Manufactura ingenieria y tecnologia kalpakjian by Luís Rodríguez

Tecnologías de Fabricación1 Miguel Moro Vallina2

Apuntes preparados a partir de Serope Kalpakjian y Steven R. Schmid: Manufactura, ingeniería y tecnología. México, 2002: Pearson Educación. Los apuntes corresponden a la asignatura homónima del Plan de Estudios de 2001 de Ingeniería Industrial de la uned. 2 Correo: narodnaia@gmail.com. Web: http://narodnaia.googlepages.com

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Tema 1

Introducción a la fabricación 1.1.

Qué es la manufactura

La manufactura, en su sentido más amplio, es el proceso de convertir la materia prima en productos. Incluye el diseño del producto, la selección de la materia prima y la secuencia de procesos a través de los cuales será manufacturado el producto. Como actividad económica, la manufactura comprende entre el veinte y el treinta por ciento del valor de todos los bienes y servicios producidos. La manufactura puede producir productos discretos, i.e. piezas individuales, o productos continuos.

1.2.

El proceso de diseño y la ingeniería concurrente

Tradicionalmente, las actividades de diseño y manufactura han ocurrido de manera secuencial, más que de manera concurrente o simultánea. Aunque esta secuencia parece lógica y sencilla, es un procedimiento que desperdicia de forma extrema los recursos. Por ello, se está abriendo paso la ingeniería concurrente o simultánea. Clave para el nuevo procedimiento es la importancia ahora bien reconocida de la comunicación dentro de y entre las disciplinas. Esto es, del mismo modo que debe existir comunicación entre las diferentes funciones de ingeniería, marketing y servicio, debe también existir interacción entre subdisciplinas de ingeniería, por ejemplo diseño para la manufactura, reciclabilidad de diseño y diseño para la seguridad. La ingeniería concurrente es un procedimiento sistemático que integra el diseño y la manufactura de los productos, manteniendo a la vista la optimiza-

1.2. El proceso de diseño y la ingeniería concurrente

ción de todos los elementos que forman parte del ciclo de vida del producto. El ciclo de vida implica que todos los aspectos de un producto —diseño, desarrollo, producción, distribución, uso, eliminación y reciclado— se consideran de manera simultánea. Las metas básicas de la ingeniería concurrente son reducir los cambios en el diseño e ingeniería de producto y reducir el lapso que media entre el diseño del producto y su introducción en el mercado, así como los costos asociados a ese tiempo. Tanto para empresas grandes como pequeñas, el diseño del producto conlleva, a menudo, la preparación de modelos analíticos y físicos del mismo, como ayuda para estudiar factores tales como las fuerzas, los esfuerzos, las deflexiones y la forma óptima de la pieza. La necesidad de estos modelos depende de la complejidad del producto. Hoy en día, el estudio de modelos analíticos se ha simplificado mediante el uso del diseño asistido por computadora (cad) y de ingeniería y manufactura asistida por computadora (cae y cam, respectivamente). El cad permite conceptualizar objetos con mayor facilidad, sin tener que elaborar ilustraciones, modelos o prototipos costosos. Usando la cae se puede simular, analizar y probar con mayor precisión y más rápido el desempeño de estructuras sujetas a cargas estáticas o fluctuantes y a temperaturas variables. Por último, la cam involucra todas las fases de la manufactura, al utilizar y procesar aún más la gran cantidad de información sobre materiales y procesos recolectados y almacenados en la base de datos de la organización. Posteriormente a la utilización de estas técnicas asistidas por computadora, suele ser necesario fabricar un prototipo, i.e., un modelo original del producto que funcione. Un desarrollo reciente importante es el llamado prototipado rápido, que se apoya en técnicas asistidas por computadora y en diversas técnicas de manufactura —con el uso de materiales tanto metálicos como no metálicos— para producir prototipos de manera rápida, en forma de un modelo sólido y de bajo costo de una determinada pieza física. Las pruebas de prototipos deben ser diseñadas para simular, de forma tan real como sea posible, las condiciones bajo las cuales se va a usar el producto. Estas condiciones incluyen los factores ambientales —como temperatura y humedad— y los efectos de la vibración y el uso (y el mal uso) repetido del producto. Las técnicas de ingeniería asistida por computadora son capaces de llevar a cabo estas simulaciones de manera rápida y completa. Durante la prueba del prototipo, quizá resulte necesario efectuar modificaciones en el diseño, materiales o métodos de producción originales. Una vez terminada esta fase, se seleccionan los procesos apropiados, métodos de manufactura y equipo, así como las herramientas, etc. Parece ser que, en el pasado, muchos productos han sido sobrediseñados, i.e., que eran demasiado voluminosos, estaban fabricados con materiales de calidad demasiado elevada, o con una precisión y calidad no necesaria para los usos pretendidos. Muchos fabricantes creen que si un producto funciona bien durante un largo período de tiempo, podría haber sido sobrediseñado. En estos casos, la empresa podría reducir los materiales y/o los procesos empleados.

1. Introducción a la fabricación

1.3.

Diseño para la manufactura, ensamblaje, desensamblaje y servicio

Como ya se ha mencionado, el diseño y la manufactura deben estar estrechamente interrelacionados, y no deben nunca verse como disciplinas o actividades por separado. Esta visión ampliada ha sido reconocida como el área de diseño para la manufactura (dfm). Se trata de un procedimiento completo para la producción de bienes, e integra el proceso de diseño con los materiales, métodos de manufactura, planificación de procesos, ensamblaje, prueba y garantía de calidad. El diseño, ingeniería y manufactura asistidos por computadora, y las técnicas de planificación de procesos, empleando grandes programas de computadora, se han hecho indispensables para aquellos que llevan a cabo dichos análisis. Los nuevos desarrollos incluyen sistemas expertos, que tienen capacidades de optimización y por lo tanto pueden acelerar el proceso iterativo tradicional de la optimización del diseño. Una vez que se han manufacturado las partes individuales, deben ensamblarse en un producto. El ensamblaje es una parte importante de la operación general de manufactura y es preciso considerar la facilidad y la velocidad con las que puede efectuarse, así como el costo de las piezas. Asimismo, muchos productos deben diseñarse de manera que sea posible su desensamblaje, a fin de permitir que se desarme el producto para su mantenimiento, servicio o para el reciclaje de sus componentes. Dado que las operaciones de ensamblaje pueden contribuir notablemente al costo del producto, el diseño para el ensamblaje (dfa), así como el diseño para el desensamblaje, se reconocen ahora como aspectos importantes de la manufactura. Comúnmente, un producto que es fácil de ensamblar también será fácil de desensamblar. La tendencia más reciente incluye ahora el diseño para el servicio, cuya meta es que las partes individuales y subensambles de un producto sean fáciles de alcanzar, para poderles dar servicio. La tendencia actual es combinar el diseño para la manufactura y el diseño para en ensamblaje en un diseño más completo para la manufactura y el ensamblaje (dfma), que reconoce la relación inherente entre la manufactura de los componentes y su ensamblaje en un producto final.

1.4.

Selección de materiales

Los tipos generales de materiales empleados hoy en día en la manufactura son los siguientes: – Metales ferrosos: aceros al carbono y aleados, acero inoxidable, aceros para herramientas y dados. – Metales no ferrosos: aluminio, magnesio, cobre, níquel, titanio, superaleaciones, metales refractarios, berilio, circonio, aleaciones de bajo punto de

1.4. Selección de materiales

6 fusión y metales preciosos.

– Plásticos: termoplásticos, plásticos termoestables y elastómeros. – Cerámicas, cerámicas vitrificadas, vidrios, grafitos, diamante —y otros materiales semejantes a este último—. – Composites: plásticos reforzados, matriz de metal y matriz de cerámica. Algunas veces, a éstos se les denomina también materiales de ingeniería. – Materiales especiales: nanomateriales, aleaciones con memoria de forma, aleaciones amorfas, superconductores y otros materiales diversos con propiedades únicas. Las estructuras aeroespaciales y los productos deportivos han ocupado la primera línea en la aplicación de los nuevos materiales. Para las estructuras de las aeronaves comerciales la tendencia es a utilizar más titanio y composites, con una reducción gradual en el uso de aluminio y acero. Propiedades de los materiales Al seleccionar los materiales para los productos, primero se consideran sus propiedades mecánicas —resistencia, tenacidad, ductilidad, dureza, elasticidad, fatiga y fluencia1 —. Las relaciones entre resistencia y peso y entre rigidez y peso también son importantes, particularmente en aplicaciones aeroespaciales y automotrices. El aluminio, el titanio y los plásticos reforzados, por ejemplo, tienen relaciones de este tipo más elevadas que los aceros y los hierros fundidos. Las propiedades mecánicas deben valorarse considerando las condiciones específicas en las que el producto deberá funcionar. A continuación deben tenerse en cuenta las propiedades físicas de los materiales —calor específico, dilatación y conductividad térmica, punto de fusión y propiedades eléctricas y magnéticas—. Las propiedades químicas también desempeñan un papel significativo, tanto en entornos hostiles como normales. La oxidación, la corrosión, la degradación general de las propiedades, toxicidad e inflamabilidad están entre los factores que deben considerarse. Por último, las propiedades de manufactura de los materiales determinan si pueden ser fundidos, formados, maquinados, soldados o sujetos a tratamiento térmico con relativa facilidad. Costo y disponibilidad Si no hay disponibles materias primas procesadas o componentes manufacturados en la forma, dimensión y calidad deseadas, se hará necesario recurrir a sustitutos y/o al procesamiento adicional; éstos pueden contribuir de manera significativa al costo del producto. A menudo, un diseño de producto se puede modificar para aprovechar las dimensiones estándar de las materias primas, y por tanto evitar los costos de manufactura adicionales. En la disponibilidad de las materias primas hay que considerar especialmente la fiabilidad de su suministro. La mayor parte de los países importan numerosas 1 Empleamos el término de «fluencia» en lugar de «cedencia», que es el que emplean los traductores del texto.

1. Introducción a la fabricación

materias primas esenciales para su producción. Estados Unidos, por ejemplo, importa la mayor parte de los volúmenes que emplea de materias primas como el hule natural, diamante, cobalto, titanio, cromo, aluminio y níquel.

1.5.

Selección de los procesos de manufactura

Los principales procesos de manufactura son los siguientes: – Fundición: de molde desechable y de molde permanente. – Formado y conformado: laminación, forja, extrusión, estirado, formado de lámina, pulvimetalurgia y moldeo. – Maquinado: torneado, taladrado, barrenado, fresado, cepillado, brochado y esmerilado, maquinado ultrasónico, maquinado eléctrico, electroquímico, y maquinado de haz de alta energía. – Unión: soldadura con y sin aporte de material, soldadura blanda, unión por difusión, unión adhesiva, y unión mecánica. – Acabado: asentado, lapeado, pulido, bruñido, desbarbado, tratamiento superficial, recubrimiento y depósito. Las operaciones de acabado pueden contribuir de forma significativa al costo de un producto. En consecuencia, la tendencia ha sido pasar de la manufactura de la forma neta o cercana a la forma terminada, en la cual la pieza se fabrica en la primera operación, tan cerca de las dimensiones, tolerancias, acabado superficial y especificaciones finales deseadas como sea posible. Los ejemplos típicos de este tipo de manufactura son la forja de forma neta o cercana a la forma terminada, la fundición de piezas, el estampado de piezas de lámina de metal, el moldeo por inyección de plásticos y la fabricación de componentes mediante técnicas de pulvimetalurgia.

1.6.

Manufactura integrada por computadora

Las metas principales de la automatización en instalaciones de manufactura es integrar diversas operaciones de forma que se mejore la productividad, se incremente la calidad y la uniformidad del producto, se minimicen los tiempos del ciclo y se reduzcan los costes de mano de obra. Pocos desarrollos en la historia de la manufactura han tenido un impacto tan significativo como las computadoras, que se emplean ahora en una amplia gama de aplicaciones que incluyen el control y la optimización de los procesos de manufactura, manejo de materiales, ensamblaje, inspección y prueba automatizada de los productos, control de inventarios y numerosas actividades administrativas. El uso de las computadoras se ha extendido a la llamada manufactura integrada por computadora (cim). Las principales aplicaciones de las computadoras en la manufactura son, en resumen, las siguientes:

1.6. Manufactura integrada por computadora – Control numérico por computadora ( cnc). Se trata de un método para controlar los movimientos de los componentes de las máquinas mediante la inserción directa de instrucciones codificadas en forma de datos numéricos. El control numérico fue implementado por vez primera en la década de los cincuenta, constituyendo un adelanto de importancia en la automatización de las máquinas. – Control adaptativo ( ac). Los parámetros en un proceso de manufactura se ajustan de manera automática para optimizar la tasa de producción y la calidad del producto y minimizar el costo. Los parámetros como fuerza, temperaturas, acabado superficial y dimensiones de la pieza se vigilan de manera constante. Si se mueven fuera del rango aceptable, el sistema ajusta las variables del proceso hasta que los parámetros quedan de nuevo dentro del rango de valores determinado. – Robots industriales. Introducidos a comienzos de la década de los sesenta, los robots industriales han venido reemplazando a los seres humanos en toda una serie de operaciones. Se están desarrollando robots con capacidades de percepción sensorial (robots inteligentes), con movimientos que simulan los de los seres humanos. – Manejo automatizado de los materiales, tanto en las diversas etapas de fabricación como en el movimiento de almacenes y de unas máquinas a otras, así como en los puntos de inspección de inventarios y embarques. – Sistemas de ensamble automatizados y robóticos. Los productos tienden a ser diseñados de forma que puedan ensamblarse más fácilmente a máquina. – Planificación de procesos asistida por computadora ( capp). Esta herramienta permite mejorar la productividad en una planta al optimizar los planes de proceso, reducir los costos de planificación y mejorar la consistencia de la calidad y la fiabilidad del producto. Al sistema pueden incorporarse también funciones tales como la estimación de los costos y la vigilancia de los estándares de trabajo. – Tecnología de grupo ( gt). Las piezas se pueden agrupar y producir clasificándolas en familias, de acuerdo con similitudes de diseño y similitudes en los procesos de manufactura empleados para su producción. Así pueden estandarizarse los diseños de las piezas y los planes de proceso, y las familias de partes similares pueden producirse de manera eficiente y económica. – Producción justo a tiempo ( jit). Los suministros se entregan justo a tiempo para subensamblarlos y ensamblarlos, los productos se terminan justo a tiempo para ser entregados al cliente. Lo esencial es que los costos de inventario se reduzcan, los defectos de las piezas se detecten de inmediato, se incremente la productividad y se fabriquen productos de alta calidad a bajo costo. – Manufactura celular. Consiste en la utilización de estaciones de trabajo —celdas de manufactura—, que por lo general contienen varias máquinas controladas por un robot central, cada una de las cuales ejecuta una operación diferente sobre la pieza.

1. Introducción a la fabricación

– Sistemas de manufactura flexible ( fms). Esta metodología integra las celdas de manufactura en una unidad grande, toda ella con un interfaz con una computadora central. Aunque son muy costosos, estos sistemas son capaces de producir con eficiencia partes en pequeños lotes y modificar secuencias de manufactura de diferentes piezas de manera rápida; esta flexibilidad les permite hacer frente a cambios rápidos en la demanda del mercado para diversos tipos de productos. – Sistemas expertos. Se trata de programas complejos de computadora, que están desarrollando con rapidez la capacidad de llevar a cabo tareas y resolver problemas difíciles de la vida real, de manera muy similar a la forma como lo harían los seres humanos. – Inteligencia artificial ( ai). Los sistemas controlados por computadora se están haciendo cada vez más capaces de aprender de la experiencia y de tomar decisiones que optimizan las operaciones y que minimizan los costos. Las redes neuronales artificiales, que se diseñan para emular los procesos de pensamiento del cerebro humano, tienen la capacidad de moldear y simular situaciones de producción, y controlar y supervisar procesos de manufactura, diagnosticar problemas en el desempeño de las máquinas, llevar a cabo planificación financiera y administrar la estrategia de manufactura de la empresa. – Manufactura compartida. Consistiría en una red regional o nacional de instalaciones de manufactura, con equipo de punta para la capacitación, el desarrollo de prototipos y de lotes de producción en pequeña escala, y estaría disponible para ayudar a pequeñas empresas a desarrollar productos que compitan en el mercado mundial.

