico en un intervalo de temperatura muy reducido. A bajas temperaturas son duros, rígidos, frágiles y vítreos; a altas temperaturas son gomosos o correosos. La temperatura a la que se produce dicho cambio de comportamiento se le conoce como temperatura de transición vítrea (Tg).

Mezcla de polímeros: el comportamiento frágil de los polímeros amorfos por debajo de Tg se puede reducir mezclándolos con pequeñas cantidades de elastómeros. El elastómero se dispersa por la estructura del polímero aumentando su tenacidad y su resistencia al impacto. A esta mezcla se lo conoce como polímero modificado con hule. Se ha avanzado mucho en la mezcla de diferentes polímeros, combinando las propiedades de unos y otros.

Termoplásticos

Los termoplásticos son aquellos polímeros con una estructura que presenta enlaces secundarios entre moléculas adyacentes, mucho más débiles que los enlaces principales (covalentes) que se forman entre los meros de una misma molécula. Los termoplásticos no presentan enlaces fuertes (covalentes) entre diferentes moléculas. La resistencia global de los termoplásticos vendrá en función del número de enlaces secundarios. Dentro de los termoplásticos podemos incluir polímeros con estructura lineal y ramificada.

Los termoplásticos se caracterizan por el siguiente comportamiento: por encima de la temperatura de transición vítrea Tg o del punto de fusión Tm se vuelven fáciles de moldear (el aumento de temperatura debilita los enlaces secundarios). Cuando el polímero se enfría vuelve a presentar su dureza y resistencia originales. Esto es importante desde el punto de vista de la fabricación de los termoplásticos, ya que este comportamiento se puede repetir, lo que permite su reciclado. Algunos termoplásticos son los acrílicos, celulósicos, nailon, polietilenos y el cloruro de vinilo. Los termoplásticos, dependiendo de su estructura y composición, pueden presentar diferentes comportamientos.

Región amorfa

Región cristalina


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Figura 40. Comportamiento de diferentes plásticos. Termoestables (melamina, fenólico) y termoplásticos (ABS o acrilonitrilo-butadieno-estireno, nailon, polietileno y PTFE o

politetrafluoroetileno o teflón). (Fuente [1])

Algunas propiedades de los termoplásticos:

- Efectos de la temperatura: por encima de Tg se vuelve correoso, si aumentamos la temperatura se vuelve gomoso (comportamiento similar al hule), si sigue aumentando la temperatura se vuelve un fluido viscoso (fundibles).

- Pueden sufrir grandes deformaciones uniformes antes de la rotura (fácil conformado).

- Orientación: cuando se deforma un termoplástico sus moléculas largas tienden a orientarse en la dirección de la elongación. El material se vuelve anisotrópico.

- Absorción de agua: algunos polímeros (como el nailon) pueden absorber agua, lubricando las cadenas de las regiones amorfas.

- Baja conductividad térmica y eléctrica.

- Reutilizables.

Termoestables

Cuando existen enlaces covalentes (fuertes) entre diferentes moléculas (polímeros de enlace cruzado o entrelazados y polímeros en red). Durante la polimerización la red se completa y su forma se fija de forma permanente. Esta reacción de curado (enlace cruzado) es irreversible. Lo que dificulta o hace imposible su reciclado.

El proceso de polimerización suele producirse en dos etapas:

- Primero (en la planta química): las moléculas se polimerizan parcialmente en cadenas lineales.

- Segundo (en la planta de producción): se completa el enlace cruzado (curado) bajo calor y presión durante el moldeo y formado de las piezas.

Los termoestables no tienen una temperatura Tg. La resistencia y dureza de los plásticos termoestables no se ven afectadas por la temperatura o por la velocidad de deformación (incluso a más temperatura más fuertes son los enlaces). Si se aumenta la temperatura lo suficiente empiezan a quemarse, degradarse y carbonizarse. En general poseen mejores propiedades

Deformación

Esf

uerz

o

Rígido y frágil (melamina, fenólico)

Tenaz y dúctil (ABS, nailon)

Suave y flexible (polietileno, PTFE)


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(mecánicas, térmicas, químicas, resistencia a la electricidad, estabilidad dimensional) que los termoplásticos. En general:

- Duros y frágiles.

- No fundibles.

- Difícil conformado.

- Difícil reutilizar.

*Propiedades y aplicaciones de los termoplásticos y termoestables, para más información se recomienda la lectura del capítulo 7 de la Fuente [1] y el capítulo 13 de la Fuente [2].

Aditivos

Se utilizan para mejorar o modificar las propiedades de los polímeros:

- Plastificantes: aportan flexibilidad y suavidad, disminuyen la temperatura de transición vítrea Tg. Reducen los enlaces secundarios, haciendo al polímero más flexible. Se utilizan en PVC, láminas delgadas, películas, tubos…

- Protectores frente a la radiación ultravioleta: esta radiación debilita y rompe los enlaces primarios. Un protector es el hollín (negro de humo) que absorbe un alto porcentaje de la radiación ultravioleta.

- Antioxidantes y recubrimientos: confiere protección ante la oxidación.

- Rellenos: se utilizan para reducir el coste del plástico “cargas” y, dependiendo del tipo, pueden mejorar sus propiedades “refuerzos” (resistencia, dureza, tenacidad, resistencia a la abrasión, estabilidad dimensional o rigidez). Algunos rellenos son: polvo de madera, harina de sílice, arcilla, talco, carbonato de calcio, fibras cortas de celulosa, vidrio…

- Colorantes: orgánicos o inorgánicos.

- Retardantes a la combustión: la inflamabilidad de los polímeros depende de su composición (sobretodo en función de su contenido de cloro y flúor). Se puede reducir la inflamabilidad mediante el uso de materias primas menos inflamables o mediante el uso de retardantes a la combustión (como el cloro, bromo y fósforo). La formación de enlaces cruzados (enlaces covalentes entre cadenas) también reduce la inflamabilidad.

- Lubricantes: para reducir la fricción durante la fabricación de piezas (aceite de linaza, aceite mineral y ceras).

- Espumantes: permiten obtener materiales ligeros, con buenas propiedades aislantes o con gran capacidad para absorber impactos.

Elastómeros (elástico + mero)

Son polímeros amorfos con baja temperatura de transición vítrea Tg. Se caracterizan por su capacidad de sufrir grandes deformaciones elásticas sin romperse, son suaves y tienen módulos elásticos bajos.

Su estructura es muy rugosa (rizada) de modo que se puede estirar y retornar a su forma original tras cesar la carga.

También se pueden enlazar transversalmente, como por ejemplo mediante la vulcanización del hule con azufre a elevadas temperaturas. Una vez que el elastómero se enlaza transversalmente no


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se pude volver a modificar su forma. Por ejemplo, un neumático, que es una molécula gigante, no se puede reblandecer y darle una nueva forma). En general:

- Presentan pocos enlaces entre cadenas.

- No son fundibles ni solubles.

- Difícil conformado (la temperatura de conformado suele ser superior a la temperatura de ignición).

- Difícil de reutilizar.

El término elastómero y hule se utilizan de modo indistinto.

La dureza de los elastómeros aumenta con el número de enlaces entrecruzados. Se pueden añadir aditivos para modificar sus propiedades. Se utilizan para superficies antideslizantes, con elevada fricción, protección contra la corrosión y la abrasión, aislamiento térmico, contra impactos y vibraciones.

Al aplicar una carga a un elastómero, parte de la energía mecánica se libera en forma de calor, se produce una pérdida de histéresis en el alargamiento. Esta propiedad es la que permite utilizar este tipo de plásticos como materiales aislantes frente a ruidos y vibraciones.

Histéresis (RAE): Fenómeno por el que el estado de un material depende de su historia previa. Se manifiesta por el retraso del efecto sobre la causa que lo produce.

Figura 41. Curva carga vs elongación típica para hules. (Fuente [1])

Tipos de Hules:

- Hule natural: en base al látex (savia de un árbol tropical). Tiene buena resistencia a la abrasión, a la fatiga, elevada fricción, pero baja resistencia al aceite, al calor, al ozono y a la radiación solar.

- Hule sintético: como el butilo, estireno butadieno, polibutadieno y el etileno propileno. En comparación con los naturales: se mejora la resistencia al calor, a la gasolina y productos químicos y tienen un rango de temperatura útil mayor. Pueden ser resistentes al aceite, como el neopreno.

- Siliconas: son los que tienen una temperatura útil mayor (315ºC), aunque otras propiedades (resistencia mecánica, al desgaste y a los aceites) son inferiores al resto de elastómeros.

- Poliuretano: en general tiene buenas propiedades (resistencia, rigidez, dureza, resistencia a la abrasión, al corte y al desgarro).

Elongación

Car

ga Aplicación de

carga

Recuperación


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Figura 42. Símbolo de reciclado en plásticos.

Plásticos biodegradables

La mayoría de plásticos se fabrican con derivados de recursos naturales no renovables, no son biodegradables y son difíciles de reciclar.

Los plásticos biodegradables se pueden considerar materiales compuestos, ya que sólo una parte de ellos es realmente biodegradable. Actualmente se consideran tres tipos de plásticos biodegradables:

- Sistema basado en almidones: se obtiene polvo de almidón de patata, trigo, arroz y maíz, se caliente y se transforma en un líquido pegajoso, posteriormente se enfría y se le da forma de gránulos, que se utilizan como materia prima para la fabricación de plásticos. Por ejemplo, las bolsas biodegradables de basura se producen con polietileno y almidón.

- Sistema con base láctea: a partir de la polimerización de ácido láctico se obtiene una resina poliéster. De uso en aplicaciones médicas y farmacéuticas.

- Fermentación de azúcar: se obtiene un polímero muy cristalino y rígido.

Reciclado de plásticos: los termoplásticos se pueden reciclar, refundiéndolos y volviéndolos a utilizar como materia prima en nuevos procesos de fabricación de plásticos. El símbolo de reciclado que se puede observar en los envases de plástico presenta un número que indica el tipo de plástico utilizado:

1. PETE o PET (polietileno).

2. HDPE (polietileno de alta densidad).

3. PVC (cloruro de polivinilo).

4. LDPE (polietileno de baja densidad).

5. PP (polipropileno).

6. PS (poliestireno).

7. Otros

Según la Ley de envases y residuos de envases y embalajes tenemos:

- Reutilización: operación en la que un envase, diseñado para tener más de un uso durante su ciclo de vida, es rellenado o reutilizado con el mismo fin para el que fue diseñado.

- Reciclado: transformación de los residuos de envases dentro un proceso de producción, para su fin inicial o para otros fines, incluido el compostaje y la biometanización, pero no la recuperación de energía. Se consideran dos tipos de reciclado:

o Reaprovechamiento químico: realizar tratamientos químicos que permitan obtener los monómeros para un nuevo uso.

o Reciclado mecánico: principalmente se trata del triturado mecánico de resto de materiales, piezas defectuosas. Primero se deben separar los diferentes tipos de plásticos que haya en el material a reciclar, luego se trocean. En el caso de termoplásticos se pueden utilizar como materia prima de nuevos procesos, en el caso de termoestables se pueden utilizar como relleno en nuevos procesos.

- Valorización: cualquier procedimiento que permita aprovechar los recursos contenidos en los residuos de envases (incineración para recuperar energía).


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OBTENCIÓN DE GRÁNULOS Y PELLETS

Formato de presentación del polímero (materia prima):

- Líquido: fundido, latex -dispersión-, disolución.

- Sólido: granza o pellets (pequeños cilindros. Ej. la mayoría de termoplásticos para extrusión y moldeado); gránulos; polvo; pasta; partículas porosas para fácil disolución.

Equipos para la dosificación de polímeros:

- Equipos Gravimétricos: la dosificación del polímero se realiza mediante la acción de la gravedad.

- Equipos Vibratorios: se transporta el material desde el silo de almacenaje hasta la tolva del equipo mediante vibraciones producidas por medios mecánicos o eléctricos.

- Equipos Volumétricos: se dosifica un volumen conocido de materia prima.

Equipos para el mezclado de los diferentes componentes (polímeros, aditivos…):

- Mezclado en frío: a temperatura ambiente:

o Molinos de bolas: para dispersiones muy finas de colorantes en polvo.

o De caída libre: proporcionan un reparto uniforme de los componentes.

o Tambores giratorios y tambores estáticos: con paletas giratorias en el interior que actúan como agitadores. Son indicados para sustancias con tamaño de grano diferente.

- Mezclado en caliente: la mezcla se calienta hasta la temperatura a la que se funden los aditivos o el polímero, de forma que uno recubra a otro:

o Con sistema de agitación (similar a los tambores giratorios y estáticos).

o De husillos: se hacen pasar los aditivos y el polímero sobre dos husillos calientes que giran en sentido contrario. El polímero pasa a estado pastoso por el calor y “atrapa” los aditivos. Se emplea principalmente cuando los aditivos son de refuerzo o de carga.

Figura 43. Diferentes tipos de mezcladores. (Fuente [2])

Equipos para el granulado de polímeros: granulado en caliente con extrusora y granulado en serie (ver Fig. 51).

Mezclador de caída libre Mezclador combinado en frío y caliente Mezclador en de husillos

Llenado

Vaciado

Motor

Husillos

Polímeros Aditivos

Agitador Mezclador en caliente

Control de nivel

Descarga

Agitador

Mezclador frío

Descarga


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FORMADO Y MOLDEO DE PLÁSTICOS

Los plásticos termoplásticos se funden y los termoestables se curan a temperaturas relativamente bajas.

Tabla 2. Características generales de los procesos de fabricación de materiales plásticos y composites.

Proceso Características

Extrusión

Secciones transversales continuas (sólidas, huecas o complejas). Alta capacidad de producción. Coste de equipos relativamente bajo. Tolerancia dimensional amplia.


Formas complejas de diversos tamaños. Paredes delgadas. Capacidad de producción muy alta. Coste de equipos alto. Buena tolerancia dimensional.

Moldeo de espuma estructural

Piezas grandes (alta relación rigidez/peso). Coste de equipos inferior al moldeo por inyección. Capacidad de producción baja.

Moldeo por soplado Piezas huecas de paredes delgadas. Alta capacidad de producción. Coste de equipos relativamente bajo.

Rotomoldeo Piezas grandes, huecas, con formas sencillas. Capacidad de producción baja. Coste de equipos relativamente bajo.

Termoformado Cavidades huecas o profundas. Capacidad de producción media. Coste de equipos bajo.


Piezas similares a las obtenidas por forjado con matriz de impresión. Capacidad de producción media. Coste de equipos alto.

Moldeo por transferencia

Piezas más complejas que con moldeo por compresión. Capacidad de producción alta. Coste de equipos alto. Genera cierta cantidad de desperdicios.

Fundición (colado) Formas simples y complejas en moldes rígidos o flexibles de bajo coste. Capacidad de producción baja.

Procesamiento de materiales composites

Ciclos largos. Operaciones costosas. Coste de equipos alto (depende del proceso).


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Figura 44. Esquema de los procesos de fabricación de materiales plásticos, elastómeros y composites. TP, termoplásticos; TS, termoestables; E, elastómeros. (Fuente [1])

Extrusión (TP, E)

La materia prima (pellets, gránulos o polvo) se introducen en una tolva que alimenta a un cilindro o barril donde se encuentra el extrusor de tornillo sinfín (husillo). El husillo mezcla, comprime, funde y transporta la mezcla hacia el dado o matriz extrusora. En el husillo se diferencian tres zonas:

- Zona de alimentación: transporta el material desde la tolva hacia la zona central del cilindro (sección del tornillo pequeña).

- Zona de fusión (sección de compresión o transición): el calor generado por la fricción, compresión (aumenta la sección del tornillo) y por el uso de calentadores externos, hace que comience la fusión del material.

- Zona de bombeo (zona de dosificación): sigue aumentando la sección del tornillo, aumentando la presión y la temperatura. Aumenta la presión por la acción de la matriz.

Las longitudes de las secciones varían según el material. La función de la malla de alambre, ubicada antes de la matriz, es filtrar las partículas no fundidas y aplicar una contrapresión en el cilindro. Tras la malla de alambre se coloca una placa rompedora con orificios pequeños que ayuda a mejorar la mezcla del polímero. El producto atraviesa la matriz, adquiriendo su forma, posteriormente se enfría mediante soplado de aire o pasando por un canal lleno de agua.

Gránulos, pellets o polvos

Líquido, pasta Moldeo por

reacción-inyección

Estereolitografía

Fibras

Productos Extruidos

Extrusión


Rotomoldeo

Moldeo espuma estructural


Moldeo de transferencia

Fundición, moldeo de espuma

Hoja de fibra reforzada

Hoja laminada

Devanado de filamentos

Pultrusión

Formado de bolsa al vacío, formado

de bolsa a presión, arreglo manual, arreglo

por rocío

Termoformado Hoja

Tubo

Moldeo por soplado

Película soplada


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Figura 45. Esquema de un equipo de extrusión. (Fuente [1])

En la figura se muestra una extrusora de husillo simple, también podemos encontrar equipos de extrusión con husillos gemelos (dos husillos) y tornillos múltiples para polímeros difíciles de extruir. Por lo general, los equipos de extrusión se clasifican en función de la relación L/D (Longitud/Diámetro del cilindro). Según la geometría de la matriz se pueden obtener diferentes productos (láminas, perfiles redondos, tubos, perfiles con formas complejas…).

A continuación se describen brevemente diferentes procesos de extrusión:

- Extrusión de tubos y tuberías de plástico: se producen con una matriz de araña o de pínola o de portamandril. También con matrices especiales se puede añadir fibra tejida o de alambre para reforzar los tubos. La extrusión de tubos es el primer paso para el moldeo de extrusión por soplado y extrusión de película soplada. Otra modificación de este tipo de matrices es la utilizada para la extrusión de malla plástica (Fig. 48).

- Tubería de plástico rígido: para aumentar la rigidez de las tuberías extruídas, la matriz gira durante la extrusión para producir el cizallamiento del polímero y conseguir que se oriente biaxialmente. También se puede incorporar canales helicoidales en la matriz para producir un efecto similar.

Figura 46. Matriz para la extrusión de tubos. (Fuente [1])

- Coextrusión: se trata de la extrusión simultánea de dos o más polímeros a través de una matriz simple. De este modo se consigue que la sección transversal de nuestro polímero esté compuesta por diferentes polímeros con diferentes propiedades. Parisón: es el nombre que recibe el perfil extruído, que posteriormente se puede utilizar en otros procesos, como por ejemplo en el moldeo de extrusión por soplado.

Placa rompedora

Polímero fundido Barril extrusor

Malla de alambre

Flujo del polímero

Mandril Canal de aire

Aire

Piernas de araña

Piernas de araña

Sección A-A

Sección B-B

Tolva Revestimiento del barril Calentador/enfriador

Termopares

Malla de alambre

Termopar

Placa rompedora

Adaptador Matriz

Husillo

Garganta

Barril Rodamiento

Canal de refrigeración

Caja reductora

Motor

Alimentación Compresión

Dosificación


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Figura 47. Coextrusión para producir botellas mediante moldeo por soplado (izq.) (Fuente [1]). Extrusión de cable con recubrimiento plástico (dcha.). (Fuente [2])

- Cable eléctrico con recubrimiento plástico: el cable eléctrico se puede recubrir mediante un proceso similar a la extrusión de tubos. El alambre se alimenta por el interior de la apertura de la matriz a velocidad controlada a la vez que se extruye el polímero que quedará como recubrimiento. De este modo se puede fabricar por ejemplo los “clips” con los que se sujetan los folios de papel.

Figura 48. Extrusión de malla plástica.

- Extrusión de láminas (espesor > 0.5 mm) y películas (espesor < 0.5 mm): se pueden producir haciendo pasar el polímero por una matriz de cola de pez que distribuye uniformemente el polímero en todo el ancho de la matriz. Tras pasar el polímero por la matriz se suele hacer pasar por unos rodillos enfriados por agua y luego por un par de rodillos de extracción recubiertos de hule.

Figura 49. Matriz de cola de pez. (Fuente [1])

Entrada de polímero fundido

Placa extremo

Distribución del polímero

Barra calibradora

Labios

Sellado del extremo

Distribución del polímero

Termopar

Labio fijo Labio ajustable

Tornillo de ajuste

Extrusor 1

Extrusor 2 Mandril

Plástico: dos o más capas

Parisón

Alambre revestido

Alambre

Extrusor


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- Películas delgadas de polímero (soplado) (TP): la película de plástico se produce a partir de un tubo de pared delgada que se obtiene mediante extrusión. (i) Se extruye de modo continuo un tubo vertical hacia arriba; (ii) se expande en forma de globo soplando aire por el centro del extrusor hasta que se alcanza el espesor deseado; (iii) el globo se suele enfriar mediante un anillo de enfriamiento que se coloca por el exterior del globo, que también sirve como barrera física; (iv) se hace pasar el tubo por una serie de rodillos; (v) se enrolla en un rodillo final (el tubo se puede cortar transversalmente por sus dos extremos para obtener dos láminas independientes o se puede dejar sin cortar). El proceso de hacer pasar la lámina por una serie de rodillos recibe también el nombre de calandrado.

Figura 50. Esquema del proceso de producción de película soplada. (Fuente [1])

- Película de plástico: otra forma de producir película de plástico es mediante rasurado, con navajas especiales, de la circunferencia de una palanquilla de plástico redonda, obtenida previamente mediante extrusión. Se suele utilizar este método para el Teflón, PTFE o politetrafluoroetileno.

- Pellets: materia prima en procesos de fabricación de plásticos. Estos pellets se obtienen mediante extrusión de barras sólidas de pequeño diámetro que posteriormente se cortan.

Figura 51. Granulado en caliente con extrusora (izq.) y granulado en serie (dcha.). (Fuente [2])

Extrusora Agua Cuchillas giratorias

Matriz Agua+granulado

Rodillos de presión

Rodillos guía

Rodillos de apriete

Extrusor Mandril

Matriz

Aire


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- Algunos tipos de matrices:

o Boquilla de hilera plana: para la fabricación de láminas planas y planchas.

o Boquilla en cola de pez.

o De generación de perfiles sólidos: de sección circular, cuadrada, poligonal… sin huecos en su interior.

o De generación de perfiles abiertos: aquellos que nunca dejan encerrados en su interior un área cerrada.

o De pínola o portamandril simétrico: para la fabricación de tubos (matriz de araña).

o De repartidor helicoidal (en matrices de pínola o de araña): se consigue que las líneas de flujo del polímero evolucionen de forma helicoidal, de este modo el polímero se mezcla mejor.

o De generación de perfiles huecos asimétricos.

Extrusión de fibras de polímeros para refuerzo (Torcido)

Las fibras sintéticas que se utilizan en plásticos reforzados sueles obtenerse mediante extrusión de polímeros a través de pequeños orificios en lo que se denomina Cabeza de hilar (con 1 o varios cientos de agujeros), formando filamentos continuos de polímero semisólido. Se pueden extruir tanto termoplásticos como termoestables, la diferencia es que el termoestable se debe tratar químicamente antes para que se pueda extruir.

Los filamentos salen de la cabeza de hilar en estado gomoso, se enfrían y se solidifican. Tenemos cuatro métodos de obtención de fibras:

- Torcido fundido: el polímero se extruye y se hace pasar por una cabeza de hilar; se enfría mediante un chorro de aire frío; se hace pasar por una serie de bobinas que van reduciendo su diámetro hasta el valor deseado; se pasa por la sección de estirado para lograr que las fibras del polímero se dispongan longitudinalmente; y, finalmente se trenzan y devanan (obteniendo la bobina final).

- Torcido en húmedo: se utiliza para polímeros que se disuelven en algún solvente. Las cabezas de hilar se sumergen en un baño químico, de forma que cuando emergen los filamentos se precipitan en el baño químico, produciendo así la fibra de polímero que posteriormente se enrolla o teje en una bobina.

- Torcido en seco: se utiliza para termoestables transportados por un solvente. En este caso la precipitación del polímero se hace evaporando el solvente en una corriente de aire o gas inerte.

- Torcido en gel: para fibras de alta resistencia o especiales.


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Figura 52. Esquema del proceso de torcido fundido. (Fuente [1])

Moldeo por inyección (TP, TS, E)

En este tipo de moldeo: (i) la materia prima (gránulos o granza y pellets) llega a una tolva que alimenta a un cilindro caliente; (ii) el polímero fundido es forzado a entrar dentro de un molde mediante un émbolo hidráulico o mediante un husillo giratorio (tornillo sinfín) similar al visto en el moldeo por extrusión, pero con la capacidad de desplazarse longitudinalmente. El cilindro también está equipado con un sistema de calentamiento.

Mediante moldeo por inyección se puede trabajar con termoplásticos, termoestables y elastómeros. Aunque predomina el moldeo por inyección de termoplásticos, al ser un proceso más sencillo (no es necesario el curado del polímero).

Figura 53. Moldeo por inyección con émbolo (izq.) y con husillo giratorio (dcha.). (Fuente [1])

Tolva Gránulos

Pistón Cilindro

Cámara de inyección Torpedo

separador Bebedero

Polímero fundido Respiradero

Moldeo Boquilla Zona

calentamiento

Respiradero

Pernos o agujas eyectoras

Fuerza de cierre

Tornillo giratorio y alternativo

Polímero

Tolva

Extrusor

Cabezada Hilar

Aire frío

Bobina

Estirado

Trenzado y devanado


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La secuencia en el moldeo por inyección sería la siguiente:

(i) Se acumula el polímero en la zona anterior al bebedero; la presión empuja al husillo hacia atrás; cuando se acumula la cantidad suficiente de polímero se detiene la rotación del husillo.

(ii) El husillo avanza gracias al empuje de un cilindro hidráulico; llenando la cavidad del molde; se aplica presión remanente hasta que el polímero se enfría y solidifica dentro del molde. El husillo comienza a girar para empezar a acumular una nueva dosis.

(iii) Una vez el polímero se ha enfriado/curado y solidificado se abre el molde; los pernos o agujas eyectoras facilitan la expulsión de la pieza.

Figura 54. Secuencia de operaciones en moldeo por inyección y con husillo giratorio. (Fuente [1])

En la siguiente figura se muestran las diferentes fases de un ciclo de moldeo por inyección. El ciclo no es fijo, depende del tipo de polímero, tipo de molde…, pudiendo ser mayor o menor los tiempos necesarios en cada fase.

1. Fase de inyección.

1.1. Avance de la unidad de inyección.

1.2. Inyección.

1.3. Aplicación de presión remanente.

1.4. Retroceso de la unidad de inyección.

2. Fase de enfriamiento.

3. Fase de desmoldeo.

3.1. Apertura del molde.

3.2. Expulsión de la pieza.

3.3. Cierre del molde.

4. Fase de dosificación.

Podemos encontrar tres tipos de moldes:

- Molde de canal frío de dos placas: el más simple y común.

- Molde de canal frío de tres placas: el sistema de canales se separa de la cavidad de la pieza al abrir el molde.

- Molde de canal caliente (o torpedos): el polímero se mantiene caliente (fundido) hasta la entrada de la cavidad del molde (los canales no se solidifican, se optimiza el proceso en cuanto a la producción de partes desechables).

En moldes con canales fríos, los canales se solidifican, se recortan mediante mecanizado, se trituran y se vuelven a utilizar como materia prima (principalmente con termoplásticos).

Tornillo giratorio y alternativo

Figura 55. Ciclo en moldeo de inyección.


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En los moldes también encontramos mazarotas (reservorios de material), agujas eyectoras (facilitan la expulsión de las piezas), taladros de venteo o rendijas (para permitir la salida de gases).

Figura 56. Molde de inyección de dos placas y producto obtenido tras el moldeo. (Fuente [1])

Algunos tipos de moldeo por inyección:

- Moldeo por inyección de multicomponentes: permite combinar diferentes tipos de polímeros, formas y colores.

- Moldeo con insertos: los moldes incorporan partes metálicas (tornillos, pernos…) que quedan en la cavidad del molde antes de la inyección y quedan insertados en las piezas después de la inyección.

Figura 57. Inyección de multicomponentes (izq.) (Fuente [2]) y prótesis de cadera con núcleo de cobalto y cromo y recubierta de PAEK (poliariletercetona) mediante moldeo con insertos.

(Fuente [1])

Las máquinas de moldeo suelen ser horizontales (Fig. 58). Las máquinas verticales se utilizan para piezas pequeñas, con mayor precisión dimensional o con moldes con insertos. El sistema de cierre de los moldes suele ser hidráulico, aunque también los hay eléctricos. En un equipo de inyección se diferencian tres unidades: unidad de inyección (tolva, cilindro, husillo), unidad de cierre (asegura el cierre del molde) y el molde o matriz.

Compuerta Cavidades

Cavidad Canal principal

Bebedero Pernos guía Pernos guía

Canal de ramificación

Bebedero

Canal principal

Pieza

Canal de ramificación

Pozo de masa fría

Compuerta


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Figura 58. Equipo de moldeo por inyección horizontal. (Fuente [1])

Moldeo por reacción-inyección (TP, TS, E)

En este caso se fuerza la entrada de uno o más monómeros y dos o más fluidos reactivos en una cámara mezcladora a alta velocidad y presión (10-20 MPa) y después se fuerzan a entrar en la cavidad del molde. Las reacciones químicas suceden en el molde con rapidez, donde se solidifica el polímero. De este modo se fabrica poliuretano (elastómero), nailon (termoplástico) y resina epóxica (termoestable).

Figura 59. Esquema del moldeo por reacción-inyección. (Fuente [1])

Agitador

Agitador

Monómero 1

Monómero 2

Bomba

Bomba

Recirculación

Recirculación

Cámara mezcladora

Cilindros

Intercambiador de calor

Intercambiador de calor

Cierre del molde Pernos eyectores

Parte móvil del molde

Parte fija del molde Cilindro Tolva Motor


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Moldeo por soplado (TP)

Es una variante del moldeo por extrusión y por inyección.

En el moldeo por extrusión y soplado: primero se extruye un tubo o preforma (parisón) que generalmente queda orientado de forma vertical. Este parisón se introduce en la cavidad de un molde (mucho mayor que el tamaño del parisón). Se cierra el molde y se aplica aire caliente a presión (soplado) por el interior del parisón, haciendo que éste se expanda y se adapte a las paredes de la cavidad del molde.

En el moldeo por inyección y soplado: primero se moldea por inyección una preforma tubular en matrices frías. Se abre la matriz y el parisón se transfiere a otra matriz con una cavidad mayor, se inyecta aire caliente en el parisón para que se adapte a la forma de la nueva matriz.

Otra variante es el moldeo por ensanchado y soplado en el que el parisón se expande y estira al mismo tiempo (el polímero sufre un estiramiento biaxial, mejorando sus propiedades).

En el moldeo por soplado con capas múltiples se utilizan parisones coextruidos.

Figura 60. Esquema del moldeo por extrusión y soplado (arriba) y moldeo por inyección y soplado (abajo). (Fuente [1])

Rotomoldeo (TP, TS)

Para termoplásticos y termoestables con formas grandes y huecas (contenedores de basura, tanques de almacenamiento, cascos de embarcaciones…). Se utilizan moldes metálicos de pared delgada y dos piezas con capacidad de giro sobre dos ejes perpendiculares. Se introduce en el molde cierta cantidad de polímero+aditivos en polvo (también se puede introducir polímeros líquidos – plastisoles), se calienta el molde y se hace girar de forma continua alrededor de los dos ejes. El polvo se dirige así hacia las paredes del molde, donde el calor lo funde. Para termoestables se añade un agente químico que hace que se produzca el curado una vez que el polímero ha tomado la forma del molde.

Extrusor

Parisón Cuchilla

Perno de soplado

Conductos de enfriamiento

Cola

Botella soplada

Molde del parisón

Inyección

Perno de soplado

Parisón

Parisón transferido al molde de soplado

Botella soplada


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Figura 61. Ejemplo de un equipo de rotomoldeo. (Fuente [1])

Termoformado (TP)

Proceso para el formado de láminas y películas de termoplástico sobre un molde aplicando calor y presión. Primero se sujeta y calienta la lámina de plástico (principalmente por calentamiento por radiación) y luego se fuerza a tomar la forma del molde mediante presión o vacío. Al entrar en contacto con el molde, que se encuentra a temperatura ambiente, se produce el enfriamiento.