1.7.

Garantía y administración total de la calidad

En un sentido amplio, la calidad es una característica o propiedad formada por varias consideraciones técnicas y estéticas bien definidas. De manera tradicional, la garantía de la calidad se ha obtenido al inspeccionar las piezas después de su manufactura. ÃĽstas son inspeccionadas para asegurarse de que se ajustan a las especificaciones y normas de dimensiones, acabado superficial y propiedades mecánicas y físicas. Sin embargo, la calidad no puede ser inspeccionada en una unidad del producto una vez que éste ha sido fabricado. La práctica de inspeccionar productos una vez fabricados ha sido reemplazada rápidamente por una visión, más amplia, que considera que la calidad debe estar incorporada en el producto desde la etapa de diseño y a través de todas las etapas subsiguientes de manufactura y ensamblaje. El objetivo pasa a ser el control de los procesos, puesto que éstos constituyen un factor crítico en la calidad de los productos. Aunque se puede describir de varias maneras, la integridad del producto es un término que se puede utilizar para definir el grado en el cual un producto es (a) adecuado para su propósito, (b) satisface una necesidad real del mercado, (c)

1.8. Competitividad global y costos de manufactura

funciona de manera fiable dentro de su vida esperada, y (d) puede ser mantenido con relativa facilidad. La administración total de la calidad (tqm) y la garantía de calidad son ahora responsabilidad de todos cuantos están involucrados en e diseño y manufactura de un producto. La nueva concepción de la calidad conlleva el uso de poderosas técnicas analíticas, como el control estadístico de procesos (spc) y los diagramas de control para la vigilancia en línea de la producción de piezas y para identificar con rapidez fuentes y problemas de calidad. La meta principal es impedir que ocurran defectos, en lugar de detectarlos y rechazar productos defectuosos una vez fabricados. Un desarrollo de importancia en la garantía de calidad es el diseño experimental, una técnica en la cual se estudian de manera simultánea todos los factores empleados en un proceso de manufactura, así como sus interacciones. La poderosa tendencia hacia la manufactura para y la competencia en el mercado mundial ha creado una necesidad para la aceptación internacional en el uso y en el consenso en relación con el establecimiento de métodos de control de calidad. Esta necesidad ha resultado en la serie ISO9000 de la Internacional Organization for Standardization of Quality, Management and Quality Assurance Standards, así como en el QS9000. Un registro de una empresa para ese estándar —que es una certificación de procesos de calidad y no una certificación de productos— significa que la empresa cumple con prácticas consistentes, según se especifica en su propio sistema de calidad. ISO9000 y QS9000 han influenciado de manera permanente la forma en que las empresas llevan a cabo sus negocios en el comercio mundial, y se han convertido en la norma mundial de calidad.

1.8.

Competitividad global y costos de manufactura

Habitualmente, los costos de manufactura representan aproximadamente un cuarenta por ciento del precio de venta de un producto. Reducir este precio conlleva, por tanto, una serie de principio de diseño para la producción económica. Los que se están siguiendo recientemente son los siguientes: - El diseño debe hacer que el producto sea tan simple como sea posible en su manufactura, ensamblaje, desensamblaje y reciclaje. - Los materiales deben seleccionarse en función de sus características apropiadas de manufactura. - La precisión dimensional y el acabado superficial deben especificarse tan ampliamente como sea posible, para minimizar los costes de manufactura. - Las operaciones secundarias y de acabado de las piezas deben evitarse o minimizarse, porque aumentan los costos de forma significativa.

1. Introducción a la fabricación

1.9.

Producción sobria y manufactura ágil

La producción sobria o manufactura sobria consiste en un juicio crítico sobre cada una de las actividades de la empresa: la eficiencia de sus diversas operaciones, la posible no necesidad de alguna de ellas, la eficiencia de la maquinaria y equipo de producción, y el número de personas involucradas en cada operación particular. Continúa con un análisis completo de los costos de cada actividad, incluyendo aquellos debidos a la mano de obra productiva y no productiva. Este concepto requiere de un cambio fundamental en la cultura corporativa, así como un discernimiento de la importancia de la cooperación y del trabajo en equipo entre la administración y la fuerza de trabajo. Los resultados no redundan necesariamente en una reducción de costes; más bien, van dirigidos hacia la eficiencia y la rentabilidad de la empresa, al eliminar todo tipo de desperdicio de las operaciones y encarar los problemas de inmediato. La manufactura ágil es un término que ha sido acuñado par indicar el uso de los principios de la producción sobria en una escala amplia. El principio que yace tras la manufactura ágil es asegurar la flexibilidad en la empresa de manufactura, de forma que se pueda responder rápidamente a los cambios en la demanda del producto y en las necesidades de los clientes.

1.10.

Diseño y manufactura ambiental con conciencia social

En Estados Unidos solamente, todos los años se descartan nueve millones de automóviles y 285 millones de llantas; aproximadamente 100 millones de dichas llantas se reutilizan de diversas maneras. Todos los años se desechan unos cinco mil millones de kilogramos de productos plásticos. Cada tres meses, las industrias y los consumidores desechan suficiente aluminio como para reconstruir la flota aérea comercial de todo el país. En Alemania, todos los años se desechan 800.000 toneladas de televisores, radios y aparatos de computación. Se están produciendo muchos avances en relación con todo esto, y en la industria ha comenzado a emplearse el término diseño y manufactura con conciencia ambiental, lo que indica el amplio alcance del problema. Se está haciendo especial énfasis en el diseño para el entorno (dfe) o diseño verde. Este procedimiento anticipa el impacto ambiental negativo posible de materiales, productos y procesos, para que puedan tomarse en consideración desde las primeras etapas del diseño de la producción. Los objetivos principales son evitar la contaminación en la fuente y promover el reciclaje y reutilización en vez de la eliminación. 2 Estas metas han llevado al concepto de Diseño para el reciclaje.

2 Por ejemplo, la obtención del aluminio a partir del desperdicio, en lugar del mineral del bauxita, cuesta sólo la tercera parte y reduce el consumo de energía y la contaminación en más de un 90 %.

Tema 2

Introducción a los procesos de fabricación 2.1.

Polímeros: estructura, propiedades generales y aplicaciones

Aunque la palabra «plásticos», que se utilizó por primera vez como sustantivo en 1909, se emplea de manera común como sinónimo de «polímeros», los plásticos son uno de los numerosos materiales poliméricos y tienen moléculas extremadamente grandes (macromoléculas). Debido a sus muchas propiedades únicas y diversas, los polímeros han venido reemplazando cada vez más a los componentes metálicos en aplicaciones para automóviles, aeronaves civiles y militares, artículos deportivos, juguetes, enseres y aparatos domésticos, y equipo de oficina. Este reemplazo refleja las ventajas que poseen los polímeros en función de las siguientes características: resistencia a la corrosión y a los productos químicos; baja conductividad eléctrica y térmica; baja densidad; elevada relación de resistencia a peso, particularmente cuando se trata de plástico reforzado; reducción de ruido; amplia selección de colores y transparencias; facilidad de manufactura y posibilidad de diseños complejos; costo relativamente bajo; y finalmente, algunas propiedades que pueden o no ser deseables dependiendo de la aplicación, tales como resistencia y rigidez reducida, elevado coeficiente de dilatación térmica, bajo rango de temperatura útil (hasta aproximadamente 350◦C), y menor estabilidad dimensional en servicio a través del tiempo. La palabra plástico proviene del griego plastikos, que significa aquello que «se puede moldear y conformar». Los plásticos se pueden maquinar, fundir, conformar y unir en muchas formas con facilidad relativa. Se requieren operaciones mínimas adicionales —en el caso de que se requiera alguna en absoluto— de acabado superficial; esta característica representa una ventaja importante en relación con los metales. Los plásticos están disponibles comercialmente en hojas, placas, películas, barras y tuberías de varias secciones transversales.

2.2. Procesos y equipo para la fundición de metales

La palabra polímero se utilizó por primera vez en 1866. Los primeros polímeros se fabricaron con materiales orgánicos naturales provenientes de productos animales y vegetales; el ejemplo más común es la celulosa. Mediante varias reacciones químicas, se modifica la celulosa convirtiéndose en acetato de celulosa, que se utiliza para fabricar películas fotográficas (celuloide), hojas para empaquetar y fibras textiles; en nitrato de celulosa para plásticos y explosivos; en rayón (una fibra textil de celulosa) y en barnices. El primer polímero sintético fue un fenol formaldehído, un termoestable desarrollado en 1906 denominado baquelita (nombre comercial según L.H. Bäckeland, 1863–1944). El desarrollo de la tecnología de los plásticos modernos comenzó en la década de 1920, cuando se empezaron a extraer las materias primas necesarias para la fabricación de los polímeros del carbón y de los productos del petróleo. El etileno fue el primer ejemplo de materia prima y se convirtió en el bloque constructivo para el polietileno. El etileno es el producto de la reacción entre el acetileno y el hidrógeno; el acetileno es el producto de la reacción entre el coque y el metano. Los polímeros comerciales, incluyendo el polipropileno, el cloruro de polivinilo (pvc), polimetilmetacrilato, el policarbonato y otros son todos ellos fabricados de una manera similar; estos materiales se conocen como polímeros orgánicos sintéticos.

2.2.

Procesos y equipo para la fundición de metales

Uno de los procesos más antiguos de conformado 1 es el proceso de fundición, que básicamente conlleva el vaciado de metal fundido en la cavidad de un molde donde, al solidificarse, adquiere la forma de la cavidad. La fundición se utilizó por primera vez alrededor del 4000 a.C. para la manufactura de ornamentos, puntas de flecha de cobre y varios objetos más. El proceso de fundición es capaz de producir formas complejas en una sola pieza, incluyendo aquellas con cavidades internas, como los monoblocks. A lo largo de muchísimos años, se han desarrollado muchos procesos de fundición. Al igual que en toda forma de manufactura, cada proceso posee sus propias características, aplicaciones, ventajas, limitaciones y costos. Los procesos de fundición son los que se seleccionan más a menudo, en comparación con otros métodos de manufactura, debido a las razones siguientes: – La fundición puede producir formas complejas con cavidades internas o con secciones huecas. – Puede producir piezas muy grandes. – Puede utilizar materiales para la pieza de trabajo que serían difíciles o no económicos de procesar utilizando otros procedimientos. 1 En sentido amplio, el conformado hace referencia a toda transformación que se realiza sobre un elemento material para proporcionarle una modificación de forma. Algunos autores, sin embargo —Kalpakjian entre ellos— aplican el término en sentido más restrictivo, vinculándolo exclusivamente a los procesos de deformación plástica de materiales metálicos.

2. Introducción a los procesos de fabricación

– La fundición es competitiva en comparación con otros procesos.

2.3.

Procesos y equipo para el conformado y el moldeado

El material inicial utilizado en el conformado y moldeado de los metales es usualmente metal en estado líquido, que es vaciado en lingotes individuales o, más recientemente, la colada continua de placas, varillas o tuberías. Además de las estructuras fundidas y trabajadas, la materia prima para la fabricación de productos puede consistir en polvos de metal. Para los plásticos, el material con que se inicia son comúnmente partículas (pellets), hojuelas o polvo, y para los cerámicos son arcillas y óxidos, obtenidos de minerales o producidos de manera sintética. Nótese que las palabras formado y moldeado aparecen juntamente en el título de este epígrafe. Aunque la diferencia entre ellas no es rígida, el modelado se refiere al cambio de forma de un cuerpo sólido existente. El cuerpo que se llamará pieza de trabajo o simplemente pieza en bruto o materia prima, puede estar en forma de placa, hoja, barra, varilla, alambre o tubería de diversas secciones transversales. Los procesos de modelado por lo general conllevan el moldeo y la fundición. El producto resultante queda habitualmente en la forma final o casi final deseada y puede requerir poco o ningún acabado adicional. Algunas de estas operaciones de manufactura producen productos largos y continuos, como placas, hojas, tubería y barras con varias secciones transversales. Los procesos de laminado, extrusión y estirado son capaces de elaborar estos productos a partir de materiales metálicos y no metálicos, incluyendo los plásticos reforzados; posteriormente se cortan a las longitudes deseadas. Por otra parte, los procesos tales como la forja, la metalurgia de polvos y la mayor parte de los procesos de modelado y de conformado para materiales no metálicos producen productos discretos, como discos para turbina, engranajes y pernos. Una consideración de importancia es la capacidad de trabajar y de modelar los materiales, o sea la cantidad máxima de deformación que puede resistir un material sin fallar en un proceso específico de conformado y modelado. El término capacidad de trabajado por lo general se aplica a procesos de deformación volumétrica (como forja, laminado y extrusión) en los cuales las fuerzas aplicadas a la pieza de trabajo son de naturaleza predominantemente compresiva. En contraste, el término capacidad de conformado se utiliza habitualmente para procesos de formado de lámina —como doblado, estampado, moldeado por estiramiento y embutido profundo— donde las fuerzas aplicadas son principalmente de tensión. El laminado de productos planos y formados, el forjado de piezas discretas, la extrusión de largas piezas con varias secciones transversales y el estirado de varilla, alambre y tubo se conocen como procesos de deformación volumétrica,

2.4. Procesos de formado de hojas o láminas metálicas

porque las piezas y los productos tienen una relación relativamente alta de volumen a área superficial o de volumen a espesor.

2.4.

Procesos de formado de hojas o láminas metálicas

El conformado de lámina data del 5000 a.C., cuando se fabricaban utensilios domésticos y joyería por repujado y estampado de oro, plata y cobre. En comparación con los productos fabricados por fundición y forja, las piezas de metal laminado tienen la ventaja de poco peso y forma versátil. Por su bajo coste y buenas características generales de resistencia y facilidad de conformado, el acero al bajo carbono es el metal en forma de lámina que más se usa. Para aplicaciones en aviones y en naves espaciales, los materiales laminados normales son el aluminio y el titanio.

2.5.

Moldeo y conformado de plásticos y materiales compuestos

Los plásticos se funden o curan a temperaturas relativamente bajas; en consecuencia, y a diferencia de los metales, son fáciles de manejar y requieren menos energía en su procesamiento. Sin embargo, las propiedades de las partes y los componentes de plástico están muy influidas por el método de fabricación y los parámetros de procesamiento, por lo que es importante el control adecuado de esas condiciones para obtener una buena calidad de la pieza. Los plásticos se suelen embarcar a las plantas manufactureras en forma de partículas (pellets) o polvos, y se funden (en el caso de los termoplásticos) inmediatamente antes del proceso de moldeo. También se consiguen en forma de lámina, placa, varilla y tubo, que se pueden conformar para obtener una diversidad de productos. Los plásticos en estado líquido se usan en especial para fabricar partes de plástico reforzado.

2.6.

Procesos y equipos para unir

Aunque algunos productos se hacen de un solo componente, casi todos se ensamblan con componentes que fueron fabricados como piezas individuales. Aun los productos relativamente sencillos consisten en al menos dos piezas distintas unidas por medio de varios métodos. Un automóvil normal, por ejemplo, posee unos 15000 componentes; todos ellos se deben armar mediante diferentes métodos de unión. Un avión Boeing 74–400, por su parte, posee más de seis millones de partes.

2. Introducción a los procesos de fabricación

La unión es un término genérico que cubre procesos como soldadura, latonado (soldadura fuerte), estañado (soldadura suave) y fijación mecánica. Estos procesos son un aspecto importante y necesario de las operaciones de manufactura por las siguientes razones: – Es imposible manufacturar el producto de una sola pieza. – Es más económico fabricar productos en partes y unir después las piezas. – Los productos como los motores de automóvil, secadores de pelo e impresoras necesitan diseñarse de forma tal que se puedan desarmar para facilitar el mantenimiento o la reparación. – Pueden necesitarse distintas propiedades para los fines funcionales del producto. – Se puede facilitar, y ser menos costoso, el transporte del producto en componentes individuales, y ensamblarlos en la casa o la fábrica del cliente, que transportar el conjunto completo. Existe una considerable cantidad de formas de clasificar la enorme variedad de procesos de unión disponibles. Aquí, sin embargo, se empleará la última clasificación de la Sociedad Americana de Soldadura (aws). Según esta, los procesos de unión entran en tres categorías principales: soldadura, unión adhesiva y sujeción mecánica. A su vez, los procesos de soldadura se dividen en tres categorías básicas: soldadura de fusión, soldadura en estado sólido y soldadura fuerte y blanda. La soldadura por fusión se define como el fundir conjuntamente y hacer coalescer materiales mediante el calor —que se suele suministrar por medios químicos o eléctricos—; pueden usarse o no materiales de relleno. Este proceso constituye una parte principal de la soldadura; abarca la soldadura de arco con electrodos consumibles o no consumibles y los procesos de soldadura con haz de alta energía. La unión soldada sufre cambios metalúrgicos y físicos importantes que, a su vez, tienen un gran efecto sobre las propiedades y el funcionamiento del componente o estructura soldados. En la soldadura en estado sólido la unión se hace sin fundir; en consecuencia, no hay fase líquida (fundida) en la unión. Las categorías básicas son unión por difusión y soldadura en frío, ultrasónica, por fricción, por resistencia y por explosión. La unión por difusión, combinado con el conformado superplástico, se ha convertido en un proceso importante en la manufactura de formas complejas. La latonado y el estañado usan metales de relleno e implican menores temperaturas que en la soldadura por fusión; el calor requerido se suministra exteriormente. La adhesión se ha vuelto una tecnología de importancia por sus diversas ventajas; posee aplicaciones únicas que proporcionan resistencia, hermeticidad, aislamiento, amortiguamiento de vibraciones y resistencia a la corrosión entre metales distintos. Se incluyen en esta categoría los adhesivos conductores eléctricos para tecnologías de montaje superficial. La sujeción mecánica conlleva

2.7. Procesos y máquinas para remoción de material

métodos tradicionales que usan diversos sujetadores, tornillos, tuercas y remaches. Se pueden unir plásticos con adhesivos, fusión con diversas fuentes de calor internas o externas, y con sujeción mecánica.

2.7.

Procesos y máquinas para remoción de material

Las partes fabricadas con procesos de fundido, conformado y moldeado, que comprenden muchas de las fabricadas con métodos de forma casi neta o neta, requieren con frecuencia más operaciones antes de que el producto esté listo para usarse. Además, en muchas aplicaciones técnicas, las piezas deben ser intercambiables, para funcionar en forma correcta y fiable durante sus vidas esperadas de servicio. El maquinado es el término amplio para describir la remoción de material de una pieza, y abarca varios procesos, que se suelen dividir en las siguientes categorías: – Corte, que implica en general herramientas de corte de una o varias puntas, cada una con una forma bien definida de la herramienta. – Procesos abrasivos, como el rectificado. – Procesos avanzados de maquinado que usan los métodos eléctricos, químicos, térmicos e hidrodinámicos, así como láseres. Los procesos de remoción de material son deseables o hasta necesarios en las operaciones de manufactura, por las siguientes razones: – Mejor precisión dimensional cerrada que se puede requerir, respecto a la que se obtiene sólo con los procesos de fundición, formación o moldeo. – Las piezas pueden tener detalles geométricos externos e internos, al igual que esquinas agudas y planitudes que no se pueden producir con los procesos de formado y moldeado. – Algunas piezas se someten a diversos tratamientos térmicos para mejorar su dureza y resistencia al desgaste. Ya que esas piezas pueden sufrir distorsiones y manchado superficial, por lo general requieren de operaciones de acabado adicionales, como rectificado, para obtener las dimensiones y acabado superficial finales deseados. – Las piezas pueden adquirir características superficiales especiales, o una textura superficial que no se puede obtener por otros métodos. – Puede ser más económico maquinar la pieza que fabricarla por otros procesos, en especial si la cantidad de piezas necesarias es relativamente pequeña.

2. Introducción a los procesos de fabricación

Contra estas ventajas, los procesos de remoción de material poseen ciertas limitaciones. – Los procesos de remoción, en forma inevitable, desperdician material, y en general requieren más energía, capital y mano de obra que las operaciones de formado y moldeado. En consecuencia, se deben evitar hasta donde sea posible. – A menos que se hagan en forma correcta, los procesos de remoción de material pueden tener efectos adversos sobre la calidad superficial y las propiedades del producto. – Para eliminar un volumen de material de una pieza se necesita en general más tiempo que para formarla por otros procesos. Los procesos y las máquinas de remoción de material son indispensables para la tecnología de manufactura. Desde que se comenzaron a usar en torno a 1700, se han desarrollado en forma continua muchos procesos. Hoy se consigue una diversidad de máquinas controladas por computadora, al igual que nuevas técnicas que usan láseres y fuentes de energía eléctrica, química, térmica e hidrodinámica. Con el maquinado se puede producir una variedad de formas. Las máquinas en que se efectúan operaciones de remoción de material suelen denominarse máquinas herramientas. Su construcción y características influyen mucho sobre estas operaciones y también sobre la calidad del producto, acabado superficial y precisión dimensional. Es importante considerar las operaciones de maquinado y de manufactura como un sistema, que consiste en la pieza, la herramienta de corte y la máquina. Las operaciones de manufactura no se pueden llevar a cabo con eficiencia y economía sin conocer las interacciones entre estos elementos. Entre los nuevos desarrollos están los centros de maquinado, que son máquinas herramientas versátiles, controladas por computadoras y capaces de ejecutar con eficiencia una diversidad de operaciones de maquinado. Además de los procesos de maquinado, existe un conjunto de operaciones que se agrupan bajo el denominador común de procesos abrasivos. El ejemplo más común es una rueda de esmeril, en la que las partículas abrasivas se mantienen unidas con un aglutinante. Entre otros ejemplos de operaciones abrasivas está el lijado con abrasivos de recubrimiento (papel lija, lija esmeril), así como el honeado, lapeado, pulido, lustrado, granallado y maquinado ultrasónico. Por razones técnicas y económicas, no se pueden fabricar algunas piezas, en forma satisfactoria, mediante procesos de corte o abrasión. Desde la década de 1940, se han producido desarrollos importantes en procesos avanzados de maquinado, como por ejemplo con medios eléctricos, químicos, térmicos e hidrodinámicos para eliminar material. El maquinado químico, electroquímico, por descarga eléctrica, rayo láser, haz de electrones, chorro abrasivo e hidrodinámico se han vuelto procesos importantes en la actualidad.

Tema 3

Conformación por moldeo I 3.1.

Introducción

El proceso de fundición consiste básicamente en lo siguiente: (a) vaciar metal fundido en un molde construido siguiendo la forma de la pieza a manufacturar; (b) dejar que se enfríe, y (c) extraer el metal del molde.

3.2.

Solidificación de los metales

Tras vaciar el metal fundido en un molde, ocurren una serie de eventos durante la solidificación de la fundición y su enfriamiento hasta la temperatura ambiente. Estos eventos influencian de manera importante el tamaño, forma, uniformidad y composición química de los granos formados en toda la fundición, lo que a su vez tiene influencia sobre sus propiedades generales. Los factores de más importancia que afectan a estos eventos son el tipo de metal, las propiedades térmicas —tanto del metal como del molde—, la relación geométrica entre el volumen y el área superficial de la fundición y la forma del molde. Metales puros Dado que un metal puro tiene un punto de fusión (o de solidificación) claramente definido, se solidifica a temperatura constante. Después de que la temperatura del metal fundido desciende hasta su punto de solidificación, la temperatura se mantiene constante mientras el calor latente de fusión se disipa. El frente de solidificación —interfaz sólido-líquido— se mueve a través del metal fundido, solidificándose desde las paredes del molde hacia el centro. Una vez que la solidificación ha concluido en todos los puntos, se reanuda el enfriamiento. Consideremos la estructura de grano de un metal puro fundido en un molde cuadrado. En las paredes del molde, que están a temperatura ambiente, el metal se enfría con rapidez. Un rápido enfriamiento produce una piel o cáscara de granos finos equidimensionales. Los granos crecen en sentido contrario al de la transferencia de calor a través del molde. Los granos que tengan una orientación

3.2. Solidificación de los metales

favorable crecerán de manera preferencial, obteniéndose así granos columnares. Conforme se reduce la fuerza impulsora de la transferencia térmica al alejarse de las paredes del molde, los granos se hacen equiaxiales y grandes. Aquellos granos que tengan orientaciones sustancialmente distintas quedan bloqueados contra un crecimiento adicional. Este desarrollo de los granos se conoce como nucleación homogénea, lo que quiere decir que los granos o cristales crecen sobre sí mismos, a partir de la pared del molde.

Aleaciones En las aleaciones la solidificación se inicia cuando la temperatura se reduce por debajo de la temperatura líquidus (TL ), y finaliza cuando se alcanza la temperatura sólidus (TS ). Dentro de este rango de temperaturas, la aleación está en un estado blando o pastoso con dendritas columnares. Es notoria la presencia de metal líquido entre los brazos de las dendritas. Las dendritas tienen brazos y ramas tridimensionales (brazos secundarios) que al final se interconectan. El estudio de las estructuras dendríticas, aunque complejo, es importante porque estas estructuras contribuyen a factores negativos como variaciones en la composición, segregación y microporosidad. El ancho de la zona blanda, donde están presentes simultáneamente las fases líquida y sólida, es un factor importante durante la solidificación. Esta zona se describe en función de la diferencia de temperatura, y se conoce como rango de solidificación (siendo = TL − TS ). Los metales puros tienen un rango de solidificación que se acerca a cero, y en ellos el frente de solidificación se mueve como un frente plano, sin formar una zona blanda. Los eutécticos solidifican de manera similar, con un frente aproximadamente plano. El tipo de estructura de solidificación desarrollada depende de la composición del eutéctico. En aleaciones con un diagrama de fase casi simétrico, la estructura es generalmente laminar, con dos o más fases sólidas presentes, dependiendo del sistema de aleación. Cuando la fracción volumétrica de la fase menor de la aleación es inferior a aproximadamente un 25 %, la estructura tiende a hacerse fibrosa. Estas condiciones son particularmente importantes para los hierros fundidos. Para las aleaciones, se habla por lo general de rango de solidificación corto cuando la diferencia de temperaturas es de menos de 50 ◦ C, y de rango de solidificación largo cuando la diferencia es de más de 110 ◦C.

Efecto de las velocidades de enfriamiento Bajas velocidades de enfriamiento o tiempos de solidificación local largos dan como resultado estructuras dendríticas gruesas, con grandes espaciamientos entre los brazos dendríticos. A velocidades más rápidas de enfriamiento o tiempos de solidificación local cortos, la estructura se hace más fina, con un menor espaciamiento entre brazos dendríticos. Para velocidades de enfriamiento aún más elevadas, las estructuras desarrolladas tienen carácter amorfo. Las estructuras desarrolladas y el tamaño de grano resultante influyen en las propiedades de la fundición. Conforme se reduce el tamaño de grano, se incrementan la resistencia y la ductilidad de la aleación fundida, se reduce la microporosidad —los huecos de contracción interdendríticos— en la fundición

3. Conformación por moldeo I

y disminuye la tendencia de la pieza fundida a agrietarse —el llamado desgarramiento en caliente— durante la solidificación. La falta de uniformidad en el tamaño y en la distribución del grano dan como resultado fundiciones con propiedades anisotrópicas. Un criterio que describe la cinética de la interfaz líquido-sólido es la relación G R , donde G es el gradiente térmico (valores típicos K ) y R es la rapidez a la que se mueve la interfaz sólido-líquido de 102 –103 m (valores típicos de 10−4 –10−3 ms ).

Relaciones entre estructura y propiedades La composición de las dendritas y del metal líquido viene dada por el diagrama de fase de la aleación particular. Cuando se enfría la aleación muy lentamente, la dendrita desarrolla una composición uniforme. Sin embargo, bajo velocidades de enfriamiento normales (más rápidas), que son las que se encuentran en la práctica, se forman dendritas nucleadas. La superficie de estas dendritas presenta una composición distinta a la de sus núcleos; a esta diferencia se le llama gradiente de concentración. La superficie de la dendrita posee una concentración de elementos de aleación más elevada que el núcleo, debido al rechazo del soluto desde el núcleo hacia la superficie durante la solidificación de la dendrita (microsegregación). Cerca de las raíces de la dendrita existe una concentración más elevada de soluto. A diferencia de la microsegregación, la macrosegregación conlleva diferencias de composición en toda la pieza fundida. En situaciones en las que el frente de solidificación se aleja de la superficie de la fundición como frente plano, los constituyentes con menor punto de fusión en la aleación son empujados hacia el centro (segregación normal ). En estructuras dendríticas como las que se encuentran en las aleaciones de solución sólida ocurre lo contrario: el centro de la fundición tiene una menor concentración de elementos de aleación (segregación inversa). La razón estriba en que el metal líquido —que tiene una concentración más alta de elementos de aleación— entra en las cavidades desarrolladas debido a contracción por solidificación en los brazos dendríticos que se han formado anteriormente. Por último, la segregación por gravedad es un proceso mediante el cual las inclusiones o compuestos de densidad más elevada se hunden y los elementos más ligeros flotan hacia la superficie. La estructura típica de una pieza fundida consta de una zona interna de granos equiaxiales. Esta zona interna se puede extender por toda la fundición al añadir un inoculante o agente de nucleación a la aleación. El inoculante induce la nucleación de los granos por todo el metal líquido (nucleación heterogénea). Debido a la presencia de gradientes térmicos en una masa en solidificación de metal líquido, y debido a la gravedad y las diferencias de densidad resultantes, la convección posee una fuerte influencia sobre las estructuras que se desarrollan. La convección promueve la formación de una zona de enfriamiento exterior, refina el tamaño de grano y acelera la transición de granos columnares a equiaxiales. Incrementando la convección dentro del metal líquido, los brazos dendríticos se separan (multiplicación de dendritas). La reducción o eliminación de la convección da como resultado granos columnares dendríticos más largos y más grandes. Los brazos dendríticos no son demasiado fuertes, y en las primeras etapas de la solidificación se pueden romper por agitación o por vibración mecánica

3.3. Flujo del fluido

(formado semisólido de metal y reofundición). Este proceso da como resultado un tamaño de grano más fino, con granos no dendríticos equiaxiales distribuidos más uniformemente en toda la fundición. Se puede aumentar la convección empleando métodos mecánicos o electromagnéticos.

3.3.