Las láminas de plástico que se utilizan para este proceso suelen fabricarse mediante extrusión y se suministran en forma de bobina.

Figura 62. Diferentes procesos de termoformado mediante vacío y mediante presión. (Fuente [1])

Moldeo por compresión (TP, TS, E)

Se coloca una dosis de polímero+aditivos (polvo, mezcla viscosa de resina líquida+relleno) en la cavidad de un molde caliente (200ºC aprox.). Luego se aplica presión (10-150 MPa) mediante un tapón o mediante la parte superior del molde.

Es preferible que la dosis de mezcla esté ligeramente en exceso, así se asegura el llenado completo del molde; la rebaba sobrante se elimina, por ejemplo, mediante mecanizado.

Calentador

Sujeción Lámina

Molde

Vacío

Vacío

Molde Sujeción

Lámina

Eje primario

Eje secundario

Entrada

Respiradero

Materia prima

Husillo


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De este modo se fabrican platos, tapas de contenedores, componentes electrónicos. Las piezas con fibra de refuerzo también se pueden fabricar mediante este proceso.

Se utiliza sobretodo con plásticos termoestables (que necesitan sufrir el proceso de curado, lo que ocurre dentro del molde).

Figura 63. Moldeo por compresión. (Fuente [1])

Moldeo por transferencia (TS, E)

Modificación del moldeo por compresión.

Para plásticos termoestables y elastómeros, la resina sin curar se coloca en una cámara de transferencia de calor y, una vez calentada, se inyecta en moldes cerrados calientes (presiones de hasta 300 MPa). Una vez en el molde se produce el curado del polímero. Como al introducir la resina en el molde se encuentra fundida se puede trabajar con moldes con cavidades de formas complejas, similar al moldeo por inyección.

Figura 64. Moldeo por transferencia. (Fuente [1])

Émbolo de transferencia

Cámara de transferencia

Perno de expulsión

Bebedero

Punzón

Pieza

Elementos de calentamiento

Punzón

Dosis Molde

Expulsor

Pieza Rebaba


A.L.M. 121

Colado (Fundición) (TP, TS)

Proceso lento pero sencillo y poco costoso. Se funde la materia prima y se cuela en un molde rígido o flexible. La viscosidad del polímero debe ser lo suficientemente baja para que el material fluya bien dentro del molde.

Para termoplásticos, una mezcla de monómeros, catalizador y aditivos se calientan por encima de su punto de fusión Tm y se vacía en el molde. Algunas variantes del proceso:

- Colado centrífugo: similar a la de los metales.

- Impregnación: colado de material plástico sobre un componente (generalmente eléctrico) para embutirlo en plástico, en un alojamiento o caja que formará parte de la pieza final.

- Encapsulado: el componente se recubre completamente con una capa de plástico, dentro de un molde (el molde luego se abre y se obtiene el componente recubierto).

Figura 65. Colado (izq.); Impregnación (centro); Encapsulado (dcha.). (Fuente [1])

Moldeo de espuma (TP, TS)

Así se obtienen los productos de poliestireno expandido (vasos, contenedores, bloques de aislamiento…). Se utilizan perlas de poliestireno. Los productos que se obtienen tienen una estructura celular (porosidad abierta o celdas cerradas). Existen diversos métodos. La forma básica consiste en colocar las perlas de poliestireno en un molde con un agente insuflante (pentano o gas inerte), se aplica calor (generalmente con vapor). De este modo las perlas se expanden hasta 50 veces su tamaño y toman la forma del molde. La cantidad de expansión se puede controlar con el tiempo y la temperatura. Dentro del molde se pueden agregar otro tipo de partículas (perlas huecas de vidrio, esferas de plástico…) para dar características estructurales específicas de la espuma obtenida.

Insuflar (RAE): introducir en un órgano o en una cavidad un gas, un líquido o una sustancia pulverizada.

Moldeo estructural de espuma: variante de la anterior; el termoplástico se mezcla con agente insuflante (gas inerte) y se moldea mediante inyección en un molde frío. El enfriamiento rápido en las paredes del molde hace que la parte superficial de la pieza sea rígida (hasta 2 mm de espesor), mientras que el núcleo de la pieza presenta estructura celular.

Formado en frío y formado de fase sólida (TP)

Formado en frío: Se utilizan procesos similares a los correspondientes al conformado por deformación plástica en metales (laminación, forjado en matriz cerrada, acuñado, embutición profunda…) para modificar la forma de termoplásticos a temperatura ambiente. Se consigue aumentar la resistencia y la tenacidad del material plástico.

Formado de fase sólida: igual que el anterior, pero en vez de hacerlo a temperatura ambiente se realiza a una temperatura entre 10-20ºC por debajo del punto de fusión (para polímero cristalino). El polímero sigue en estado sólido. Las ventajas respecto al anterior son que se requiere menos fuerza y que la recuperación elástica después de la deformación es menor.

Materia prima fundida

Molde Bobina

Alojamiento o caja

Bobina Molde Molde


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Procesado de elastómeros

La materia prima suele ser un compuesto de hule, aditivos y rellenos. Un aditivo común es el negro de humo, para mejorar la resistencia a la tensión, fatiga, abrasión y desgarre, protección ultravioleta y resistencia a productos químicos.

Estos materiales se mezclan, la mezcla se vulcaniza utilizando azufre (se enlaza transversalmente), de este modo la mezcla queda lista para su procesado posterior (calandrado, extrusión, inyección, moldeo por soplado, termoformado u otros procesos de moldeo, como refuerzos con fibras y tejidos). Durante el procesado se producen enlaces cruzados que confieren al hule sus propiedades.

Las hojas de hule y algunos termoplásticos se forman mediante el calandrado: la masa del compuesto se alimenta a una serie de rodillos con el objetivo de producir láminas u hojas de plástico (espesor de 0.3 a 1 mm).

Procesado de composites de matriz polimérica (Plásticos Reforzados)

La matriz polimérica y las fibras de refuerzo tienen propiedades y características muy diferentes, lo que hay que tener en cuenta durante la fabricación. Impregnación de fibras:

- Preimpregnados: para producir cintas preimpregnadas (como la cinta americana). Se alinean las fibras de refuerzo, se les da un tratamiento superficial para mejorar su adhesión a la matriz del polímero. Luego se recubren por inmersión en un baño de resina y luego se le da forma de cinta sobre un papel de respaldo.

- Compuesto de moldeo de lámina (SMC): se cortan las fibras de refuerzo y se depositan de forma aleatoria sobre una capa de pasta de resina. La pasta suele ser una mezcla de poliéster+rellenos+aditivos aplicada sobre una película de polietileno. Una vez depositadas las fibras de refuerzo se aplica una segunda pasta de resina. Láminas de 3-12 mm.

- Compuesto de moldeo volumétrico (BMC): se fabrican de forma similar al anterior y se extruyen para conseguir una forma final de palanquilla de diámetro de hasta 50 mm.

- Compuesto de moldeo grueso (TMC): combina las propiedades del moldeo de lámina (bajo coste) y del moldeo volumétrico (mayor resistencia). Se suelen moldear por inyección con fibras cortadas en diversas longitudes.

Moldeo de plásticos reforzados:

- Moldeo por compresión: similar al proceso visto anteriormente, con la incorporación de fibras de refuerzo en el material.

- Moldeo por bolsa de vacío: la mezcla se coloca sobre un molde (similar al moldeo por compresión), pero en vez de aplicar presión, sobre la mezcla se coloca una bolsa de plástico y se aplica vacío. Existe una variante en la que se coloca la bolsa, pero en vez de aplicar vacío, se aplica presión sobre el molde.

- Moldeo por contacto: se utiliza un molde abierto sobre el que se deposita la mezcla de material (polímero) y las fibras. De este modo se fabrican piscinas, cascos para embarcaciones, carrocerías para automóviles…

Figura 66. Calandrado.


A.L.M. 123

o Manual: se distribuye la resina y las fibras de refuerzo sobre un molde y se les da forma con un rodillo.

o Por rocío: los materiales se rocían sobre el molde y se les da forma con un rodillo.

- Moldeo por transferencia: similar al ya visto anteriormente.

- Moldeo por transferencia/inyección: combina el moldeo por compresión, por inyección y por transferencia.

Figura 67. Producción de cinta polimérica con fibras de refuerzo (izq.) y producción de hojas de plástico con fibras de refuerzo. (Fuente [1])

Figura 68. Moldeo por contacto manual (izq.) y por rocío (dcha.). Casco de barco. (Fuente [1])

Fibras

Resina

Película transportadora

Cortador Resina Película transportadora

Banda de compactación

Carretes de fibras

Tratamiento superficial

Resina

Papel de respaldo

Rodillo

Molde Molde

Rociado

Fibras de vidrio cortadas

Fibra Resina


A.L.M. 124

Devanado de filamentos, pultrusión y pulformado

Devanado de filamentos: se combinan resinas y fibras en el momento del curado para obtener una estructura composite. Se trabaja con partes simétricas respecto a un eje o incluso partes no simétricas. Se trabaja en un mandril giratorio. El filamento, cinta o fibra continua de refuerzo se envuelven alrededor de la pieza, previamente se impregnan en un baño de polímero.

Figura 69. Devanado de filamentos. (Fuente [1])

Pultrusión: se fabrican de forma continua piezas grandes con secciones transversales uniformes (barras, perfiles, cintas planas y tuberías). Se suministra refuerzo continuo, fibra de vidrio o tejido, mediante bobinas. Pasan por un baño de polímero termoestable (generalmente poliéster) y por una matriz de preformado y una matriz de acero caliente. El producto se cura dentro de la matriz caliente (longitudes de hasta 1.5 m) controlando la velocidad de avance. Después se pasa por unos rodillos para afianzar la forma y finalmente se corta.

Figura 70. Proceso de pultrusión. (Fuente [1])

Pulformado: similar a la pultrusión pero para piezas con perfiles de sección transversal no uniforme (por ejemplo, el mango de un martillo). En vez de utilizar una matriz se utilizan moldes con dos mitades que se abren y cierran.

Sierra

Perfil

Tirador Pultrusión curada

Tanque de infiltración

Matriz de preforma

Matriz caliente

Fibras

Fibra continua

Baño de resina

Mandril giratorio


A.L.M. 125

4 TEMA 4: PROCESOS DE ARRANQUE DE

VIRUTA

4.1 Introducción a los procesos de arranque de viruta. Clasificación

El mecanizado o conformado por arranque de viruta es un procedimiento que permite modificar formas, dimensiones y/o el grado de acabado superficial de piezas obtenidas con otros procesos de fabricación (fundición, conformado por deformación plástica…). Esta transformación o modificación se realiza arrancando capas de metal (o creces de mecanizado) que se transforman en viruta.

El mecanizado no se debe entender como una solución única para obtener una determinada geometría, debido al elevado coste que supone el arranque excesivo de material. El mecanizado debe combinarse con otros procesos de fabricación (debe considerarse como operaciones secundarias y de acabado). Algunos casos en los que pueda ser necesario el mecanizado:

- Necesidad de superficies lisas y brillantes en piezas fabricadas mediante forjado.

- Orificios de diámetros pequeños.

- Piezas con geometrías agudas, tolerancias ajustadas.

- Orificios roscados en diferentes superficies de una misma pieza.

- Acabado superficial y texturas especiales para determinadas funcionalidades o por necesidades de tener una apariencia determinada.

- …

Figura 1. Etapas de fabricación de una prótesis de cadera mediante forjado. (Fuente [1])

Otro aspecto importante a tener en cuenta es que las propiedades mecánicas que se consiguen mediante mecanizado son muy inferiores a las que se consiguen con la deformación plástica. La orientación de los granos según la geometría externa que se consigue con el conformado por deformación plástica no se obtiene mediante mecanizado.

Forjado

Mecanizado

Electropulido

Grabado

Pulido


A.L.M. 126

Las operaciones de mecanizado suponen cerca del 90% de las máquinas de fabricación (dato aproximado).

Figura 2. Flujo de los granos en una rosca mecanizada u obtenida por laminación. (Fuente [1])

Algunos inconvenientes generales del mecanizado:

- Desperdicio de material.

- Por lo general requiere más tiempo que otros procesos de fabricación (conformado por deformación plástica, moldeado).

- Requiere más energía que otros procesos de moldeado y formado.

- Puede tener efectos negativos sobre la calidad de la superficie y las propiedades del producto.

Dentro del mecanizado podemos considerar:

- Operaciones de corte:

o Un solo filo de corte (Ej. Cilindrado en torno).

o Varios filos de corte (Ej. Fresado).

o Múltiples filos de corte (Ej. Brochado).

- Operaciones abrasivas: rectificado y procesos relacionados.

- Procesos avanzados de mecanizado: métodos eléctricos, químicos, térmicos, hidrodinámicos, láser.

Las máquinas con las que se realizan este tipo de operaciones se denominan máquinas-herramienta.

Rosca obtenida por mecanizado Rosca obtenida por laminación


A.L.M. 127

Clasificación General de los procesos de mecanizado (Fuente [1]):

PROCESOS MECÁNICOS Corte

Superficie Revolución

Torno

Rectificado Cilíndrico

Fresa

Rectificado Plano

Cizallado

Superficie Plana Cepillado

Limadora. Mortajadora o

Limadora Vertical

Aserrado

Taladrado

Roscado Punzonado

Agujeros

Troquelado

Brochado

Mecanizado Ultrasónico

Superficie Plana

Abrasivos

Superficie Plana

Chorro de agua Chorro abrasivo

Chorro de agua + abrasivo


A.L.M. 128

PROCESOS TÉRMICOS Térmico

Superficie plana

Corte por Fusión

Eléctrico Haz de electrones – Plasma

Láser

Superficie

plana Electroerosión – penetración

Electroerosión por hilo

PROCESOS QUÍMICOS Erosión selectiva

Superficie Plana

Ataque químico

Grabado ácido

Combustión - Oxidación

Superficie Plana

Oxicorte

Electro químico

Superficie Plana

Mecanizado electroquímico

Rectificado electroquímico


A.L.M. 129

Figura 3. Otra clasificación de los procesos de mecanizado.


A.L.M. 130

PRINCIPALES MOVIMIENTOS EN MECANIZADO

- Movimiento de Corte: es el responsable del proceso de eliminación del material. Lo puede realizar la pieza o la herramienta. Este movimiento consume la mayor parte de la potencia necesaria para realizar el trabajo. Aunque en muchas máquinas el movimiento de corte se asocia con el giro de la pieza (torno) o con el giro de la herramienta (fresa), en algunos casos es un movimiento lineal (brochadora, cepillado, limado…).

- Movimiento de Avance: permite que en la zona de corte haya nuevas partes de la pieza a mecanizar hasta que se completa la operación o la pasada correspondiente. Lo puede realizar la pieza o la herramienta. Pueden existir varios movimientos de avance simultáneos.

- Movimiento de Penetración: asegura la interferencia entre la pieza y la herramienta, para que pueda existir la eliminación del material, y asegura que la pieza tenga la dimensión adecuada después de cada pasada. Suele ser un movimiento intermitente, se efectúa cuando no se está produciendo el arranque de material, es decir, antes de comenzar una operación elemental de mecanizado.

Figura 4. Movimientos de Corte (■), Avance (■) y Penetración (■) en operaciones de mecanizado en torno. (Fuente [2])

En la figura anterior podemos observar diferentes operaciones de mecanizado en torno. Por ejemplo, en el cilindrado: la pieza de trabajo gira y una herramienta de corte retira una capa de material. La herramienta de corte se ajusta a cierta profundidad de corte [mm] y se desplaza hacia la izquierda a una determinada velocidad de avance [mm rev-1 o mm min-1], mientras que la pieza de trabajo gira [rpm o m min-1].

Pieza

Herramienta

Herramienta


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Figura 5. Movimientos de Corte (■), Avance (■) y Penetración (■) en operaciones de mecanizado en fresa. (Fuente [1])

Figura 6. Movimientos de Corte (■) y Avance (■) en brochadora. (Fuente [1])

Figura 7. Movimientos de Corte (■), Avance (■) y Penetración (■) en taladradora (a) y en cepillo (b). (Fuente [2])

Pieza de trabajo

Herramienta de brochado

Avance de corte por diente Herramienta

Herramienta

Pieza o herramienta, depende Pieza o herramienta, depende

a) b)


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Figura 8. Movimientos en diferentes operaciones de torno. (Fuente [5])


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Figura 9. Movimientos en diferentes máquinas-herramienta (I). (Fuente [5])


A.L.M. 134

Figura 10. Movimientos en diferentes máquinas-herramienta (II). (Fuente [5])


A.L.M. 135

Figura 11. Movimientos en diferentes máquinas-herramienta (III). (Fuente [5])


A.L.M. 136

CONCEPTO DE VIRUTA

Se define viruta como el exceso de material eliminado en los procesos de mecanizado. Esta viruta se produce por la continua deformación plástica y cizallamiento que se produce del material a lo largo del plano de corte.

Secuencia general de la formación de la viruta en un proceso de mecanizado:

- El metal de la pieza de trabajo se ve sometido a gran presión y temperatura.

- Se produce una zona de estancamiento a continuación de la punta del filo.

- El metal deformado se va uniendo a la cara de la herramienta (película de recubrimiento).

- La herramienta sigue eliminando material (se puede producir la formación de más de una capa o película de material que se va acumulando en la zona de estancamiento, se está generando el filo de recrecido).

- Se produce una zona de fluencia alrededor de la zona de estancamiento, continúa el deslizamiento de la viruta sobre la cara de desprendimiento de la herramienta.

- La viruta se mueve a lo largo de la cara de desprendimiento de la herramienta.

Propiedades: es siempre de material más duro y frágil que la pieza; puede distinguirse a simple vista la zona de la viruta que ha estado en contacto con la cara de desprendimiento (brillante y pulido) de la zona opuesta (rugosa); el espesor de la viruta es siempre mayor que el espesor teórico de la viruta o espesor de “viruta indeformada”.

Al mecanizar materiales frágiles (o materiales dúctiles a bajas velocidades) se obtiene una viruta discontinua (fragmentos de material de corta longitud). La viruta está poco tiempo en contacto con la cara de desprendimiento, la longitud de contacto es baja. Esto permite seleccionar ángulos de desprendimiento muy bajos. Son típicas de:

- Materiales frágiles.

- Materiales con inclusiones duras e impurezas.

- Velocidades de corte muy bajas o muy altas.

- Grandes profundidades de corte.

- Ángulos de ataque pequeños.

- Escasez de fluido de corte.

- Poca rigidez en el portaherramientas o en la máquina, lo que genera vibraciones.

Figura 12. Tipos de viruta: continua (a); con filo de recrecido (b); aserrada (c); discontinua (d). (Fuente [1])

a) b) c) d)


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Entre las virutas discontinuas y continuas nos encontramos con las virutas aserradas o segmentadas o no homogéneas (semicontinuas), suelen producirse en metales con baja conductividad térmica y baja resistencia.

Al mecanizar materiales dúctiles con altas velocidades de mecanizado o con ángulos elevados de ataque la viruta formada es continua o plástica. Por tanto, la longitud de contacto con la cara de desprendimiento es elevada, siendo necesario operar con ángulos de desprendimiento elevados para disminuir el rozamiento y desgaste de la herramienta. Con este tipo de viruta suelen obtenerse buenos acabados superficiales, pero no son convenientes en procesos automatizados, ya que pueden bloquear el movimiento de la herramienta, atorarse alrededor de la pieza de trabajo, del portaherramientas, soportes... Este problema puede resolverse con el uso de rompevirutas, modificando los parámetros de corte (avance, profundidad, velocidad de corte) o mediante el uso de fluidos de corte.

Figura 13. Rompevirutas Mitsubishi.

En materiales dúctiles, trabajados a velocidades intermedias, puede aparecer el denominado Filo de Recrecido o Aportado (virutas de borde acumulado o recrecido). El material de la pieza se deposita en la punta de la herramienta gradualmente, actuando como prolongación del filo de corte. Parte de este material acumulado se retira por la cara de desprendimiento de la herramienta, pero otra parte puede pasar a la cara mecanizada de la herramienta de trabajo. Se obtiene una viruta menos discontinua, pero con ondulaciones en la cara mecanizada de la pieza de trabajo. Se debe evitar, pues también va a afectar a la vida útil de la herramienta y a las fuerzas de mecanizado. Para reducir la aparición del Filo de Recrecido se puede:

- Aumentar la velocidad de corte.

- Disminuir la profundidad de corte.

- Aumentar el ángulo de ataque o desprendimiento.

- Uso de herramientas bien afiladas.

- Uso de fluidos de corte adecuados.

- Uso de herramientas con menos “afinidad química” con el material de la pieza de trabajo.

Si el filo de recrecido es delgado y estable puede considerarse deseable, ya que reduce el desgaste de la herramienta al proteger el filo de corte.


A.L.M. 138

Rizo de viruta: se denomina así a la curvatura que desarrollan las virutas conforme van abandonando la superficie de la pieza de trabajo, es habitual en todas las operaciones realizadas tanto en metales como no metales. Algunos factores que afectan a la formación del rizo:

- Distribución de esfuerzos en la zona de cizallamiento.

- Temperatura.

- Endurecimiento de la pieza de trabajo durante la operación.

- Geometría de la herramienta.

- Uso de fluidos de corte (pueden hacer que las virutas se hagan más rizadas, al reducir el contacto entre la herramienta y la viruta).

- Profundidad de corte (en general a menor profundidad de corte la viruta se hace más rizada).

Rotura de la viruta: se producir mediante autorotura, se puede romper al hacerla golpear contra la herramienta, al hacerla golpear contra la pieza y usando rompevirutas en la herramienta.

Figura 14. Ejemplos de tipos de viruta, de izquierda a derecha: viruta muy rizada, viruta que golpea la pieza de trabajo y se rompe, viruta continua que se aleja radialmente y viruta que

golpea la herramienta. (Fuente [1])

Figura 15. Tipos de viruta en función de la profundidad de corte y la velocidad de avance.

(Fuente [2])

La formación y rotura de la viruta es fundamental en procesos con un alto grado de automatización. La formación de la viruta se ve afectada por los siguientes factores: (i) características físicas y químicas del material de la pieza; (ii) parámetros de corte; (iii) ángulo de posición de la herramienta; (iv) radio de la punta del filo de corte; (iv) avance.

Utilizando la geometría adecuada de la herramienta se puede conseguir la curvatura, dirección, hélice y forma de la viruta dentro de los requerimientos de cada proceso.


A.L.M. 139

4.2 Parámetros y fuerzas de corte. Tiempos y costes de mecanizado

PRINCIPALES FACTORES A CONSIDERAR EN UNA OPERACIÓN DE MECANIZADO

En cualquier proceso de mecanizado podemos diferenciar entre variables independientes esenciales en el proceso de corte y variables dependientes; estas últimas se verán afectadas por las primeras.

Variables independientes: material y recubrimiento de la herramienta; forma, acabado superficial y filo de la herramienta; material y condiciones de la pieza de trabajo; avance, velocidad y profundidad de corte; fluidos de corte; tipo de máquina – características; sujeción y soporte de la pieza de trabajo.

Variables dependientes: tipo de viruta; fuerza necesaria; energía disipada; temperatura en la pieza, en la herramienta y en la viruta; desgaste o rotura de la herramienta; acabado superficial...

Tabla 1. Algunas relaciones entre variables independientes y dependientes. (Fuente [1])

Parámetro Influencia Velocidad de corte; profundidad de corte, avance, fluidos de corte

Fuerza, potencia, temperatura, vida útil herramienta, tipo de viruta, acabado superficial.

Ángulos de la herramienta Idem; dirección flujo viruta; desgaste herramienta; astillado herramienta

Viruta continua Buen acabado superficial; fuerzas estables de corte; poco deseable en máquinas automatizadas (dificultad expulsión viruta, riesgo de bloqueo de la herramienta).

Viruta con recrecido (Filo de recrecido)

Acabado superficial deficiente; si es delgado y estable puede proteger la superficie de acabado.

Viruta discontinua Facilidad de expulsión de viruta; fuerzas fluctuantes de corte; puede afectar al acabado superficial; vibraciones.

Elevada temperatura Vida útil de la herramienta; precisión dimensional de la pieza; daño térmico en superficies de trabajo.

Desgaste de la herramienta Acabado superficial; precisión dimensional; temperatura; fuerza; potencia.

Maquinabilidad Relacionada con la vida útil de la herramienta, acabado superficial; fuerzas; potencia; tipo de viruta.

Cuando el resultado obtenido en una operación de mecanizado no es aceptable, la resolución del problema suele requerir una investigación sistemática; primero hay que analizar que variable independiente hay que cambiar y cómo (“prueba-error”). Por ejemplo, pensad que variable independiente deberíais cambiar si: (i) el acabado superficial no es adecuado; (ii) el desgaste de la herramienta es excesivo; (iii) se genera demasiado calor; (iv) se producen vibraciones.

Para resolver la duda planteada, primero se debe analizar la mecánica de la formación de la viruta. Este tema se ha estudiado ampliamente desde la década de 1940, en la actualidad se dispone de complejos modelos y métodos de simulación computerizados que permiten ir variando variables e ir analizando el proceso de mecanizado para su optimización. Este no será nuestro ámbito de estudio; nosotros comenzaremos analizando la situación o modelo simple presentado en la Figura 16, denominado corte ortogonal (bidimensional).

Elección de los parámetros de corte: las condiciones del mecanizado varían en función de diferentes factores y variables. A la hora de seleccionar los parámetros de corte para una operación concreta se recomienda, como primer paso, consultar la información que los fabricantes de las herramientas suministran sobre las condiciones de trabajo que ellos consideran más adecuadas. Muchas de estas recomendaciones vienen recogidas en normas ISO y UNE.


A.L.M. 140

PARÁMETROS DEL CORTE ORTOGONAL

La herramienta de corte más sencilla es la cuchilla recta, formada por una barra de sección cuadrada, con un extremo afilado en forma de cuña.

Figura 16. Herramienta Elemental. (Fuente [1])

Cara de desprendimiento: cara sobre la que desliza la viruta separada de la pieza de trabajo.

Cara de incidencia: cara de la herramienta que queda enfrentada a la superficie ya mecanizada de la pieza de trabajo.

Ángulo de desprendimiento (α): ángulo formado entre la cara de desprendimiento y la normal a la superficie mecanizada. Parámetro muy importante en la formación de la viruta, pues el arranque de la viruta se provoca por la acción combinada del filo de corte y la cara de desprendimiento. La cara de desprendimiento es la que determina la deformación plástica del material, provocando la separación de la viruta.

La elección de este ángulo depende del tipo de viruta que se forma:

- Viruta continua (en forma de hélice). Típicas de materiales tenaces (aceros dulces, aluminios, aleaciones ligeras…). Existe mayor rozamiento con la cara de desprendimiento, se produce mayor calor. Para reducir este efecto se suele trabajar con ángulos grandes (10º - 40º).

- Viruta discontinua. Típicas de materiales duros y/o frágiles. Generan menos rozamiento (0º-10º)

A mayor ángulo, menor ángulo de la herramienta, por lo que ésta se debilita. Para materiales duros no se puede trabajar con ángulos excesivos de desprendimiento. A veces da buenos resultados trabajar con ángulos negativos.

Ángulo de incidencia (γ): ángulo formado entre la cara de incidencia y la superficie de la pieza mecanizada. Evita el roce del talón de la herramienta con la cara mecanizada. Después del arranque del material, la parte de la pieza liberada de la presión de la herramienta tiende a dilatarse por su propia elasticidad.

Superficie brillante

Cara de desprendimiento

Herramienta

Cara de incidencia

Ángulo de incidencia

Superficie rugosa

Viruta

Ángulo de desprendimiento o ataque

Plano de cizallamiento

Ángulo de cizallamiento Pieza de trabajo

to : profundidad de corte o espesor de la viruta indeformada tc : espesor de la viruta deformada


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Si este ángulo fuese nulo, la herramienta rozaría con la superficie de la pieza, provocando el calentamiento de la herramienta y empeorando la calidad superficial. Siempre debe existir un ángulo de incidencia positivo. Debe de ser lo menor posible para no debilitar la herramienta. Una vez que se ha conseguido que la herramienta no contacte con la cara mecanizada, no tiene sentido seguir aumentando este ángulo. Valores habituales: acero rápido entre 6º-14º; metal duro 5-12º.

Ángulo de la herramienta (β): éste ángulo depende de los anteriores, y no debe ser demasiado pequeño para asegurar la integridad de la herramienta:

)(º90 (1)

Plano de cizallamiento: por lo general las virutas se producen por cizallamiento a lo largo de una zona, generalmente según un plano bien definido con un ángulo de cizallamiento. Algunos materiales (como hierros fundidos a bajas velocidades) no se cizallan a lo largo de un plano bien definido, sino en una zona de cizallamiento, en estas situaciones se pueden producir defectos superficiales.

Relación de corte: el espesor de la viruta (tc) se puede determinar conociendo la profundidad de corte (to) y los ángulos de desprendimiento (α) y de cizallamiento ():

cos

sen

t

tr

c

o (2)

siendo r la relación de corte (o relación de espesor de viruta). El espesor de la viruta siempre es mayor que la profundidad de corte (espesor sin deformación de la viruta), r será siempre menor que 1. Al recíproco de r se le llama relación o factor de compresión de la viruta; este parámetro expresa en tanto por 1 el ensanchamiento de la viruta respecto a la profundidad de corte fijada. Esta relación de corte es un parámetro muy útil para establecer las condiciones de trabajo en función del tipo de viruta que se quiera obtener, que a su vez depende del tipo de material, tipo de herramienta, máquina…

Dado que conocemos la profundidad de corte (es un parámetro que fijamos en la máquina-herramienta), el espesor de la viruta podemos medirlo utilizando un micrómetro, y el ángulo de desprendimiento es también conocido podemos calcular el ángulo de cizallamiento de forma relativamente sencilla para las condiciones en las que estemos trabajando.

Aunque en este caso el espesor de la viruta indeformada se ha identificado con la profundidad de corte, dependiendo del tipo de proceso de mecanizado el espesor de la viruta no deformada puede no corresponderse con la profundidad de corte (tipo de herramienta, movimiento relativo de la herramienta y la pieza…).

El ángulo de cizallamiento tiene gran importancia en la mecánica de los procesos de mecanizado, pues afecta a la fuerza, potencia, espesor de la viruta y temperatura. Algunos investigadores han demostrado la siguiente expresión, suponiendo que el plano de cizallamiento es un plano de máximo esfuerzo cortante:

22

º45 (3)

donde β es el ángulo de fricción y está relacionado con el coeficiente de fricción μ (en la interfaz herramienta-viruta: μ = tan β). Otra fórmula que suele utilizarse es:

º45 (4)


A.L.M. 142

En general, μ en trabajos de mecanizado suele valer entre 0.5-2 (gran fricción entre la viruta y la cara de desprendimiento). Experimentalmente se ha demostrado que μ no es constante a lo largo de toda la cara de desprendimiento, al variar las condiciones (presiones de contacto, temperatura…).

Velocidad en la zona de corte: en la Figura 16 se observa que el espesor de la viruta es mayor que la profundidad de corte, por tanto, la velocidad de la viruta Vs debe ser menor que la velocidad de corte V (conservación de la masa). Si conocemos la velocidad de corte podemos determinar la velocidad de la viruta, este parámetro es importante para conocer o regular la forma en la que se va expulsando la viruta.

cco tVtV (5)

De las ecuaciones 13 y 14 obtenemos:

cos

senV

t

tVV

c

oc (6)

CORTE OBLICUO

La mayoría de las operaciones de mecanizado se realizan con herramientas tridimensionales cuyo corte es oblicuo, de manera que los parámetros analizados para el corte ortogonal se complican. Quizás una diferencia muy importante sea la formación de la viruta, mientras que en el corte ortogonal la viruta se desplaza directamente sobre la cara de desprendimiento, en el corte oblicuo la viruta es helicoidal, dependiendo su forma del ángulo de inclinación de la herramienta (i).

Figura 17. Esquema de un corte ortogonal. (Fuente [1])

ENLACE DEL FILO PRINCIPAL Y EL FILO SECUNDARIO

Generalmente las herramientas de corte en mecanizado se caracterizan por tener un filo de corte principal y otro secundario. La unión entre ambos filos de corte puede realizarse mediante el denominado “arco de círculo” o mediante “chaflán del ángulo de unión”.

Cuando el enlace se realiza mediante arco de círculo: el arco puede ser tangente a los dos filos de corte o estar desplazado con el objetivo de disminuir la presión ejercida sobre la superficie de trabajo. El radio del arco se determina en función de:

Viruta

i = 0º

i = 15º

i = 30º

Vista superior

Pieza de trabajo

Herramienta

Viruta


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- El material de la cuchilla: cuanto menor sea el radio, mayor será la concentración de temperatura en la punta. Según la resistencia a la temperatura del material menor o mayor deberá ser el radio.

- El avance por vuelta: el radio suele ser igual a cuatro veces el avance por vuelta.

- La profundidad de corte: se recomienda el radio sea igual a la cuarta parte de la profundidad.

Figura 18. Ejemplo de la unión mediante arco de círculo (izq.) y mediante chaflán (dcha.). (Fuente [5])

El enlace mediante arco de círculo presente como principal inconveniente que produce una viruta de espesor no uniforme (Fig. 18), adelgazándose la viruta hacia la punta. Si el radio es muy grande se generan vibraciones en la máquina.

El enlace mediante chaflán se considera más adecuado: consiste en achaflanar la punta con un ángulo de unos 5º para metal blando y 10º para metal duro. Este chaflán adelgaza la viruta de forma uniforme. Con este sistema lo que realmente se obtiene es una herramienta con tres filos de corte. Se consideran las siguientes ventajas: se requiere menor fuerza de corte al generar una viruta más delgada, no genera vibraciones (o son menores) y, en definitiva, se requiere menos potencia.

FILO DE RECRECIDO

Es un problema importante, afecta a las fuerzas de corte, al acabado superficial y a la duración de la herramienta. Para la gran mayoría de los materiales se puede dibujar la curva acabado superficial o “rugosidad vs Velocidad de corte”:

Figura 19. Rugosidad vs velocidad de corte (izq); Efectos del filo de recrecido sobre los parámetros de corte (dcha). (Fuente [5])

Nakayama (1957) estudió las causas de la formación del filo de recrecido y concluyó que está relacionado con la temperatura y la velocidad de corte. El filo de recrecido desaparece cuando se alcanzan temperaturas superiores a las de recristalización del material a mecanizar. Estudios posteriores han mostrado los siguientes fenómenos relacionados con el filo de recrecido:

- Aumenta el ángulo de desprendimiento efectivo (γ), el ángulo de cizalladura (Φ) y el espesor de la viruta indeformada (hi). Provoca recalcado superficie mecanizada.

NOTA: la formación del filo de recrecido es periódico, a intervalos de tiempo irregulares se desprende el filo formado iniciándose un nuevo ciclo.


A.L.M. 144

FUERZAS Y POTENCIA DE CORTE

Conocer las fuerzas y la potencia de corte es fundamental para poder realizar un diseño adecuado de las máquinas-herramienta que permita obtener una precisión dimensional correcta, así como elegir los portaherramientas y los dispositivos de sujeción de la pieza. También es necesario conocer esos dos parámetros para comprobar que la pieza de trabajo sea capaz de soportar las condiciones de trabajo y seleccionar una máquina con la potencia eléctrica adecuada.

En un corte ortogonal intervienen:

- Fuerza de corte Fc (en la dirección de la velocidad de corte).

- Fuerza de empuje Ft (en la dirección perpendicular a la fuerza de corte). Estas dos fuerzas producen la fuerza resultante R. Es importante conocer la fuerza de empuje pues es la que deberá soportar el portaherramientas y demás componentes de fijación de la máquina.

- Esta fuerza resultante R se puede descomponer en dos fuerzas sobre la cara de desprendimiento de la herramienta: una fuerza de fricción F a lo largo de la interfaz herramienta-viruta y una fuerza normal N perpendicular a esta. Se puede demostrar que:

cosRNysenRF (7)

siendo el ángulo de fricción (determinado anteriormente).

Figura 20. Fuerzas en un corte ortogonal (a). Círculo de fuerzas (b). (Fuente [1])

La fuerza resultante R está equilibrada por una fuerza a lo largo del plano de cizallamiento y se resuelve como la suma de una fuerza de cizallamiento Fs y una fuerza normal Fn. Se puede demostrar que:

senFFF tcs cos (8)

costcn FsenFF (9)

Conociendo el ángulo de cizallamiento y la profundidad de corte se obtiene el área de cizallamiento y por tanto los esfuerzos de cizallamiento y normal a dicho plano.

El coeficiente de fricción () se define como:

tan

tan

tc

ct

FF

FF

N

F

(10)

Pieza

Pieza

Viruta

Viruta Herramienta


A.L.M. 145

Fuerza de empuje: será la fuerza que soporten los portaherramientas, los dispositivos de sujeción, la máquina-herramienta. Esta se puede calcular como:

senRFt (11)

tanct FF (12)

Si β > α la fuerza de empuje será positiva (hacia abajo, tiende a unir la herramienta con la pieza).

Si β < α la fuerza de empuje será negativa (hacia arriba, tiende a separar la herramienta de la pieza).Esto es posible al trabajar con ángulos grandes de desprendimiento, baja fricción entre la viruta y la herramienta, o ambas.

Potencia de corte: se puede calcular como la fuerza de corte por la velocidad de corte. También se pueden obtener la potencia en la zona de cizallamiento (debido a la energía requerida para cizallar el material) y la potencia en la cara de ataque (debida a la fricción entre la viruta y la herramienta).

La determinación de las fuerzas y potencias que tienen lugar en los procesos de mecanizado se basa principalmente en la toma de datos experimentales (debido a la multitud de factores que intervienen en el proceso).

Tabla 2. Energía específica en mecanizado de diferentes materiales. (Fuente [1])

Energía específica Material

W s mm-3 Hp min pulg-3 Aleaciones de aluminio 0.4 – 1 0.15 – 0.4

Fundiciones 1.1 – 5.4 0.4 – 2 Aleaciones de cobre 1.4 – 3.2 0.5 – 1.2

Aleaciones de magnesio 0.3 – 0.6 0.1 – 0.2 Aleaciones de níquel 4.8 – 6.7 1.8 – 2.5

Aleaciones refractarias 3 – 9 1.1 – 3.5 Aceros inoxidables 2 – 5 0.8 – 1.9

Aceros 2 – 9 0.7 – 3.4 Aleaciones de titanio 2 – 5 0.7 - 2

Energía específica: energía necesaria para remover una unidad de volumen de material.

Medida de las fuerzas de corte y de la potencia: transductores de fuerzas, células de carga… montados en el portaherramientas.


A.L.M. 146

TEMPERATURA EN PROCESOS DE MECANIZADO

En los procesos de mecanizado, como el cualquier otro proceso en el que se produce deformación plástica del metal, la energía disipada en la zona de corte se convierte en calor, que eleva la temperatura. Esto tiene algunos efectos no deseados:

- Excesiva temperatura: reduce la resistencia, dureza, rigidez y facilita el desgaste de las herramientas. La herramienta se puede reblandecer (deformándose plásticamente).

- Puede producir cambios dimensionales en la pieza (dilatación térmica), lo que puede afectar a las dimensiones finales (precisión y tolerancia).

- Excesiva temperatura: daños térmicos, incluso cambios metalúrgicos en la superficie de la pieza.

Las principales fuentes de calor son: (i) trabajo de cizallamiento; (ii) energía disipada por fricción herramienta-viruta; (iii) calor generado por fricción herramienta-superficie mecanizada.

Algunas fórmulas para determinar la temperatura en función de parámetros básicos del mecanizado fueron determinadas experimentalmente, se pueden consultar en [1].

En cuanto a la distribución de temperatura en la zona de corte (Fig. 21) obsérvese que la máxima temperatura no se alcanza en el filo de corte, sino que lo hace en la cara de desprendimiento de la herramienta, donde se produce el deslizamiento de la viruta.

Figura 21. Dificultad de diferentes procesos de mecanizado en función de la dificultad de evacuación o eliminación del calor generado (izq.). (Fuente [2]) . Ejemplo de la distribución de

temperatura en la zona de corte (dcha). (Fuente [1])

Dificultad [por eliminación calor]

Pro

ceso

de

mec

aniz

ado

Torneado

Fresado

Taladrado

Escariado

Mandrinado

Taladrado profundo

Roscado interior en torno

Roscado con macho


A.L.M. 147

TIEMPOS Y COSTES DE MECANIZADO

El tiempo total en un proceso de mecanizado tT se corresponde con:

cmpT tttt (13)

siendo tp el tiempo necesario para la preparación de la máquina y de la pieza, tc es el tiempo de corte, tm es el tiempo de maniobra (movimientos sin corte, cambio de herramienta…). Por ejemplo, para una operación de torno, el tiempo de corte será:

ccca

c va

S

va

Dl

D

va

l

na

l

v

lt

100010001000

(14)

siendo, l la longitud a mecanizar [mm], va la velocidad de avance [mm min-1], a el avance [mm rev-

1], n la velocidad de giro de la pieza [rpm], D el diámetro de la pieza [mm], vc la velocidad de corte [m min-1] y 1000 es un factor para pasar la velocidad de corte a mm min-1. S se corresponde con la superficie lateral de cilindrado [mm2].

Nota: para más información sobre ecuaciones y parámetros de corte de las diferentes operaciones de mecanizado se recomienda la lectura de [1] y [2].

Los costes de fabricación Cf mediante mecanizado se determinan utilizando la misma expresión descrita en el anexo del tema 2:

huAomf CCCCCC (15)

siendo:

- Coste de Materia Prima Cm.

- Coste de Mano de Obra Directa Co.

- Coste de Amortización de máquinas y equipos empleados CA (puede aplicarse sobre los costes indirectos o generales, pero es más preciso calcularlo sobre cada tipo de máquina y equipo).

- Coste de Útiles especiales Cu.

- Coste de Herramientas Ch.

En esta ocasión deberemos prestar especial atención al coste de las herramientas. En el mercado podemos encontrar una gran variedad de herramientas, el coste de éstas puede variar, en función del tipo de material, desde 1.5-7.5 € para plaquitas de carburos sin recubrir hasta 70-80 € para plaquitas con punta de diamante (valores orientativos).

En el coste de las herramientas se puede incluir el coste del cambio de la herramienta, entendiendo este coste como el coste de ocupación del puesto de trabajo (tiempos muertos).


A.L.M. 148

4.3 Materiales. Desgaste y Lubricación

En este apartado se va a realizar una breve introducción sobre los principales materiales que se utilizan como herramientas de corte y fluidos de corte (lubricantes/refrigerantes). También hablaremos del desgaste de la herramienta durante los trabajos de mecanizado.

MATERIALES PARA HERRAMIENTAS DE CORTE

El material de las herramientas de corte es uno de los factores más importantes en las operaciones de mecanizado. La complejidad de este factor hace que habitualmente se recurra a las guías y recomendaciones de los fabricantes de las máquinas-herramienta y de las propias herramientas como primer criterio a la hora de seleccionar un material u otro.

En general, el material de la herramienta debe poseer las siguientes características:

- Dureza en caliente: para que se mantengan sus propiedades mecánicas en las condiciones de elevadas temperaturas a las que se suele someter. En la siguiente figura se muestra la variación de la dureza con la temperatura de diferentes materiales. La deformación elástica de la herramienta durante la operación de corte debe ser mínima. No puede consentirse una deformación plástica en la superficie. La capacidad de carga y el límite elástico deben ser lo suficientemente amplios para soportar las presiones de trabajo.

Figura 22. Dureza vs Temperatura. (Fuente [1])

- Tenacidad y resistencia al impacto: para evitar astillado o fracturas. La tenacidad del material debe ser suficiente como para soportar las condiciones de trabajo. Esta cualidad se refiere directamente a los límites de rotura y fatiga.

- Resistencia al impacto térmico: para soportar ciclos de temperatura.

- Resistencia al desgaste: relacionado con la vida útil. Las fuertes presiones de trabajo y la dureza del material a eliminar inciden directamente sobre la superficie de la herramienta, lo

Temperatura, ºF

Temperatura, ºC

Du

reza

, HR

A

Du

reza

, HR

C

A

ceros de alta velocidad

Carburos

Cerámicos

Aceros al carbono


A.L.M. 149

que hace que sea necesario disponer de un acabado superficial que haga frente a estos problemas de fricción, abrasión, adhesión o corrosión.

- Estabilidad química y neutralidad: con respecto al material a mecanizar.

- Afilado: el diseño geométrico de la herramienta debe ser el adecuado para producir el corte y no la deformación plástica del material de trabajo. El filo depende de las cualidades mecánicas de la pieza. Cuanto más duro sea el material a mecanizar el ángulo del filo será más amplio y cuanto más dúctil mas afilada tiene que estar la herramienta.

- Capacidad de eliminación de viruta: fundamental en el mecanizado de materiales dúctiles, cuando se está trabajando con alto grado de automatización. Se deben diseñar geometrías de herramienta que faciliten la rotura de la viruta como paso previo a la extracción de la misma.

Actualmente existe una gran variedad de materiales y tipos de herramientas (diferentes propiedades mecánicas, físicas, químicas) para satisfacer los requerimientos necesarios para mecanizar los diferentes tipos de material existentes.

A veces resulta difícil decidirse por un material u otro, ya que es difícil encontrar un material perfecto, que tenga todas las propiedades requeridas para una determinada operación.

En la siguiente tabla el sentido de las flechas indica el aumento o incremento de cada propiedad.

Tabla 3. Características generales de los materiales para herramientas de corte (existen muchas variantes dentro de cada tipo). (Fuente [1])

Aceros de

alta velocidad

Aleaciones de cobalto

fundido

Carburos no

recubiertos

Carburos recubiertos

Cerámicos Nitruro de boro cúbico

policristalino Diamante

Dureza en caliente

Tenacidad

Resistencia al impacto Resistencia al desgarre Resistencia al astillado Velocidad de corte

Resistencia al impacto

térmico

Coste

Profundidad de corte

De ligera a profunda Muy ligera

Método de fabricación

Forjado, fundido,

sinterizado

Forjado, sinterizado

Prensado en frío,

sinterizado

Deposición física o

química de vapor

Prensado en frío,

sinterizado

Sinterizado de alta presión y alta temperatura

A continuación se hará una breve descripción de las características de los principales materiales utilizados para herramientas de mecanizado. Para más información se recomienda la Fuente [1].


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Aceros de alta velocidad (HSS): se llaman así porque fueron desarrolladas para su uso en máquinas capaces de trabajar a mayores velocidades de lo que era posible a principios del siglo XX. Son los aceros que tienen mayor aleación que el resto de aceros para herramientas. Gracias a su tenacidad (alta resistencia a la fractura) son adecuadas para:

- Herramientas con ángulos grandes y positivos de desprendimiento o de ataque (ángulo de herramienta pequeño).

- Cortes interrumpidos.

- Máquinas con baja rigidez – trabajos con vibraciones.

- Herramientas complejas de una sola pieza (brocas, machos de roscar…)

Existen principalmente dos tipos de herramientas: al molibdeno (serie M, hasta el 10% de Mo) y al tungsteno o wolframio (serie T, entre 12 y 18% de W). Estas herramientas suelen ser enterizas y se afilan conforme se van desgastando.

Figura 23. Herramientas enterizas.

Aleaciones de cobalto fundido: aparecieron en 1915, composición: 38-53% de Co; 30-33% de Cr; 10-20% de W. Presentan elevada dureza, muy resistentes al desgaste. No son tenaces, son sensibles a impactos. En la actualidad suelen utilizarse para operaciones de desbaste con velocidades y avances relativamente elevadas.

Carburos: las herramientas anteriores tienen limitaciones en trabajos en caliente (no pueden utilizarse a elevadas velocidades). Para solventar este inconveniente se utilizaron los carburos (año 1930). Quizás sean las herramientas más importantes, versátiles y con un coste razonable dadas sus características: elevada dureza en un amplio rango de temperaturas, alto módulo elástico, alta conductividad térmica y baja dilatación térmica. Los dos grupos más utilizados son:

- Carburos de tungsteno: compuestas por partículas de carburo tungsteno (1-5 μm) aglutinadas en una matriz de cobalto (6-16%). El porcentaje de cobalto influye notablemente en las características finales de las herramientas. A mayor cobalto disminuye la resistencia, la dureza y la resistencia al desgaste y aumenta la tenacidad. Se fabrican mediante metalurgia de polvos (sinterizado). Se puede añadir carburo de titanio y/o carburo de niobio para darles propiedades especiales. Estas herramientas han reemplazado a los aceros de alta velocidad.

o Carburos micrograno: tamaño de grano de 0.2 a 0.8 μm. Son más fuertes, duros y resistentes al desgaste que los anteriores.

o Carburos con gradientes funcionales: la composición de la herramienta no es uniforme, es gradual. Presentas diferentes graduaciones de su composición en función de la profundidad de la herramienta, variando sus propiedades.


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- Carburos de titanio: consiste en una matriz de níquel-molibdeno. Es más resistente al desgaste que los carburos de tungsteno, pero es menos tenaz.

- Plaquitas de carburo: habitualmente este tipo de herramientas constan de un cuerpo de acero de alta velocidad y una plaquita de carburo intercambiable como filo de corte. Las plaquitas pueden tener diferentes formas, cuanto menor sea el ángulo de la plaquita menor será su resistencia.

Figura 24. Ejemplos de herramientas de mecanizado con plaquita. (Fuente [1])

Figura 25. Distintas formas de plaquitas. (Fuente [1])

- Clasificación de los carburos: gran variedad, difícil de clasificar. Según su uso se clasifican en P (para metales ferrosos con virutas largas - Azul), M (para metales ferrosos con virutas largas o cortas y metales no ferrosos - Amarillo) y K (para metales ferrosos con virutas cortas, metales no ferrosos y materiales no metálicos - Rojo) según normativa ISO.

Cerámicos a base de alúmina: en 1950 los materiales que se utilizaban para las herramientas de mecanizado se basaban en el óxido de aluminio de alta pureza de grano fino (se prensan y se sinterizan en frío), a este producto se les conoce como cerámicos blancos. Se les puede añadir carburo de titanio y óxido de zirconio para mejorar la tenacidad y resistencia al impacto térmico.

Cermets: herramientas compuestas de cerámica y metal. Se utilizan partículas de material cerámico en una matriz metálica (materiales cerámicos negros o prensados en caliente). Lo normal es 70% de óxido de aluminio y 30% de carburo de titanio.

Las herramientas de este tipo suelen tener valores muy altos de resistencia a la abrasión y dureza en caliente. Químicamente son más estables que los carburos y los aceros de alta velocidad, por lo que tienden menos a adherirse al material de la pieza y a formar filos de recrecido.

Aumenta resistencia

Facilidad de romperse

Cuerpo

Sujeción

Abrazadera Plaquita Asiento

Plaquita Cuerpo

Sujeción

Asiento


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Nitruro de boro cúbico (cBN): después del diamante es el material más duro que existe. Se produce uniendo una capa de 0.5-1 mm de nitruro de boro cúbico policristalino a un sustrato de carburo mediante sinterización a alta presión y alta temperatura. El carburo proporciona resistencia al impacto, la capa de cBN aporta una resistencia muy elevada al desgaste y resistencia del filo de corte. A elevadas temperaturas son prácticamente inertes químicamente al hierro y níquel (no hay desgaste por difusión). Tienen elevada resistencia a la oxidación.

Figura 26. Herramientas con punta de nitruro de boro cúbico policristalino. (Fuente [1])

Cerámicos con base de nitruro de silicio (SiN): consisten en nitruro de silicio con adiciones de óxido de aluminio, óxido de itrio y carburo de titanio. Presentan tenacidad, dureza en caliente y buena resistencia al impacto térmico.

Diamante: material más duro. Algunas propiedades de este tipo de herramientas: baja fricción; alta resistencia al desgaste; capacidad de mantener su filo de corte (desgaste). Se suele utilizar cuando se requiere un buen acabado superficial y precisión dimensional.

Fibras de refuerzo: dada la necesidad de mecanizar cada vez materiales más resistentes, surgió el uso de fibras de refuerzo (longitud de 5-100 μm y diámetro de 0.1-1 μm) en materiales para herramientas de corte. Ejemplo:

- (i) Base de nitruro de silicio reforzadas con fibras de carburo de silicio. (ii) Base de óxido de aluminio y 25-40% de fibras de carburo de silicio, e incluso óxido de zirconio.

Herramientas con recubrimiento: con la aparición continua de nuevos materiales para mecanizar con propiedades cada vez más exigentes surge el desarrollo de las herramientas recubiertas. Estos recubrimientos aportan a la herramienta: menor fricción, mayor adhesión, mayor resistencia al desgaste y al agrietamiento, disminuye el desgaste por difusión, mayor dureza en caliente y resistencia al impacto. También pueden incrementar por 10 la vida útil de la herramienta. Los aspectos relativos a la rotura, deformación plástica o fatiga de la herramienta depende del metal base. Los recubrimientos deben cumplir:

- Alta dureza a elevadas temperaturas.

- Estabilidad química y neutralidad con respecto al material de la pieza de trabajo.

- Compatibilidad con el material del cuerpo de la herramienta.

- Muy poca o ninguna porosidad.

- Con todo esto se consigue: (i) Aumentar la resistencia al desgaste por fricción o abrasión. (ii) Disminuir la adherencia herramienta-pieza. (iii) Dificulta la aparición del filo de recrecido. (iv) Reduce rozamiento, realizando el trabajo con menores esfuerzos, se consiguen menores gradientes de temperatura.

Recubrimientos más usados: nitruro de titanio; carburo de titanio; carburo de cromo; carburo de niobio; carburo de vanadio; cerámicos; diamante; carbonitruro de titanio; nitruro de titanio; nitruro de zirconio, nitruro de hafnio.

Recubrimientos de fases múltiples: combinando varias capas de los recubrimientos anteriores.


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MAQUINABILIDAD

La mayoría de los metales y sus aleaciones pueden conformarse por arranque de viruta, aunque no todos los materiales se dejan trabajar con igual facilidad.

La maquinabilidad se define como la aptitud de los materiales para ser conformados por mecanizado mediante arranque de material o viruta. Generalmente se define en términos de cuatro factores:

- Acabado superficial e integridad superficial de la superficie mecanizada.

- Vida útil de la herramienta.

- Fuerza y potencia requerida.

- Nivel de dificultad de control de la viruta.

Se evalúa mediante la realización de una serie de ensayos en los que se evalúan las siguientes características:

- La duración del afilado de la herramienta.

- La velocidad de corte para una determinada duración de la herramienta.

- La fuerza de corte en la herramienta / potencia.

- El trabajo de corte.

- La temperatura de corte.

- La producción de viruta.

- Acabado superficial.

Experimentalmente se ha comprobado (para aceros) que la maquinabilidad depende de:

- Composición química del material. Tipo de microestructura (constitución).

- Inclusiones que contengan (partículas de ≠ material dentro de la estructura).

- Dureza y resistencia (materiales blandos se mecanizan a mayor velocidad).

- Ductilidad y acritud (los materiales se mecanizan mejor cuanto más elevada sea la relación: Límite elasticidad/Resistencia Mecánica).

- Tamaño del grano (el aumento del tamaño del grano facilita el mecanizado).

- Conductividad térmica.

- Presencia de aditivos libres.

Ej. Aceros: gran variedad de maquinabilidad, disminuyendo conforme aumenta el porcentaje de carbono (aumenta la dureza y el filo de la herramienta dura menos).

*Nota: para más información sobre la maquinabilidad de diversos materiales se recomienda la lectura del capitulo 21.7 Fuente [1].


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FLUIDOS DE CORTE

Se utilizan en operaciones de mecanizado para:

- Reducir fricción y desgaste (mejora la vida útil de la herramienta y el acabado de las piezas).

- Enfriar la zona de corte (mejora la vida útil de la herramienta, reduce la distorsión térmica en la pieza de trabajo).

- Reducir las fuerzas necesarias y el consumo de energía (coste).

- Retirar la viruta de la zona de corte.

- Proteger la superficie ya mecanizada de la corrosión ambiental.

Los fluidos de corte pueden ser refrigerantes, lubricantes o ambos. El agua es un excelente refrigerante, pero no lubrica y provoca la oxidación. El uso de un tipo de fluido u otro depende de: tipo de operación, materiales de la herramienta y la pieza, la velocidad de corte, entre otros.

Tipos de fluidos de corte.

- Aceites (aceites simples): aceites minerales, animales, vegetales, compuestos y sintéticos. Se suelen utilizar para trabajos a baja velocidad con temperaturas bajas.

- Emulsiones (aceites solubles): mezcla de aceite, agua y aditivos. Se utilizan en operaciones de alta velocidad y elevadas temperatura (la presencia de agua hace que sean mejores refrigerantes).

- Semi-sintéticos: emulsiones químicas (aceite mineral diluido en agua y aditivos).

- Sintéticos: productos químicos con aditivos, diluido en agua y sin aceite.

Métodos de aplicación: existen principalmente cuatro métodos:

- Inundación: es el más común, mediante una boquilla se aplica un chorro de fluido en la zona de corte

- Niebla: se suministra el fluido de forma semejante a un aerosol, permite llegar a zonas inaccesibles de la pieza de trabajo y proporciona mejor visibilidad.

- Sistemas de alta presión: se utiliza para mecanizados a altas velocidades, en los que la generación de calor es mayor.

- Mediante la herramienta de corte: el fluido de corte se aplica a través de la propia herramienta. Esta opción es útil en operaciones como el taladrado, en las que es difícil aplicar el fluido de corte directamente sobre la zona de corte.

A la hora de seleccionar un tipo de fluido u otro se debe tener en cuenta:

(i) Compatibilidad con el material de la herramienta y de la pieza.

(ii) Criterios medioambientales.

Últimos avances: (i) Mecanizado casi en seco y en seco (por criterios medioambientales); (ii) Mecanizado criogénico (uso de nitrógeno y bióxido de carbono como refrigerantes).


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DESGASTE DE LA HERRAMIENTA

La duración de la herramienta es un factor clave en todas las operaciones de mecanizado, afecta a la propia vida útil de las herramientas, a la calidad de la superficie mecanizada, la precisión dimensional del proceso, y todo ello $ IMPORTANCIA ECONÓMICA $.

A su vez, el desgaste depende de múltiples factores (material de la herramienta, material de la pieza, geometría de la herramienta, parámetros de corte, tipo de máquina-herramienta y del uso de fluidos de corte).

La pérdida en la capacidad de corte puede producirse de dos maneras:

- Progresivamente, por desgaste (gradualmente, como la punta de un lápiz). Tres mecanismos:

o Desgaste por adhesión: se produce al romperse las microsoldaduras existentes entre el material de la viruta y el de la herramienta, en la cara de desprendimiento. Al fracturarse estas microsoldaduras se desprenden pequeños fragmentos del material de la herramienta. Si existe rozamiento entre la cara de incidencia y la superficie mecanizada de la herramienta, se produce este desgaste, pasando fragmentos de material de la herramienta a la cara mecanizada.

o Desgaste por abrasión: partículas endurecidas de la viruta deslizan por la cara de desprendimiento de la herramienta, eliminando pequeñas cantidades de material de la herramienta.

o Desgaste por difusión: átomos de una red cristalina de una región de alta concentración, se desplazan, siempre a altas temperaturas, a otra región de concentración atómica menor.

- Instantáneamente, por desmoronamiento o fallo catastrófico: rápido deterioro de la arista de corte después de un periodo de corte bien ejecutado. Suele deberse a la combinación entre elevados esfuerzos de corte y elevadas temperaturas (importancia de la lubricación y refrigeración). No debe confundirse con la rotura prematura de la herramienta debido a algún defecto de ésta o por causas externas.

Figura 27. Principales zonas de desgaste de la herramienta.

Zonas de Desgaste:

- Desgaste en incidencia: ocasionado por el rozamiento entre la superficie mecanizada y la cara de incidencia de la herramienta. Se genera una franja de desgaste (suele atribuirse a adhesión y abrasión).

- Desgaste en desprendimiento (craterización / cara de ataque): en la zona de contacto de la viruta y la cara de desprendimiento de la herramienta. Suele ajustarse a la forma de la viruta, forma el denominado cráter (suele atribuirse a mecanismos de difusión).


A.L.M. 156

Otros tipos de desgaste:

- Desgaste de la punta: redondeo de la herramienta afilada (por efectos mecánicos y térmicos).

- Redondeo del filo: relacionado con el anterior.

- Deformación plástica: elevadas temperaturas.

- Ranuras o muescas: relacionadas con la presencia de cascarilla o capas de óxido en la superficie de la pieza de trabajo.

- Astillado: característicos en materiales frágiles (como herramientas cerámicas). Si es pequeño se denomina microastillado, si es grande astillado grueso, fractura gruesa, hasta llegar al fallo catastrófico. Principales causas: impactos y fatiga térmica (variaciones cíclicas de temperatura).

Figura 28. Ejemplos de desgastes en herramientas de mecanizado. (Fuente [1])

Ataque

Incidencia

Desgaste

Filo de corte astillado

Filo de recrecido

C. Ataque

C. Ataque

C. Ataque

Cráter

Incidencia

C. Ataque

Agrietamiento térmico

C. Ataque

Incidencia

Fallo Catastrófico


A.L.M. 157

DURACIÓN O VIDA ÚTIL DE LA HERRAMIENTA

La duración o vida útil de la herramienta es vital desde un punto de vista económico. Los estudios e investigaciones en este ámbito se han dirigido tanto al fenómeno de formación de la viruta, como a la elección de las condiciones adecuadas para asegurar una larga vida útil a la herramienta.

Algunas definiciones según la norma UNE 16-148-85 Ensayos de duración de herramientas de torno de corte único, correspondiente a la ISO 3685-1977 Tool-life testing with single-point turning tools:

- Desgaste de la Herramienta: modificación de la geometría de corte de la herramienta, con relación a su geometría original, que tiene lugar durante el corte y que es debida a la pérdida progresiva del material de la herramienta.

- Medida del Desgaste de la Herramienta: dimensión medible que permite cuantificar el valor de desgaste.

- Criterio de Duración de la Herramienta: valor límite preestablecido en la medida del desgaste de la herramienta, o la aparición de un determinado fenómeno o circunstancia. Suele denominarse también criterio de desgaste.

- Duración o Vida de la Herramienta: tiempo de corte, para unas condiciones de mecanizado dadas, necesario para alcanzar un criterio de duración de la herramienta.

Medida del Desgaste de la Herramienta

Desgaste de Incidencia, se mide en la zona media del filo de corte:

- Ancho medio de la zona de desgaste VB.

- Ancho máximo de la zona de desgaste VBmax.

Desgaste en desprendimiento, se mide en la cara de desprendimiento:

- Profundidad del cráter KT.

- Cotas KB y KM.

Figura 29. Esquema de las medidas a realizar para cuantificar el desgaste. (Fuente [5])

En general, y según criterios económicos, el desgaste en incidencia es el principal factor a tener en cuenta. Sólo a muy altas velocidades de corte cobra importancia el desgaste en la cara de desprendimiento.


A.L.M. 158

Criterios de Desgaste

En general, la evolución del desgaste suele ser progresiva. Por ejemplo, para el desgaste en la cara de incidencia se suele producir la siguiente evolución.

Figura 30. Evolución del desgaste de incidencia (VB) en función del tiempo de corte. (Fuente [5])

En la anterior figura podemos observar tres zonas:

- Zona A: se produce un desgaste inicial más pronunciado de la herramienta.