Flujo del fluido

El metal fundido se vacía a través de un depósito en forma de copa. Después fluye a través del sistema de alimentación (bebedero, mazarotas y canales de alimentación) en la cavidad del molde. El bebedero es un canal vertical a través del cual el metal fundido fluye hacia abajo en el molde. Los canales de alimentación son canales del molde, que conectan el bebedero con los ataques. Estos últimos son la porción del canal de alimentación a través del cual el metal fundido entra en la cavidad del molde. Finalmente, las mazarotas actúan como depósito para suministrar el metal fundido necesario para evitar la contracción durante la solidificación. Para que la fundición sea correcta, se requiere de un diseño y control apropiado del proceso de solidificación para asegurar un adecuado flujo del fluido hacia el sistema. El sistema de alimentación debe evitar —o, al menos, minimizar— los problemas, tales como el enfriamiento prematuro, la turbulencia y las trampas de gas. Antes de que llegue a la cavidad del molde, el metal fundido debe ser manejado cuidadosamente para evitar la formación de óxidos en las superficies del metal fundido debida a la exposición al ambiente o a la introducción de impurezas en el metal fundido. En el diseño de los canales de alimentación, son de interés dos principios básicos de la mecánica de fluidos: el teorema de Bernouilli y la ley de continuidad de masa. Teorema de Bernouilli La conservación de la energía requiere que, en un determinado tramo del sistema, se satisfaga la relación: h1 +

p1 v2 p2 v2 + 1 = h2 + + 2 + f, ρg 2g ρg 2g

donde f representa la pérdida por fricción en el líquido al moverse ésta hacia abajo a través del sistema. La pérdida por fricción incluye factores como pérdida de energía en las interfases líquido-pared del molde y turbulencia en el líquido. Continuidad La continuidad del movimiento exige que se cumpla la relación Q = A1 v1 = A2 v2 . Una aplicación de este principio es el diseño tradicional de los bebederos en forma de cono truncado. Suponiendo que la presión en la parte superior del bebedero es igual a la presión en la parte inferior y que no hay pérdidas por fricción, la relación entre altura y área transversal en cualquier punto del bebedero está dada por la relación parabólica: r h2 A1 = A2 h1

3. Conformación por moldeo I

Si diseñamos un bebedero con área transversal constante y vaciamos metal fundido en el mismo, pueden desarrollarse regiones donde el líquido pierda contacto con las paredes del bebedero. Como resultado de ello, puede darse el fenómeno de la aspiración, un proceso mediante el cual se succiona aire o se atrapa aire en el líquido. Por otra parte, los bebederos cónicos están siendo hoy en día reemplazados en muchos sistemas por bebederos de lados rectos con un estrangulador para permitir que el metal fluya con suavidad.

Características del flujo Una consideración de importancia en el flujo del fluido en los sistemas de alimentación es la presencia de turbulencia, en contraposición al flujo laminar de los fluidos. Utilizamos el número de Reynolds, Re, para cuantificar este aspecto del flujo y del fluido; representa la relación de la inercia a las fuerzas viscosas en el flujo de fluido y se define como sigue, Re =

vDρ η

donde v es la velocidad del líquido, D es el diámetro del canal y ρ y η son la densidad y la viscosidad del líquido, respectivamente. Mientras más elevado sea este número, mayor será la tendencia a un flujo turbulento. En sistemas de alimentación ordinarios, Re tiene valores de 2000–20000. Un valor de Re de hasta 2000 representa un flujo laminar; entre 2000 y 20000 representa una mezcla de flujo laminar y turbulento. Este tipo de mezcla se considera inofensiva en los sistemas de alimentación. Sin embargo, valores de Re por encima de 20000 representan una severa turbulencia, dando como resultado el atrapamiento de aire y la formación escoria —la espuma que se forma en la superficie del metal fundido— debido a la reacción del metal líquido con el aire y otros gases. Las técnicas para minimizar la turbulencia se basan en evitar los cambios súbitos en la dirección del flujo y en la geometría de las secciones transversales del canal en el diseño del sistema de alimentación. La espuma o escoria se puede eliminar casi completamente sólo mediante la fundición al vacío. La fundición atmosférica convencional reduce la espuma o escoria mediante el desnatado, el uso apropiado de copas de vaciado y de canales de alimentación, o mediante el uso de filtros. Por lo general, los filtros están hechos de cerámica, mica o fibra de vidrio y es importante su colocación y localización correcta para un filtrado efectivo de la espuma y de la escoria. Los filtros también pueden eliminar el flujo turbulento en el sistema de canales de alimentación.

3.4.

Fluidez del metal fundido

La capacidad del metal fundido para llenar las cavidades del molde se conoce como fluidez. Depende principalmente de dos factores: las características del metal fundido y los parámetros del vaciado. Las más importantes características del metal fundido son las siguientes:

3.5. Transferencia de calor

– Viscosidad. Conforme se incrementa la viscosidad y su sensibilidad a la temperatura (índice de viscosidad ) se reduce la fluidez. – Tensión superficial. Una elevada tensión superficial del metal líquido reduce la fluidez. Por ello, las películas de óxido sobre la superficie del metal fundido tienen un efecto adverso sobre aquella. – Inclusiones. Como partículas insolubles, las inclusiones pueden tener un efecto adverso significativo sobre la fluidez. – Patrón de solidificación de la aleación. La fluidez es inversamente proporcional al rango de solidificación. Por su parte, los parámetros de vaciado que más influencia poseen en la fluidez son: – Diseño del molde. – Material del molde y características superficiales del mismo. Mientras más elevada sea la conductividad térmica del molde y más ásperas sean las superficies del mismo, menor será la fluidez del material fundido. No obstante, el calentamiento del molde mejora la fluidez, alarga el tiempo de solidificación del metal y la fundición desarrolla granos grandes y, por tanto, una menor resistencia. – Grado de supercalentamiento. Se define como el incremento de la temperatura por encima del punto de fusión de la aleación; el supercalentamiento mejora la fluidez al retrasar la solidificación. – Velocidad de vaciado. Mientras más lenta sea la velocidad de vaciado del metal fundido en el molde, mejor será la fluidez debida a una velocidad de enfriamiento más alta. – Transferencia de calor. Este factor afecta de manera directa a la viscosidad del metal líquido. A pesar de que las interrelaciones son complejas, emplearemos el término general de colabilidad o capacidad de fundición para describir la facilidad con la que se puede vaciar un metal para obtener una pieza de buena calidad. Pruebas de fluidez Se han desarrollado varias pruebas para cuantificar la fluidez, aunque ninguna de ellas es de aceptación universal. En una de estas pruebas, se hace que el metal fundido fluya a lo largo de un canal que está a temperatura ambiente. La distancia que recorre el metal antes de solidificarse y detenerse es una medida de su fluidez.

3.5.

Transferencia de calor

Una consideración de importancia en la fundición es la transferencia de calor durante el ciclo completo, desde el vaciado hasta la solidificación y el

3. Conformación por moldeo I

enfriamiento hasta temperatura ambiente. El flujo de calor en diferentes sitios del sistema es un fenómeno complejo y depende de muchos factores relacionados con el material de fundición y los parámetros del molde y el proceso. La distribución típica de temperatura en la interfase líquido-metal del molde es la siguiente: el calor del metal líquido es disipado a través de la pared del molde y del aire circundante. La caída de temperatura en las interfases airemolde y molde-metal está causada por la presencia de capas límite y un contacto imperfecto en dichas interfases. La forma de la curva depende de las propiedades térmicas del metal fundido y del molde.

Tiempo de solidificación Durante las primeras etapas de la solidificación, se empieza a formar una película delgada solidificada en las paredes frías del molde y, conforme pasa el tiempo, dicha película se hace más gruesa. Con paredes de molde planas, este espesor es proporcional a la raíz cuadrada del tiempo. El tiempo de solidificación es función del volumen de la fundición y de su 2 área superficial (regla de Chvorinov); se tiene que ts = C VA , donde C es una constante que depende del material del molde, de las propiedades del metal y de la temperatura. Así se puede demostrar que un metal fundido en un molde de forma cúbica se solidificará más aprisa que en un molde esférico del mismo volumen.

Contracción En razón a sus características de dilatación térmica, los metales se encogen o contraen durante la solidificación y el enfriamiento. La contracción, que causa cambios dimensionales y, algunas veces, agrietamiento, es el resultado de tres procesos diferentes: la contracción del metal fundido al enfriarse antes de su solidificación; la contracción del metal durante el cambio de fase de líquido a sólido, y la contracción del metal solidificado (la fundición) conforme su temperatura baja hasta la ambiental.

3.6.

Defectos

En el proceso de manufactura se pueden presentar varios defectos, dependiendo de factores como los materiales, el diseño de las piezas y las técnicas de su procesamiento. Dado que en el pasado se han empleado nombres diferentes para definir el mismo defecto, el International Committee of Foundry Technichal Associations ha desarrollado una nomenclatura estándar que consiste en siete categorías básicas de defectos de fundición. Son los siguientes: – Proyecciones metálicas, formadas por aletas, rebabas o proyecciones masivas como ondulaciones y superficies ásperas. – Cavidades, formadas por cavidades redondeadas o ásperas internas o expuestas, incluyendo sopladuras, porosidad y cavidades de contracción.

3.6. Defectos – Discontinuidades, como grietas, grietas en caliente o en frío y puntos fríos. Si al metal en solidificación se le restringe su libre contracción, puede ocurrir el agrietamiento y el desgarramiento. Un tamaño de grano grande y la presencia de segregados de bajo punto de fusión a lo largo de las fronteras de grano (intergranular ) incrementa la tendencia al agrietamiento por calor. El punto frío es una interfase en una fundición que carece de una fusión completa debido a la unión de dos corrientes de metal líquido provenientes de puertas diferentes. – Superficie defectuosa, como son pliegues, traslapes, cicatrices, capas de arena adheridas y cascarilla de óxido. – Fundición incompleta, tal como la falta de llenado —debida a una solidificación prematura—, volumen insuficiente de metal vaciado y fugas. – Dimensiones o formas incorrectas, debido a factores tales como una inadecuada tolerancia de contracción, un error en el montaje del modelo, una contracción irregular, un modelo deformado o una fundición torcida por la liberación de esfuerzos residuales. – Inclusiones, que se forman durante la fusión, solidificación y moldeo. Por lo general de naturaleza no metálica, se consideran perjudiciales como elevadoras del esfuerzo, y reducen la resistencia de la fundición. Se pueden filtrar partículas de hasta 30 micras durante el procesamiento del metal fundido. Durante la fusión se pueden formar inclusiones cuando el metal fundido reacciona con el entorno (oxígeno, por lo general) o con el material del crisol o del molde. Las reacciones químicas entre los componentes del metal fundido pueden producir inclusiones; las escorias y otros materiales extraños atrapados en el metal fundido también se convierten en inclusiones. El desmoronamiento de las superficies del molde y del corazón también produce inclusiones, lo que indica la importancia de la calidad de los moldes y de su mantenimiento.

Porosidad La porosidad en una fundición puede estar causada por contracción, por gases o por ambos factores. La porosidad es perjudicial para la ductilidad de una fundición y para su acabado superficial, haciéndola permeable y afectando así, por ejemplo, a la compacidad de un recipiente a presión fundido. Se pueden desarrollar regiones porosas en las fundiciones debido a la contracción del metal solidificado. Pueden desarrollarse regiones porosas en sus partes centrales, pues debido a contracción conforme las superficies de la región más gruesa empiezan a solidificarse primero. También se puede desarrollar la microporosidad cuando el metal líquido se solidifica y se contrae entre dendritas y entre ramas dendríticas. La porosidad causada por contracción puede reducirse o eliminarse empleando varios procedimientos. El uso de enfriadores metálicos internos o externos, en fundiciones de arena, es también un medio efectivo para reducir la porosidad por contracción. La función de los enfriadores es incrementar la velocidad de solidificación en regiones críticas.

3. Conformación por moldeo I

En las aleaciones, la porosidad se puede reducir o eliminar haciendo más abrupto el gradiente de temperatura. Por ejemplo, se pueden emplear materiales para el molde con una conductividad térmica más elevada. Los metales líquidos tienen una solubilidad mucho más grande para los gases que los metales sólidos. Cuando un metal se empieza a solidificar, los gases disueltos son expulsados de la solución. Los gases disueltos pueden ser sacados del metal fundido mediante «lavados» o purgas con un gas inerte, o fundiendo y vaciando el metal en el vacío. Si el gas disuelto es oxígeno, el metal fundido se puede desoxidar. El acero se desoxida habitualmente utilizando aleaciones de aluminio, silicio y cobre con materiales que contengan cobre, titanio y circonio fosforado. Puede resultar difícil determinar si la microporosidad es resultado de la contracción o ha sido causada por gases. Si la porosidad es esférica con paredes lisas, habitualmente se debe a los gases. Si las paredes son ásperas y angulares, es probable que la porosidad provenga de contracción entre dendritas. Una porosidad grande proviene de la contracción; se la denomina cavidad por contracción.

Tema 4

Conformación por moldeo II 4.1.

Introducción

Este tema se desarrollará siguiendo las clasificaciones principales de las prácticas de fundición. Estas clasificaciones están relacionadas con el material de los moldes, los procesos de moldeo y los métodos para alimentar el molde con metal fundido. Las principales categorías son: – Moldes desechables, fabricados con arena, yeso, cerámica y materiales similares. Por lo general, van mezclados con varios aglutinantes o agentes de unión. Estos materiales son refractarios, i.e., son capaces de resistir las elevadas temperaturas de los materiales fundidos. Una vez solidificada la pieza colada, en estos procesos el molde se rompe para retirar la pieza fundida. – Moldes permanentes, hechos de metales que conservan su resistencia a altas temperaturas. Se utilizan de manera repetida y están diseñados de forma que la pieza colada pueda ser retirada con facilidad y el molde pueda ser reutilizado en la siguiente colada. Dado que los moldes de metal son mejores conductores del calor que los moldes desechables no metálicos, la pieza fundida, al solidificarse, queda sometida a una velocidad de enfriamiento más elevada, lo que a su vez afecta a la microestructura y al tamaño del grano. – Moldes compuestos, fabricados con dos o más materiales distintos, tales como arena, grafito y metal, combinando las ventajas de cada uno.

4.2.

Fundición en arena

El método tradicional de variado de metales es en moldes de arena, y así se ha usado desde hace milenios. La fundición en arena consiste en: (a) colocar un modelo con la forma de la pieza deseada en arena para crear una impresión; (b) incorporar un sistema de alimentación; (c) llenar la cavidad resultante de

4.2. Fundición en arena

metal fundido; (d) dejar que el metal se enfríe hasta que solidifique; (e) romper el molde de arena, y (f ) retirar la pieza fundida.

4.2.1.

Arenas

La mayor parte de las operaciones de fundición en arena usan arena de sílice (Si O 2 ), que es el producto de la desintegración de rocas a lo largo de períodos de tiempo extremadamente largos. La arena es económica y adecuada como material para el molde, debido a su resistencia a altas temperaturas. Existen dos tipos generales de arena: la naturalmente unida o arena de banco y la sintética o arena de lago. En vista de que su composición se puede controlar con mayor precisión, la mayor parte de las fundidoras prefieren la arena sintética. Son importantes varios factores en la selección de la arena para los moldes. La arena con granos finos y redondos se puede prensar más y forma una superficie lisa en el molde. Aunque la arena de grano fino aumenta la resistencia del molde, los granos finos también reducen su permeabilidad. Los moldes y corazones con buena permeabilidad permiten la fácil salida de los gases y vapores que se presentan durante la fundición. El molde debe tener también una buena colapsabilidad para permitir que la pieza fundida se contraiga al enfriarse y evitar así defectos en el colado, como grietas en caliente y agrietamientos. Se utilizan mezcladoras para integrar uniforme y completamente la arena con los aditivos. Para unir las partículas de arena, dándole resistencia, se utiliza la arcilla (bentonita) como aglutinante. A menudo se utilizan arenas de circonio (ZrSiO 4 ), olivino (Mg 2 SiO 4 ) y silicato de hierro (Fe 2 Si O 4 ) en fundidoras de acero debido a su baja dilatación térmica. La cromita (Fe Cr 2 O 4 ) se utiliza debido a sus elevadas características de transferencia térmica.

4.2.2.

Tipos de moldes de arena

Los moldes de arena se clasifican según los tipos de arena que los forman y los métodos utilizados para su producción. Existen tres tipos básicos de moldes de arena: arena verde, caja fría y moldes no cocidos. El material de molde más común es la arena de moldeo verde, que es una mezcla de arena, arcilla y agua. El término «verde» se refiere al hecho de que al vaciarse el metal en su interior, la arena en el molde está húmeda. El moldeo con arena verde es el método más económico de fabricación de moldes. En el método de película seca, las superficies del molde se secan, ya sea almacenando el molde al aire o secándolo con soplete. Debido a su mayor resistencia, estos moldes se utilizan generalmente en fundiciones grandes. Los moldes de arena también se secan en horno antes de vaciar el metal fundido; son más resistentes que los moldes de arena verde y le dan mejor precisión dimensional y acabado superficial a la colada. Sin embargo, este método tiene inconvenientes: es mayor la distorsión del molde, las fundiciones tienen mayor tendencia a sufrir grietas en caliente debido a la menor colapsabilidad

4. Conformación por moldeo II

del molde, y la tasa de producción es más lenta en razón del tiempo de secado requerido. En el proceso de molde de caja fría, se mezclan varios aglutinantes orgánicos e inorgánicos en la arena para unir químicamente los granos, de cara a que el molde posea una mayor resistencia. En el proceso de molde no cocido, se mezcla una resina sintética líquida con la arena; la mezcla se endurece a la temperatura ambiente. Dado que la unión del molde en este proceso y en el de caja fría ocurre sin calor, estos procesos se conocen como procesos de curado en frío. Los principales componentes de los moldes de arena son los siguientes: – El molde mismo, que está soportado por una caja de moldeo. – Copa de vaciado o basín, en el cual se vacía el metal fundido. – Un bebedero, a través del cual el metal fundido fluye hacia abajo. – El sistema de alimentadores, que son canales que llevan el metal colado desde la mazarota a la cavidad del molde. Las entradas a la cavidad del molde se denominan ataques. – Las mazarotas, que suministran metal adicional a la fundición conforme ésta se contrae durante la solidificación. – Corazones, que son insertos hechos de arena. Se colocan en el molde para formar oquedades o de alguna otra manera para definir la superficie interior de la fundición. A veces se utilizan también en la parte exterior para formar características diversas: letras, barrenos ciegos, etcétera. – Respiraderos, que se colocan en los moldes para extraer los gases producidos cuando el metal fundido entra en contacto con la arena en el molde y el corazón. También dejan salir el aire de la cavidad del molde conforme el metal fundido fluye dentro del mismo.

4.2.3.

Modelos

Los modelos se utilizan para moldear la mezcla de arena a la forma de la fundición. Pueden estar hechos de madera, plástico o metal. La selección del material del modelo depende del tamaño y de la forma de la fundición, la precisión dimensional, la cantidad de coladas requeridas y el proceso de moldeo. A fin de reducir el desgaste en regiones críticas, pueden ser fabricados con una combinación de materiales. Por lo general, los modelos son recubiertos por un agente separador para facilitar su extracción de los moldes. Los modelos se pueden diseñar con una diversidad de características que se adecuen a la aplicación y a los requerimientos económicos. Los modelos de una sola pieza, también conocidos como patrones sueltos o sólidos, se utilizan generalmente para formas simples y producción de bajo volumen. Normalmente,

4.2. Fundición en arena

se hacen de madera y son poco costosos. Los modelos divididos son de dos piezas, fabricados de manera que cada parte forme una porción de la cavidad para la fundición; de esta manera se pueden producir formas fundidas con formas complicadas. El diseño del modelo es un aspecto vital de la operación total de la fundición. El diseño debe prever la contracción del metal, la facilidad de extracción del molde de arena mediante ángulos de salida y un flujo adecuado del metal en la cavidad del molde.

4.2.4.

Corazones

Los corazones se colocan en la cavidad del molde antes de la colada para formar las superficies interiores de la misma y son extraídos de la pieza terminada durante la limpieza y procesamiento posteriores. Al igual que los moldes, los corazones deben tener resistencia, permeabilidad, capacidad de resistir el calor y colapsabilidad; por tanto, se fabrican con compuestos de arena. El corazón se fija mediante plantillas de corazones. Éstas se generan por recesos que se agregan al modelo para soportar el corazón y proporcionar ventilaciones para el escape de los gases. Un problema común que poseen los corazones es que, para ciertos requisitos de fundición, como en el caso en el que se requiere un receso, pueden carecer de superficie de soporte estructural en la cavidad. Para impedir que se muevan, se pueden utilizar soportes para anclar el corazón en su sitio. Por lo general, los corazones se fabrican de manera similar a los moldes; la mayor parte se hace utilizando procesos de moldes en cáscara, no cocidos o de caja fría. Los corazones se forman en cajas de corazones, que se utilizan de manera muy similar a los modelos para formar los moldes de arena. La arena se puede compactar en las cajas con apisonadores o soplarla dentro de la caja mediante aire comprimido a través de sopladores de corazón. Esto último ofrece ventajas de lograr corazones uniformes y velocidades de producción muy altas.

4.2.5.

Máquinas para el moldeo de la arena

El método más antiguo conocido de moldeo que se sigue utilizando para fundiciones simples, es compactar la arena presionándola con la mano (apisonamiento) o compactarla alrededor del modelo. Para la mayor parte de las operaciones, sin embargo, la mezcla de arena se compacta alrededor del modelo utilizando máquinas de moldeo. Estas máquinas eliminan horas de mano de obra, ofrecen fundiciones de alta calidad al mejorar la aplicación y distribución de las fuerzas, manipulan el molde de una manera cuidadosamente controlada e incrementan la velocidad de producción. La mecanización del proceso de moldeo puede ser asistida por apisonamiento del conjunto. La caja de moldeo, la arena del molde y el modelo se colocan en primer término en una placa modelo montada en un yunque, y después es

4. Conformación por moldeo II

apisonada hacia arriba con presión de aire a intervalos rápidos. Las fuerzas de inercia compactan la arena alrededor del modelo. El apisonado produce la compactación más elevada en la línea de partición horizontal, en tanto que en la compactación por placa para la compresión es más elevada en la zona cercana a la placa, por lo que se puede obtener una compactación más uniforme al combinar la compresión y el apisonado. En el modelo vertical sin caja, las mitades del modelo forman una pared de cámara vertical contra la cual se sopla y se compacta la arena. Luego, las mitades del molde se unen horizontalmente, con la línea de posición orientada verticalmente moviéndose a lo largo de un transportador de vaciado. Esta operación es simple y elimina la necesidad de manejar cajas de moldeo, permitiendo velocidades de producción muy elevadas, particularmente cuando ya están automatizados otros aspectos de la operación. Los lanzadores de arena llenan la caja de moldeo de manera uniforme con la arena en un chorro de alta presión, a velocidades tan altas que la máquina no sólo coloca la arena, sino que la compacta apropiadamente. En el moldeo por impacto, la arena se compacta mediante una explosión controlada o mediante la liberación instantánea de gases comprimidos. En el moldeo por vacío, también conocido como el proceso V, el modelo se cubre completamente con una hoja delgada de plástico. Se coloca un cajón de moldeo sobre el modelo recubierto y se llena con arena seca sin aglutinante. El vacío endurece la arena, de forma que se pueda retirar el modelo; de este modo se fabrica cada una de las mitades del molde, que posteriormente se ensamblan. Una vez solidificado el metal, se elimina el vacío y la arena cae, liberando la fundición. El moldeo por vacío produce coladas con detalle de alta calidad y precisión dimensional. Es especialmente adecuado para fundiciones grandes y relativamente planas.

4.2.6.

La práctica de la fundición en arena

Una vez formado el molde y colocados los corazones en su sitio, las dos mitades (moldes superior e inferior) se cierran, se sujetan y se les colocan pesos encima. Esto último se hace para impedir la separación de las secciones del molde debido a la presión ejercida cuando se vacía el metal fundido en la cavidad del molde. Después de la solidificación, se sacude la pieza fundida sacándola de su molde, y por vibración o mediante chorro de arena, se eliminan las capas de arena y óxido adheridas a la fundición. Las fundiciones de hierro también se limpian con chorro de granalla de acero o arena. Las mazarotas y los sistemas de alimentación se cortan por corte con oxicombustible gas, sierra, cizallas y discos abrasivos, o son recortados en troqueles. Las mazarotas y los sistemas de alimentación en las fundiciones de acero también son eliminados utilizando pistolas de arco de carbono en aire o inyección de polvo. Las fundiciones se pueden limpiar por métodos electroquímicos o por ataque químico, a fin de eliminar los óxidos superficiales.

4.3. Moldeo en cáscara o en concha

La precisión dimensional de la fundición en arena no es tan buena como en otros procesos de fundición. Sin embargo, con este proceso se pueden fundir formas complicadas tales como monoblocks de hierro fundido y hélices muy grandes para los trasatlánticos. La fundición en arena puede ser económica para lotes de producción relativamente pequeños, y los costos por concepto de equipo son, por lo general, bajos. Si algunas regiones de la fundición no se han formado correctamente o se han formado de manera incompleta, se pueden reparar los defectos rellenándolos con soldadura adecuada. Las fundiciones en molde de arena tienen, por lo general, superficies ásperas y granuladas, dependiendo de la calidad del molde y de los materiales utilizados. La pieza colada puede entonces tratarse térmicamente, a fin de mejorar ciertas propiedades necesarias para el uso de servicio pretendido. Las operaciones de acabado pueden incluir el enderezar a máquina, o el forjado con dados para obtener las dimensiones finales. También las imperfecciones superficiales menores pueden llenarse con un epoxi cargado de metal, especialmente para fundiciones de hierro colado, que son difíciles de soldar.

4.3.

Moldeo en cáscara o en concha

El moldeo en cáscara o concha se desarrolló por primera vez en la década de 1940, y ha crecido de manera significativa desde entonces, ya que se pueden producir a bajo coste muchos tipos de fundición con estrechas tolerancias dimensionales y un buen acabado superficial. La parte inicial de este proceso consta de varios pasos: (a) un modelo montado hecho con un metal ferroso o de aluminio se calienta a 175–370◦C; (b) el modelo es recubierto con un agente separador, como por ejemplo silicona, y (c) se sujeta a una caja o una cámara. La caja contiene arena fina mezclada (a un 2,5–4,0 por ciento) con un aglutinante de resina termoestable (como el fenolformaldehído), que recubre las partículas de arena. La caja se voltea o la mezcla de arena se sopla sobre el modelo, permitiendo que la arena lo recubra. Todo el conjunto se coloca entonces en un horno durante un corto período de tiempo, para completar el curado de la resina. En la mayor parte de las máquinas de moldeo en cáscara, el horno es una caja metálica con quemadores de gas, que giran sobre el molde de cascarón para curarlo. El cascarón se endurece alrededor del modelo y es retirado de éste mediante bujes de eyección incorporados. De esta manera se hacen dos medios cascarones, que se pegan o juntan en preparación para el vaciado. El espesor del cascarón se puede determinar con precisión mediante el control del tiempo que el modelo está en contacto con el molde. De esta manera, se puede formar un cascarón con la resistencia y la rigidez requeridas para que soporte el peso del líquido fundido. Los cascarones son ligeros y delgados, y en consecuencia sus características térmicas son distintas de las de moldes más gruesos.

4. Conformación por moldeo II

La arena del cascarón tiene una mucho menor permeabilidad que la arena que se utiliza para el moldeo en arena verde, ya que el moldeo en cáscara utiliza una arena con un tamaño de grano mucho más pequeño. La descomposición del aglutinante del cascarón de arena también produce un elevado volumen de gas; a menos que los moldes estén correctamente ventilados, el aire y el gas atrapados pueden causar serios problemas en el moldeo en cáscara de fundiciones ferrosas. Las paredes del molde son relativamente lisas, ofreciendo poca resistencia al flujo de metal fundido y produciendo piezas con esquinas más agudas, secciones más delgadas y proyecciones más pequeñas de lo que es posible en moldes de arena verde. El costo de los aglutinantes de resina queda compensado en parte por el hecho de que solamente se necesita una vigésima parte de la arena utilizada en la fundición en arena. El costo relativamente elevado de los modelos de metal se convierte en un factor de poca importancia conforme se incrementa el tamaño de los lotes de producción. La elevada calidad de la pieza terminada puede reducir de manera significativa los costos de acabado, maquinado y otros. Se pueden producir formas complejas con menos mano de obra, y se puede automatizar el proceso con relativa facilidad. Las aplicaciones del moldeo en cáscara incluyen pequeñas piezas mecánicas que requieren alta precisión, como alojamientos para engranajes, cabezas de cilindros y bielas; el proceso se utiliza también ampliamente en la producción de corazones de moldeo de alta precisión.

4.3.1.

Moldes compuestos

Los moldes compuestos están hechos de dos o más materiales diferentes y se utilizan en el moldeo en cáscara y en otros procesos de fundición. Generalmente, se emplean en la fundición de formas complejas como impulsores para turbinas.

4.3.2.

Proceso al silicato de sodio

El material del molde en el proceso al silicato de sodio es una mezcla de arena y de un 1,5–6,0 por ciento de silicato de sodio (vidrio líquido) como aglutinante. La mezcla se compacta alrededor del modelo y se endurece soplando dióxido de carbono (CO 2 ) a través de él. Este proceso, también conocido como arena curada con silicato o proceso al dióxido de carbono, se utilizó por primera vez en la década de 1950, y ha sido posteriormente desarrollada, por ejemplo, utilizando otros productos químicos como aglutinantes.

4.3.3.

Moldeo con grafito compactado

En este proceso se utiliza el grafito compactado para fabricar moldes para colar metales reactivos como el titanio y el circonio. No se puede utilizar arena porque estos metales reaccionan vigorosamente con el sílice. Los moldes se compactan de una manera similar a los moldes de arena, se secan al aire, se hornean

4.4. Fundición en modelo consumible (poliestireno expandido)

a 175◦ C, se queman a 870◦ C, y después se almacenan a humedad y temperatura controladas.

4.4.