- Zona B: entramos en una zona donde el desgaste de la herramienta es más lento, manteniendo una tendencia lineal con el tiempo de corte (horas de trabajo).

- Zona C: entramos en una zona donde aumenta la velocidad de desgaste hasta llegar a inutilizar la herramienta.

Ante esta situación, el técnico responsable deberá fijar algún/os criterio/s de desgaste que evite entrar en la Zona C. Por ejemplo, para la evolución mostrada en la Figura 30, un buen criterio puede ser “cambiar la herramienta cuando VB sea igual a 0.3”. Otros criterios que se pueden establecer:

- Cuando se alcance cierto valor de VB, VBmáx, o KT.

- Cuando se produzca el fallo catastrófico de la herramienta.

- Cuando la rugosidad de la cara mecanizada alcance niveles no admisibles.

- Cuando se observen grietas en la arista de corte.

- En función del peso o volumen de la herramienta.

- Cuando las características geométricas de la pieza terminada no sean admisibles.

- Cuando se observe un incremento significativo de la fuerza de corte (potencia consumida) necesaria para realizar el corte.

Por ejemplo, según la UNE 16-148-85 establece los siguientes criterios para realizar el cambio de herramientas de acero rápido:

- Desmoronamiento o fallo catastrófico.

- VB igual o superior a 0.3 mm, siempre y cuando el desgaste sea uniforme.

- VBmáx igual o superior a 0.6 mm, en el caso de tener un desgaste irregular.


A.L.M. 159

Vida de la Herramienta

En otros casos, interesa expresar el momento del cambio de la herramienta en función de otros parámetros:

- En función del tiempo de corte (horas de trabajo).

- En función del volumen de material arrancado, de interés científico.

- En función de la cantidad de piezas producidas, de interés para el operario y el cálculo de los costes.

- En función de la velocidad de corte, de interés para la realización de catálogos de herramientas y poder comparar herramientas de diferentes características.

Ecuación de Taylor

F.W. Taylor (1906) estudió el desgaste y la vida útil de diferentes herramientas mediante largas series de ensayos sistemáticos. En estos ensayos iba variando la velocidad de corte mientras que mantenía invariables el resto de parámetros del proceso. Como criterio para determinar la vida útil de las herramientas optó por el desmoronamiento del filo de la herramienta. Tras realizar los ensayos, Taylor obtuvo la siguiente ecuación de la vida de la herramienta que aún se usa en la actualidad:

CTv n (16)

CTnv logloglog (17)

donde, v es la velocidad de corte [m/min], T es la duración de la herramienta [min], n es un factor que depende del material (se corresponde con la pendiente de la recta logarítmica) y C es una constante que expresa la velocidad de corte correspondiente a una duración unitaria de la herramienta [1 min], esta constante es un indicador de la maquinabilidad del material de la pieza. Si trabajamos con una misma herramienta diferentes materiales, cuanto mayor sea esta constante mayor será la maquinabilidad del material (permite trabajar a mayor velocidad de corte).

Figura 31. Representación gráfica de la ecuación de Taylor (vida útil vs velocidad de corte). (Fuente [5])

El factor n se corresponde con la pendiente de la recta correspondiente a la forma logarítmica de la ecuación de Taylor, conocidos dos pares de valores [v, T] se puede determinar dicho factor. Algunos valores del factor n son: 0.15 para acero rápido, 0.30 para metal duro y 0.70 para cerámica de corte 0.70. A mayor valor del factor n menos sensible se muestra la vida útil de la herramienta al aumentar la velocidad de corte. Investigaciones posteriores han mostrado válida esta ecuación para el mecanizado de aceros suaves y aleaciones de buena maquinabilidad, en condiciones de vida útil de la herramienta entre 10 y 50 minutos. Para piezas de elevada resistencia, sobretodo con herramientas de vida útil elevada, estas ecuaciones no se ajustan bien.


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4.4 Torneado

En el torneado se obtienen piezas de trabajo rectas, cónicas, curvadas o ranuradas, como ejes, husillos, pasadores… En la siguiente figura se presentan las principales operaciones básicas a tener en cuenta en operaciones en torno.

Figura 32. Principales operaciones en torno. [Fuente (1)]

En un torno las operaciones que se realizan de mecanizado suelen ser de cilindrado y refrentado en todo tipo de materiales, se suelen utilizar herramientas de una sola punta, aunque también pueden utilizarse herramientas de forma, brocas de taladrar o machos de roscar. El manejo de los tornos requiere de mano de obra especializada, sobre todo si el torno es manual (artesanos muy experimentados). En el caso de tornos CNC, la mano de obra no tiene que ser tan especializada, aunque se requiere de un programador.

Además, se pueden distinguir dos tipos de operaciones:

- Operaciones de desbaste: suelen ser las primeras operaciones que se hacen, tienen como objetivo arrancar grandes volúmenes de material lo más rápido posible, sin tener en cuenta el acabado superficial o las tolerancias. El mayor requerimiento es la resistencia del filo de corte.

- Operaciones de acabado: se trabaja con una profundidad menor y una velocidad de avance más baja, con el objetivo de obtener el acabado superficial y las tolerancias exigidas.

Cilindrado exterior Torneado cónico Perfilado

Cilindrado y ranurado exterior

Refrentado Ranurado frontal

Torneado con herramienta de

forma

Mandrinado y ranurado interior

Taladrado

Tronzado Roscado Moleteado


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Figura 33. Otros ejemplos de operaciones en torno.

OPERACIONES BÁSICAS EN TORNO

Cilindrado: esta operación se realiza mediante el giro de la pieza y el movimiento longitudinal del carro portaherramientas siguiendo una trayectoria paralela al eje de giro de la pieza, trabajando la superficie exterior de la pieza de trabajo. Parámetros fundamentales: velocidad de giro de la pieza, velocidad de avance de la herramienta en sentido longitudinal y profundidad de corte en sentido transversal.

Refrentado: esta operación se realiza mediante el giro de la pieza y el movimiento transversal del carro portaherramientas siguiendo una trayectoria perpendicular al eje de giro de la pieza, trabajando la cara frontal de la pieza de trabajo. Parámetros fundamentales: velocidad de giro de la pieza, velocidad de avance de la herramienta en sentido transversal y profundidad de corte en sentido longitudinal. Si mantenemos la velocidad de giro constante, a medida que se reduce el diámetro de la pieza disminuye la velocidad de corte.

Ranurado: igual que en refrentado, excepto que se utiliza una herramienta de ranurar y no se trabaja en la cara frontal de la pieza.

Tronzado: igual que en ranurado, salvo que se mecaniza hasta el centro de la pieza y se tronza la pieza de trabajo. Precauciones especiales en ranurado y tronzado:

- Accesibilidad de la herramienta: deben ser largas y estrechas. La punta de la herramienta sufre bastante desgaste y suelen tener menor vida útil que otras herramientas.

- Longitud de voladizo: las herramientas de ranurar o tronzar demasiado largas presentan problemas de vibraciones e inestabilidad.

- Problemas para disipar el calor: el calor sólo se puede disipar a través del hueco de la ranura, la propia viruta impide la acción del lubricante. También puede haber problemas de atasco de las virutas.

Cilindrado interior o mandrinado: igual que el cilindrado, con la diferencia que la herramienta trabaja el interior de orificios ya realizados.

Roscado exterior e interior: ver apartado 4.7.

También existe la posibilidad de incorporar herramientas motorizadas en las torretas portaherramientas giratorias, generalmente en tornos CNC. Estas herramientas permiten combinar operaciones de torneado convencional (Fig. 32) con herramientas de fresado, taladrado, rectificado…


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COMPONENTES DEL TORNO

Figura 34. Principales componentes de un torno convencional. [Fuente (1)]

Principales movimientos en torno:

- Movimiento de corte: rotativo – la pieza.

- Movimiento de avance: lineal – la herramienta.

- Movimiento de penetración: lineal – la herramienta.

Soporte Carro principal

Guías

Contrapunto

Boquilla del contrapunto Ensamble del contrapunto

Volante

Control de avance longitudinal y transversal

Bancada

Tornillo de avance

Barra de avance

Embrague

Portaherramientas

Husillo principal

Cabezal

Selector de velocidades del husillo

Carro transversal

Embrague

Selector de avance

Tablero

Recolector de virutas

Selector para roscado


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COMPONENTES DEL TORNO CNC

Figura 35. Principales componentes en un torno CNC.

La bancada: soporta los componentes principales del torno. Grandes y rígidas, suelen ser de hierro gris o hierro fundido. En la parte superior de la bancada nos encontramos con dos guías o correderas principales.

El carro: se desliza sobre las guías. En el carro nos encontramos una corredera transversal sobre la que se monta el portaherramietas.

El tablero: equipado con los mandos de control de los movimientos de los carros.

Cabezal: se fija a la bancada, está equipado con los motores y sistemas de transmisión que dan la potencia al husillo principal y al movimiento de los carros principal y secundario.

Carro del contrapunto: puede deslizar sobre las guías principales. Se utiliza para sujetar por el otro extremo a la pieza de trabajo o para realizar trabajos con herramientas colocadas en el contrapunto.

Dispositivos de sujeción de la pieza de trabajo: deben asegurar la correcta sujeción de la pieza de trabajo. La sujeción se suele realizar con los denominados platos de garras o platos de arrastre (con tres o cuatro mordazas).

Los platos de garras de tres mordazas suelen tener un sistema de autocentrado de las mordazas, por lo que se suelen utilizar para trabajar con piezas redondas.

Los platos de garras de cuatro mordazas suelen permitir el movimiento independiente de las distintas mordazas para poder trabajar con piezas de otras geometrías.

Carro transversal

Carro principal

Contrapunto

Plato de garras Refrigerante

Porta-herramientas

Z+

X+

Panel de control

Volantes frontales

Joystick


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También existen mordazas que se pueden invertir para poder sujetar las piezas de trabajo por la superficie interior (por ejemplo por el interior de un tubo).

Dado las mayores exigencias de las máquinas-herramienta más modernas (velocidades de trabajo, fuerzas…) se ha avanzado mucho en los dispositivos de sujeción. Existen dispositivos neumáticos o hidráulicos que permiten, de forma automatizada, la sujeción de las piezas de trabajo (que pueden venir suministradas mediante robots).

Figura 36. Dispositivos de sujeción de la pieza de trabajo.

Tipos de sujeción:

- Sujeción al aire: la pieza se sujeta por uno de sus extremos, el plato de garras es el responsable de transmitir el movimiento de giro a la pieza. Es válido para piezas poco esbeltas. La pieza se puede asimilar a una viga empotrada.

Figura 37. Sujeción al aire (izq.) y sujeción entre plato y punto (dcha.).

- Sujeción entre plato y punto: la pieza se sujeta por unos de sus extremos mediante el plato de garras, el otro extremo queda apoyado en el contrapunto. El plato de garras transmite el movimiento de giro a la pieza. Admite piezas semi-esbeltas. La pieza se puede asimilar a una viga empotrada y apoyada..

- Sujeción entre puntos: la pieza queda apoyada en contrapuntos en sus dos extremos. El movimiento de giro se transmite a la pieza mediante una mordaza en un punto intermedio. Admite piezas semi-esbeltas. La pieza se puede asimilar a una viga doblemente apoyada.

Figura 38. Sujeción entre puntos.

Accesorios: finales de carrera de seguridad para el carro principal y transversal (topes)


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Tipos de herramientas: existen tres tipos de herramientas:

- Herramientas enterizas.

- Herramientas de plaquita soldada.

- Herramientas de plaquita intercambiable.

Figura 39. Tipos de herramientas en torno (I).

Figura 40. Tipos de plaquitas de torno y dimensiones a definir en el simulador WinUnisoft.

Figura 41. Algunos ejemplos de tipos de herramientas en torno (II).

Tipos de sujeción de herramientas: podemos considerar las torretas portaherramientas con cambio manual (generalmente permite la colocación de 4 herramientas) o las torretas giratorias

Cilindrado exterior (plaquita rómbica)

Roscado exterior Ranurado exterior

Herramienta con plaquita redonda

Broca de taladrad Ranurado interior


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portaherramientas con cambio automático (revólver para 6-10 herramientas). Los tambores de giratorios se suelen utilizar en centros de mecanizado.

Figura 42. Torreta portaherramientas manual (a); Torreta giratoria automática (b). Tambor giratorio (c). (Fuente [2])

Geometría de la herramienta: para las herramientas de un solo filo se deben conocer sus diversos ángulos ya que es importante tenerlos en cuenta a la hora de realizar las diferentes operaciones de mecanizado: (valores generales se pueden consultar en [1])

- Ángulo de ataque (desprendimiento): importante para controlar la dirección de la viruta y la resistencia de la punta.

- Ángulo de filo de corte (herramienta): afecta a la formación de viruta, resistencia de la herramienta y fuerza de corte.

- Ángulo de alivio (incidencia).

- Radio de punta: afecta al acabado superficial y a la resistencia de la punta.

Figura 43. Torreta portaherramientas manual (a); Torreta giratoria automática (b). Tambor giratorio (c). (Fuente [1])

Ángulo de punta

Superficie de ataque

Ángulo de extremo del filo de corte

Radio de punta

Ángulo lateral del filo de corte

c) b) a)

Cara lateral

Ángulo de cuña

Ángulo de ataque posterior

Ángulo de alivio del extremo

Ángulo de ataque lateral

Ángulo de alivio lateral


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TIPOS DE TORNOS

Tornos de banco: se colocan en un banco o mesa de trabajo. Su potencia es baja, con avance manual y se utilizan para trabajar piezas pequeñas. Los tornos de los cuartos de herramientas tienen alta precisión, permitiendo mecanizar piezas con tolerancias pequeñas.

Figura 44. Torno de banco. Tipos de herramientas en torno (II).

Tornos de propósito especial: para aplicaciones con piezas muy grandes (ruedas de tren…). Por ejemplo, los tornos verticales se utilizan para trabajar piezas grandes y pesadas en las que resulta más complicado trabajar con el eje de giro de la pieza en horizontal.

Figura 45. Torno vertical (izq.) y torno copiador (dcha.).

Torno copiador: la herramienta de corte sigue la trayectoria de una plantilla (dispone de un palpador o similar que sigue el contorno de la plantilla a copiar).

Torno automático: con el desarrollo de la tecnología utilizada en las máquinas-herramienta se han ido automatizando progresivamente los tornos. Podemos encontrar tornos semiautomáticos en los que el operador debe realizar algunas tareas o tornos completamente automatizados en los que hasta la colocación y retirada de la pieza de trabajo se encuentra automatizada.

Máquinas automáticas para barras: son máquinas específicas diseñadas para la producción a altas velocidades de tornillos y partes roscadas.


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Tornos de torreta (revólver): son máquinas capaces de realizar diferentes operaciones de mecanizado (cilindrados, mandrinado, taladrado, roscado, refrentado). El componente que caracteriza a este tipo de máquinas es la torreta portaherramientas hexagonal que permite la colocación de hasta seis herramientas. El cambio de herramienta se realiza girando la torreta o revólver).

Figura 46. Torno de torreta (revólver). (Fuente [1])

Tornos controlados por ordenador (CNC): el movimiento de los diferentes componentes de la máquina-herramienta se realiza mediante códigos numéricos.

Figura 47. Torno CNC y torreta (10 herramientas). (Fuente [1])

En la siguiente figura se muestra una comparativa entre diferentes procesos de fabricación y la rugosidad que se puede conseguir en la superficie de las piezas fabricadas. Dicha figura puede servir de orientación a la hora de elegir un proceso de fabricación u otro, en función de los requerimientos de diseño en cuanto a calidad superficial.

Panel de control

Husillo principal Torreta 1

Torreta 2 Cabeza móvil

Broca Fresa

Broca

Motor individual

Escariador

Herramienta torneado/

mandrinado

Torreta

Corredera Avance y retroceso

Portaherramientas (torreta cuadrada)

Barra de paro

Selector de velocidades del husillo

Selectores de avance Palanca de avance longitudinal

Cambio posición torreta Volante torreta Eje de avance

Volante del carro

Volante de la corredera Palanca de avance transversal


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Figura 48. Rugosidad vs Proceso Fabricación. (Fuente [1])

Rugosidad (Ra)

Corte de desbasteOxicorte Rectificado grueso Aserrado

Fundición Arena Molde permanente Revestimiento A presión

Conformado Laminación caliente Forja Extrusión Laminación frío Bruñido por rodillos

Mecanizado Planeado y cepillado Fresado Brochado Escariado Torneado, mandrilado Taladrado

Mecanizado avanzado Químico Electroerosión Haz de electrones Rayo láser Electroquímico

Acabado Asentado Tamboreo Rectificado electroquímico Rectificado Electropulido Pulido Lapeado Superacabado


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OTRAS OPERACIONES EN TORNO

Roscado (ver apartado 4.7).

Mandrinado: agrandar orificios previamente realizados mediante otra operación. Las herramientas son similares a las del torneado, se montan en la denominada barra de mandrinado. Algunas operaciones de mandrinado en piezas pequeñas se pueden realizar en torno (Fig. 49 izq.). En caso de orificios más profundos, piezas pesadas y voluminosas se puede trabajar con máquinas-herramienta específicas “mandrinadoras”. En estas máquinas la pieza permanece fija y es la herramienta quien realiza todos los movimientos (Fig. 49 dcha.).

Figura 49. Mandrinado en torno (izq.) y mandrinadora (dcha.). (Fuente [2])

Algunas consideraciones: (i) es preferible diseñar orificios pasantes en vez de ciegos (facilita la expulsión de viruta); (ii) a mayor relación longitud/diámetro mayor dificultad de mecanizar; (iii) se deben evitar superficies interiores interrumpidas (ranuras internas…).

Figura 50. Esquema barra de mandrilar con plaquita de carburo (izq.); barra de mandrilar con discos de inercia (dcha.). (Fuente [1])

Taladrado (ver apartado 4.6).

Escariado: operación para mejorar el acabado superficial y tolerancia dimensional de orificios realizados previamente mediante taladrado (u otro proceso).

Plaquita Mango Refrigerante Discos de aleación de tungsteno

Figura 51. Herramientas de escariado.


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4.5 Fresado

El fresado se considera un tipo de mecanizado muy versátil, abarca una gran variedad de tipos de operaciones, la herramienta que se utiliza se denomina fresa (herramienta multi-filo). Hoy en día el fresado es el método de mecanizado más ampliamente utilizado. Algunas ventajas del fresado: (i) Alta eficiencia del mecanizado; (ii) Buen acabado superficial; (iii) Precisión y flexibilidad en la producción de formas.

En el fresado tenemos movimientos coordinados entre una herramienta rotativa con varias puntas o filos de corte y un avance recto (o siguiendo trayectorias complejas) de la pieza. El fresado es una operación de corte ininterrumpido, los dientes de la fresa entran y salen del trabajo durante una revolución. Los dientes de la herramienta se ven sometidos a fuerzas de impacto y choque térmico en cada rotación.

Figura 52. Actuador de Rigidez Variable (ARV).

En la siguiente figura se presentan las principales operaciones básicas a tener en cuenta en operaciones en fresado.

Figura 53. Principales operaciones en fresa.

Chaflanes

Copiados y contorneado Vaciados

Ranuras y cortes Ranuras y bordes

Escuadrado y canteado Planeado y escuadrado

Torno-Fresado


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OPERACIONES BÁSICAS EN FRESADO

Planeado y escuadrado: consiste en obtener grandes superficies planas o en obtener superficies que formen ángulos de 90º. Importante: evitar el corte en retroceso de los dientes de corte (se inclina la herramienta respecto a la superficie de trabajo.

Ranurado y bordes: para obtener ranuras se deben trabajar varias superficies de la pieza de trabajo, habrá que tener especial precaución a la hora de seleccionar la herramienta. La ranura puede ser abierta en sus dos extremos, cerrada en un extremo o cerrada en ambos extremos (chavetero). Se debe tener especial atención en la evacuación de la viruta. En bordes se incluyen los trabajos de mecanizado de bordes que no estén a escuadra. Importante: problemas de vibraciones con herramientas con relación longitud/diámetro alta, uso de volantes de inercia.

Vaciados: consiste en la eliminación masiva de material con el objeto de crea una cámara o hueco de dimensiones superiores a las dimensiones de la propia herramienta. Generalmente se empieza realizando una operación de mecanizado en dirección perpendicular a la superficie de trabajo, hasta llegar a la profundidad deseada, y luego se mecaniza en dirección paralela a la superficie de trabajo. También es posible trabajar en direcciones no paralelas a la superficie de trabajo. Importante: para taladrar (trabajar perpendicular a la superficie) es necesario que los filos de corte atraviesen el centro de la fresa.

Copiado y contorneado: se utilizan herramientas especiales para mecanizar contornos curvos, por copia directa de una pieza patrón (copiado) o siguiendo trayectorias complejas controlando los movimientos mediante código numérico CNC (contorneado).

Corte con separación de partes o serrado: se utilizan fresas de ranurar o fresas tipo disco.


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FRESADO PERIFÉRICO O CILÍNDRICO

El eje de giro de la herramienta es paralelo a la superficie de trabajo. El cuerpo de la herramienta tiene varios filos de corte (suele ser de acero de alta velocidad). Si la longitud de la fresa es superior a la anchura del corte, se denomina fresado plano. La herramienta puede tener dientes rectos o helicoidales (se prefieren los segundos, pues cada filo de corte ataca a la pieza progresivamente, mejor reparto de esfuerzos, operación más suave y sin traqueteo).

Figura 54. Fresado periférico (izq.); de careado (centro); frontal (dcha.). (Fuente [1])

Dentro del fresado cilíndrico podemos diferenciar:

Fresado convencional (o en oposición): el espesor de la viruta varía gradualmente, alcanzando su valor máximo al final del corte, cuando el filo de corte abandona la superficie de trabajo. La contaminación (capas de óxido) en la superficie de trabajo no afecta negativamente a la vida de la herramienta. Éste es el método más común, el proceso es fino (si la herramienta está bien afilada). El filo de corte se desliza en vez de cortar, provocando rozamiento entre la herramienta y el material. Se tiende a levantar la pieza de trabajo de la mesa de trabajo y a que la herramienta vibre.

Fresado en trepado (o a favor o concurrente): el diente comienza el trabajo en la parte superior del corte produciendo primero la parte más gruesa de la viruta. La componente vertical de la fuerza de corte tiende a fijar la pieza de trabajo a la mesa. El corte es más eficiente. La vida útil de la herramienta suele ser mayor. Mejora el acabado superficial, especialmente con aceros inoxidables, aluminio o aleaciones de titanio. Existe el riesgo de rotura de la herramienta debido al golpe o choque entre la herramienta y la pieza. No es adecuado para piezas con capas de óxido en la superficie (la cascarilla es dura y abrasiva y produce desgastes excesivos en la herramienta).

Figura 55. Esquema del fresado convencional (izq.) y en trepado (dcha.). (Fuente [1])

Movimiento de corte: giro de la herramienta.

Movimiento de avance: la mesa de trabajo se desplaza en X e Y (horizontalmente).

Movimiento de penetración: la herramienta se desplaza en Z (verticalmente).

Fresado convencional

Fresado en trepado

Fresa Árbol/eje

Husillo

Husillo

Fresa frontal Brazo


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FRESADO DE CAREADO O REFRENTADO

En este tipo de fresado la herramienta de corte se monta en un husillo con su eje de giro perpendicular a la superficie de trabajo.

Figura 56. Fresadora de careado o refrentado, también denominado planeado.

Dentro del fresado de careado también podemos diferenciar entre fresado convencional o fresado concurrente.

Figura 57. Fresadora concurrente (izq.) y convencional (dcha.). (Fuente [1])


Movimiento de avance: la mesa de trabajo se desplaza en X e Y (horizontalmente).

Movimiento de penetración: la herramienta se desplaza en Z (verticalmente).

Dado el movimiento relativo entre los filos de corte y la pieza de trabajo, en la superficie ya mecanizada quedan las denominadas marcas de avance (la rugosidad final de la pieza dependerá del tipo de plaquita y del avance).

Figura 58. Marcas de avance. (Fuente [1])

Avance (mm/diente)

Pieza

Plaquita

Fresa

Pieza Pieza

Fresa Fresa


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Figura 59. Terminología de ángulos en fresado de careado. (Fuente [1])

En este tipo de fresado es importante hablar del ángulo de entrada y de salida de la plaquita de corte respecto a la superficie de la pieza que se esté trabajando. En la siguiente figura se muestran diferentes situaciones en las que la plaquita de corte ataca a la superficie de trabaja con diferentes ángulos. En la situación de la izquierda la punta de la plaquita es quien sufre el primer contacto con la pieza de trabajo (se podría romper). En el segundo caso, el primer contacto se realiza lejos de la punta de la plaquita. En la derecha de la figura se muestran diferentes situaciones con diferentes ángulos de entrada y salida.

Figura 60. Diferentes situaciones de trabajo en fresado de careado. (Fuente [1])

Pieza

Fresa

Entrada Salida Entrada

Salida

Superficie ya mecanizada

Deseable No Deseable

Ángulo del filo de corte frontal

Ángulo de esquina

Ataque axial

Ataque radial Alivio (incidencia) axial

Alivio (incidencia) radial


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FRESADO FRONTAL

Este tipo de fresado es muy versátil y con capacidad de producir perfiles y superficies curvadas y complejas. La herramienta o fresa se suele realizar de acero de alta velocidad o con plaquitas de carburo.

En general, la fresa gira sobre un eje perpendicular a la pieza de trabajo, pudiéndose inclinar para obtener superficies curvas. Con el fresado frontal se pueden producir diferentes superficies a cualquier profundidad (curvadas, escalonadas, cavidades). Este tipo de herramientas están diseñadas para poder programar trayectorias complejas.

Figura 61. Fresas frontales con punta esférica (izq.). Fresa frontal con plaquitas redondas (dcha.).

Figura 62. Superficies obtenidas con fresado frontal.


Movimiento de avance: la herramienta/mesa se desplaza en X e Y (horizontalmente); la herramienta puede bascular.

Movimiento de penetración: la herramienta/mesa se desplaza en Z (verticalmente).


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OTRAS OPERACIONES

Fresado combinado de varias fresas paralelas: se montan en un mismo eje dos o más fresas paralelas.

Fresado de forma: se utilizan fresas con perfiles específicos (el negativo de la forma deseada). Por ejemplo, se utilizan para mecanizar engranajes.

Ranurado (acanalado o cortado): se utilizan fresas circulares, relativamente delgadas.

Ranurado en T: fresas con forma de “T” para la obtención de ranuras “T” (como las que se pueden encontrar en la mesa de trabajo de una fresa).

Ranura para chavetas: realización de ranuras en piezas cilíndricas para la colocación de chavetas (como en ejes de motores que llevan alojados engranajes). Se puede realizar con fresas de disco o fresas frontales en las que el diámetro de la fresa es el ancho de la ranura.

Fresado angular: fresas con ángulo (simple o doble) para producir superficies cónicas.

Fresas huecas: se montan en un eje y su uso es similar al fresado frontal.

Fresado de un solo filo de corte: se montan en husillo de alta velocidad y se utilizan para operaciones de careado y mandrinado. También se pueden usar para operaciones de trepanado (Fig. 78).

Figura 63. Varios tipos de fresas. (Fuente [1])

2 fresas paralelas Fresa de forma Fresa de ranurar

Fresa de cortar Fresa de ranurado en T

Fresa hueca

Husillo

Pieza


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TIPOS DE HERRAMIENTAS

Las herramientas de fresar las vamos a clasificar en función de diferentes características.

Según tipo dentado:

- Dientes Fresados: de perfil casi triangular.

- Dientes destalonados: de perfil casi rectangular.

- Dientes Postizos (plaquitas): soldados o atornillados.

Figura 64. Fresa con dientes fresados y rompevirutas (izq.) y con dientes destalonados (dcha.).

Según el paso de la herramienta (arco entre dos puntos, en el mismo plano radial, situados en dos filos de corte consecutivos):

- Paso grande: contienen pocos dientes y grandes alojamientos para la viruta. Se utilizan en operaciones de desbaste y acabado en acero.

- Paso normal: contiene un número intermedio de dientes y alojamientos intermedios para la viruta. Se utilizan para trabajar fundiciones y operaciones de acabado medio en aceros. Permiten un alto régimen de avance.

- Paso reducido: contienen un número elevado de dientes y pequeños alojamientos de viruta. Se utilizan para pequeñas profundidades de corte en acero, desbastes en fundición y materiales que requieren bajas velocidades de corte.

Según el número de filos de corte:

- Fresas de un corte: sólo tienen una cara activa, bien por la periferia o por un lateral. Ej. Fresa Cilíndrica o fresa de planear.

- Fresas de dos cortes: tienen dos caras activas. Ej. Fresa frontal.

- Fresas de tres caras: tienen tres superficies cortantes. Las más corrientes son las cilíndricas y las de disco con dientes tanto en la periferia como en las dos superficies laterales.

Figura 65. Fresa de planear, fresa frontal y fresa cilíndrica.


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Según su forma:

- Cilíndricas: pueden tener el dentado recto o helicoidal. Para mejorar la eficiencia del trabajo se diseñan con dos hélices de sentido contrario.

- Disco: son fresas cilíndricas de espesor pequeño.

- Cónicas: la superficie periférica tiene forma de tronco cónico.

- De forma: tienen su superficie periférica adaptada a un perfil especial, que resulta ser el negativo del perfil de la pieza mecanizada.

- Compuestas: formadas por la unión de dos o tres fresas sencillas para realizar una operación más complicada.

- Madre: especiales para la obtención de engranajes.

Figura 66. Fresa de forma.

Según su aplicación:

- Fresas de planear: cilíndricas o frontales.

- Fresas de ranurar (ranuras rectas, ranuras en T, ranuras con cola de milano, ranuras para chavetas o chavetero).

- Fresas de cortar (fresas de disco)

- Fresas de perfilar (fresas de forma).

- Fresas para tallar engranajes:

o Fresas módulo: fresa de forma cuya sección cortante es idéntica al intradiente del engranaje.

o Fresas Madre: tornillo sin fin, cuya sección normal a la hélice tiene la forma de la cremallera.


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Figura 67. Diferentes tipos de fresa: de planear (a); frontal (b); cilíndrica (c); frontal con punta esférica (d); de disco (e); frontal cónica (f); de forma (g); de ranurar en T (h); compuesta (i); fresa madre (j); de ranurar en cola de milano (k); fresa módulo (l).

Figura 68. Diferentes tipos de fresa.

a) b) c) d)

e) f) g) h)

i) j) k) l)


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TIPOS DE MÁQUINAS DE FRESAR

Las fresadoras se consideran unas máquinas-herramienta muy versátiles y útiles, dado que pueden realizar diferentes operaciones de corte. En este apartado se describen diferentes tipo de fresas estándar, aunque muchas de ellas están quedando en desuso con la aparición de nuevas máquinas-herramientas con control numérico computerizado CNC como los centros de mecanizado.

Fresadoras del tipo columna y codo: son máquinas que se utilizan para realizar operaciones de mecanizado de propósito general, son las fresadoras más comunes. El husillo en el que se coloca la herramienta de fresado puede ser horizontal (fresado periférico o cilíndrico) o vertical (fresado de careado o frontal, mandrinado o taladrado).

Figura 69. Fresadora Horizontal (izq.). Fresadora Frontal o Vertical (dcha.). (Fuente [1])

Componentes básicos:

- Mesa de trabajo: en la que se fija la pieza de trabajo (mediante ranuras en T). Se mueve longitudinalmente (eje x).

- Carro: soporta la mesa de trabajo y puede moverse en dirección transversal (eje y).

- Codo: soporta el carro y puede moverse verticalmente (eje z).

- Brazo superior: en máquinas horizontales, se ajusta para acomodar diferentes longitudes de eje (contrasoporte).