Fundición en modelo consumible (poliestireno expandido)

El proceso de fundición en modelo consumible —también llamado de modelo evaporado o de modelo perdido, y con el nombre comercial de molde lleno— utiliza un modelo de poliestireno que se evapora en contacto con el metal fundido para formar una cavidad para la fundición. Se ha convertido en uno de los procesos de fundición más importantes para metales ferrosos y no ferrosos, en particular en la industria automotriz. En este proceso, se colocan bolas de poliestireno crudo desechable (eps), conteniendo pentano entre un cinco y un ocho por ciento, en un dado precalentado que, por lo general, está hecho de aluminio. El poliestireno se expande y adopta la forma de la cavidad del dado; se aplica entonces más calor, para fundir las bolas y unirlas entre sí. El dado se deja enfriar y se abre, retirándose el modelo de poliestireno. También se pueden hacer modelos complejos uniendo varias secciones de modelos individuales utilizando un adhesivo de fusión en caliente. El modelo se recubre con un barro refractario de base acuosa, se seca y se coloca en una caja de moldeo. La caja se llena de arena suelta y fina, que rodea y soporta el modelo, y puede secarse o mezclarse con agentes aglutinantes para darle resistencia adicional. La arena se compacta de manera periódica utilizando diversos medios. Entonces, sin retirar el patrón de poliestireno, se vacía el metal fundido en el molde. Esta acción vaporiza de inmediato el modelo, y llena la cavidad del molde, reemplazando completamente el espacio que antes ocupaba el modelo de poliestireno. El calor degrada (despolimeriza) el poliestireno, y los productos de la degradación se ventilan hacia la arena circundante. Dado que el polímero requiere de una considerable energía para degradarse, se presentan grandes gradientes térmicos en la interfase metal-polímero; en otras palabras, el metal fundido se enfría más deprisa de lo que lo haría si se vaciara en una cavidad. En consecuencia, la fluidez es inferior a la de la fundición en arena. Esto tiene efectos importantes en la microestructura en toda la fundición, y también conduce a una solidificación direccional del metal. Este proceso posee una serie de ventajas sobre otros métodos de fundición: el proceso es relativamente simple, porque no existen líneas de partición, corazones o sistemas de alimentación; para el proceso bastan cajas de moldeo de bajo costo; el poliestireno es económico y se puede procesar con facilidad en modelos con formas complejas, tamaños varios y un fino detalle superficial; la fundición requiere un mínimo de operaciones de acabado y limpieza; y el proceso puede automatizarse y es económico para grandes lotes de producción. Aplicaciones tí-

4. Conformación por moldeo II

picas de este proceso son las cabezas de cilindro, los cigüeñales, los componentes de frenos y las bases para maquinaria. En una modificación del proceso de modelo perdido, un modelo de poliestireno es rodeado por un cascarón cerámico (Replicast C-S Process). El modelo se quema antes del vaciado del metal fundido en el molde. Su ventaja principal sobre la fundición por revestimiento es que se evita completamente la absorción de carbono en el metal. Los nuevos desarrollos en la fundición de modelo perdido incluyen, entre otras cosas, la producción de composites metal matriz. Durante el proceso del moldeo del modelo de polímero, se incrustan en su volumen fibras o partículas. Éstas se convierten en parte integral de la fundición.

4.5.

Fundición en molde de yeso

En el proceso de la fundición en molde de yeso, el molde se hace de yeso (sulfato de calcio), con la adición de talco y polvo de sílice para mejorar la resistencia y controlar el tiempo requerido para el curado del yeso. Estos componentes se mezclan con agua, y el barro resultante es vaciado sobre el modelo. Una vez curado el yeso, por lo general tras quince minutos, se retira el patrón y se deja secar el molde a 120–260◦C para eliminar la humedad. Las mitades del molde se ensamblan para formar la cavidad del mismo y se precalientan hasta aproximadamente 120◦C. El metal fundido es vaciado entonces en el molde. Dado que los moldes de yeso tienen una permeabilidad muy baja, los gases que se forman durante la solidificación del metal no pueden escaparse. En consecuencia, el metal fundido es vaciado en vacío o a presión. Se puede incrementar sustancialmente la permeabilidad del molde utilizando el proceso Antioch, en el cual los moldes se deshidratan en un autoclave durante 6–12 horas, y después se rehidratan en aire durante 14 horas. Otro método de incrementar la permeabilidad es utilizar yeso espumoso, que contenga burbujas de aire atrapadas. Los modelos para el colado en yeso se fabrican, por lo general, de aleaciones de aluminio, plásticos termoestables, de latón o de aleaciones de cinc. En vista de que existe un límite para la temperatura máxima que puede resistir un molde de plástico (unos 1200◦C), la fundición con moldes de yeso se utiliza únicamente para aluminio, magnesio, zinc y algunas aleaciones de base cobre. Las piezas fundidas poseen detalles finos con un buen acabado superficial. Dado que los moldes de yeso tienen una menor conductividad térmica en comparación con otros, las fundiciones se enfrían lentamente, y se obtiene así una estructura de grano más uniforme, con menos deformación. El espesor de las paredes de las piezas puede ser de entre 1,0 y 2,5 milímetros. Este proceso y los procesos de fundición en moldes cerámico y por recubrimiento se conocen como fundiciones de precisión, en razón a la elevada precisión dimensional y el buen acabado superficial obtenidos. Por lo general, las fundicio-

4.6. Fundición en molde cerámico

nes pesan menos de 10 kilogramos, y típicamente están en el rango de 125–250 gramos.

4.6.

Fundición en molde cerámico

El proceso de fundición en molde cerámico es similar al proceso de molde de yeso, con la excepción de que utiliza materiales refractarios para el molde adecuados para aplicaciones de altas temperaturas. El barro es una mezcla de circonio de grano fino (ZrSi O 4 ), óxido de aluminio y sílice fundido, que se mezclan con agentes aglutinantes y se vacían sobre el modelo, que ha sido colado en una caja de moldeo. El modelo puede estar hecho de madera o de metal. Después del endurecimiento, los moldes (caras de cerámica) se retiran, se secan, se queman para eliminar toda materia volátil y se hornean. En el proceso Shaw, las caras de cerámica son recubiertas de arcilla refractaria, para impartir resistencia al molde. Las caras se ensamblan después formando un molde completo, listo para su vaciado. La resistencia a las altas temperaturas de los materiales refractarios moldeados usados permite que estos moldes se utilicen en el colado de aleaciones ferrosas y otras de alta temperatura de fusión, de aceros inoxidables y de aceros para herramienta. Las piezas fundidas tienen una buena precisión dimensional y buen acabado superficial en una amplia variedad de tamaños y formas complejas, pero el proceso es algo costoso. Las piezas que típicamente se fabrican son impulsores, cortadores para operaciones de maquinado, dados para trabajo en metal y moldes para la fabricación de componentes de plástico o de hule.

4.7.

Fundición por revestimiento

En el proceso de fundición por revestimiento, también llamado a la cera perdida, se utilizó por primera vez durante el período de 4000–3000 a.C. El modelo se hace en cera o en plástico —poliestireno, por ejemplo— utilizando técnicas de moldeo o de prototipado rápido. Se fabrica el modelo inyectando cera o plástico fundidos en un dado de metal con la forma del modelo. Después, éste se sumerge en un barro de material refractario —como, por ejemplo, sílice fino con aglutinantes, incluyendo agua, silicato de etilo y ácidos—. Una vez seco este recubrimiento inicial, el patrón se recubre varias veces a fin de incrementar su espesor. El término revestimiento proviene del hecho de que el modelo es revestido con el material refractario. Los modelos de cera requieren de un manejo cuidadoso, porque no son lo suficientemente resistentes para soportar las fuerzas habidas durante la manufactura del molde. Sin embargo, a diferencia de los patrones de plástico, la cera puede ser recuperada y reutilizada. El molde de una pieza se seca al aire y se calienta a una temperatura de

4. Conformación por moldeo II

90–175◦C. Se deja en una posición invertida durante aproximadamente doce horas para fundir la cera. El molde se quema entonces a 650–1050◦ durante aproximadamente cuatro horas, dependiendo del metal que se va a fundir, a fin de eliminar el agua de cristalización —agua químicamente combinada— y quemar cualquier cera residual. Una vez vaciado y solidificado el metal, se rompe el molde y se retira la pieza fundida. Se puede unir un conjunto de patrones para formar un molde, llamado árbol, incrementando de manera significativa la tasa de producción. Para piezas pequeñas, el árbol se puede insertar en una caja de moldeo permeable y llenar con un revestimiento de barro líquido; el revestimiento se coloca entonces en una cámara y se hace el vacío para eliminar las burbujas de aire, hasta que el molde se solidifica. Aunque la mano de obra y los metales involucrados hacen que el proceso de la cera perdida sea costoso, resulta adecuado para la fundición de aleaciones de alto punto de fusión con un buen acabado superficial y tolerancias dimensionales. Se requieren pocas (o ninguna) operación de acabado, que aumentarían de manera significativa el costo total de la pieza fundida. Este proceso es capaz de producir formas relativamente complejas, con piezas que pesan entre el gramo y los 35 kilogramos, de una diversidad de metales ferrosos y no ferrosos y sus respectivas aleaciones. Las piezas típicas que se fabrican son componentes para equipo de oficina, así como componentes mecánicos como engranajes, levas, válvulas y trinquetes. Fundición por revestimiento en cáscara de cerámica Una variante del proceso de fundición por revestimiento es la fundición en cáscara de cerámica. Ésta utiliza el mismo tipo de modelo de cera o de plástico, que se introduce primero en un gel de silicato de etilo y posteriormente en un lecho fluido de sílice fundido de grano fino o de polvo de circonio. El modelo se recubre después con un sílice de grano más grueso para acumular capas adicionales y un espesor adecuado para que el modelo pueda soportar el choque térmico del vaciado. El resto del procedimiento es similar al de una fundición por revestimiento. Este proceso es económico y se utiliza ampliamente para la fundición de precisión de aceros y aleaciones de alta temperatura.

4.8.

Fundición al vacío

En el proceso de fundición al vacío o proceso de baja presión contra la gravedad, se moldea una mezcla de arena fina y de uretano sobre dados de metal, que se cura con vapores de amina. El molde es sujeto después con un brazo robótico y se sumerge parcialmente en metal fundido que se encuentra en un horno de inducción. El metal se puede fundir al aire o en vacío. El vacío reduce la presión del aire en el interior del molde a aproximadamente dos terceras partes de la presión atmosférica, succionando por tanto el metal fundido en las cavidades del molde a través de un canal de alimentación en la parte inferior del molde. El metal

4.9. Fundición en molde permanente

fundido en el horno está a una temperatura, por lo general, de 55◦ por encima de la temperatura líquidus; en consecuencia, empieza a solidificarse en una fracción de segundo. Una vez lleno el molde, se retira del metal fundido. Este método es parcialmente adecuado para formas complejas con pared delgada. Las piezas fundidas al aire se fabrican fácilmente en volúmenes elevados y a un coste relativamente bajo. Las piezas fundidas en vacío implican habitualmente el uso de metales reactivos —aluminio, titanio, circonio, hafnio—. Estas piezas, que a menudo se encuentran en forma de superaleaciones para turbinas de gas, pueden tener paredes de un espesor de hasta 0,5 mm. El proceso puede automatizarse y los costos de producción son similares a los de la fundición en arena verde.

4.9.

Fundición en molde permanente

En el proceso de fundición en molde permanente, también conocido como fundición en molde duro, se fabrican dos mitades de un molde de materiales como el hierro colado, el acero, el bronce, el grafito o aleaciones de metal refractario. La cavidad del molde y el sistema de canales de alimentación se maquinan en el molde y por tanto forman parte integral del miso. Para producir piezas con cavidades internas, se colocan corazones hechos de metal o de agregados de arena en el molde antes de la fundición. Los materiales típicos para el corazón son la arena aglutinada con aceite o con resina, el yeso, el grafito, el hierro gris, el acero de bajo carbono y el acero para dado de trabajo en caliente. El de uso más común es el de hierro gris. A fin de incrementar la vida de los moldes permanentes, las superficies de la cavidad del molde, por lo general, están recubiertas con un barro refractario (como silicato de sodio y arcilla) o se rocían con grafito cada cierto número de coladas. Estos recubrimientos también sirven como agentes de separación y como barreras térmicas, controlando la velocidad de enfriamiento de la fundición. Pueden ser necesarios eyectores mecánicos para la extracción de piezas fundidas complejas. Los moldes se sujetan juntos por medios mecánicos y se calientan a aproximadamente 150–200◦C para facilitar el flujo de metal y reducir el daño térmico a los dados debido a gradientes de temperatura elevados. El metal fundido se vacía entonces a través de canales de alimentación. Después de la solidificación, se abren los moldes y se extrae la pieza colada. Aunque la operación de fundición en molde permanente se puede llevar a cabo manualmente, el proceso se puede automatizar para grandes lotes de producción. Este proceso se utiliza principalmente para aleaciones de aluminio, magnesio, cobre y hierro gris, debido a sus puntos de fusión por lo general inferiores. Este proceso produce, a tasas elevadas e producción, fundiciones con un buen acabado superficial, buenas tolerancias dimensionales y propiedades mecánicas uniformes y buenas. Piezas típicas que se fabrican incluyen los pistones

4. Conformación por moldeo II

automotrices, las cabezas de cilindro, las bielas, los discos en bruto para engranajes de enseres domésticos y los utensilios de cocina. Las piezas que se pueden fabricar económicamente, en general, pesan menos de 25 kg. A pesar de que los costos por equipo puedan ser altos debido a los costos de los dados, los costos de mano de obra pueden mantenerse reducidos automatizando el proceso. La fundición en molde permanente no es económica para pequeños lotes de producción, y debido a la dificultad de extraer la fundición del molde, no es posible fundir formas complejas utilizando este proceso. Sin embargo, se pueden utilizar corazones de arena fácilmente colapsables y extraíbles de las fundiciones para dejar cavidades internas complejas. El proceso se conoce entonces como fundición en molde semipermanente.

4.10.

Fundición en cáscara o hueco

En una pieza fundida se desarrolla en primer término una película solidificada; posteriormente, esa película se va haciendo más gruesa. Se pueden fabricar piezas fundidas huecas con paredes delgadas mediante la fundición en molde permanente utilizando este principio, un proceso conocido como fundición en cáscara. Una vez obtenido el espesor deseado de película solidificada, se invierte el molde y el metal líquido restante se extrae. Se abren las mitades del molde y se retira la pieza fundida. Esta clase de fundición es adecuada para pequeñas series de producción y en general se utiliza para la elaboración de objetos ornamentales y juguetes partiendo de metales con bajo punto de fisión, tales como aleaciones de zinc, estaño y plomo.

4.11.

Fundición a presión

En los dos procesos de molde permanente arriba descritos, el metal fundido fluye hacia el interior de la cavidad del molde por gravedad. En el proceso de fundición a presión, también llamado fundición por vaciado a presión o de baja presión, el metal fundido es obligado a fluir hacia arriba por presión de gas en un molde de grafito o de metal. La presión se mantiene hasta que el metal se haya solidificado totalmente dentro del molde. La fundición a presión, por lo general, se utiliza para fundiciones de alta calidad, como por ejemplo ruedas de acero para carros de ferrocarril.

4.12.

Fundición por inyección en matriz o dados

El proceso de inyección en matriz o dados, desarrollado a principios de la década de 1900, es un ejemplo adicional de la fundición en molde permanente.

4.12. Fundición por inyección en matriz o dados

El metal fundido es forzado dentro de la cavidad de la matriz o dado a presiones que van de 0,7 a 700 MPa. Las piezas típicas que se fabrican mediante la inyección en matriz son componentes para motores, máquinas para oficina y enseres domésticos, herramientas de mano y juguetes. El peso de la mayor parte de las piezas fundidas va desde menos de 90 gramos a aproximadamente 25 kilogramos.

4.12.1.

Proceso de cámara caliente

El proceso de cámara caliente involucra el uso de un pistón, que atrapa un cierto volumen de metal fundido y lo obliga a pasar a la cavidad de la matriz de vaciado a través de un cuello de cisne y una tobera. Las presiones de inyección son de hasta 35 MPa, con un promedio de aproximadamente 15 MPa. El metal se mantiene a presión hasta que solidifica en matriz de vaciado. Éstas, habitualmente, se enfrían mediante agua o aceite. Los tiempos del ciclo van desde doscientas a trescientas inyecciones (individuales) por hora para el cinc, aunque componentes muy pequeños como los dientes de cierres de cremallera se pueden fundir a una velocidad de 18000 inyecciones por hora.

4.12.2.

Proceso de cámara fría

En el proceso de cámara fría, el metal fundido se vacía en el cilindro de inyección (cámara de inyección). La cámara de inyección no es calentada: de ahí el término de cámara fría. El metal fundido es forzado en la cavidad de la matriz de vaciado a presiones en un rango entre 20 y 70 MPa, aunque pueden ser de hasta 150 MPa. Las aleaciones de alto punto de fusión —como las de aluminio, magnesio y cobre— normalmente se funden utilizando este método, aunque también otros metales se pueden colar de esta manera. Las temperaturas del metal fundido van desde los 600◦ C para el aluminio y ciertas aleaciones de magnesio, y aumentan de manera considerable para aleaciones de cobre y hierro.

4.12.3.

Capacidades del proceso y selección de máquinas

Debido a las altas presiones involucradas, las matrices tienen tendencia a abrirse a menos que estén firmemente sujetas. Las máquinas de inyección en matriz se clasifican según la fuerza de apriete que se puede ejercer para mantener los troqueles cerrados. La capacidad de las máquinas actualmente disponibles están en el rango entre 25 y 3000 toneladas. Las matrices y dados a presión pueden ser de una sola cavidad, de múltiples cavidades (con varias cavidades idénticas), de cavidades combinadas (con varias cavidades diferentes) o dados unitarios (pequeños dados simples que se pueden combinar en una o más unidades en un dado maestro de sujeción). Típicamente,

4. Conformación por moldeo II

la relación entre el peso del dado y el peso de la pieza es de mil a uno, por lo que el dado para una fundición que pese dos kilogramos debería ser de dos toneladas. Por lo general, los dados están fabricados de aceros para dados para trabajo en caliente o aceros para molde. El desgaste del dado aumenta en función de la temperatura del metal fundido. Puede ser un problema el agrietamiento por el calor de los dados y matrices (agrietamiento superficial por el enfriamiento y calentamiento repetido del dado). Cuando se seleccionan y se mantienen correctamente los materiales para matrices, éstas pueden durar más de medio millón de inyecciones antes de que se presente cualquier desgaste significativo. El diseño del dado incluye un ángulo de salida para permitir la extracción de la pieza fundida. El distribuidor y los canales de alimentación pueden ser retirados, ya sea manualmente o utilizando troqueles de corte en una prensa, permitiendo un grado importante de automatización. A menudo, se aplican lubricantes (agentes separadores) como finos recubrimientos en la superficie de los dados y matrices de colada. Se trata usualmente de lubricantes de base agua con grafito u otros compuestos en suspensión. Dada la elevada capacidad de enfriamiento del agua, estos fluidos también resultan eficaces para mantener la baja temperatura de los dados. La inyección en matriz tiene la capacidad de producción rápida de piezas resistentes de alta calidad con formas complejas. También imparte buena precisión dimensional y buenos detalles superficiales, de manera que las piezas requieren de poco o ningún maquinado u operaciones de terminado subsiguientes (formado de forma final ). Se pueden obtener paredes de un espesor de hasta 0,38 mm, más delgadas que las que se obtienen utilizando otros métodos de fundición. Quedan marcas de los eyectores, igual que pequeñas cantidades de rebaba —material delgado que ha sido extruido de entre los troqueles— en la línea de partición del dado. Dado que el metal fundido se enfría rápidamente en las paredes de la matriz de colado, la pieza fundida tiene una película dura de grano fino con mayor resistencia. En consecuencia, la relación resistencia a peso de las piezas inyectadas en matriz aumenta al reducirse el espesor de las paredes. Hay algunas piezas que se pueden inyectar en matriz de manera integral, un proceso conocido como moldeado con inserto. Para una buena resistencia en la interfase, los insertos pueden estar moldeados, ranurados o estirados. Para la selección de los materiales de los insertos, debe tomarse en consideración la posibilidad de corrosión galvánica. Para prevenirla, el inserto puede aislarse, revestirse o tratarse superficialmente. Los costos del equipo, particularmente el costo de las matrices de inyección, es algo elevado, pero los costos por mano de obra generalmente son bajos, dado que el proceso está parcial o totalmente automatizado. Se trata de un proceso adecuado para grandes series de producción.

4.13.

Fundición centrífuga

La fundición centrífuga utiliza la fuerza de inercia causada por la rotación para distribuir el metal fundido en las cavidades del molde. El método comenzó

4.14. Fundición por dado impresor y formado de metal semisólido

a usarse a principios del siglo xix. Existen varios tipos de fundición centrífuga: – Fundición centrífuga verdadera. Se producen piezas cilíndricas según un proceso en el que el metal fundido es vaciado en un molde rotativo. El eje de rotación es, por lo general, horizontal, pero puede ser vertical para piezas cortas. Los moldes están hechos de acero, hierro o grafito, y pueden estar recubiertos con una capa refractaria para incrementar la vida del molde. Las superficies del molde se pueden modificar de tal manera que se puedan fundir tuberías con formas exteriores diversas, incluyendo piezas cuadradas y poligonales. La superficie interna de la colada se conserva cilíndrica, porque el metal fundido es distribuido de manera uniforme por las fuerzas centrífugas. Debido a diferencias en la densidad, los elementos más ligeros, como escoria, impurezas y partes del revestimiento refractario, tienden a acumularse en la superficie interna de la pieza fundida. Con este método, pueden fundirse piezas de entre 13 mm y 3 m de diámetro y 16 m de largo, con espesores de pared que van desde 6 a 125 mm. La presión generada por la fuerza centrífuga es elevada, y esta elevada presión es necesaria para la fundición de piezas de pared gruesa. Mediante este método, se obtienen piezas fundidas de buena calidad, precisión dimensional y buen detalle superficial. Además de tubos, piezas típicas fabricadas con este método son bujes, camisas de cilindro de motor y anillos de cojinete. – Fundición semicentrífuga. Se emplea para colar piezas con simetría rotacional, como por ejemplo una rueda con sus radios. – Centrifugado. Las cavidades del molde de cualquier forma se colocan a una cierta distancia del eje de rotación. El metal fundido se vacía por el centro y es obligado a pasar al molde debido a la fuerza centrífuga. Las propiedades de las piezas fundidas varían en función de la distancia del eje de rotación.

4.14.

Fundición por dado impresor y formado de metal semisólido

4.14.1.

Fundición por dado impresor

El proceso de fundición por dado impresor, también llamado forja de metal líquido, fue desarrollado en la década de los sesenta y se basa en la solidificación del metal fundido a alta presión. La maquinaria incluye un dado o matriz, un punzón y un buje eyector. La presión aplicada por el punzón mantiene los gases atrapados en solución y el contacto a alta presión en la interfaz entre el dado y el metal promueve una rápida transferencia de calor, resultando en una fina microestructura con buenas propiedades mecánicas. La aplicación de presión también resuelve problemas de alimentación que se pueden presentar al fundir metales con un rango de solidificación grande. Las

4. Conformación por moldeo II

presiones que se requieren en la fundición por dado impresor son inferiores a la forja en caliente o en frío correspondientes. Las piezas se pueden fabricar a una forma casi final, con formas complejas y un fino detalle superficial, tanto de aleaciones ferrosas como no ferrosas. Se obtienen, mayoritariamente, componentes automotrices.

4.14.2.

Formado de metal semisólido

El conformado de metal semisólido fue desarrollado en la década de los setenta. El metal o aleación posee una estructura de grano fino no dendrítica, casi esférica, al entrar a la matriz o molde. La aleación exhibe un comportamiento tixotrópico, i.e, su viscosidad se reduce al ser agitado. Este comportamiento se ha utilizado en el desarrollo de tecnologías que combinan la fundición y el forjado de piezas, utilizando lingotes de fundición que se forjan cuando están líquidos en un treinta o un cuarenta por ciento. La tecnología del formado de metales semisólidos ya estaba en producción comercial en 1981 y también es utilizada en la fabricación de composites colados de matriz metálica. Otra técnica para el formado en estado semisólido es la reofundición, en la cual se produce un «barro» en un mezclador, que luego se vacía en el molde o troquel. Este proceso, sin embargo, aún no ha tenido éxito comercial.

4.15.

Técnicas de colado para componentes monocristalinos

Aquí se describirán las técnicas utilizadas para colar componentes monocristalinos tales como las aspas de los álabes de una turbina, piezas que, por lo general, están hechas de superaleaciones a base de níquel y que se utilizan en las etapas de alta temperatura del motor. – Fundición convencional de álabes de turbina. El proceso de fundición convencional utiliza un molde de cerámica. El metal fundido se vacía en el molde y se empieza a solidificar a partir de las paredes de cerámica. La presencia de fronteras de grano hace que esta estructura sea susceptible a la termofluencia y al agrietamiento a lo largo de las fronteras de grano bajo las fuerzas centrífugas y las elevadas temperaturas que comúnmente existen en una turbina de gas en operación. – Álabes solidificados direccionalmente. En el proceso de solidificación direccional, que se desarrolló por primera vez en 1960, el molde de cerámica es precalentado utilizando calor radiante. El molde es soportado por una placa de enfriamiento enfriada por agua. Después de haber vaciado el metal en el molde, todo el conjunto es bajado lentamente. Los cristales empiezan a crecer en la superficie de la placa de enfriamiento y hacia arriba.

4.16. Solidificación rápida (aleaciones amorfas)

El álabe se solidifica por tanto direccionalmente, con fronteras de grano longitudinales pero ninguna transversal. En consecuencia, el aspa es más resistente en la dirección de las fuerzas centrífugas desarrolladas por la turbina de gas. – Álabes monocristalinos. En el crecimiento de cristales, desarrollado en 1967, el molde tiene un estrangulamiento en la forma de un tirabuzón o hélice, cuya sección transversal es tan reducida que solamente permite que pase un cristal. El mecanismo de crecimiento de cristales es tal que solamente los cristales orientados más favorablemente pueden crecer a través de la hélice, ya que todos los demás son interceptados por las paredes del pasaje helicoidal. Conforme el conjunto es bajado lentamente, un monocristal crece hacia arriba a través del estrangulamiento y empieza a crecer en el molde. Es necesario un control estricto de la rapidez del movimiento. A pesar de que estos álabes son más costosos que otros tipos, la carencia de fronteras de grano los hace resistentes a la termofluencia y al choque térmico, por lo que tienen una vida de servicio más larga y más confiable. – Crecimiento de monocristales. Con el advenimiento de la industria de los semiconductores, el crecimiento de monocristales se ha convertido en una actividad importante en la manufactura de dispositivos microelectrónicos. Existen dos métodos básicos de crecimiento de cristales. En el método de extracción de cristal, también conocido como proceso Czochraklski, un cristal semilla se sumerge en el metal fundido y después es extraído lentamente mientras se le hace girar. El metal líquido empieza a solidificar sobre el cristal semilla, y la estructura cristalina del cristal se preserva en el material producto del crecimiento. Pueden agregarse dopantes al metal líquido para impartir propiedades eléctricas especiales. Mediante este proceso, pueden producirse monocristales de silicio, germanio y otros elementos, generando lingotes monocristalinos de una longitud típica entre 50 y 150 mm. En el método de zona flotante, por otro lado, se parte de una barra de silicio policristalino que descansa sobre un cristal individual; una bobina de inducción calienta estas dos piezas mientas se mueve lentamente hacia arriba. El monocristal crece hacia arriba conservando su orientación cristalográfica. Después se cortan delgadas obleas de la barra, se limpian y se pulen para su uso en la fabricación de dispositivos microelectrónicos.

4.16.

Solidificación rápida (aleaciones amorfas)

La técnica para la fabricación de las aleaciones amorfas o vidrios metálicos, llamada solidificación rápida, consiste en el enfriamiento del metal fundido a velocidades muy elevadas, del orden de 106 K/s, de manera que aquél no tiene tiempo suficiente para cristalizar. La solidificación rápida da como resultado, entre otros efectos, una ampliación significativa de la solubilidad sólida, el refino del grano y una reducida microsegregación.

4. Conformación por moldeo II

4.17.

Inspección de las fundiciones

Los defectos subsuperficiales e internos se investigan utilizando varias técnicas no destructivas. En las pruebas destructivas, se extraen especímenes de prueba de varias secciones de una pieza fundida para ensayar su resistencia, ductilidad y otras propiedades mecánicas, y para determinar la presencia y localización de porosidad y otros defectos. La caída de presión o hermeticidad de componentes fundidos (válvulas, bombas y tuberías) se determina, por lo general, sellando las aperturas de la pieza fundida y presurizando con agua, aceite o aire. Para requerimientos de extrema hermeticidad a fugas, se utilizan helio presurizado o gases especialmente aromatizados como detectores. Después la pieza fundida es inspeccionada en busca de fugas mientras se mantiene la presión. Las fundiciones no aceptables o defectuosas se vuelven a fundir para su reprocesamiento.

4.18.

Prácticas y hornos de fusión

Los hornos e cargan con material de fusión consistente en metal, elementos de aleación y otros materiales tales como el fundente y formadores de escorias o escorificantes. Los fundentes son compuestos inorgánicos que refinan el metal fundido al eliminar los gases disueltos y varias impurezas. Los fundentes tienen varias funciones, dependiendo del metal. Por ejemplo, para las aleaciones de aluminio hay fundentes de cobertura —para formar una barrera contra la oxidación—, fundentes de limpieza, fundentes de escoria, fundentes de refino y fundentes para la limpieza de la pared, debido al efecto perjudicial que algunos fundentes tienen en los revestimientos del horno, particularmente en los hornos de inducción. Los fundentes pueden ser añadidos manualmente o inyectados automáticamente en el metal fundido. Los fundentes para el aluminio consisten típicamente en cloruros, fluoruros y boratos de aluminio, de calcio, magnesio, potasio y sodio. Un fundente típico para el magnesio consiste en una composición de cloruro de magnesio, cloruro de potasio, cloruro de bario y fluoruro de calcio. Para las aleaciones de cobre, existen fundentes oxidantes —que incluyen el óxido cúprico o el bióxido de manganeso—, los fundentes de cobertura neutra —bórax, ácido bórico o vidrio—, fundentes reductores —grafito o carbón vegetal—, fundentes de refino y fundentes para el molde para fundiciones semicontinuas —para evitar la oxidación y mejorar la lubricación—. Para las aleaciones de cinc, como las que se utilizan en la inyección en matriz, los fundentes típicos consisten en cloruros de cinc, de potasio y de sodio. Los fundentes para el hierro fundido consisten típicamente en carbonato de sodio y fluoruro de calcio. Para proteger la superficie del metal fundido contra la reacción y contaminación atmosférica, y para refinar el metal fundido, éste debe estar aislado contra

4.18. Prácticas y hornos de fusión

pérdidas térmicas. Por lo general, se provee aislamiento cubriendo la superficie o mezclando el metal fundido con compuestos que forman una escoria. En aceros fundidos, la composición de la escoria incluye CaO, SiO 2 , Mn Oy FeO. Por lo general, se extrae una pequeña cantidad de metal líquido y se analiza su composición. Entonces se efectúan las adiciones e inoculaciones necesarias antes de vaciar el metal en los moldes. La carga del metal puede estar compuesta de metales primarios comercialmente puros, que son chatarra refundida. También se pueden incluir en la carga fundiciones rechazadas, sistemas de alimentación y mazarotas. Si los puntos de fusión de los elementos de aleación son lo suficientemente bajos, se agregan elementos de aleación puros para obtener la composición deseada de la fundición. Si los puntos de fusión de los elementos de aleación son demasiado elevados, no se mezclarán con facilidad con los metales de bajo punto de fusión. En este caso, a menudo se utilizan aleaciones maestras o endurecedores. Por lo general, éstas están formados por aleaciones de menor punto de fusión con altas concentraciones de uno o dos de los elementos de aleación necesarios. No deben existir grandes diferencias en los pesos específicos de las aleaciones maestras, a fin de no causar segregación en la fundición. Hornos de fusión Se tienen los siguientes tipos de hornos de fusión: – Los hornos de arco eléctrico se utilizan ampliamente en las fundidoras y tienen ventajas tales como una elevada rapidez de fusión, mucha menos contaminación que otros tipos de hornos, y la capacidad de conservar el metal fundido para efectos de aleación. – Los hornos de inducción son especialmente útiles en fundidoras más pequeñas y producen también fusiones más pequeñas de composición controlada. El horno de inducción sin núcleo consiste en un crisol totalmente rodeado de una bobina de cobre enfriada por agua a través de la cual pasa la corriente de alta frecuencia. Dado que se presenta una fuerte acción de agitación electromagnética durante el calentamiento por inducción, este tipo de horno tiene excelentes características de mezcla para aleaciones y para agregar nuevas cargas de metal. El horno de núcleo o de canal utiliza baja frecuencia y tiene una bobina que sólo rodea una pequeña porción de la unidad. Se utiliza comúnmente en fundidoras no ferrosas y es particularmente adecuado para sobrecalentar (calentamiento por encima de la temperatura normal de fundición para mejorar la fluidez), mantenimiento (que lo hace adecuado para aplicaciones de fundición por inyección en matriz) y duplexado (uso de dos hornos para, por ejemplo, fundir el metal en un horno y transferirlo al otro). – Los hornos de crisol, que se han utilizado ampliamente en el pasado, se calientan utilizando diversos combustibles, como gases comerciales, petróleo combustible y combustible fósil, así como la electricidad. – Los cubilotes son recipientes de acero verticales recubiertos de refractario cargados con capas alternadas de metal, coque y fundente. Están siendo

4. Conformación por moldeo II

reemplazados por los hornos de inducción, aunque poseen varias ventajas: operan de manera continua, tienen elevadas velocidades de fusión y producen grandes cantidades de metal fundido. – Fusión por levitación. Este proceso consiste en la suspensión magnética del metal fundido. Una bobina de inducción calienta de manera simultánea una palanquilla sólida y agita y confina lo fundido, eliminando la necesidad de un crisol que podría resultar una fuente de contaminación con inclusiones de óxidos. El metal fundido fluye hacia abajo en un molde de fundición por revestimiento que se coloca directamente por debajo de la bobina. Las fundiciones hechas utilizando este método están libres de inclusiones (debido a los refractarios) y de porosidad por gas, y tienen una estructura de grano fino uniforme. La selección del horno depende de varios factores: las consideraciones económicas, la composición y el punto de fusión de la aleación a fundir, el control de la atmósfera del horno, la capacidad y la rapidez de fusión requeridas, las consideraciones de tipo ecológico, el suministro de energía y su disponibilidad, la facilidad de sobrecalentamiento del metal y, finalmente, el tipo de material de carga que es posible utilizar.