- Cabezal: incorpora el husillo y la fijación para la herramienta. En máquinas verticales, el cabezal puede tener capacidad de movimiento en el eje z y poder bascular para trabajar con diferentes ángulos de la herramienta respecto a la superficie de trabajo.

En los ejemplos mostrados en la figura anterior, las máquinas tienen tres grados de libertad, pudiendo desplazar la mesa de trabajo en los ejes x e y, y la mesa o la herramienta en el eje z.

Actualmente existen otras muchas posibilidades, con máquinas de hasta 6 grados de libertad, donde la mesa de trabajo se puede mover en los ejes x, y y z, pero también la herramienta puede hacerlo.


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Fresadoras tipo bancada: la mesa de trabajo se monta directamente sobre la bancada (no existe el codo). La mesa de trabajo sólo puede moverse longitudinalmente. Son máquinas menos versátiles, pero son bastantes rígidas y suelen utilizarse para trabajos con altas producciones. Los husillos en los que se montan las herramientas pueden ser horizontales o verticales, y pueden presentar dos o tres husillos a la vez en la misma máquina.

Figura 70. Fresadora tipo bancada. (Fuente [1])

Otros tipos de fresadoras:

- Fresadoras tipo cepilladora: similares a la fresa tipo bancada, están equipadas con varios cabezales y cortadores para mecanizar varias superficies. Se usan para piezas pesadas y son más eficaces que las cepilladoras.

- Máquinas de mesa giratoria: similares a las fresadoras verticales, están equipadas con uno o más cabezales (para operaciones de careado). La mesa en la que se fija la pieza de trabajo tiene la capacidad de girar.

- Fresadoras CNC: están desplazando a las fresadoras anteriores, son mucho más versátiles.

Figura 71. Mesa giratoria (izq.) y fresadora CNC (dcha.).

OTRAS OPERACIONES

Cepillado de mesa móvil: operación de mecanizado relativamente sencilla con la que se producen superficies planas, secciones transversales para canales y muescas (ranuras). Se realizan en piezas de trabajo grandes (hasta 25×15 m2). La pieza se monta en una mesa de trabajo que se desplaza hacia delante y hacia atrás (trayectoria recta). En una corredera transversal se ubican los cabezales con las herramientas (verticales).

Cepillado de mesa fija: igual que el anterior, con la diferencia que la mesa pieza no se mueve y las piezas de trabajo son menores (hasta 1×2 m2).

Corredera transversal

Carros porta-husillos Carro porta-husillo

Pieza de trabajo

Mesa Bancada


A.L.M. 183

Figura 72. Cepilladora y piezas fabricadas. (Fuentes [1] y [2])

Brochadora: se utilizan herramientas de dientes múltiples, para mecanizar superficies externas e internas, como orificios de sección circular, cuadrada o irregular.

Figura 73. Piezas fabricadas mediante brochado interno (a), externo (b) y máquina de brochado vertical (c). Movimientos de Corte (■) y Avance (■) en brochadota (dcha.). (Fuente [1])

Se utiliza una herramienta peculiar, la brocha, en la que la profundidad total del material removido es la suma del material removido por cada uno de los dientes de la brocha.

Con la misma herramienta o brocha se realizan las operaciones de desbaste (primeros dientes que trabajan) y las operaciones de acabado (últimos dientes que trabajan). La operación de mecanizado se puede realizar mediante esfuerzos de tracción (se hace pasar una guía por el orificio o superficie a trabajar, se fija con un amordaza, y se tira de la herramienta hasta hacerla pasar completamente por el orificio a trabajar) o de compresión.

Figura 74. Terminología de una brocha interna tipo tracción. (Fuente [1])

Pieza de trabajo

Herramienta de brochado

Avance de corte por diente Herramienta

Dientes de corte

Longitud Total

Longitud del mango

Extremo para tracción Dientes/desbaste

Dientes/acabado

Dientes/semi-acabado

Diámetro

Guía Guía


A.L.M. 184

4.6 Taladrado

La producción de orificios es una de las operaciones más importantes en fabricación (la gran mayoría de piezas fabricadas, por no decir todas, presentan diferentes orificios para diferentes finalidades). El taladrado es un proceso básico y común para la producción de orificios.

La herramienta con la que se realiza el orificio recibe el nombre de broca. En general tienen una relación longitud/diámetro alta, para poder producir orificios relativamente profundos. La longitud de esta herramienta hace que pueda ser algo flexible, por lo que se deberá prestar especial atención cuando se quieran realizar orificios con precisión.

La operación de taladrado (sobretodo en orificios ciegos) presenta la dificultad de la expulsión de la viruta, ésta se desplaza por los canales de la broca en sentido contrario al avance de la broca.

El diámetro del orificio producido en el taladrado es ligeramente superior al diámetro de la broca (normalmente una broca se retira con facilidad del orificio realizado). En algunos casos puede ocurrir al contrario, si por dilatación térmica el material de trabajo se dilata durante el trabajo y se contrae al enfriarse.

Generalmente, la pieza de trabajo permanece fija mientras que la herramienta gira y avanza en dirección perpendicular a la superficie de la pieza. Existe la posibilidad de que sea la pieza quien gire (por ejemplo, en torno convencional colocando la broca en el contrapunto) o que giren tanto la pieza como la broca (por ejemplo, en torno CNC o centro de mecanizado utilizando brocas motorizadas colocadas en la torreta giratoria portaherramientas).

Tipos de brocas: la broca más común es la broca helicoidal de punta estándar (Fig. 75).

Figura 75. Broca con punta cónica. La función del par de gavilanes es proporcionar una superficie de soporte para la broca contra las paredes del orificio conforme penetra en la

pieza de trabajo. (Fuente [1])

En la siguiente figura se muestran otro tipo de brocas:

- Broca escalonada: produce orificios con 2 o más diámetros.

- Broca de núcleo: para agrandar un orificio ya realizado.

Lengüeta Mango cónico Ángulo de la punta

Diámetro de la broca

Canales Ángulo de la hélice Ángulo de alivio

Diámetro

Cuello Mango recto

Long. mango Long. canales Cuerpo

Longitud total

Labio Cara

Gavilán

Ángulo de filo

Holgura del diámetro del cuerpo

Holgura del diámetro

Alma

Filo de la punta


A.L.M. 185

- Abocardado (cajeado) y avellanado: producen alojamientos en la superficie para acomodar las cabezas de tornillos y pernos, para dejarlos al mismo nivel que la superficie de la pieza.

- Escariado: para trabajar la superficie interior del orificio. En este caso los filos de corte se encuentran en la periferia de la herramienta, y no en la punta de la broca.

- Broca de centros o de punto: es corta y se utiliza para hacer pequeños orificios en los extremos de piezas, sirven para apoyar la pieza en contrapuntos o cabezales móviles, o para marcar la localización de posteriores operaciones de taladrado (fundamentalmente en centros de mecanizado y máquinas CNC).

Figura 76. Diferentes tipos de brocas y operaciones de taladrado (I). (Fuente [1])

- Broca de paletas (tipo espada): para orificios grandes y profundos. Se utilizan plaquitas intercambiables.

- Brocas con puntas de carburo: para trabajar materiales duros, materiales abrasivos, materiales composites con refuerzos de fibras abrasivas (vidrio y grafito).

- Taladrado de cañones: originalmente se utilizaban para taladrar cañones de armas, se utilizan para realizar orificios profundos (relación longitud:diámetro de hasta 300:1 o mayor). Las fuerzas internas de empuje (fuerza radial que oprime la broca) se equilibra con unas placas de soporte en la broca que se deslizan por el interior del orificio.

Figura 77. Diferentes tipos de brocas y operaciones de taladrado (II). (Fuente [1])

Broca de paletas

Broca de canales (o surcos) recta

Broca con plaquitas de carburo intercambiable

Plaquitas

Bro

ca c

on p

laq

uita

s de

car

buro

sol

dad

a

Plaquita

Soldadura fuerte

Tal

adra

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Tal

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Ab

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Ref

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resi

ón


A.L.M. 186

- Trepanado: la herramienta de corte realiza el orificio cortando una pieza con forma de disco (el núcleo del orificio). Se genera un orificio sin transformar en viruta todo el material retirado. Se utiliza para realizar discos de hasta 250 mm de diámetro.

Figura 78. Broca de trepanar (izq.) y trepanado con cortador simple montado sobre broca (dcha.). (Fuente [1])

FUERZA DE EMPUJE

Fuerza de empuje: actúa perpendicular a la pieza de trabajo, si es excesiva puede provocar que se doble la pieza de trabajo o que se rompa, o puede provocar distorsiones en la pieza de trabajo. Depende de múltiples factores y es difícil de calcular: (i) resistencia de la pieza de trabajo; (ii) velocidad de giro; (iii) diámetro broca; (iv) geometría broca; (v) fluidos de corte.

En los catálogos de herramientas suelen proporcionar datos orientativos sobre la velocidad de avance, de giro, fuerza, potencia… en función del tipo de broca y del material a trabajar.

Potencia y par: los requerimientos de potencia y de par son igualmente difíciles de calcular

Tabla 4. Recomendaciones para operaciones de taladrado. (Fuente [1])

Recomendaciones generales de velocidades y avances en taladrado

Diámetro broca

Velocidad superficial Avance, mm/rev (pulgadas/rev) rpm

Material pieza m/min pies/min 1.5 mm 12.5 mm 1.5 mm 12.5 mm

Aleaciones de aluminio Aleaciones de magnesio Aleaciones de cobre Aceros Aceros inoxidables Aleaciones de titanio Hierros fundidos Termoplásticos Termoestables

Filos de corte

Mango Husillo

Broca Herramienta

Pieza de trabajo


A.L.M. 187

TALADROS

El taladro más común es el taladro de columna o vertical, la pieza de trabajo se coloca en una mesa ajustable y la broca desciende manualmente o mediante avance mecanizado a la velocidad seleccionada. Este tipo de taladro se suele denominar en función del diámetro máximo que pueda trabajar (de 150 a 1250 mm). Permiten modificar la velocidad de avance y la velocidad de giro del husillo para poder seleccionar la velocidad de corte adecuada para cada en función del tipo de broca y del material de la pieza de trabajo.

Los taladros tipo banco se utilizan para diámetros pequeños.

Los taladros radiales grandes se utilizan para piezas de gran tamaño (distancia entre columna y husillo de hasta 3 m).

También podemos encontrar taladradoras universales con la capacidad de hacer bascular las brocas para realizar orificios con cierto ángulo. También las podemos encontrar con control numérico por ordenador (CNC), por ejemplo con torretas porta-brocas del tipo revólver.

También existen taladradoras con husillos múltiples, capaces de mecanizar hasta 50 orificios en un ciclo de trabajo. Aunque con el avance de la tecnología, están siendo reemplazadas por taladros CNC.

Figura 79. Taladro radial (a); taladro de columna (b); taladro de tres ejes CNC (c); Taladro tipo banco (d).

Columna

Torreta

Mesa

a) b)

c) d)


A.L.M. 188

4.7 Roscado

Una rosca se puede definir como una cresta de sección transversal uniforme que sigue una trayectoria helicoidal en la parte exterior o interior de una superficie cilíndrica (rosca recta, común en tornillos, tuercas, tornillos de avance en torno…) o cónica (rosca cónica, común en tubos de agua y gas). Las roscas se pueden obtener de diferentes formas:

- Mediante laminación (conformado por deformación plástica). Para grandes producciones.

- Mediante fundición (limitaciones en cuanto a acabado superficial y tolerancias dimensionales).

- Mediante mecanizado con herramienta de corte de un solo filo de corte en torno. La forma de la herramienta dependerá del tipo de rosca a mecanizar. El avance combinado con la velocidad de giro (manual o automatizado) hace que se obtenga el perfil de la rosca. Generalmente se requieren varias pasadas para conseguir un buen acabado y tolerancia dimensional. Importante: el avance es un factor clave, ya que debe coincidir con el paso de la rosca.

Figura 80. Operación de roscado exterior en torno (izq.) e interior en torno (dcha.). (Fuente [1])

- Mediante machos de roscar (para roscas internas). En torno, fresadora, taladradora o manual. Este tipo de herramientas se asemejan a una broca de taladrar, presentan múltiples filos de corte que generarán la rosca. El macho de roscar debe girar a baja velocidad, posteriormente se introduce en un orificio previamente realizado.

Figura 81. Diferentes tipos de machos de roscar. (Fuente [2])

Ranura a derechas

Ranura recta y entrada corta

Ranura recta y entrada corregida

Ranura a izquierdas

Ranura recta y entrada larga

Longitud de rosca

Longitud de entrada

Ángulo de entrada

Desbastado Acabado Husillo

Pieza Herramienta


A.L.M. 189

Al utilizar machos de roscar nos encontramos con diferentes posibilidades para el mecanizado de roscas en agujeros ciegos y pasantes:

o Ranura a derechas (ciego): la forma helicoidal de la ranura obliga a la viruta a retroceder en sentido contrario al avance de la herramienta.

o Ranura recta y entrada corta (ciego): se obtiene una viruta muy uniforme que queda atrapada en las ranuras del macho.

o Ranura recta y entrada corregida (pasante): la herramienta presenta un rebaje en la punta, obligando a la viruta a ir en el mismo sentido que el avance de la herramienta.

o Ranura a izquierdas (pasante): la forma helicoidal de la ranura obliga a la viruta a avanzar en el mismo sentido que el avance de la herramienta, impidiendo que quede atorada en la rosca ya mecanizada.

o Ranura recta y entrada larga (pasante): se corresponde con el macho tradicional, realiza un trabajo suave, pero requiere que toda la punta atraviese la pieza de trabajo.

Juegos de machos de roscado manuales: es este caso se utilizan tres machos de roscar, un primero de desbaste, un segundo de semi-acabado y un tercer y último macho de acabado.

- Mediante terrajas de roscar (para roscas externas). En torno, fresadora, taladradora o manual. Para aumentar la velocidad de roscado en torno se pueden utilizar peines de roscar que, por lo general, incorporan cuatro filos de corte y se pueden ajustar radialmente. También encontramos terrajas de roscado, en este caso son sólidas o fijas y no se pueden ajustar radialmente.

Figura 82. Peine recto para mecanizar roscas en torno, peine circular y terraja de roscado. (Fuente [1])

- Mediante machos y terrajas de laminación: la rosca se realiza mediante conformado por deformación plástica (sin generación de viruta), presentan:

o Mejor acabado superficial.

o Mayor dureza.

o Mayor resistencia a la fatiga.

o Mejor precisión en los ajustes.

NOTA: la fabricación de roscas siempre deberá realizarse de acuerdo a los parámetros de las roscas normalizadas, como por ejemplo las roscas métricas.

Terraja Peine circular Peine recto Filo de corte

Pieza de trabajo

Pieza de trabajo

Peine circular

Filo de corte


A.L.M. 190

Figura 83. Discos de rectificado.

4.8 Rectificado

Existen muchos procesos de fabricación con los que no se puede obtener el acabado superficial o la precisión dimensional requerida, en estos casos se puede recurrir al uso de herramientas abrasivas para realizar el acabado de las piezas (mecanizado abrasivo).

Abrasivo: pequeña partícula dura con aristas afiladas y forma irregular.

Los abrasivos tienen la capacidad de remover pequeñas cantidades de material de una superficie mediante un proceso de mecanizado que produce virutas diminutas. Las herramientas más conocidas son los discos abrasivos (usados para afilar herramientas, entre otras aplicaciones) o lijas de papel.

Como abrasivos se pueden utilizar diferentes materiales (con dureza superior a los materiales convencionales de las herramientas de mecanizado). Podemos encontrar abrasivos naturales (esmeril, alúmina, cuarzo, granate y diamante), pero suelen contener impurezas y propiedades irregulares. Por otro lado, nos encontramos los abrasivos sintéticos:

- Abrasivos convencionales: óxido de aluminio (Al2O3) o carburo de silicio (SiC).

- Súper-abrasivos: nitruro de boro cúbico (cBN) o diamante sintético o industrial.

Figura 84. Rectificado en superficies cilíndricas (a); cónicas (b); filetes (c); helicoidales (d); cóncava (e); ranurado con discos delgados (f) y rectificado interior (g). (Fuente [1])

El tamaño del grano se identifica con el número de grano (en función del tamaño del tamiz utilizado para obtener los granos). Por ejemplo, el número 10 sería grueso (tamaño medio 2 mm) y el número 60 sería medio (tamaño medio 0.25 mm), según catálogo de Norton (Saint-Goban Abrasivos, S.A., Navarra, España).

El material del grano debe ser lo menos compatible posible (afinidad química) con el material de la pieza de trabajo, de este modo la reacción entre ambos materiales será menor y, por tanto,

Disco de rectificado

Pieza

Disco abrasivos delgados

Pieza

Disco de rectificado Pieza


A.L.M. 191

menor será el desgaste de la herramienta. Por ejemplo, el diamante reacciona con el hierro a altas temperaturas.

- Óxido de aluminio: para aceros al carbono, aleaciones ferrosas y aceros de aleación.

- Carburo de silicio: para metales no ferrosos, hierros fundidos, carburos, cerámicos, vidrio y mármol.

- Nitruro de boro cúbico: para aceros e hierros fundidos con dureza superior a 50 HRC y aleaciones de alta temperatura.

- Diamante: para cerámicos, carburos cementados y algunos aceros endurecidos.

TIPOS DE AGLUTINANTE

Vitrificados: el vidrio es el material de unión más utilizado. Sus materias primas son feldespato y arcillas. Son resistentes, rígidos, porosos y resistentes a la acción de aceites, ácidos y grasas. Son quebradizos y carecen de resistencia a golpes y choques térmicos. A veces se fabrican con placas de soporte metálicas para mejorar su resistencia.

Resinas termoestables: amplia variedad de composiciones y propiedades, se conocen como discos orgánicos. Son más flexibles que las vitrificadas.

Discos reforzados: resinas termoestables que incluyen una o varias capas de mallas de fibra de vidrio.

Termoplásticos.

Hule (caucho o goma elástica): es la matriz más flexible.

Aglutinantes metálicos: mediante metalurgia de polvos, los granos abrasivos (diamante o nitruro de boro cúbico) se aglutinan en la periferia de un disco metálico a profundidades ≤ 6 mm. La unión al metal se consigue aplicando alta presión y temperatura. El material base del disco puede ser aluminio, bronce, acero, cerámicos o composites. Para reducir el coste se puede utilizar un disco abrasivo delgado soldado, mediante soldadura fuerte, a otro disco metálico (sin granos abrasivos) con la forma deseada.

DISCOS DE RECTIFICADO

Cada grano abrasivo retira muy poca cantidad de material, se necesitan una gran cantidad de granos para conseguir altas velocidades de eliminación de material. Esto se consigue aglutinando un gran número de granos en una matriz de aglutinante. Generalmente la herramienta de rectificado tiene forma de disco, discos de rectificado.

La porosidad es fundamental para dar holgura a las virutas y la refrigeración.

Figura 85. Esquema de la estructura interna de un disco de rectificado. (Fuente [1])

Porosidad

Superficie del disco

Grano fracturado

Aglutinante

Aglutinante fracturado

Microgrieta

Desgaste por rozamiento


A.L.M. 192

.

Figura 86. Algunos tipos de disco de rectificado. (Fuente [1])

PROCESO DE RECTIFICADO

Considerando el grano abrasivo como un filo de corte individual, las principales diferencias de su acción con la de una herramienta de un filo convencional de mecanizado son:

- Los granos tienen formas irregulares y están espaciados irregularmente.

- El ángulo de ataque (medio) suele ser altamente negativo (-60º). Las virutas se deforman plásticamente mucho más que en un proceso convencional.

- No todos lo granos están activos durante el rectificado (depende de la profundidad que tenga cada grano dentro del aglutinante).

- La velocidad superficial del disco (velocidad de corte) suele ser muy elevada, desde 20-30 m s-1 en rectificado convencional hasta 150 m s-1 en rectificado de alta velocidad. Valores de velocidad de corte muy superiores al mecanizado con herramientas de uno o varios filos de corte.

Figura 87. Viruta en un proceso de rectificado: A, viruta; B, pieza; C, grano abrasivo; α, ángulo desprendimiento; ø, ángulo de cizallamiento; d, espesor de viruta no deformada o

profundidad de corte; V, velocidad tangencial del grano en la periferia del disco; v, velocidad de la pieza de trabajo. (Fuente [1])

El aumento de temperatura en el proceso de rectificado es un factor muy importante: (i) Puede afectar a las propiedades de la superficie de la pieza de trabajo. (ii) Pueden provocar distorsiones en la pieza de trabajo por la dilatación térmica y contracción al durante el enfriamiento.

Cara abrasiva

Cara abrasiva

Caras abrasivas

Cara abrasiva

Cara abrasiva

Caras abrasivas

Tipo: recto

Tipo: copa recta

Tipo: centro hundido

Tipo: cono

Tipo: cilíndrico

Tipo: copa cónica

Tipo: centro hundido

Grano

Viruta V Cara de desgaste

Pieza

d


A.L.M. 193

Algunos fenómenos producidos por la temperatura:

- Chispas: son virutas en combustión, debido a la reacción exotérmica de las virutas calientes y el oxígeno de la atmósfera.

- Revenido: ante un aumento excesivo de temperatura se puede ablandar la superficie de la pieza de trabajo.

- Quemado: igualmente se puede producir el quemado de la superficie de trabajo.

- Agrietamiento por calor: se pueden producir grietas superficiales.

- Esfuerzos residuales: causados por los gradientes de temperatura en el interior de la pieza de trabajo.

DESGASTE DE LOS DISCOS DE RECTIFICADO

El desgaste de los discos se produce por tres motivos:

(i) Desgaste por rozamiento del grano: se desafilan las aristas irregulares y puntiagudas de los granos abrasivos, debido a reacciones físicas y químicas entre el material de la pieza y los granos abrasivos. Este desgaste será bajo cuando la pieza y el grano sean químicamente inertes.

(ii) Fractura del grano: los granos son quebradizos, lo que es importante en el rectificado. Al fracturarse un grano aparecen nuevas aritas afiladas (autoafilado). Lo ideal es que la velocidad de fractura del grano sea moderada.

Si el grano se desgasta rápidamente antes de que se fracture el grano el grano se desafila, aumenta el rozamiento entre la herramienta y la pieza, aumenta la temperatura, el rectificado se vuelve ineficaz.

Si el grano se fractura demasiado rápido estaríamos perdiendo filos de corte antes de que se hayan desgastado lo suficiente como para desecharlos.

Es fundamental hacer una buena elección del tipo de grano.

(iii) Fractura del aglutinante: la fractura del aglutinante permite la expulsión de granos desafilados y la aparición de nuevos granos (autoafilado).

Si el aglutinante es demasiado fuerte, no se liberan los granos ya desgastados (aumenta rozamiento).

Si el aglutinante es demasiado débil, los granos se sueltan fácilmente, antes de que se hayan desgastado lo suficiente.

Se conoce como relación de rectificado a la relación entre el volumen de material retirado de la pieza de trabajo y el volumen de desgaste del disco (suele ir desde 2 hasta 200, e incluso mayor).

Para describir la facilidad o dificultad de rectificar un material se utiliza el término RECTIFICABILIDAD ≈ MAQUINABLIDAD en mecanizado. Se consideran aspectos como la calidad de la superficie rectificada, su acabado e integridad, desgaste del disco, tiempos y economía de la operación.


A.L.M. 194

OPERACIONES DE RECTIFICADO

Rectificado plano: es una de las operaciones más comunes, por lo general se trabajan superficies planas. Se suele trabajar con rectificadoras de husillo horizontal.

Figura 88. Rectificadora de husillo horizontal (izq.) y de husillo vertical (dcha.). (Fuente [1] y [2])

Rectificado cilíndrico: para rectificar superficies cilíndricas exteriores/interiores de piezas, apoyos de cigüeñales, husillos, pernos… La pieza de trabajo cilíndrica se hace girar y se mueve (la pieza o el disco de rectificar) lateralmente a lo largo de su eje hasta cubrir la anchura a rectificar.

Figura 89. Rectificadora cilíndrico en rectificadoras de husillo horizontal. (Fuente [2])

Figura 90. Operaciones en rectificadora cilíndrico: rectificado transversal (a); rectificado por penetración (b); rectificado de perfiles (c). (Fuente [1])

Movimientos

Disco de rectificado

Cabezal

Columna

Bancada

Protector

Mesa

Pieza

Carro

Avance


A.L.M. 195

Rectificado de roscas: se hace en rectificadoras cilíndricas con discos de rectificado especiales que coinciden con la forma de la rosca.

Figura 91. Rectificado de roscas transversal (izq.) o de penetración (dcha.). (Fuente [1])

Rectificado interno: se utilizan pequeños discos de rectificar para trabajar el interior de orificios. La pieza de trabajo se fija en un husillo giratorio.

Figura 92. Rectificados internos. (Fuente [1])

Rectificado sin centros: proceso de alta producción en el que se rectifican superficies cilíndricas donde la pieza de trabajo no se sujeta entre centros, ni entre platos.

Figura 93. Operaciones de rectificado sin centro. (Fuente [1])

Rectificado de paso completo

Rectificado de penetración

Rectificado interno sin centros

Disco

Disco regulador

Pieza

Cuchilla de soporte

Tope

Disco

Disco regulador

Herramienta

Rodillo soporte

Rodillo presión

Disco regulador

Rectificado transversal

Pieza Disco

Pieza

Disco

Pieza

Disco

Rectificado de penetración Rectificado de perfiles

Discos de rectificado


A.L.M. 196

Otros tipos de rectificado:

- Rectificado de avance lento (para eliminación de metal a gran escala).

- Rectificado de grandes cantidades de material mediante mecanizado.

- Rectificadoras universales de herramientas y filos de corte.

- Rectificadoras de torno (herramientas independientes para colocar en el portaherramientas del torno).

- Rectificadoras de bastidor pendular (en talleres de fundición).

- Rectificadoras portátiles.

- Rectificadoras de banco.


A.L.M. 197

5 TEMA 5: PROCESOS DE CONFORMADO

POR DEFORMACIÓN PLÁSTICA

5.1 Introducción a la deformación plástica. Clasificación

Partimos de la idea de que la fundición es uno de los más antiguos procesos de fabricación que se conocen. La fundición presenta un problema de partida, las propiedades mecánicas que confiere a los elementos fundidos pueden no ser adecuadas. Para mejorar estas propiedades se puede recurrir a los procesos de conformado por deformación plástica.

El conformado por deformación plástica persigue principalmente los siguientes objetivos:

- Dar forma.

- Mejorar el comportamiento mecánico (aumenta el límite elástico, varía la ductilidad, la dureza…). También suele producir el alargamiento de los granos metálicos, adaptándolos a la forma de la pieza, pudiendo crear una dirección preferente.

- Permite conseguir reducciones en el espesor de hasta el 95%.

- Como inconveniente general:

o Requiere grandes esfuerzos (encarecimiento).

- Se puede realizar en frío o en caliente.

Figura 1. Estructura de una fundición con granos uniformes alargados (izq.) Cambio de estructura de los granos de metales fundidos o maleables de granos grandes durante el

laminado en caliente. (dcha.). (Fuente [1])

Los procesos de conformado por deformación plástica tienen una gran importancia en los procesos de fabricación. Algunas características generales que justifican su importancia son:

- Mejoran las propiedades mecánicas: se obtiene una estructura de grano más fina y adapta las líneas de flujo o fibras del material a la forma de la pieza.

- Exactitud de forma y calidad superficial: algunos procesos ofrecen muy buenas tolerancias y acabados, incluso para obtener piezas listas para el montaje.

- Costes de material: sólo se usa el material necesario. De forma que, en algunos casos, sólo es necesario realizar un mecanizado mínimo.

- Cadencia de fabricación: al requerir un mecanizado posterior mínimo, se reduce el tiempo de trabajo consumido por pieza.

Lingote con granos uniformes Granos alargados

Laminado en caliente Formación de granos nuevos

Crecimiento de granos nuevos

Recristalización completa

Producto maleable con granos pequeños y

uniformes

Producto maleable con

granos grandes


A.L.M. 198

En general, los materiales metálicos sólidos (fundición) presentan una estructura uniforme de granos más o menos grandes (se pueden asemejar a una esfera). El conformado por deformación plástica provoca la deformación del grano, adaptándolo a la forma exterior que toma el material. Esta es una diferencia muy importante en comparación con los procesos de mecanizado, en los que se arranca material y, por tanto, no se modifica la forma de los granos. En conformado, al deformar los granos e ir adaptándose a la forma que toma la pieza, se obtienen productos con mejores propiedades mecánicas (soportan mejor los esfuerzos, la fatiga…).

El conformado por deformación plástica lo podemos realizar en frío o en caliente:

- Conformado en caliente: la pieza se calienta a una determinada temperatura antes de someterla al proceso de conformado. El aumento de la resistencia por deformación, que se produce en los materiales después del conformado en frío, se reduce o no se produce.

- Conformado en frío: se suele realizar a temperatura ambiente. Requiere mayores esfuerzos. Más indicado para grandes producciones. Se puede elevar algo la temperatura para favorecer la ductilidad. Es un proceso que se encuentra en pleno desarrollo.

Tabla 1. Comparativa general de los procesos de conformado en frío y caliente. (Fuente [2])

FRIO CALIENTE Sin calentar Calentar pieza (energía)

Requiere más esfuerzo y energía Mayor facilidad (menos esfuerzo y energía) Maquinaria menos costosa --

Máquinas más potentes y pesadas --

Conformado por etapas Posibilidad conformado en 1 paso (posibilidad de grandes cambios de forma)

-- Rompe la estructura cristalina para formar otra más refinada de granos pequeños.

Requiere limpieza previa Menor requerimiento de limpieza previa. Las impurezas se deshacen y distribuyen

uniformemente -- Los poros o huecos desaparecen

Facilidad de reproducción -- Mayor calidad superficial Peor calidad superficial

Mejores tolerancias -- Mejores propiedades mecánicas (aumento del

límite elástico) Mejora algo las propiedades mecánicas por la

estructura refinada Aumenta la resistencia por deformación --

Favorece anisotropía de la pieza -- Generación de tensiones residuales

Menos defectos Más defectos internos y externos Mayor intercambiabilidad de piezas --

Menor contaminación -- Menor Oxidación Rápida oxidación

En los procesos de conformado por deformación plástica se ha evolucionado hacia:

- Diseño de máquinas cada vez más completas capaces de realizar un gran número de trabajos hasta dar por finalizada la pieza.

- Líneas de trabajo para conformado y corte para chapa, tubos y angulares.

- Sistemas de cambio rápido de herramientas y Sistemas de gobierno.

En el desarrollo y evolución de estos procesos han tenido un papel muy importante el sector automovilístico o de los electrodomésticos.


A.L.M. 199

Propiedades mecánicas (Repaso)

Las propiedades mecánicas de un material reflejan su reacción frente a la aplicación de determinados esfuerzos externos. Podemos encontrarnos con:

- Materiales elásticos: permanecen deformados mientras se aplique la fuerza, luego recuperan su forma original.

- Materiales visco-elásticos: recuperan la forma original, pero en un tiempo superior al de la aplicación de la fuerza.

- Material plástico: aquellos materiales en los que si se supera su límite elástico se obtiene una deformación permanente.

- Material visco-plástico: se deforman permanentemente, pero la deformación depende de la fuerza aplicada y del tiempo de aplicación.

La mayoría de los metales tienen un comportamiento mixto, en general podemos diferenciar (en el diagrama tensión-deformación, por ejemplo en ensayos a tracción):

- Zona elástica: la deformación depende linealmente de la tensión (la pendiente de la curva es el módulo de elasticidad o de Young). Si se deja de aplicar tensión, el material recupera su forma original.

- Zona plástica: la deformación no depende linealmente de la tensión, entramos en el régimen plástico. Si se deja de aplicar tensión, el material no recupera su forma original.

- Zona de rotura: el material se deteriora debido a la rotura interna de las uniones, aparecen las primeras grietas hasta que el material termina por fracturarse.

Según el comportamiento de un material (amplitud de las zonas anteriores) tenemos:

- Materiales frágiles: aquellos en los que la zona plástica es muy pequeña o inexistente (las fundiciones suelen ser materiales frágiles).

- Materiales dúctiles o maleables: tienen una zona plástica amplia (la mayoría de los metales y aleaciones).

Endurecimiento por deformación: cuando se deforma un material aumenta el número de dislocaciones o desplazamientos de la estructura interna, dificultando el desplazamiento de unos planos sobre otros. Al deformar un material se observa que este se endurece, es lo que se denomina endurecimiento por deformación. Tras la deformación, el material tendrá un punto de rotura más elevado y, generalmente, una zona plástica menor.

Si la deformación se lleva a cabo cerca del punto de rotura, el endurecimiento por deformación será más acusado, y se produce lo que se denomina acritud, haciendo al material menos dúctil.

Al aumentar la temperatura de trabajo, los esfuerzos necesarios para deformar el material disminuyen, siendo más difícil que aparezca la acritud.

Si sigue aumentando la temperatura es posible que aparezca la deformación por fluencia, para un esfuerzo constante, el material se sigue deformando.


A.L.M. 200

Tabla 2. Clasificación general de los procesos de conformado por deformación plástica. (Fuente [1])

PROCESO CARACTERÍSTICAS

Laminación (Laminado Plano)

Producción de placas planas, hojas y hojas delgadas a altas velocidades, buen acabado superficial (sobretodo en frío), inversión inicial elevada, mano de obra baja o moderada.

Laminación (Laminado de Forma)

Producción de formas estructurales (vigas, rieles…). Se utilizan rodillos de laminación de forma. Equipos costosos. Mano de obra baja o moderada. Habilidad del operario moderada.

Forjado

Fabricación de partes discretas con juegos de matrices. Suele requerir operaciones de acabado. En general se trabaja a alta temperatura. Coste de equipos elevado. Coste de mano de obra moderada o alta. Habilidad del operario moderada-alta.

Extrusión

Producción de tramos largos de formas sólidas o huecas con sección transversal constante (después se corta a la longitud deseada). En general se trabaja a alta temperatura. Coste de equipos moderado-elevado. Coste de mano de obra baja-moderada. Habilidad del operario baja-moderada.

Estirado y trefilado

Producción de barras y alambres con diferentes secciones transversales. Buen acabado superficial. Coste de equipos bajo-moderado. Coste de mano de obra bajo-moderado. Habilidad del operario baja.

Conformado de chapa

Producción de gran variedad de formas con paredes delgadas, geometrías simples y complejas. Coste de equipos bajo-moderado. Coste de mano de obra bajo-moderado. Habilidad del operario baja.


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5.2 La laminación

El proceso de laminación consiste en reducir el espesor o cambiar la sección transversal de una pieza de trabajo larga mediante fuerzas de compresión al hacerlas pasar entre un conjunto de rodillos o cilindros. Generalmente, para la fabricación de metales, aleaciones ferrosas y no ferrosas se suele combinar un proceso de colada continua y un proceso de laminación. Los materiales no metálicos también se pueden laminar para reducir su espesor y mejorar sus propiedades (plásticos, vidrio caliente…).

Es habitual realizar primero un laminado en caliente (elevadas temperaturas), en esta fase se modifica la estructura del lingote obtenido mediante colada (grano grueso, quebradizo y porosa) dando lugar a una estructura maleable (grano fino, mejorando su resistencia y dureza).

Posteriormente, se suele hacer un laminado en frío (temperatura ambiente) de modo que la pieza de trabajo adquiere mayor resistencia, dureza y mejor acabado superficial. En este caso se requiere mayor energía. Se suelen obtener productos con propiedades anisotrópicas.

En la siguiente figura se muestra un esquema de diversos procesos de laminación.

Figura 2. Esquema de algunos procesos de laminación. (Fuente [1])

Fundición o colada continua (lingotes)

Planchón

Palanquilla

Tocho (“bloom”)

Cinta en caliente

Cinta en frío

Decapado y engrasado

Plancha para tubos

Tubo soldado

Placas de acero

Barra cuadrada (caliente)

Estirado (frío)

Barra redonda (caliente)

Alambre (frío)

Redondo para tubo

Tubos sin costura

Forma estructural

Rieles


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Placa: espesores > 6mm (hasta de 300 mm). Aplicaciones estructurales, cascos de barcos, calderas, puentes…

Láminas: espesores < 6 mm. Suelen distribuirse en forma de rollos o en forma de planchas. Para carrocerías de automóviles, aviones, latas de bebida…

Papel de aluminio tiene un espesor de 0.008 mm.

PROCESO DE LAMINACIÓN PLANA

En la siguiente figura se muestra un esquema del proceso de laminación plana, donde tenemos:

- wo, anchura inicial de la cinta (chapa) metálica.

- wf, anchura final de la cinta (chapa) metálica.

- ho, espesor inicial de la cinta (chapa) metálica.

- hf, espesor final de la cinta (chapa) metálica.

- L, espacio de laminación.

- vo, velocidad de entrada de la cinta (chapa) metálica.

- vf, velocidad de salida de la cinta (chapa) metálica. Siempre vf > vo.

- vr, velocidad superficial de los rodillos.

- R, radio del rodillo.

- F, fuerza de laminación.

Figura 3. Esquema del proceso de laminación plana. (Fuente [1])

Dado que la velocidad del rodillo es constante, existirá un deslizamiento relativo entre el rodillo y la cinta (chapa) a lo largo de la zona de contacto. Existiendo un punto donde la velocidad del rodillo y de la cinta es la misma (punto neutral o no deslizante). A la izquierda de este punto el rodillo se mueve más rápido que la cinta; a la derecha de este punto el rodillo se mueve más despacio que la cinta. Por este motivo las fuerzas de fricción (que se oponen al movimiento relativo entre los dos cuerpos) llevan el sentido mostrado en la Figura 3.

La fuerza de fricción entre el rodillo y la cinta es la que provoca la entrada de la cinta. Esto significa que la fuerza de fricción a la izquierda del punto neutral debe ser superior a la fuerza de fricción a la derecha del punto neutral.

La reducción máxima posible se define como la diferencia entre el espesor inicial y final de la cinta. Se puede demostrar que depende del coeficiente de fricción µ entre la cinta y el rodillo y del radio R del rodillo (ho-hf = µ2R). A mayor fricción y mayor radio, mayor reducción posible.

(Rodillo superior eliminado)

Pieza

Rodillo

Pieza Fuerza fricción

Entrada Salida L

Punto no deslizante

Par


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La fuerza de laminación F se puede considerar que es perpendicular a la cinta (el arco de contacto entre el rodillo y la cinta es muy pequeño en comparación con el tamaño del rodillo). De este modo se puede estimar F:

promLwYF (1)

donde L es la longitud de contacto entre la cinta y el rodillo; w es el ancho de la cinta e Yprom es el esfuerzo real de la cinta en el espacio de laminación (resistencia del material a ser deformado). En esta expresión no se considera la fricción, se puede hacer una estimación razonable si el resultado obtenido se incrementa en un 20% a causa de la fricción.

El par será el producto de F por a (distancia entre el punto de aplicación de la fuerza y el eje vertical del cilindro). La potencia necesaria en cada rodillo se puede estimar suponiendo que la F se aplica en la mitad del arco de contacto, de modo que a = L/2.

60000

2 NLFkWPotencia

(2)

donde F [N], L [m], N [rpm], 60000 [60 s min-1 y 1000 para obtener la potencia en kW].

Reducción de la fuerza de laminación: una excesiva fuerza de laminado puede provocar el aplanamiento o la deflexión (“desviación de la dirección de una corriente”) de los rodillos. También puede provocar daños (flexionar) en la estructura y los componentes que soportan a los rodillos de laminación. Estos cambios afectan a la configuración inicial de los rodillos de laminación.

Para reducir la fuerza de laminación se puede:

- Reducir la fricción (lubricantes).

- Utilizar cilindros de diámetro pequeño para reducir el área de contacto.

- Realizar la laminación en varias etapas (en cada etapa se reduce un poco el espesor).

- Aumentar la temperatura de la pieza de trabajo antes de la laminación.

- Aplicando tensión a la cinta (chapa). Si aplicamos tensión longitudinal a la cinta de trabajo, los esfuerzos de compresión requeridos para su deformación serán menores. Se puede aplicar tensión trasera (en la zona de entrada) o tensión delantera (en la zona de salida), o ambas. La tensión trasera se realiza mediante el frenado del carrete o sistema que suministra la lámina de trabajo. La tensión delantera se puede aplicar aumentando la velocidad de giro del sistema que va enrollando/recogiendo el material una vez laminado.

En el proceso de laminación se deben tener en cuenta los siguientes dos efectos:

- Los cilindros o rodillos de laminación sufren una separación adicional producida por la acción-reacción entre los rodillos y el material que se está laminando. La acción que los rodillos transmiten al material de trabajo da lugar a una reacción que el material transmite a los rodillos, que obliga a ceder a los apoyos de giro de los rodillos.

- La recuperación elástica del material una vez que sale de los rodillos, esto hace que el espesor final de la pieza de trabajo sea ligeramente superior a la distancia fijada entre los rodillos de laminación.


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Figura 4. Esquema de diferentes disposiciones de los rodillos de laminación. Los dúos pueden ser simples o reversibles. (Fuente [1])

Figura 5. Esquema de diferentes disposiciones de los rodillos de laminación (II).

Las cajas universales permiten controlar el aumento de la dimensión de la hoja o chapa en la dirección transversal al avance de la lámina (aumento del ancho de la cinta al pasar por los rodillos de laminación). Mejora la precisión del proceso y disminuye la pérdida de material por exceso. Están formadas por cuatro cilindros: dos horizontales y dos verticales.

Caja universal Abiertos o en línea

Continuos zig-zag

Tornillo hidráulico de ajuste

Calzos

Bastidor Rodillo de respaldo

Rodillos de trabajo

Rodillo de respaldo

Caja con 4 rodillos

Dúo Trío

Laminación para pequeños espesores

Bastidor

Rodamiento de respaldo

Rodillo de trabajo

Cinta

Primer rodillo intermedio Segundo rodillo intermedio

Rodillos de accionamiento




Eje de soporte


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Deformación de los rodillos: las fuerzas a la que se ven sometidos los rodillos durante la laminación tienden a doblar los rodillos elásticamente. No deben permitirse jamás deformaciones permanentes. Al producirse el doblado de los rodillos el producto laminado (cinta) presentará mayor espesor en el centro. Esto se puede evitar rectificando los rodillos, haciendo que su diámetro sea mayor en el centro (comba).

Figura 6. Rodillo de laminación recto (izq.) y rectificado (dcha.). (Fuente [1])

También puede ocurrir que los rodillos tomen forma de barril (comba térmica) debido al calor que se genera durante el trabajo. Si esto no se corrige, se obtendrán productos laminados con menor espesor en la parte central.

Las fuerzas de laminado también pueden provocar el aplanamiento elástico de los rodillos. Esto provocará un aumento de la zona de contacto entre el rodillo y la cinta, aumentando la fuerza de laminado que es necesario aplicar.

Ensanchado del producto laminado: si la relación anchura/espesor de la cinta es elevada se puede considerar que la anchura de la cinta (chapa o lámina) se mantiene constante durante el proceso de laminación. Si la relación anchura/espesor de la cinta es pequeña, la anchura de la cinta aumentará durante el laminado (ensanchado). El ensanchado también aumenta con la fricción y conforme disminuye la relación radio del rodillo/espesor de la cinta. Para corregir el ensanchado se pueden utilizar cajas universales de laminación (Fig. 5).

LAMINACIÓN EN FRÍO Y EN CALIENTE

Laminación en caliente: suele corresponderse con las fases iniciales del laminado, se consigue romper la estructura de la colada (estructura de grano que se obtiene mediante fundición y colada continua) laminando el material por encima de su temperatura de recristalización.

Mediante fundición se obtiene una estructura dendrítica generalmente con granos gruesos y no uniformes, suele ser quebradiza y porosa. Durante la laminación en caliente se obtiene una estructura más maleable, con granos finos, mejor ductilidad (Fig. 1). Temperaturas de trabajo: 450ºC para aleaciones de aluminio; 1250ºC para aceros aleados; 1650ºC para aleaciones refractarias.

En estas primeras operaciones de laminación en caliente se obtienen productos que se conocen como tocho (bloom), sección cuadrada de al menos 150 mm de lado, o planchón (slab) de sección rectangular (Fig. 2). Las palanquillas son también de sección cuadrada, pero de menor tamaño que el tocho.

Antes de la laminación en caliente de tochos, planchones o palanquillas, la superficie de las piezas de trabajo se deben preparar (acondicionan), mediante el uso de soplete (eliminar la cascarilla) y/o alisando la superficie mediante esmerilado grueso.

Rodillo recto

Cinta más gruesa en el centro

Rodillo rectificado

Cinta con espesor

uniforme


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Laminación en frío: se realiza a temperatura ambiente, se obtienen productos con mejor acabado superficial en comparación con la laminación en caliente, mejor tolerancia dimensional y propiedades mecánicas. Antes de la laminación en frío también se debe preparar la superficie del material de partida (eliminación de cascarilla mediante baños con ácidos, chorro de agua; esmerilado para eliminar posibles defectos).

Laminación en conjunto: operación de laminado plano en la que se realiza la laminación de dos o más capas de metal al mismo tiempo, para aumentar la productividad. Por ejemplo, para obtener papel de aluminio se laminan dos láminas juntas. Si se observa el papel de aluminio que se utiliza en los hogares, una cara es brillante, la que contacta con el rodillo, y la otra es mate, la que estaría entre las dos láminas.

Al final de la operación de laminado, suele ocurrir que el producto obtenido no esté lo suficientemente plano. En estos casos se hace pasar el producto por una serie de rodillos niveladores.

Esfuerzos residuales: la deformación no uniforme en el espacio de laminado suele dar lugar a esfuerzos residuales (sobretodo en frío).

Tolerancias dimensionales:

- Espesor en frío: ±0.1 a 0.35 mm (mucho más grandes en caliente).

- Planicidad en frío: ±15 mm m-1. Planicidad en caliente: ±55 mm m-1.

Número de calibre: el espesor de la lámina se expresa mediante un número de calibre. Cuanto menor es el número más gruesa es la lámina. Se utilizan diferentes sistemas de numeración.


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MOLINOS DE LAMINACIÓN

Existen diferentes tipos de equipos de laminación. Los equipos necesarios para los procesos de laminación requieren una inversión inicial bastante elevada. Los equipos altamente automatizados permiten obtener productos con una excelente calidad de acabado, tolerancias dimensionales muy buenas, altas velocidad de producción (hasta 40 m s-1) y, a pesar de la elevada inversión inicial, un bajo coste por unidad fabricada (sobretodo en sistemas continuos). El ancho de las láminas producidas puede llegar hasta 5 m.

Equipos de laminación tipo “dúo”: suelen utilizarse para la laminación en caliente en las primeras operaciones (pasadas de desbaste) tras operaciones de colada continua. Pueden ser reversibles.

Equipos de laminación tipo “trío”: el sentido del movimiento del material se invierte después de cada pasada. Son necesarios mecanismos elevadores y manipuladores capaces de manejar la pieza de trabajo de forma correcta. Estos equipos tienen una zona de trabajo superior y otra inferior, la pieza de trabajo (>100 toneladas) debe ser llevada al espacio superior e inferior en repetidas ocasiones.

Equipos con cuatro rodillos o Equipos para pequeños espesores (molinos de conjunto o racimo): se basan en el principio de que con rodillos de pequeño diámetro se reduce la fuerza de laminación (menor área de contacto). Además, al trabajar con rodillos de menor diámetro, el coste de su reemplazo por rotura o desgaste es menor. Los rodillos de menor diámetro se doblan más fácilmente, por eso se utilizan otra serie de rodillos de mayor diámetro que sirven de apoyo para los primeros. Son apropiados para la laminación en frío de piezas de pequeño espesor y alta resistencia.

Equipo de laminación continuo, compuesto o en tándem: el material de trabajo se lamina de forma continua a través de diversos equipos de laminado (castillos). A un conjunto de castillos se le denomina tren. Podemos encontrarnos con diferentes disposiciones de los trenes de laminación (Fig. 5).

Figura 7. Ejemplo de un equipo de laminación continuo, compuesto o en tándem. (Fuente [1])

Material para los rodillos: los rodillos deben ser resistentes ante esfuerzos y resistentes al desgaste. Suelen ser de hierro fundido, acero fundido y acero forjado, también los hay de carburo de tungsteno para rodillos de pequeño diámetro. Los rodillos de acero forjado son más costosos pero tienen mejores propiedades (rigidez, resistencia, tenacidad). Para laminado en frío los rodillos se rectifican en máquinas de alta precisión para tener un mejor acabado. También se pueden pulir si es necesario.

Para laminación en frío los rodillos suelen ser de acero forjado.

Para laminación en caliente los rodillos suelen ser fundidos (hierro o acero fundido).

Castillo

Bobina de salida

Bobina de entrada


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DIFERENTES PROCESOS DE LAMINACIÓN

Laminación de formas

Para producir piezas estructurales largas y rectas (vigas, canales, rieles de vías férreas, barras sólidas…). Se trabaja a alta temperatura mediante laminadores de forma.

También se puede realizar en frío (pero generalmente para materiales de partida de menor tamaño).

Figura 8. Ejemplo de una serie de pasos en un tren de laminación de forma. (Fuente [1])

Forjado laminar (Laminado cruzado)

Se le da forma a la sección transversal de una barra redonda haciéndola pasar a través de un par de rodillos que tienen estrías. Mediante este proceso se pueden fabricar cuchillos, ejes cónicos, herramientas manuales…

Figura 9. Forjado laminar. (Fuente [1])

Rodillo de forma

Pieza Pieza

Pasada 1 Pasada 2 Pasada 3

Pasada 4 Pasada 5 Pasada 6

Desbaste Recalcado Desbaste horizontal

y vertical

Pasada intermedia horizontal y vertical

Recalcado Acabado horizontal

y vertical


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Laminación oblicua (Forjado oblicuo)

Similar al anterior, se utiliza para realizar rodamientos (bolas). Se trabaja con barras redondas, se hacen pasar por el espacio de laminación existente entre dos rodillos oblicuos y se obtienen piezas casi esféricas. Se trabaja en continuo.

Laminación de anillos

Como materia prima se utiliza un anillo grueso que se va expandiendo en otro anillo más delgado. El anillo se coloca entre dos rodillos. El espesor del anillo se reduce al ir juntando los dos rodillos. Al reducir el espesor aumenta el diámetro del anillo. También se pueden obtener formas diversas utilizando rodillos con formas específicas.

De este modo se obtienen anillos grandes para cohetes, turbinas, cubiertas de motores a reacción, bordes de ruedas dentadas, pistas de rodamientos…

Se puede trabajar en frío o en caliente.

Figura 11. Laminado de anillo (izq.). Diferentes secciones transversales que se pueden obtener mediante laminado de anillo (dcha.). (Fuente [1])

Laminado de roscas

Obtención de roscas rectas o cónicas al hacer pasar barras redondas a través de matrices de laminación de roscas (en frío). Se puede utilizar matrices planas o matrices rotativas (Fig. 12).

Se pueden obtener roscas internas mediante machos de roscados de laminación (similares a los machos de roscar mediante mecanizado, pero sin producción de viruta).

Mediante este proceso también se pueden obtener otras geometrías como estrías o engranajes.

Son procesos con alta velocidad de producción. Tiene la ventaja de obtener roscas con mejores propiedades (trabajamos en frío) que si obtuviésemos la rosca mediante mecanizado. Además no se produce pérdida de material (no se genera viruta). El acabado superficial es muy bueno. Se generan esfuerzos residuales en las piezas de trabajo que reportan mayor resistencia frente a la fatiga. Al producirse la rosca por deformación plástica, el grano metálico se adapta a la forma de la rosca, mejorando sus propiedades mecánicas, en comparación con una rosca mecanizada.

En comparación con la producción de roscas mediante mecanizado, el laminado de roscas es un proceso más costoso, y sólo será rentable para altas producciones y/o cuando se requiera obtener roscas en piezas de alta resistencia.

Rodillo canteador

Anillo

Rodillo loco

Rodillo de redondeo

Rodillo principal

Barra

Bola

Figura 10. Obtención de bolas mediante forjado oblicuo. (Fuente [1])


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Figura 12. Obtención de roscas mediante laminación. (Fuente [1])

Perforado rotativo de tubos (Proceso Mannesmann)

Trabajo de laminación en caliente para obtener tubos sin costura largos y de pared delgada.

Cuando una barra redonda sólida se somete a fuerzas radiales de compresión, se generan esfuerzos de tensión en el centro de la barra. Si sometemos a una barra a esfuerzos cíclicos de compresión, se empezará a generar una pequeña cavidad en el centro de la barra que comenzará a crecer. Una vez generada la pequeña cavidad, se utiliza un mandril para ir ampliándola y obtener la dimensión deseada del tubo.

Figura 13. Perforado rotativo de tubos. (Fuente [1])

Laminado de tubos

Procedimiento utilizado para reducir el diámetro y espesor de tubos y tuberías. Se utilizan rodillos con forma. Se puede utilizar mandril interno o no.

Figura 14. Diferentes procesos de laminado de tubos. En el rodillo Pilger, además de girar los rodillos, la pieza de trabajo y el mandril son sometidos a movimientos alternativos. (Fuente [1])

Cavidad

Compresión radial

Cavidad

Rodillos

Barra

Tubo Mandril

Pieza

Rodillo Mandril

Barra del mandril

Rodillo

Rodillo

Pieza

Rodillo

Pieza

Rodillo Pilger

Pieza

Mandril

Pieza

Rosca Matriz plana fija

Matriz plana móvil

Matriz rotativa fija Pieza

Matriz rotativa móvil

Soporte


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Laminado de tubos (Procedimiento Ehrhard)

Se introduce un tocho incandescente de sección cuadrada en una matriz de sección circular. Mediante un mandril punzonador se perfora un orificio previo, sin llegar a atravesar el tocho, y se hace pasar por un par de rodillos giratorios (a), posteriormente se pasa por otra serie de rodillos utilizando una barra de empuje para ir obteniendo la forma deseada (b) y, por último, otras cajas con rodillos van reduciendo gradualmente el diámetro y el espesor del tubo (mediante estirado) (c).

Figura 15. Laminado de tubos Procedimiento Ehrhard. (Fuente [4])

Laminado de tubos (Procedimiento de eje pasante)

Laminación de un tubo al que previamente se le ha introducido un punzón que atraviesa de un extremo a otro el material de trabajo. El procedimiento se realiza normalmente con cilindros de forma y durante varias pasadas.

Fabricación de tubos soldados

A partir de planchas metálicas, utilizando rodillos de forma, se va doblando progresivamente la chapa metálica hasta darle forma de tubo. Posteriormente, se realiza una soldadura longitudinal para obtener el tubo soldado. Una vez soldado el tubo, otra serie de rodillos de forma pueden trabajar para afianzar la forma final.

Figura 16. Equipo de fabricación de tubos soldados.

Abocardado: operación en la que se ensancha un extremo de un tubo.

Rodillos de forma Rodillos acabado

Soldadura

Corte

Fleje estrecho de acero

Mandril (cabeza

redonda) Barra empuje

Disposición de cilindros


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Figura 17. Cuchillo forjado. (Fuente [1])

5.3 La forja

El forjado es un procedimiento de fabricación básico (uno de los más antiguos) en el que se le da forma a la pieza de trabajo mediante la aplicación de fuerzas de compresión con herramientas y matrices. Los esfuerzos de compresión pueden ser violentos y repetidos (forja) o continuos y graduales (prensa).

Se obtienen piezas discretas.

Al controlar el flujo de material dentro de la matriz, al adaptarse los granos metálicos a la forma de la pieza, se obtienen piezas con buena resistencia y tenacidad.

Tradicionalmente la forja se realizaba mediante martillos y yunkes, actualmente los equipos de forjado son más complejos (matrices, equipos de prensado, sistemas hidráulicos, martillos mecánicos de forja…).

Forjado en frío: requiere la aplicación de grandes fuerzas, el material de trabajo debe ser dúctil para soportar la deformación sin agrietarse. Presentan buen acabado superficial y precisión dimensional.

Forjado en caliente: requiere la aplicación de menores fuerzas, pero el acabado superficial y la precisión dimensional son peores.

Tabla 3. Características generales de los procesos de forjado. (Fuente [2])

PROCESO VENTAJAS INCONVENIENTES Matriz abierta Matrices simples. Poco costosas.

Amplia gama de tamaños. Buena resistencia de las piezas. Para cantidades pequeñas.

Formas simples. Difícil conseguir buena precisión dimensional. Requiere mecanizado para acabado. Velocidad de producción baja. Requiere alto grado de habilidad del operario.

Matriz cerrada Mejores propiedades que con matriz abierta. Buena precisión dimensional. Alta velocidad de producción. Buena reproducibilidad.

Alto coste de la matriz. No viable para lotes pequeños. Con frecuencia es necesario realizar mecanizado para acabado.

De aproximación

o bloqueo

Coste bajo de la matriz. Alta velocidad de producción.

Necesario mecanizado para acabado.

Convencional Requiere menos operaciones de mecanizado de acabado que en el tipo de aproximación. Alta velocidad de producción.

Coste de la matriz más elevado que en el tipo de aproximación.

De precisión Precisión dimensional buena. Permite obtener piezas de tamaño reducido (almas delgadas y rebordes). No suele requerir mecanizado de acabado.

Requiere fuerzas elevadas de trabajo. Matrices con formas complejas que deben prever la extracción de la pieza forjada de la matriz.


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FORJADO DE MATRIZ ABIERTA

Operación más simple de forjado. Se pueden forjar piezas pequeñas (clavos, tornillos...) y grandes (ejes de 20 m de longitud…). Se trabaja con matrices planas (recalcado o forjado con matriz plana). En algunos casos las matrices pueden tener cavidades poco profundas o relieves sencillos para producir la pieza de forja.

Figura 18. Forjado plano (izq.); sin fricción (centro); con fricción (dcha.). (Fuente [1])

En operaciones de forjado plano se reduce la altura aumentando el diámetro de la pieza. En operaciones sin fricción la pieza se deformaría de forma uniforme, pero en realidad, la fricción entre la pieza y la matriz provoca el abarrilamiento (o colapsado) de la pieza de trabajo. El abarrilamiento se puede reducir con el uso de lubricantes. El abarrilamiento también se produce al trabajar piezas calientes con matrices frías, las caras de la pieza en contacto con la matriz se enfrían más rápido que la parte interna de la pieza, de este modo, la parte interna se deforma más fácilmente que las caras de la pieza en contacto con la matriz..

Forja de desbaste (estirado): operación en la que el espesor de una barra se reduce mediante operaciones sucesivas de forja.

Figura 19. Forja de desbaste de una barra rectangular (izq.). Reducción del diámetro de una barra (centro) y del espesor de un anillo (dcha.) mediante forjado en matriz plana. (Fuente [1])

FORJADO DE MATRIZ DE IMPRESIÓN Y CERRADA

En este caso la pieza de trabajo va tomando la forma de la cavidad de la matriz. Suele realizarse a temperatura elevada (mayor ductilidad del material y menor fuerza necesaria).

Misión de la rebaba: la alta resistencia a la fricción que se produce en la rebaba (una vez formada) hace que el material fluya hacia donde menos trabajo le cueste, es decir, hacia la cavidad de la matriz.

Las matrices se pueden fabricar de una sola pieza (Fig. 20) o con insertos, en especial para formas complejas (Fig. 21). Los insertos se suelen hacer de materiales de mejores características y se reemplazan cuando se desgastan. También se pueden/deben diseñar sistemas de expulsión de la pieza.

Matriz

Matriz Pieza

Matriz

Matriz

Matriz Matriz Pieza Pieza

Matriz

Pieza

Matriz

Fricción

Abarrilamiento


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Figura 20. Terminología para una matriz de forjado. (Fuente [1])

Figura 21. Matriz con insertos. (Fuente [1])

Forjado de matriz de impresión: suele ser habitual realizar los trabajos de forjado en varios pasos o etapas. Primero, mediante operaciones de preformado se distribuye el material de la preforma acorde a la forma final que tendrá la pieza de forja, en estas operaciones se utilizan matrices con formas simples (recalcado). Por ejemplo, se utilizan matrices con dado convexo, para retirar material de una zona, y dado cóncavo, para acumular material en una zona. Posteriormente, tendremos operaciones de aproximación o bloqueo, utilizando matrices con formas aproximadas a la forma final. Por último, se trabaja con matrices de impresión para dar la forma final.

Figura 22. Ejemplo de etapas en el forjado de una biela. Dado convexo y cóncavo. (Fuente [1])

Bruto

Recalcado

Aproximación

Acabado

Recorte de rebabas

Dado convexo Dado cóncavo

Matriz

Matriz

Pieza

Matriz superior

Inserto

Inserto

Inserto

Pieza

Matriz inferior

Expulsores

Ángulos de salida

Rebaba


Descanso

Costilla Alma Canal


Filete

Esquina

Línea de recortado


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Forjado sin rebaba: similar al mostrado en la Figura 20, pero no se forma rebaba. La pieza de trabajo llena la cavidad de la matriz. En este caso es fundamental el control del volumen de material de la pieza de trabajo.

Forjado de precisión: se tiende a reducir el número de pasos en las operaciones de forjado, diseñando matrices que permitan la obtención de la pieza final en uno o pocos pasos. En este caso se requiere: (i) matrices más complejas; (ii) control muy preciso del volumen y la forma del bruto; (iii) posicionado preciso de la pieza de trabajo en la cavidad de la matriz.

Figura 23. Forjado en matriz cerrada con rebaba (izq.) y forjado de precisión sin rebaba (dcha.). (Fuente [1])

OPERACIONES BÁSICAS EN OPERACIONES DE FORJADO

1. Preparar la pieza de metal (bruto, preforma) mediante corte por cizallado, aserrado, tronzado… Limpiar la superficie de la pieza (chorro de granalla…).

2. Si es en caliente: calentar la pieza en un horno; eliminar la cascarilla si es necesario (cepillo de alambre, chorro de agua, raspado…). La cascarilla es quebradiza, se puede eliminar en las primeras etapas del forjado.

3. Si es en caliente: precalentar y lubricar las matrices.

4. Si es en frío: lubricar las matrices.

5. Realizar el forjado (operaciones necesarias). Eliminar rebabas si es necesario (recortado, mecanizado…).

6. Limpiar la pieza forjada. Comprobación de las dimensiones. Realizar operaciones de mecanizado si es necesario para obtener dimensiones correctas.

7. Operaciones adicionales: enderezado, tratamientos térmicos.

8. Operaciones de acabado: mecanizado, rectificado…

9. Inspección (defectos).

Tolerancias dimensionales: entre ±0.5 y ±1.0%.

- En caliente: > ±6 mm.

- En frío (forjado de precisión): hasta ±0.25 mm.

Bruto Bruto Forja Forja Rebaba


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Figura 26. Tocho redondo penetrado. (Fuente [2])

ALGUNAS OPERACIONES DE FORJADO

Acuñado

Procedimiento en matriz cerrada (para troquelado de monedas, medallas y joyería). No se utilizan lubricantes para asegurar la reproducción exacta de la forma de la matriz.

Figura 24. Acuñado. (Fuente [1])

Recalcado

Operación de forjado que se realiza al extremo de una barra para aumentar su sección (cabezas de clavos, tornillos…). Puede hacerse en frío o en caliente.

Figura 25. Operación de recalcado. (Fuente [1])

Penetrado

Penetración de la superficie de una pieza de trabajo (sin atravesarla) con un punzón para obtener una cavidad o impresión. Así se fabrica el ahuecamiento y cavidades hexagonales en las cabezas de tornillos.

Punzonado de cavidades o clavado

Consiste en prensar un punzón endurecido con una punta de geometría especial en la superficie de una pieza de trabajo. La cavidad que se produce se utiliza posteriormente como matriz para otras operaciones de formado.

Forjado orbital

La matriz superior se desplaza a lo largo de una trayectoria orbital y da forma a la pieza de trabajo de manera progresiva.

Perno expulsor Matriz

Pieza

Punzón

Matriz superior

Matriz inferior

Sujetador

Pieza Sujetador

Anillo de retención


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Forjado progresivo

La forja da forma a la pieza con una herramienta que trabaja en pasos pequeños.

Forjado isotérmico (Forjado por matriz en caliente)

La matriz se calienta a la misma temperatura que la pieza de trabajo. Se mantiene la resistencia de la pieza baja y la ductilidad elevada de la pieza de trabajo. Se reduce la fuerza necesaria para el forjado. Se mejora el flujo del material dentro de la cavidad de la matriz.

Forjado rotatorio

Una barra sólida o un tubo se somete a impactos radiales por medio de una serie de matrices a alta velocidad de golpeo. El movimiento de la matriz se consigue mediante el giro dentro de una jaula con una serie de rodillos. La pieza de trabajo se mantiene fija en el centro de la forja, las matrices se hacen girar, la acción de los rodillos situados en la periferia hacen que las matrices golpeen a la pieza de trabajo a velocidades muy altas (a razón de 20 golpes s-1).

El movimiento alternativo de las matrices también se puede conseguir mediante el movimiento alternativo de una serie de cuñas (Fig. 27); este sistema permite trabajar piezas de mayores diámetros.

Este tipo de forjado se puede utilizar para ensamblar (estampar) accesorios en cables y alambres. También se realiza para el punteado (afilado) del extremo de barras o para el dimensionado (acabado para obtener dimensiones deseadas).

También se pueden trabajar tubos, mediante el golpeo de la parte exterior con las matrices, y fijando la dimensión interior del tubo con el uso de un mandril.

Figura 27. Forja rotatoria con rodillos (izq.) y con cuñas (dcha.). (Fuente [1])

Extrusión de tubos

Se disminuye el diámetro interior y/o el espesor de tubos mediante el uso de matrices, pudiendo utilizar también mandriles para definir el diámetro interior del tubo. Se pueden utilizar mandriles con forma (sección transversal) para obtener geometrías diferentes en el interior del tubo. Se puede trabajar con forjado rotatorio.

Figura 28. Forja rotatoria de tubos sin mandril (izq.), con mandril (centro) y tubos con mandriles de forma (dcha.). (Fuente [1])

Tubo Matriz Mandril Formas obtenidas con

mandril de forma

Retenedor

Martillo

Matriz

Rodillos

Conducto

Soporte

Cuña Matriz

Pieza Pieza

Expulsor

ABIERTA ESTAMPADO EXPULSIÓN


A.L.M. 218

FORJABILIDAD

Forjabilidad: capacidad de un material para poder ser deformado plásticamente sin que se produzcan grietas. Aunque se han definido múltiples pruebas para definir la forjabilidad de un material, se han aceptado de forma amplia dos pruebas simples: el recalcado y la torsión en caliente.

- Recalcado: se realiza en una pieza cilíndrica sólida una operación de recalcado o de forjado con matriz plana hasta que aparezcan grietas en la superficie abarrilada. En el momento de la aparición de las grietas se anota la reducción de la altura producida.

- Torsión en caliente: una pieza redonda (cilíndrica) se somete a una fuerza de torsión, siendo sometida a una deformación constante hasta que se produzca su rotura. Esta prueba se realiza a diferentes temperaturas y se obtiene el número de vueltas necesarias para la rotura en función de la temperatura. La temperatura a la que se consigue dar el máximo de vueltas se define como Temperatura de Forjado para la forjabilidad máxima.

PRINCIPALES DEFECTOS EN FORJADO

- Abarrilamiento: se produce por rozamiento entre la pieza y la matriz. Puede dar lugar a grietas en la superficie.

- Deficiencias en el flujo del material en la cavidad de la matriz.

o Con un volumen de material en defecto: se puede torcer el alma y formarse pliegues.

o Con un volumen de material en exceso: el material sobrante fluye otra vez sobre las partes y se producen grietas internas.

Figura 29. Pliegues formados con material insuficiente (arriba) y grietas internas con material en exceso (arriba). (Fuente [1])

- Defectos internos:

o Causados por una deformación no uniforme dentro de la cavidad.

o Gradientes térmicos a lo largo de la pieza durante el trabajo.

o Cambios microestructurales.

- Tensiones residuales: se eliminan con tratamientos térmicos.

Material en defecto

Matriz Alma Costilla Pliegues

Material en exceso Grietas en las costillas


A.L.M. 219

- Falta de penetración: durante la forja se deforma plásticamente la parte más superficial de la pieza, pero lo granos de las partes más internas no sufren deformación.

- Estructura de fibra (anisotropía): si se produce una dirección preferente en la deformación del grano.

TIPOS DE MÁQUINAS PARA FORJADO

Tenemos una gran variedad de máquinas para forjado:

Prensas hidráulicas, velocidad de trabajo [0.06 – 0.30 m s-1]

Trabajan a velocidad constante y con carga limitada (la máquina se detiene si se supera la capacidad de la máquina). La presión se aplica de forma progresiva. Son silenciosas y con pocas vibraciones. En general son el tipo de máquinas que presentan la mayor capacidad de trabajo. Son más caras que las mecánicas, pero son más fáciles de controlar y de mantener.

Capacidad de trabajo desde 14000 Tn a 82000 Tn.

Prensas mecánicas, velocidad de trabajo [0.06 – 1.50 m s-1]

Suelen ser de tipo biela-manivela. La velocidad de trabajo varía durante el recorrido del mecanismo. Son de recorrido o carrera limitada. La fuerza que se puede aplicar con la prensa depende de la posición del mecanismo (biela-manivela). Tienen altas velocidades de producción.


Figura 30. Algunos tipos de máquinas de forjado. (Fuente [1])

Prensas de tornillo, velocidad de trabajo [0.60 – 1.20 m s-1]

Este tipo de prensas tienen una capacidad de carga limitada. Son adecuadas para pequeñas cantidades de producción.


Martillo o martinete de caída libre, velocidad de trabajo [3.60 – 4.80 m s-1]

Obtienen la energía de trabajo de la energía potencial del martillo (función de su altura) que se convierte en energía cinética al dejar caer el martillo. Son de energía limitada. Son máquinas que trabajan a alta velocidad, por tanto la pieza no llega a enfriarse demasiado durante el trabajo, lo que permiten realizar forjados de formas complejas.

Existe gran variedad de diseños de martillos, son muy versátiles y los menos costosos.

Ariete Tornillo

Volantín Transmisión mediante fricción

Fluido

Mecánica con accionamiento

excéntrico

Mecánica con articulada

Prensa de tornillo

Prensa hidráulica


A.L.M. 220

Martillo o martinete de caída mecánica, velocidad de trabajo [3.00 – 9.00 m s-1]

La caída libre del martillo se acelera mediante presión de vapor, aire a presión o con algún sistema hidráulico, permitiendo aumentar la presión de trabajo (hasta 750 kPa)

Contramartillo o martillo de contragolpe, velocidad de trabajo [4.50 – 9.00 m s-1]

Este tipo de máquinas tienen dos arietes que se acercan el uno al otro (horizontal o verticalmente).

Figura 31. Martillo de caída libre (izq.) y martillo de contragolpe (dcha.)

Rodillos

Tablas

Cabezal

Mordazas

Bastidor

Ariete

Pedal Mesa Yunke

Palanca de liberación

Palanca de seguridad

Pistón de accionamiento

Maza

Ariete superior

Ariete inferior

Mesa

Eje del golpe

Correa


A.L.M. 221

5.4 La extrusión

En este apartado hablaremos de los procesos de extrusión, estirado y trefilado.

En la extrusión una palanquilla cilíndrica se fuerza a pasar a través de una matriz. Mediante este proceso de fabricación se pueden obtener gran variedad de secciones transversales sólidas o huecas constantes. Se consiguen grandes deformaciones sin rotura. De este modo se fabrican perfiles para ventanas, formas estructurales… El producto extruido se puede cortar a la longitud deseada. Los materiales que más se trabajan mediante extrusión son el aluminio, el cobre, el acero, el magnesio y el plomo.

El proceso se puede considerar semi-continuo. En la extrusión se extruye cada palanquilla de forma continua, pero el cambio de palanquilla, una vez extruida, hace que el proceso no se pueda considerar completamente continuo.

Se puede realizar en frío o en caliente.

En el estirado la sección transversal de una barra sólida o tubería se reduce al hacerla pasar por una matriz.

En el trefilado se trabaja de manera similar al estirado, pero es una operación específica para la obtención de alambres.

EXTRUSIÓN

Podemos diferenciar los siguientes tipos de procesos de extrusión:

- Extrusión directa: se coloca una palanquilla en la cámara de extrusión, se aplica presión mediante un pistón hidráulico por un extremo de la palanquilla, obligando al metal a atravesar una matriz que se encuentra en el otro extremo de la palanquilla.

Figura 32. Extrusión directa. (Fuente [1])

- Extrusión indirecta: en este caso la presión se aplica a la palanquilla con la propia matriz, fluyendo el material a través de la matriz en sentido contrario al sentido de la aplicación de la presión.

- Extrusión hidrostática: la palanquilla, de menor diámetro que la cámara, queda sumergida en un fluido; la presión se aplica a la palanquilla a través de dicho fluido (se elimina la fricción en las paredes del contenedor). La presión se distribuye de forma uniforme por toda la palanquilla.

- Extrusión lateral: tipo de extrusión menos habitual.

Contenedor

Pistón o vástago de prensado

Bloque de apoyo

Revestimiento del contenedor

Palanquilla Matriz

Contra-matriz y Porta-matriz

Pieza extruida


A.L.M. 222

Figura 33. Extrusión indirecta (izq.), hidrostática (centro) y lateral (dcha.). (Fuente [1])

Figura 34. Proceso de extrusión directa. (Fuente [1])

En un proceso de extrusión se deben controlar las siguientes variables:

- Ángulo de la matriz (α): muy importante para definir el rozamiento entre la palanquilla y las paredes del contenedor y de la matriz.

- Relación Ao/Af: denominada como relación de extrusión. Suele ir de 10 a 100, pudiendo llegar a ser de 400 en aplicaciones especiales.

- Temperatura de la palanquilla.

- Velocidad.

- Tipo de lubricante.

Flujo del metal: el metal fluye longitudinalmente, de modo que se forma una estructura de los granos metálicos alargada (orientación preferente – anisotropía).

Figura 35. Patrón de flujo del metal con baja fricción o con extrusión indirecta (izq.); con alta fricción en la zona del contenedor próxima a la matriz (centro); con alta fricción en la zona

del contenedor alejada de la matriz (dcha.). (Fuente [1])

Zona muerta Zona muerta

Contenedor Palanquilla Matriz

Pieza de trabajo

Superficie de soporte

Superficie de soporte

Ángulo de alivio

Palanquilla

Revestimiento del contenedor

Matriz-vástago

Pieza Matriz

Contenedor

Disco de respaldo

Bloque de apoyo

Pieza

Matriz

Contra-matriz

Contenedor

Fluido

Sellado

Vástago

Punzón

Placa

Pieza

Matriz

Contra/Porta-Matriz

Contenedor


A.L.M. 223

EXTRUSIÓN EN CALIENTE

Para metales pocos dúctiles o para reducir la fuerza necesaria.

El desgaste de la matriz suele ser elevado.

El enfriamiento más rápido del metal en contacto con el contenedor y la matriz hace que el enfriamiento de la pieza extruida no sea uniforme (deformación no uniforme). Se suele precalentar la matriz.

El calentamiento de la palanquilla suele producir óxidos en la superficie, lo que aumenta la abrasión (fricción) entre la palanquilla y el contenedor, afectando al flujo de material. Extrusión con costra: para evitar que el óxido pase a la pieza extruida, se puede realizar la extrusión con un pistón de diámetro menor que el diámetro del contenedor, de modo que se queda una especie de envoltura de pieza no extruida dentro del contenedor que luego se retira. En esa envoltura se quedan los óxidos e impurezas que pueda haber en la superficie de la palanquilla.

La calidad superficial del producto extruido es inferior a la extrusión en frío.

Matrices: es el componente más importante en el proceso de extrusión. Su diseño requiere de gran experiencia. Quizás, el parámetro más importante es el ángulo de la matriz. Las matrices constan de tres componentes principalmente:

- Matriz: con la boquilla de sección adecuada para obtener el perfil deseado. Suele ser de acero aleado.

- Contra-matriz: bloque de acero de mayor espesor que copia el orificio de la matriz pero con mayor tolerancia para evitar el roce de la pieza extruida. Este componente ayuda a la matriz a soportar las presiones a la que se ve sometida.

- Porta-matriz: facilita la fijación de la matriz y la contra-matriz en la prensa de extrusión.

Para obtener perfiles huecos (tuberías…) se puede trabajar con matrices del tipo araña, ojo de buey y tipo puente (Fig. 36). Durante la extrusión el flujo del material se divide en varios canales (filamentos) que posteriormente se vuelven a unir y soldar dentro de la matriz. Este tipo de matrices se suelen utilizar al extruir aluminio, ya que tiene una alta capacidad de volver a soldarse de forma resistente.

Figura 36. Tipo de matrices para piezas huecas. (Fuente [1])

Matriz ojo de buey

Zona de entrada

Matriz Cámara de soldado

Matriz

Araña

Matriz de araña

Matriz

Puente

Matriz tipo puente


A.L.M. 224

Las matrices suelen ser de acero de alta calidad y dureza. También se pueden usan matrices de carburo de wolframio para grandes series (ejemplo: acero aleado 0.35 % carbono, 3 % cromo y 9 % wolframio). También se pueden utilizar matrices con revestimiento (ejemplo: zirconio) para aumentar la vida útil de la matriz.

Lubricación: afecta al: (i) flujo de material; (ii) acabado superficial; (iii) calidad del producto; (iv) fuerza de extrusión. El vidrio es un excelente lubricante para aceros simples e inoxidables y aleaciones de alta temperatura. También se puede trabajar colocando una delgada lámina de cobre o acero dulce entre el contenedor y la palanquilla (encamisado o enlatado), se disminuye la fricción y se evita la contaminación de la palanquilla.

EXTRUSIÓN EN FRÍO

Se puede considerar una combinación entre extrusión y forjado.

Figura 37. Ejemplos de extrusión en frío. (Fuente [1])

EXTRUSIÓN POR IMPACTO

Es similar a la extrusión indirecta. Suele realizarse en frío. En este caso el punzón desciende con rapidez sobre la pieza de trabajo. La pieza de trabajo se extruye hacia atrás (en sentido contrario al del avance del punzón). Se utiliza para obtener generalmente piezas con sección tubular. El espesor del tubo vendrá en función de la holgura entre el punzón y la matriz. De este modo se suelen fabricar los tubos de pasta de dientes.

Figura 38. Ejemplos de extrusión por impacto. (Fuente [1])

PRINCIPALES DEFECTO EN EXTRUSIÓN

Agrietamiento de la superficie: se produce cuando la temperatura de extrusión, la fricción o la velocidad son muy elevadas. Si la temperatura de la superficie aumenta mucho puede agrietarse. Se puede evitar si se disminuye la temperatura o la velocidad de extrusión. Defecto tipo bambú: la superficie se agrieta de forma periódica por adhesión del material extruido a la cara de la matriz, esto puede suceder a temperatura baja (el aspecto del producto extruido se asemeja a una vara de bambú).

Tubos: cuando se obtiene el patrón de flujo de material mostrado en la Figura 35 dcha., las impurezas que pueda haber en la superficie de la palanquilla pasan al centro de la pieza extruida.

Placa de expulsión

Bruto

Matriz

Punzón

Holgura

Placa de expulsión

Pieza

Pieza de trabajo

Punzón

Matriz

Punzón


A.L.M. 225

Este defecto puede aparecer hasta en un tercio de la longitud de la pieza. Cuando ocurre esto, suele aparecer una separación interior del material.

Agrietamiento interno: aparición de grietas en el centro del producto extruido, se atribuyen al estado de esfuerzos internos que se generan en la pieza de trabajo.

Formación de embudo: el material dentro del contenedor suele fluir más rápido por la zona central que por la superficie (la fricción entre el contenedor y la palanquilla hace que la velocidad sea menor). Lo mismo ocurre dentro del orificio de la matriz. Esto hace que cuando se finaliza la extrusión, en el extremo final del material extruido se observe una forma de embudo (como en un lápiz de color tipo “plastidecor”). Se pueden hacer dos cosas: (i) no extruir la palanquilla por completo; (ii) cortar el extremo defectuoso del producto extruido.

Formación de costras y ampollas: se origina cuando la superficie de la palanquilla fluye hacia el interior y entra en la zona de deformación (matriz). Si en la superficie de la palanquilla hay impurezas u óxidos, pueden pasar al perfil extruido y quedar atrapadas bajo su superficie.

Defectos internos en la extrusión de tubos: la fricción entre el mandril o macho y la superficie interna en la extrusión de un tubo puede dar lugar a distorsiones importantes en el flujo del material.

MÉTODOS PARA LA REDUCCIÓN DE DEFECTO EN EXTRUSIÓN

Palanquillas/Lingotes torneados: se eliminan las impurezas superficiales de la palanquilla mediante mecanizado (torneado).

Extrusión dejando un culote largo: se interrumpe la extrusión antes de que aparezca el defecto (tubo), dejando un culote sin extruir (hasta un 30%).

Temperaturas similares de la palanquilla y el contenedor: para evitar defectos que vienen de temperaturas no uniformes en la palanquilla (dando lugar a deformaciones no uniformes). Se puede reducir la formación de tubo.

Reducción de la fricción superficial: utilización de contenedores bien lubricados y matrices cónicas. En caliente, a veces no se puede utilizar lubricación, ya que se forman costras y ampollas al arrastrar el lubricante al material extruido. Extrusión con lubricante y una matriz cónica.

Extrusión con envoltura: el diámetro del disco de empuje es 3-6 mm inferior al diámetro del contenedor. De este modo las impurezas que pueda haber en la superficie de la palanquilla se quedan en forma de cilindro dentro del contenedor (sin extruir).

Extrusión con matrices planas y sin lubricante: (i) no hay lubricante (no puede pasar al producto extruido); (ii) aumenta la fricción entre el contenedor y la palanquilla, las impurezas que haya en la superficie no fluyen hacia el interior. Se genera cizallamiento entre la parte superficial de la palanquilla y la parte interior.

EQUIPOS DE EXTRUSIÓN

Generalmente se utilizan equipos hidráulicos horizontales, con facilidad de control de la presión y la velocidad de trabajo. Presentan el inconveniente de que la palanquilla reposa en la parte inferior del contenedor, de modo que la palanquilla se enfría más rápido por la parte inferior. Este enfriamiento no uniforme da lugar a una deformación no uniforme de la palanquilla. Tienen la ventaja de presentar mayor facilidad para extruir piezas de gran longitud.

También se puede trabajar con equipos hidráulicos verticales, el enfriamiento de la palanquilla es más uniforme, ocupan menos espacio. Como inconveniente presentan mayor dificultad de extruir piezas de gran longitud (sería necesario disponer de una fosa bajo la máquina).


A.L.M. 226

ESTIRADO Y TREFILADO

En el estirado/trefilado se reduce o cambia la sección transversal de una barra o alambre haciéndolo pasar a través de una matriz. Una diferencia clara entre la extrusión y el estirado (trefilado) es que en la extrusión se trabaja a compresión (al igual que en la laminación y la forja), mientras que en el estirado (trefilado) se trabaja a tracción. Diferencias entre estirado y trefilado:

Tabla 4. Características generales de los procesos de estirado/trefilado. (Fuente [2])

ESTIRADO TREFILADO Barras de 4 a 6 m de longitud. Barras de diámetro > 10 mm. Perfiles con espesor de 3 mm aprox. Materia Prima

Tubos.

Redondos de diámetro de 5-8 mm.

Objetivo Calibrar, endurecer, dar forma. Adelgazar el material.

Operación 1 pasada (reducción hasta del 45% aprox. en una pasada)

Varias pasadas (reducción de hasta 1000 a 1).

El proceso de estirado es muy similar al proceso de extrusión.

Figura 39. Proceso de estirado. (Fuente [1])

Se pueden obtener diversas formas mediante estirado (sólidas o huecas), trabajando con diferentes tipos de matrices y mandriles (para tubos).

Figura 40. Diferentes tipos de operaciones de estirado de tubo. (Fuente [1])

Las matrices suelen fabricarse con acero (enterizas), aunque también existe la posibilidad de trabajar con matrices con partes de carburo de tungsteno.

Matriz Matriz

Matriz Matriz

Mandril fijo

Mandril flotante Mandril móvil

Superficie de apoyo

Superficie de apoyo

Pieza

Ángulo de matriz

Ángulo de alivio

Alambre o barra

Matriz


A.L.M. 227

Figura 41. Matriz enteriza (dcha.) y con inserto de carburo de tungsteno (dcha.). (Fuente [1])

OPERACIONES EN ESTIRADO

Operaciones Preparatorias

- Afilado: permite introducir el extremo de la barra en el orificio de la hilera y poder sujetarlo con la mordaza para estirar. Procedimientos:

o Forjado: en caliente y con martillo.

o Forjado rotatorio.

o Laminación.

o Torno.

o En los bancos modernos no es necesario realizar el afilado, ya que disponen de dispositivos que obligan a la barra a introducirse en la hilera lo suficiente para ser atrapado por la mordaza.

- Decapado: objetivo eliminar el óxido. Se suele realizar una limpieza superficial mediante solución de ácido sulfúrico al 20%. Elimina el óxido de la superficie. Posteriormente se baña en óxido de cal, lo que detiene el ataque del ácido y sirve de lubricante.

Estirado

Se realiza en los bancos de estirar formados por una bancada con una cabeza portahilera, un carro de tracción, provisto de una mordaza para sujetar la barra y aplicar el esfuerzo de tracción, y un dispositivo para desplazar el carro (cremallera, cadena sin fin, cilindro y pistón…)

Figura 42. Ejemplo de un banco de estirado. (Fuente [1])

Campana

Ángulo de entrada

Ángulo de aproximación

Superficie de apoyo

Ángulo de salida

Porta inserto de acero

Inserto de carburo de tungsteno

Matriz

Pieza estirada Pieza

Lubricación Zona de reducción

Mordaza y palanca

Carretilla de estirado en frío

Cadena de transmisión


A.L.M. 228

Operaciones de Acabado

- Corte de los extremos.

- Recocido: para eliminar acritud si se desea.

- Enderezado y pulido

OPERACIONES EN TREFILADO

Operaciones preparatorias

- Afilado: permite introducir el extremo del redondo/alambre en el orificio de la hilera y poder sujetarlo con la mordaza para su trefilado. Procedimientos:

o Martillo o Laminación.

- Soldado: permite realizar el proceso en continuo sin tener que afilar repetidas veces.

- Decapado: objetivo eliminar el óxido. Por medios mecánicos o químicos. Siempre se deben evitar los óxidos en operaciones de conformado plástico en frío, ya que el óxido es muy duro y poco plástico.

Trefilado

Se realiza en máquinas de trefilar.

Figura 43. Ejemplo de un equipo de trefilado en etapas múltiples. (Fuente [1])

Operaciones de acabado

- Corte de los extremos.

- Recocido: para eliminar la acritud si se desea.

- Rectificado (elimina óxido superficial), galvanizado con cinc, esmaltado con barnices, pulido, niquelado o cromado.

Control de velocidad

Lubricante y matriz

Tambor


A.L.M. 229

5.5 Procesos de conformado de chapa

En este apartado veremos los procesos de fabricación con hojas/láminas metálicas como materia prima. Existen una amplia gama de productos que podemos incluir en estos procesos: latas de bebidas, artículos de cocina, escritorios y librerías metálicas, electrodomésticos, carrocerías de automóviles, fuselajes de aviones…

Las piezas obtenidas con estos procesos se caracterizan por su ligereza y por la versatilidad de los procesos.

OBTENCIÓN DE FLEJES Y LÁMINAS METÁLICAS

Dada la importancia de reducir desperdicios y el aumento de la necesidad de geometrías poco estándar o convencionales, los sistemas de fabricación de hojas metálicas deben ser capaces de:

- Suministrar grandes cantidades de productos divididas en pequeños lotes (Logística). Es necesario automatizar los sistemas, disminuir tiempos muertos.

- Suministrar formatos y bobinas de nuevos tipos de materiales con la calidad exigida en cada momento.

- Procesar y suministrar geometrías diferentes a las tradicionales (no sólo en formato rectangular).

Algunos ejemplos de formatos:

- Formatos pequeños: se aumenta la productividad con líneas multiformato, líneas combinadas, cizallas rotativas, combinación de cortes.

- Formatos rectangulares grandes o medianos: se tiende a aumentar la velocidad del proceso, reducir los tiempos de cambio y preparación. Por ejemplo, se tiende a automatizar el cambio de las bobinas de hoja metálica.

Figura 44. Línea de corte para diversos formatos rectangulares. (Fuente [2])

- Formatos complejos y formatos trapezoidales: se tiende a líneas de corte con prensas que permitan el corte de la hoja metálica casi para cualquier geometría. La inversión es mayor.

- Bobinas estrechas (flejes): se tiende al cambio rápido de útiles y a reducir el tiempo de preparación de las máquinas.

- Formatos de gran espesor: se tiende a líneas combinadas o a centros de cizallado.

Almacenamiento en paletas

Corte transversal

Tensado

Corte longitudinal

Desboninador automático


A.L.M. 230

Figura 45. Línea de corte para la obtención de flejes. (Fuente [2])

CIZALLADO Y PUNZONADO

Para fabricar cualquier pieza a partir de una lámina metálica, generalmente la primera operación es el corte de dicha lámina para obtener la forma adecuada. A la operación del corte se le denomina cizallado (corte recto) y punzonado (corte con otro tipo de geometrías). En cualquier operación de corte podemos diferenciar las siguientes etapas:

- Impacto: el punzón/cuchilla entra en contacto con la pieza de trabajo.

- Deformación: se produce una deformación plástica del material entre el punzón y la matriz.

- Fractura: se supera el límite de rotura del material y aparecen las primeras fisuras.

- Desgarro: el material se encuentra parcialmente roto. En los puntos en los que todavía no han aparecido fisuras se produce una deformación plástica antes de la rotura final.

- Desprendimiento: la pieza cortada cae en el fondo de la matriz.

- Retorno: el punzón/cuchilla vuelve a su posición inicial.

Los principales parámetros que se deben controlar son:

- La forma del punzón y de la matriz (cuchilla – matriz).

- La velocidad de punzonado/cizallado: en general, a mayor velocidad, mejor acabado.

- La lubricación.

- La holgura entre el punzón y la matriz: factor muy importante que influye en la forma y calidad del corte. A mayor holgura, la zona de deformación es mayor y la superficie de la pieza cortada suele ser más rugosa. A menor holgura, se obtiene mejor acabado, mejor tolerancia, pero se requiere mayor fuerza. El juego de una herramienta de punzonado se define como:

%100e

HJ (3)

donde H es la holgura entre el punzón y la matriz y e es el espesor de la hoja metálica. La holgura se obtiene a partir del diámetro de la matriz D y el diámetro del punzón d:

Desboninador automático

Cizalla rotativa

Tensado

Alineamiento

Boninado automático

(flejes)

Bobina (flejes) preparados


A.L.M. 231

2

dDH

(4)

el juego de punzonado se mide en tanto por ciento respecto al espesor de la hoja metálica. Se define como juego normal a aquel que esté en torno al 5-7% del espesor, con este tipo de juego se obtienen buenos resultados y calidades. Si se trabaja con un juego menor el desgaste de la herramienta será mayor y también será mayor la fuerza necesaria, se deberá analizar si estos inconvenientes se compensan con el mejor acabado que se obtenga. Si el trabajo a realizar no tiene muchas exigencias en cuanto al acabado y la calidad, se puede trabajar con un juego rápido en torno al 10-12%, el desgaste de la herramienta es menor, así como la fuerza necesaria.

Figura 46. Esquema del proceso de punzonado (cizallado con punzón y matriz). (Fuente [1])

Fuerza de punzonado/cizallado: el punzón durante su avance debe enfrentarse a tres resistencias: (i) resistencia opuesta por la estructura molecular del material; (ii) tensiones elásticas del material; (iii) resistencia a la expulsión de la pieza por rozamiento. La fuerza de corte será función del perímetro de la pieza, del espesor y de la resistencia al cizallado:

sKesF (5)

donde, s es el desarrollo de la periferia de la pieza a cortar [mm], e es el espesor [mm] y Ks es la resistencia a la cizalladura [kg mm-2]. La tensión o resistencia de cizalladura puede relacionarse con la resistencia última a tracción σut mediante la siguiente expresión:

utsK 5.0 (6)

para láminas de acero se puede considerar la resistencia a la cizalladura Ks igual a 200 kg mm-2.

Hoja

Matriz

Fractura

Penetración

Holgura

Holgura

Punzón

Hoja

Matriz

Diámetro del punzón

Espesor de la hoja

Ángulo de fractura

Profundidad de penetración

P. Hundimiento

P. Lisa

P. Fractura

Altura de la rebaba

Diámetro del corte


A.L.M. 232

OPERACIONES DE CIZALLADO

Corte recto con cizalla: se realiza el corte recto de láminas o chapas metálicas con una cuchilla recta móvil y una matriz fija. Se utilizan máquina denominadas cizallas o guillotinas.

Figura 47. Cizalla hidráulica Korpleg modelo CPA-24 (izq.) y punzonadora GEKA modelo multicrop 45 (dcha.).

Corte por matriz: se incluyen diferentes operaciones:

- Punzonado/Troquelado: operación para el corte de geométricas cerradas, en una superficie plana, más o menos complejas y de forma instantánea. En el punzonado el trozo recortado es el desperdicio, en el troquelado el trozo recortado es la pieza deseada.

- Seccionado: división de la lámina u hoja metálica en dos o más piezas.

- Muescado: corte de diferentes formas en los bordes de la hoja metálica.

- Pestañado: corte de cejas o pestañas sin retirar el material.

Figura 48. Diferentes operaciones de corte con matriz. (Fuente [1])

Troquelado fino: permite conseguir bordes muy lisos y a escuadra.

Ranurado (corte mediante cuchillas giratorias): se pueden realizar cortes en línea recta o trayectorias complejas.

Figura 49. Corte con cuchillas giratorias. (Fuente [1])

Cuchilla impulsada

Lámina u hoja

Cuchilla loca Holgura

Desperdicio

PUNZONADO TROQUELADO

DIVISIÓN

MUESCADO PESTAÑADO

PERFORADO

RANURADO


A.L.M. 233

Regla de acero: corte de metales blandos mediante delgadas cintas de acero endurecido doblada con la forma a producir (similar a la operación de corte de galletas con moldes metálicos).

Niblado o perforado: se trabaja con un punzón pequeño que se mueve con rapidez hacia arriba y abajo dentro de una matriz. En la apertura entre el punzón y la matriz se introduce la hoja metálica a perforar. Utilizando controles automáticos o manuales se puede realizar el corte de la lámina en cualquier dirección (superponiendo los orificios realizados por el punzón) obteniendo ranuras o orificios seguidos.

En este tipo de operaciones de corte o cizallado de hojas metálicas se producen una gran cantidad de desperdicio. Para reducir la cantidad de desperdicio se debe distribuir de forma adecuada todas las geometrías a cortar sobre la hoja metálica, a esta distribución se le denomina anidado, puede realizarse manualmente. En la actualidad los programas que gestionan las máquinas de corte (punzonadora, corte láser, oxicorte, corte por chorro de agua…) disponen de aplicaciones que realizan el anidado de forma automática.

Figura 50. Ejemplo de anidado realizado de forma manual para el corte en máquina de oxicorte.

HOJAS METÁLICAS EN BRUTO SOLDADAS A MEDIDA

Por lo general, los procesos de corte y formado con hojas metálicas se realizan en hojas de gran tamaño y del mismo espesor. Una variante, que permite trabajar con láminas de diferente espesor, es la soldadura a tope mediante rayo láser que permite unir dos o más piezas de formas y espesores diferentes para posteriormente darles forma mediante, por ejemplo, estampado. Con esto se consigue:

- Reducir el desperdicio de material.

- Eliminar la necesidad de realizar soldadura por puntos.

- Mejorar el control de las dimensiones.

- Mejorar la productividad.

Figura 51. Fabricación de una pieza lateral de la carrocería de un coche mediante soldadura a tope con rayo láser y estampación. (Fuente [1])

Piezas en bruto obtenidas mediante corte láser

(diferentes espesores)

Unión mediante soldadura láser

Formado mediante estampado


A.L.M. 234

TIPOS DE MATRICES PARA CIZALLADO

Matrices compuestas: se pueden realizar varias operaciones en una misma hoja metálica con un solo recorrido de la estación (sólo permiten hacer una operación por recorrido).

Matrices progresivas: se utilizan para piezas que requieren múltiples operaciones a realizar, las operaciones diferentes se realizan de forma progresiva en un mismo recorrido de la estación. La hoja metálica se suele alimentar mediante una bobina.

Figura 52. Ejemplo de proceso de corte con matriz progresiva. (Fuente [1])

Matrices de transferencia: la hoja metálica pasa por diferentes operaciones en diferentes estaciones de trabajo.

CARACTERÍSTICAS Y FORMABILIDAD DE LAS HOJAS METÁLICAS

CARACTERÍSTICAS (ENSAYOS FUNDAMENTALES)

Elongación: en los procesos de formado que se ven en este apartado rara vez comprenden una deformación uniaxial sencilla (en una única dirección), como en un ensayo a tracción. Pero conocer el comportamiento del material frente a un ensayo de tracción es útil para la posterior aplicación en los procesos de formado.

Anisotropía: tras los procesos de obtención de las hojas o láminas metálicas (mediante procesos de laminado) se suele observar anisotropía en dichas hojas. Podemos observar:

- Anisotropía normal: compara la deformación de la hoja metálica en una dirección paralela a la superficie de la hoja (εxx) y la dirección del espesor (εzz), perpendicular a la superficie de la hoja. Se utiliza el índice de anisotropía de Lankford:

zz

xxr

(7)

- Anisotropía plana: compara la deformación en diferentes direcciones cualesquiera de la superficie de la hoja metálica. Se utiliza el índice de anisotropía plana (IAP):

4

2 º45º90º0 rrrIAP

(8)

siendo r el índice de anisotropía de Lankford para la dirección indicada en el subíndice.

Pistón

Punzón de troquelar

Matriz

Tope

Punzón de punzonar

Hoja metálica

Eyector

Desperdicio Pieza obtenida

Hoja metálica

1ª Operación Desperdicio Pieza obtenida


A.L.M. 235

- Anisotropía para la acritud (endurecimiento durante la deformación): se ha observado que durante la deformación de una hoja metálica la acritud producida puede variar en función de la dirección considerada. Se puede calcular el coeficiente de endurecimiento medio de la hoja según la siguiente expresión:

4

2 º45º90º0 nnnn

(9)

donde n es el coeficiente de endurecimiento por deformación, exponente de la fórmula de la curva tensión σ – deformación ε (ensayo a tracción):

nK (10)

donde K es el módulo de elasticidad o de Young.

FORMABILIDAD (ENSAYOS SIMULATIVOS)

La formabilidad de las hojas metálicas es una característica de gran interés, se define como la capacidad de la hoja metálica para sufrir un cambio de forma sin fallar (grietas, desgarros…). Para determinar la formabilidad se recurre a ensayos simulativos en los que se tiene en cuenta el proceso de formado que se desea utilizar.

- Ensayo de doblado: la hoja metálica se deforma hasta que se alcanza un ángulo específico o hasta que aparezcan grietas.

o Criterio de Fallo: aparición de grietas en la zona de deformación.

o Parámetro de comparación: ángulo al que aparecen las primeras grietas.

Figura 53. Ensayo de doblado (izq.) y ensayo de doblado alternativo (dcha.). (Fuente [2])

- Ensayo de doblado alternativo: para el caso particular de hojas metálicas especialmente deformables o de espesor pequeño. El ensayo consiste en doblar 90º de forma repetida y en sentidos opuestos hasta que aparezcan grietas en la zona de doblado.

o Criterio de Fallo: aparición de grietas en la zona de deformación.

o Parámetro de comparación: número de ciclos.

- Ensayo de embutición de copa de Swift: en el proceso de embutición se obtiene una forma espacial hueca no desarrollable a partir de una hoja metálica, normalmente sin variaciones en el espesor. En el ensayo de copa de Swift se realiza la embutición completa de una hoja metálica (con punzones de diferente diámetro), de forma que en cada ensayo (para cada

e, espesor

d

d + 3e (mínimo) 1er ciclo 2º ciclo


A.L.M. 236

punzón) se obtiene la relación de embutición β = D/d (diámetro del disco original D y diámetro del punzón d). En este ensayo no se fija la hoja mediante mordazas.

o Criterio de Fallo: aparición de grietas en la base de la hoja embutida.

o Parámetro de comparación: relación de embutición β a la que aparecen las grietas.

Figura 54. Ensayo de copa de Swift (izq.) y ensayo de embutición de Fukui (dcha.). (Fuente [2])

- Ensayo de embutición de Fukui: similar al anterior, se realiza la embutición de discos circulares. Tanto en este ensayo como en el anterior la hoja embutida se deja sin fijar, la hoja es guiada por las mordazas, pero sin fijar de forma rígida (para que no se produzca expansionado, no se reduzca el espesor de la hoja).

o Criterio de Fallo: aparición de grietas en la base de la hoja embutida.

o Parámetro de comparación: relación D/d.

- Ensayo de expansionado (Erichsen): en el expansionado de una hoja metálica se produce una deformación bidimensional, siendo necesario la reducción del espesor (también se conocen como procesos de estirado bidimensional o embutición profunda). En el ensayo de Erichsen se deforma, con un punzón metálico, una hoja metálica que se sujeta de forma rígida con las mordazas.

o Criterio de Fallo: aparición de grietas en la copa deformada.

o Parámetro de comparación: índice de Erichsen (profundidad de deformación).

Figura 55. Ensayo de Erichsen (izq.) y ensayo de abocardado (dcha.). (Fuente [2])

Punzón

d

D

d

D

d

D


A.L.M. 237

- Ensayo hidráulico de expansión: es muy similar al ensayo de Erichsen, pero sustituyendo el punzón metálico por un fluido a presión.

- Ensayo de abocardado: el abocardado es un proceso muy común en el formado de hojas metálicas (deformar una lámina con un orificio previo que también se deforma). El ensayo de abocardado o de Siebel-Pomp se deforma mediante expansionado una hoja metálica con un agujero circular. La hoja se sujeta de forma rígida con las mordazas.

o Criterio de Fallo: aparición de grietas en el contorno del agujero.

o Parámetro de comparación: índice Siebel-Pomp ISP:

d

dDISP

(11)

PLEGADO Y DOBLADO

El doblado o plegado es una de las operaciones industriales de formado más comunes. Cuando una hoja metálica se coloca sobre la matriz de plegado, se comporta, en muchos casos, como un sólido apoyado en sus extremos. En el caso más simple, se puede usar la siguiente fórmula para determinar la fuerza necesaria para el doblado o plegado:

l

sbF d

3

2 2 (12)

donde F es la carga a aplicar [kg], σd es la resistencia a flexión del material a doblar [kg mm-2] y se puede relacionar con la resistencia a tracción σr (σd = 3 σr), b es la longitud de doblado [mm], s es el espesor de la chapa [mm] y l es la distancia entre los apoyos de la hoja.

El proceso de doblado y plegado viene definido por el ángulo de doblado, en cualquier proceso de este tipo siempre hay que tener en cuenta la recuperación elástica del material. En el caso del proceso de curvado, vendrá definido por el radio de curvatura.

OPERACIONES DE DOBLADO

Doblado en máquinas de cuatro correderas: se utiliza para doblado de piezas cortas. Se suele utilizar para doblar tuberías, bujes y otros componentes de maquinaria.

Figura 57. Doblado en máquina de cuatro correderas. (Fuente [1])

Formado en prensas (plegadoras): se pueden doblar hojas metálicas de hasta 7 m de longitud (el espesor depende de la potencia de la prensa y del tipo de matriz). El plegado de la hoja se realiza mediante la bajada de un punzón que obliga a la hoja a tomar la forma de una matriz con una forma determinada. Existen una gran variedad de matrices y de punzones.


A.L.M. 238

Figura 56. Algunas operaciones de plegado y plegadora. (Fuente [1])

Doblado con rodillo (curvadoras): las placas se doblan mediante un juego de rodillos. Se pueden obtener diferentes curvaturas modificando la distancia entre los rodillos. Los rodillos pueden ser metálicos o de otro material, como el poliuretano.

Figura 58. Doblado con rodillos (izq.) y doblado con rodillo de poliuretano (dcha.). (Fuente [1])

Acanalado: el borde de una hoja metálica se dobla dentro de la cavidad de una matriz.

Rebordeado: doblado en 90º del borde de una hoja metálica.

Figura 59. Ejemplo de acanalado con matriz. (Fuente [1])

Formado por rodillos (formado por rodillos de contorno o formado por laminado en frío): se utiliza para dar forma a hojas metálicas de forma continua, para grandes lotes. Similar a los trenes de laminación, pero sin reducir el espesor. Conforme la hoja pasa por los rodillos se va doblando en diferentes etapas.

Matriz

Rodillo ajustable

Rodillos fijos conducidos

Hoja

Rodillo de poliuretano

Formado de canal

Escalón Plegado (aplanado)

Costura de cierre

Plegado descentrado

Engrane principal

Engrane principal

Corona

Conexiones

Émbolo

Matriz

Bancada

Volante

Motor

Embrague y freno

Lateral

Base


A.L.M. 239

Figura 60. Formado con rodillos. (Fuente [1] izq. y Fuente [2] dcha.)

Doblado y formado de tubos: para el doblado de tubos y otras secciones huecas se utilizan herramientas especiales de doblado para evitar el pandeo y plegado del material a doblar. Para evitar el plegado del tubo se puede rellenar de arena, otro tipo de material o utilizar un mandril colocado en el interior del tubo.

Figura 61. Doblado de tubos. (Fuente [1])

Figura 62. Doblado de perfiles.

Doblado y formado de tubos mediante hidroformado: el doblado de tubos también puede realizarse mediante la presión interna de un fluido. Se sellan los extremos del tubo por medios mecánicos, se aplica presión mediante un fluido en el interior del tubo obligándolo por expansión a tomar la forma de una matriz.

Conformado por estiramiento: la hoja metálica se sujeta por sus extremos y se estira mediante una matriz macho (bloque o punzón formador) que se mueve hacia arriba, abajo o lateralmente, depende de la configuración de la máquina.

Sujeción

Bloque de forma

Tubo Sujeción

Bloque de forma

Barra de presión

Abrazadera

Bloque de forma

Abrazadera

Zapata

MANDRILES

Inserto

Bolas

Laminado

Cable

Vista lateral

Vista frontal


A.L.M. 240

Figura 63. Producción de accesorios para tuberías mediante expansión por hidroformado. (Fuente [1])

EMBUTICIÓN (EMBUTICIÓN PROFUNDA)

Operación en la que se obtienen piezas cilíndricas o con forma de caja (fregaderos, contenedores…), piezas con forma hueca no desarrollable.

Figura 64. Etapas en el formado de latas de aluminio. (Fuente [1])

Punzón

Hoja

Matriz Pieza

TROQUELADO

Punzón

Pieza

Matriz

Placa sujeción

EMBUTIDO 1

Punzón

Pieza

Matriz

Sujeción EMBUTIDO 2

Punzón

Pieza

Matriz

Anillo de planchado

EMBUTIDO PLANCHADO

Punzón

Pieza

Matriz

FORMADO DE LA BASE

Herramienta repujado

Pieza

Soporte

FORMADO DEL CUELLO

Rodillo Mandril

Tapa

UNIÓN TAPA-CUERPO

Cuerpo

Pieza

Fluido Fluido

Matriz


A.L.M. 241

En el proceso de embutición se coloca una pieza (hoja metálica o disco) sobre una matriz circular y se sujeta con una placa de sujeción (anillo de sujeción). Un punzón desciende y obliga a la pieza a tomar la forma de la matriz. Durante el proceso se produce un complejo sistema de fuerzas de tracción y compresión que componen el flujo o corrimiento del material. Por ejemplo, se generan esfuerzos circunferenciales de compresión en el borde de la hoja que tiende a que el borde se pliegue. Este efecto se reduce con el uso del anillo de sujeción.

La fuerza necesaria para realizar la embutición es difícil de calcular, una estimación aceptada para la determinación aproximada de la fuerza máxima de embutición es la siguiente:

7.0max

p

outp D

DeDF (13)

donde Dp es el diámetro del punzón, σut es la resistencia a tracción del material, Do es el diámetro inicial de la hoja y e es el espesor de la hoja.

Figura 65. Esquema del proceso de embutición. (Fuente [1])

Relación de embutición: se define como la relación entre el diámetro de la pieza bruta y el diámetro del punzón (β = Do/Dp). Cuanto mayor es la relación de embutición y mayor es la altura o profundidad de embutición más difícil es realizar la operación de embutición. Generalmente, para piezas profundas se realiza la embutición en diferentes pasos o etapas (reembutido).

Relación máxima de embutición: se define como la relación entre el diámetro máximo de la pieza bruta que se puede embutir para determinado diámetro del punzón (βmax = Do-max/Dp).

Embutición: normalmente no hay variaciones de espesor. El contorno de la hoja metálica (disco) no se sujeta con firmeza, se va desplazando hacia el interior de la cavidad de la matriz conforme avanza el punzón.

Embutición profunda: las dimensiones de la embutición sobrepasan el diámetro del punzón. El contorno de la hoja metálica (disco) se sujeta con firmeza con las mordazas. Se produce reducción del espesor. Es un proceso de expansionado del material.

Punzón

Pieza

Placa de presión

Placa de sujeción

Matriz

Anillo expulsor de resorte

Pieza original

Copa embutida

Punzón

Fuerza sujeción

Placa de sujeción

Matriz

Matriz


A.L.M. 242

Figura 66. Ejemplo del proceso de fabricación de latas de aluminio. (Fuente [2])

FORMADO CON HULE

En el formado con hule una de las matrices se fabrica con material flexible, generalmente con poliuretano, lo que hace que la matriz tenga las siguientes características (que mejora frente a matrices metálicas): (i) buena resistencia a la abrasión; (ii) buena resistencia al corte o desgarramiento por rebabas o filos de las piezas de trabajo; (iii) buena resistencia a la fatiga.

RECHAZADO O REPUJADO

Formado de hojas metálicas sobre un mandril giratorio mediante el uso de diversas herramientas y rodillos (similar al torno de alfarero – arcilla).

Convencional: una pieza circular metálica (cortada de una hoja plana o con alguna preforma previa) se coloca y mantiene sobre un mandril que gira, mientras que con una herramienta rígida se va dando forma al material sobre el mandril (en general va tomando la forma del mandril). La herramienta puede manejarse de forma manual o mediante CNC (similar al torno en mecanizado). En el caso de manejar la herramienta manualmente, se requiere gran habilidad y experiencia por parte del operario/artesano. En general se realiza en frío.

Figura 67. Proceso convencional de repujado (izq.) piezas obtenidas (dcha.). (Fuente [1])

Chapa Disco (troquelado) Embutición Fase I

Fase II Conformado del fondo

Corte Desengrasado Pintura exterior Secado

Etiquetado Secado

Conformado del cuello

Recubrimiento interior Secado

Embalaje

Mandril

Herramienta

Pieza


A.L.M. 243

Cortante: similar al convencional, se obtienen formas cónicas, pudiendo tener formas curvilíneas en el mandril, reduciendo el espesor de la hoja, manteniendo el diámetro del disco original como diámetro máximo de la pieza obtenida. Se puede utilizar un solo rodillo de formado o dos para equilibrar las fuerzas.

Repujado de tubos: para reducir el espesor de tubos uniformes o darles forma (externa o internamente), sobre un mandril sólido que gira, mediante rodillos. Al reducir el espesor se obtiene un tubo más largo.

Figura 68. Repujado cortante (izq.) repujado exterior (centro) e interior (dcha.) de tubos. (Fuente [1])

OTROS MÉTODOS DE FABRICACIÓN CON HOJAS METÁLICAS

Formado superplástico: algunos metales, a ciertas temperaturas, muestran un comportamiento superplástico, permitiendo deformaciones (elongaciones) del 2000%. En el formado superplástico se utilizan técnicas convencionales de trabajo de metales y técnicas de procesamiento de polímeros (termoformado, formado por vacío y moldeo por soplado).

Formado por explosión: se sujeta una hoja metálica sobre una matriz dentro de un tanque con agua, se evacua el aire de la cavidad de la matriz, se coloca una carga explosiva a cierta altura sobre la hoja metálica. La explosión de la carga crea una onda expansiva que hace que la hoja metálica tome la forma de la matriz.

Formado por pulso magnético: descarga de energía almacenada mediante bobina magnética para dar forma a hojas o láminas.

Formado por martillado: producir formas curvadas en hojas metálicas delgadas mediante granallado en la superficie de una hoja metálica.

Granallado: se trabaja la superficie de una pieza que recibe impactos repetidos de una gran cantidad de granallas (bolas pequeñas) de acero fundido, vidrio o cerámica. Las granallas producen penetraciones y deformación plástica superficial no uniforme, generando esfuerzos residuales de compresión, mejorando la resistencia a la fatiga.

Formado por rayo láser: aplicación de rayos láser como fuente de calor en regiones específicas de las hojas metálicas. Los grandes gradientes térmicos localizados a través del espesor de las hojas metálicas producen esfuerzos térmicos suficientes como para ocasionar deformación plástica localizada.

Microformado: procesos de desarrollo muy reciente que permiten producir piezas y componentes metálicos muy pequeños.

Formado electrohidráulico: se utilizan dos electrodos conectados con un alambre corto y delgado, la rápida descarga de energía a través del alambre genera una onda de choque similar a la creada por los explosivos.

Cono

Pieza

Rodillo

Rodillo

Pieza


A.L.M. 244

Mezcla de gases: la fuente de energía es una mezcla de gases dentro de un contenedor cerrado, que se enciente. La presión generada es suficiente como para dar formas a hojas o láminas metálicas.

Gases licuados: los gases licuados (como el nitrógeno líquido) también se han utilizado para desarrollar presiones suficientemente elevadas como para dar forma a hojas o láminas metálicas.

Fabricación de estructuras metálicas tipo panal

Figura 69. Métodos de fabricación de estructura tipo panal. Proceso de expansión (izq.) y proceso de corrugado (dcha.). (Fuente [1])

PRENSAS DE FORMADO DE HOJAS METÁLICAS

Para las operaciones de prensado se utilizan prensas mecánicas, hidráulicas, neumáticas o neumáticas-hidráulicas. Existe una gran variedad de tipos. A la hora de seleccionar una prensa se deberá tener en cuenta:

- Tipo de operación, tamaño, forma de las matrices y herramientas.

- Tamaño y forma de las piezas de trabajo.

- Carrera de la corredera (con la corredera en la posición superior), número de recorridos por minuto, velocidad de la operación, altura de cierre (con la corredera en la posición inferior).

- Número de correderas por prensa:

o Prensas de simple acción: una corredera alternativa.

o Prensas de doble acción: dos correderas, alternativas en la misma dirección (una para el punzón y otra para la placa de sujeción).

o Prensas de triple acción: tres correderas, permiten invertir la operación de embutido (embutido en reverso) u otras operaciones complejas.

- Fuerza máxima requerida (potencia).

- Tipo de control (mecánico, hidráulico, por computador…).

- Características para el cambio de matrices.

- Seguridad.

El procedimiento normal de trabajo de hojas metálicas en prensas se denomina estampación. En este proceso se combinan diferentes procesos básicos vistos anteriormente (doblado o plegado, punzonado, troquelado, embutición, expansionado…). En la estampación se trabaja con matrices o estampas con formas diversas.

Adhesivo

Bobina Bloque

Bloque

Tablero expandido

Bobina

Rodillo de corrugado

Hoja corrugada Bloque corrugado

Tablero corrugado


A.L.M. 245

Figura 70. Ejemplo de matriz de estampación.

Figura 71. Diferentes tipos de bastidores de prensas para formado de láminas. (Fuente [1])

Diseño básico con marco en C

Diseño amplio

Bancada ajustable

Basculante abierta por

detrás

Columna Doble columna


A.L.M. 246

5.6 Otros procesos de fabricación

Procesamiento de polvos metálicos

Figura 72. Resumen de procesos en la fabricación de piezas mediante metalurgia de polvos. (Fuente [1])

Procesamiento de productos cerámicos, vidrio y super-conductores

Figura 73. Resumen de procesos en la fabricación de piezas de material cerámico. (Fuente [1])

El vidrio se procesa fundiéndolo y después dándole forma en moldes, mediante diferentes dispositivos o mediante soplado. Se puede clasificar en: (i) hojas o placas planas; (ii) barras y tuberías; (iii) Productos discretos (botellas, floreros…; (iv) fibras de vidrio.

Los superconductores tienen una gran importancia por su potencial para el ahorro de energía durante la generación, distribución y almacenaje de energía eléctrica. Podemos diferenciar entre metales superconductores de baja temperatura (LTSC) y cerámicos superconductores de alta temperatura (HTSC).

El proceso básico para su fabricación es: (i) Preparar el polvo, mezclarlo y triturarlo en un molino de bolas. (ii) Dar forma al polvo. (iii) Someterlo a tratamiento térmico.

Materias primas

Formado moldeado

Secado Cocción

(quemado), sinterizado

Acabado

Trituración Molienda

Aditivos: Aglutinantes Lubricantes Humectantes Plastificantes Defloculante

Vaciado en barbotina Extrusión Prensado Moldeo por inyección

Mecanizado en crudo (en verde)

Mecanizado Rectificado …

Atomización Reducción Deposición electrolítica Carbonilos Trituración o pulverización Aleación mecánica

Metalurgia de polvos

Mezcla

Compactación en frío

Compactación en caliente

Sinterizado

Operaciones secundarias y

de acabado

Prensado Prensado isostático Laminado Extrusión Moldeo por inyección

En vacío

Prensado isostático

Acuñado Forjado Mecanizado Tratamientos térmicos Impregnación Infiltración Recubrimiento

Aditivos Lubricantes


A.L.M. 247

Producción de prototipos rápidos

Estereolitografía.

Moldeo por deposición fundida.

Manufactura mediante partículas balísticas.

Impresión tridimensional.

Sinterización láser selectiva.

Manufactura de objetos laminados.

Procesos de mecanizado avanzado

Los procesos de mecanizado que hemos visto en el Tema 4 (principalmente torno y fresadora) se basan en la eliminación del material mediante medios mecánicos. En determinadas situaciones estos métodos no son válidos para el mecanizado:

- Resistencia y dureza muy elevadas (por encima de 400 HB).

- Material de la pieza de trabajo muy frágil.

- Pieza de trabajo muy flexible, o muy esbelta, o resulta difícil sujetar las partes.

- Formas muy complejas.

- Requerimientos especiales de acabado superficial y tolerancias dimensionales.

- No se puedan permitir temperaturas elevadas durante el mecanizado; no sean deseables esfuerzos residuales en la pieza de trabajo.

Estos requerimientos han dado lugar a una serie de métodos de mecanizado “no convencionales o no tradicionales”:

- Mecanizado químico.

- Mecanizado electroquímico.

- Rectificación eletroquímica.

- Mecanizado por descarga eléctrica (electroerosión).

- Mecanizado ultrasónico.

- Mecanizado por rayo láser.

- Mecanizado por haz de electrones.

- Mecanizado por chorro de agua.

- Mecanizado por chorro abrasivo.


A.L.M. 248

Tabla 5. Características generales de los procesos de mecanizado avanzado. (Fuente [1])

Proceso Características Parámetros de proceso y velocidad

característica de eliminación de material o velocidad de corte.

Mecanizado QuímicoPoca profundidad en superficies planas y curvadas; troquelado de láminas delgadas; bajo coste de herramientas y equipos; adecuado para pequeños lotes.

0.0025 – 0.1 mm min-1

Mecanizado Electroquímico

Formas complejas con cavidades profundas; velocidad superior a procesos convencionales; alto coste de herramientas y material; elevado consumo eléctrico; para lotes medio-grandes

Voltaje: 5-25 V CD Intensidad: 1.5-8 A mm-2 Velocidad: 2.5-12 mm min-1

Rectificación Electroquímica

Corte y afilado de materiales duros, como herramientas de carburo de tungsteno.Intensidad: 1-3 A mm-2 Velocidad: 25 mm3 s-1 por 1000 A

Mecanizado por descarga eléctrica

Formado y corte de piezas complejas con materiales duros; puede producir desperfectos superficiales; se usa también como rectificado y corte; alto coste de herramientas y equipos.

Voltaje: 50-380 V CD Intensidad: 0.1-500 A Velocidad:300 mm3 min-1

Mecanizado por descarga eléctrica por alambre

Corte de contornos de superficies planas o curvadas; alto coste equipo Según material y espesor

Mecanizado por rayo láser

Corte y producción de orificios en piezas delgadas; zonas afectadas por el calor; no requiere vacío; alto coste equipos; consume mucha energía.

0.5-7.5 m min-1

Mecanizado por haz de electrones

Corte y producción de orificios en piezas delgadas; orificios y ranuras muy pequeñas; zonas afectadas por calor; requiere vacío; alto coste equipos.

1-2 mm3 min-1

Mecanizado por chorro de agua

Corte de todo tipo de materiales no metálicos; corte de materiales flexibles; sin daño térmico; ruidoso.

Según material

Mecanizado por chorro de agua + abrasivo

Corte de una o varias capas de materiales metálicos y no metálicos. Hasta 7.5 m min-1

Mecanizado por chorro de abrasivo

Corte, ranurado, rebabeo, ataque y limpieza de materiales metálicos y no metálicos; tiende a redondear aristas afiladas; puede ser peligroso.

Según material


A.L.M. 249

Fabricación de dispositivos microelectrónicos y micromanufactura

Fabricación de dispositivos y sistemas microelectromecánicos (MEMS)

Soldadura, Unión con adhesivos y sujeción mecánica

Una gran mayoría de los productos que podemos encontrar a nuestro alrededor se obtienen mediante el ensamblado de componentes fabricados como piezas individuales. Incluso productos muy sencillos constan de, al menos, dos componentes. Por ejemplo, un martillo (mango de madera y cabeza generalmente de metal). En piezas más complejas el número de componente puede ir desde 300 partes (una podadora), 12000 partes (un piano de cola) a 6 millones de partes (un avión Boeing 747-400).

La unión de componentes es un proceso que incluye: soldadura, unión con adhesivos y unión mecánica. El ensamble de componentes puede ser necesario porque:

- Sea imposible fabricar la pieza con un solo componente, por sencilla que sea.

- Sea más económico fabricar el producto con varios componentes.

- Sea conveniente tener diferentes componentes por motivos de mantenimiento (permita el reemplazo de componentes averiados).

- Por motivos funcionales sea conveniente tener componentes de diferentes materiales.

- Sea preferible el transporte de los componentes hasta el cliente (quien procede al ensamble).

Clasificación de uniones según “American Welding Society (AWS)”:

- Soldadura: “Soldadura por fusión”; “Soldadura de estado sólido”; “Soldadura Fuerte”; “Soldadura Blanda”.

- Unión con adhesivos.

- Sujeción mecánica.

Clasificación de los procesos de soldadura:

- Soldadura por Fusión: proceso en el que se produce la fusión del metal base y del metal de aportación (si se usa). Siempre existe una fase líquida formada por el metal base o por el metal base + el metal de aportación.

- Soldadura en Estado Sólido: no se produce la fusión del metal base ni la del metal de aportación (si se usa). Nunca existe una fase líquida.

- Soldadura Fuerte o Blanda: siempre se produce la fusión del metal de aportación, pero no la fusión del metal base. Siempre existe una fase líquida formada por el metal de aportación. Fuerte (por encima de 450ºC) – Blanda (por debajo de 450ºC).


A.L.M. 250

Figura 74. Esquema clasificación de tipos de uniones. (Fuente [1])

Soldadura: unión continua y homogénea, a nivel local o global, de materiales con o sin aplicación directa de calor, y con o sin la adición de material de aportación. Proceso de unión por coalescencia.

Oxígeno y combustibles gaseosos …

Por arco Por resistencia Por haz de electrones Por rayo láser

Por difusión Por explosión

Procesos de unión

Soldadura Unión por Adhesivos Sujeción Mecánica

Fusión Soldadura Fuerte y Blanda

De estado sólido

Química Eléctrica Química Eléctrica Mecánica

Por resistencia En frío Por fricción Ultrasónica


A.L.M. 251

Acabado de superficies

Una vez fabricada una pieza, quizás sea necesario aplicar algún tratamiento superficial para:

- Mejorar la resistencia al desgaste, la erosión y la penetración.

- Controlar la fricción.

- Reducir la adhesión.

- Mejorar la lubricación (modificar las superficies para retener lubricantes).

- Mejorar la resistencia a la fatiga.

- Reconstruir superficies (para herramientas, matrices… desgastadas).

- Modificar texturas.

- Motivos decorativos (color y textura).

Tratamientos superficiales mecánicos (granallado, granallado con láser, granallado a chorro de agua, granallado ultrasónico, bruñido con rodillo, laminado superficial, boleado o bruñido con bolas, endurecimiento por explosión).

Deposición y revestimiento mecánico (deposición mecánica, revestimiento mecánico o unión por chapeado, revestimiento con láser).

Endurecimiento superficial (carburación, carbonitruración, cianuración, nitruración, endurecimiento por soplete y endurecimiento por inducción). Recubrimiento duro y endurecimiento por chispa.

Rociado térmico: recubrimiento (metales, aleaciones, carburos, cerámicos o polímero) se aplica a una superficie de metal mediante una pistola de rociado con una llama de oxiacetileno, arco eléctrico o arco de plasma.

Deposición de vapor: la superficie de la pieza de trabajo se somete a reacciones químicas mediante gases que contienen compuestos químicos del material a depositar:

- Deposición física de vapor (deposición de vacío y chisporroteo o pulverización catódica).

- Deposición química de vapor.

Electrodeposición, deposición sin electricidad y electroformado.

Recubrimiento de conversión (Anodizado y Coloración).

Inmersión en caliente (en baño de metal fundido).

Esmaltado de porcelana; recubrimientos cerámicos y orgánicos.

Limpieza de superficies (mecánica, electrolítica, química).

Pulido con abrasivo pastoso, acabado de agujeros y pulido y bruñido.

APUNTES DE TEORÍA DE TECNOLOGÍA DE LA FABRICACIÓN Bibliografía

A.L.M. 252

6 BIBLIOGRAFÍA

[1] Kalpakjian, S.; Schmid, S.R. Manufactura, Ingeniería y Tecnología. 2008. 5ª Edición, Pearson Educación, México.

[2] Espinosa, M.M. Introducción a los Procesos de Fabricación. 2000. 1ª Edición, Universidad Nacional de Educación a Distancia (UNED), Madrid (España).

[3] Barrientos, A.; Peñin, L.F.; Balaguer, C.; Aracil, R. Fundamentos de Robótica. 2007. 2ª Edición, McGraw-Hill.

[4] Gerling, H. Moldeo y Conformación. 1979. Editorial Reverté SA, Barcelona (España).

[5] Apuntes de “Mecanizado y Fabricación Asistida por ordenador” 2000. Universidad de Málaga. Escuela Técnica Superior.

apuntes de teoría

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