Tema 5

Conformación por moldeo III 5.1.

Consideraciones de diseño

Los principios de diseño han sido establecidos principalmente debido a la experiencia práctica, pero ahora se están poniendo cada vez en mayor uso nuevos métodos analíticos, modelado de procesos y técnicas de diseño y manufactura asistidos por computadora.

5.1.1.

Diseño para la fundición en molde desechable

Esquinas, ángulos y espesor de la sección Deben evitarse las esquinas agudas, los ángulos y los biseles, porque actúan como elevadores de esfuerzos y pueden causar el agrietamiento del metal y de las matrices durante la solidificación. Los radios de los biseles deben seleccionarse para reducir las concentraciones de esfuerzos y asegurar un flujo adecuado de metal líquido durante el proceso de vaciado. Habitualmente, los radios de los biseles se hacen en un rango de entre 3 y 25 mm, aunque puede permitirse un radio menor en piezas pequeñas y en aplicaciones limitadas. Por otra parte, si el radio de los biseles es demasiado grande, el volumen de material en esas regiones también será grande y, en consecuencia, la tasa de enfriamiento será menor. Los cambios de sección en las piezas fundidas deberán ser suaves y progresivamente pasar de uno a otro diámetros. La localización del círculo mayor que se pueda inscribir en una región en particular es crítica por lo que se refiere a la generación de cavidades por contracción. Dado que la velocidad de enfriamiento en las regiones con círculos grandes es menor, se conocen como puntos calientes. Estas regiones podrían desarrollar cavidades de contracción y porosidad. Para eliminar o reducir puntos calientes, pueden emplearse bloques de metal (enfriadores) en el molde, aunque incrementan el coste de producción. Estos bloques actúan como enfriadores externos.

5.1. Consideraciones de diseño

Áreas planas Deben evitarse las áreas planas grandes (superficies simples), ya que se pueden torcer durante el enfriamiento debido a gradientes de temperatura, o formarse un mal acabado superficial, debido a un flujo no uniforme de metal durante el vaciado. Contracción A fin de evitar el agrietamiento de la pieza fundida, deberán existir tolerancias de contracción durante la solidificación. En piezas fundidas con costillas de refuerzo que se cruzan, se puede reducir el esfuerzo a la tensión alternando las costillas o modificando la geometría de intercepción. Las dimensiones del modelo también deben prever la contracción durante la solidificación y el enfriamiento. Las holguras por contracción, también conocidas como tolerancias de contracción del fabricante del modelo, se encuentran habitualmente en el rango de entre 10 y 20 mm por metro. Línea de partición La línea de partición es aquella línea o plano que separa las mitades superior e inferior de los moldes. En general, es deseable que la línea de partición quede a lo largo de un plano único, en lugar de seguir un contorno. Siempre que sea posible, la línea de partición debe estar en las esquinas o bordes de las fundiciones, más bien que en superficies planas a la mitad de la fundición, de manera que las rebabas en la línea de partición no resulten tan visibles. La localización de la línea de partición es importante, ya que influencia el diseño del molde, la facilidad del moldeado, el número y la forma de los corazones, el método de soporte y el sistema de canales de alimentación. Ángulo de salida En los modelos para moldes de arena, se incluye un pequeño ángulo de salida para facilitar la extracción del modelo sin dañar el molde. Dependiendo de la calidad del modelo, los ángulos de salida, por lo general, varían entre 0,5◦ y 2◦ . Los ángulos en las superficies interiores típicamente son de dos veces este valor. Tienen que ser mayores que los de las superficies exteriores porque la fundición se contrae hacia dentro en la dirección del corazón. Tolerancias dimensionales Las tolerancias dimensionales dependen del proceso de fundición en particular, del tamaño de la fundición y del tipo de modelo usado. Las tolerancias son las más cerradas dentro de una región del molde, pero, dado que son acumulativas, aumentan entre diferentes regiones del molde. Deben ser tan amplias como sea posible, dentro de los límites de un buen desempeño de la pieza; de lo contrario, aumenta el coste de la pieza fundida. En la práctica comercial, las tolerancias se presentan habitualmente en un rango de ±0,8 mm para fundiciones y aumentan con el tamaño de las mismas. Por ejemplo, las tolerancias para fundiciones grandes pueden ser de ±6 mm. Holgura de maquinado En previsión de la necesidad de algunas operaciones adicionales de acabado —como, por ejemplo, el maquinado—, deben preverse holguras en el diseño de la fundición para estas operaciones. Las holguras de

5. Conformación por moldeo III

maquinado, que se incluyen en las dimensiones del modelo, dependen del tipo de fundición y aumentan con el tamaño y el espesor de la sección de las fundiciones. Por lo general, van desde aproximadamente 2 a 5 mm para fundiciones pequeñas, hasta más de 25 mm para fundiciones grandes.

Esfuerzos realizados Las diferentes velocidades de enfriamiento dentro del cuerpo de una fundición generan esfuerzos residuales. Por tanto, puede resultar necesaria la eliminación de estos esfuerzos, a fin de evitar distorsiones en aplicaciones críticas.

5.2.

Aleaciones para las fundiciones

5.2.1.

Aleaciones para fundición no ferrosa

Las aleaciones no ferrosas comúnmente coladas son las que siguen: – Aleaciones de base aluminio. Poseen una amplia gama de propiedades mecánicas, debido principalmente a los varios mecanismos de endurecimiento y de tratamiento térmico que se les puede aplicar. Su fluidez depende de los elementos de aleación y de los óxidos del metal. Estas aleaciones tienen una elevada conductividad eléctrica y, en general, una buena resistencia a la corrosión atmosférica. Sin embargo, su resistencia a algunos ácidos y a todas las bases es escasa, y debe tenerse cuidado de evitar la corrosión galvánica. No son tóxicos, son ligeros y poseen una buena maquinabilidad. En general, a excepción de las aleaciones con silicio, poseen, sin embargo, baja resistencia al desgaste y a la abrasión. Las piezas fabricadas con aleaciones de base aluminio y base magnesio se conocen como fundiciones de metal ligero. – Aleaciones de base magnesio. La densidad más baja de todas las aleaciones para fundición comerciales son las del grupo base magnesio. Tienen una buena resistencia a la corrosión y una resistencia moderada, dependiendo del tratamiento térmico particular realizado. – Aleaciones de base cobre. Son algo costosas, pero poseen la ventaja de una buena conductividad eléctrica y térmica, junto con una elevada resistencia a la corrosión; además, no son tóxicas y poseen propiedades de desgaste adecuadas para materiales de apoyo. Las propiedades mecánicas y la fluidez se ven influenciadas por los elementos de aleación. – Aleaciones de base zinc. Estas aleaciones poseen una buena fluidez y suficiente resistencia para aplicaciones estructurales. – Aleaciones de alta temperatura. Poseen una amplia gama de propiedades y habitualmente requieren de temperaturas de hasta 1650◦ C para fundiciones de titanio y superaleaciones, y superiores para aleaciones refractarias.

5.2. Aleaciones para las fundiciones

5.2.2.

Aleaciones para fundición ferrosa

Hierros colados El hierro colado posee varias propiedades deseables, tales como resistencia al desgaste, dureza y buena maquinabilidad. En realidad, el término «hierro colado» se refiere a una familia de aleaciones: – Hierro colado gris. Estas fundiciones poseen relativamente pocas cavidades por contracción y poca porosidad. Se identifican varias formas de hierro colado gris como ferrítico, perlítico y martensítico. Los usos típicos del hierro colado gris se encuentran en los motores, las bases de máquinas, las carcasas de los motores eléctricos, las tuberías y las superficies de desgaste de las máquinas. Los hierros colados grises se especifican mediante una designación astm de dos dígitos. La clase 20, por ejemplo, especifica que el material debe tener una resistencia a la tensión mínima de 20 kpsi. – Hierro dúctil (nodular). Típicamente utilizado para piezas de maquinaria, tuberías y cigüeñales, los hierros dúctiles se especifican mediante una combinación de tres dígitos. Por ejemplo, la clase o grado 80-55-06 indica que el material tiene una resistencia a la tensión mínima de 80 kpsi, una resistencia a la fluencia mínima de 55 kpsi y un 6 por ciento de elongación en dos pulgadas. – Hierro colado blanco. Debido a su extrema dureza y su resistencia al desgaste, el hierro colado blanco se utiliza principalmente en partes de maquinaria para el procesado de materiales abrasivos, rodillos para trenes de laminación y zapatas de frenos para carros de ferrocarril. – Hierro maleable. Se emplea principalmente en equipo para ferrocarril y en varios tipos de herrajes. Se especifican mediante una combinación de cinco dígitos. Por ejemplo, 35018 indica que la resistencia a la fluencia del material es de 35 kpsi y que su elongación es de 18 por ciento en dos pulgadas. – Hierro al grafito compactado. Producido por primera vez en 1976, el hierro al grafito compactado (cgi) posee propiedades situadas a medio camino entre las de los hierros grises y dúctiles. El hierro gris posee una buena conductividad térmica y una buena capacidad de amortiguamiento, pero una baja ductilidad, en tanto que el hierro dúctil tiene una escasa capacidad de amortiguamiento y conductividad térmica pero una elevada resistencia a la tensión y a la fatiga. El hierro al grafito compactado posee propiedades de amortiguamiento y térmicas similares a las del hierro gris y una resistencia y rigidez comparables a las del hierro dúctil. Debido a su resistencia, las piezas coladas hechas de cgi pueden ser más ligeras. Es fácil de colar, posee propiedades uniformes en todo el colado, y su maquinabilidad es mejor que la del hierro dúctil, lo que es una consideración de importancia, ya que se utiliza para motores automotrices y cabezas de cilindro. Aceros colados Las fundiciones de acero poseen propiedades que son más uniformes (isotrópicas) que los conseguidos mediante procesos de trabajo mecánico.

5. Conformación por moldeo III

Los aceros colados se pueden soldar; sin embargo, la soldadura altera la microestructura del colado en la zona afectada por el calor, influenciando la resistencia, la ductilidad y la tenacidad del metal base. Posteriormente a la soldadura, por tanto, debe efectuarse un tratamiento térmico, a fin de restablecer las propiedades mecánicas del colado. Aceros inoxidables colados Los aceros inoxidables, por lo general, poseen extensos rangos de solidificación y elevadas temperaturas de fusión. Estos productos tienen una elevada resistencia al calor y a la corrosión. Las aleaciones para fundición a base de níquel se emplean para entornos muy corrosivos y en servicios de muy altas temperaturas.

Tema 6

Conformación por deformación plástica I El laminado es el proceso de reducir el espesor —o modificar la sección transversal— de una pieza larga mediante fuerzas de compresión aplicadas a través de un juego de rodillos. La laminación, que representa aproximadamente el noventa por ciento de todos los metales producidos usando procesos de metalurgia, fue desarrollada por primera vez a comienzos del siglo xvi. Las placas, que en general se consideran como de un espesor superior a 6 mm, se utilizan para aplicaciones estructurales, tales como estructuras de maquinaria, cascos de buques, calderas, puentes y recipientes nucleares. Las placas pueden llegar a tener hasta un espesor de 0,3 m para los apoyos de las grandes calderas, 150 mm de espesor para los recipientes de reactores y 100–125 mm para los buques y los tanques de guerra. Las hojas poseen habitualmente menos de 6 mm de espesor; se fabrican para manufacturar materias primas intermedias como piezas planas o como cinta en rollos para procesamiento posterior en varios productos. Se utilizan en las carrocerías de automóvil y fuselajes de avión, en enseres domésticos, en recipientes para alimentos y bebidas y en equipos para cocinas y oficinas. Los fuselajes de las aeronaves comerciales se fabrican habitualmente con una hoja de aleación de aluminio de un mínimo de 1 mm de espesor. Las latas de refrescos de aluminio se fabrican ahora con hojas de 0,28 mm de espesor, que se reduce a una pared final de la lata de 0,1 mm. El papel de aluminio, por su parte, posee un espesor de 0,008 mm. Tradicionalmente, la forma inicial del material para laminación ha venido siendo un lingote. Actualmente, esta práctica está siendo rápidamente reemplazada por la colada y laminación continuas, con una eficiencia mucho más elevada y a un costo inferior.

6.1. Laminado plano

6.1.

Laminado plano

En el proceso de laminado plano, una tira de espesor h0 entra en el espacio de laminación, donde un par de rodillos en rotación la reducen a un espesor hf , cada uno de los rodillos movido por motores eléctricos. La velocidad superficial de los rodillos es vr . La velocidad de la tira se incrementa de su valor de entrada v0 a través del espacio de laminación, de manera que el fluido se ve obligado a moverse más rápido al pasar por un canal convergente. La velocidad de la tira es máxima a la salida del espacio de laminación; la identificamos como vf . Dado que la velocidad superficial del rodillo es constante, existe un deslizamiento relativo entre el rodillo y la tira a lo largo del arco de contacto en el espacio de laminación, L. En un punto a lo largo del tramo de contacto, conocido como el punto neutro o punto de no deslizamiento, la velocidad de la tira es la misma que la del rodillo. A la izquierda de este punto, el rodillo se mueve más rápido que la tira; a la derecha del mismo, la tira se mueve con mayor velocidad que el rodillo.

6.1.1.

Fuerzas de fricción

Los rodillos tiran del material hacia dentro del espacio de laminación a través de una fuerza de fricción neta sobre el material. Aunque la fricción es necesaria para la laminación de los materiales, se disipa energía para vencerla, por lo que incrementar la fricción significa aumentar los requerimientos de fuerzas y de potencia. Además, una elevada fricción podría dañar la superficie del producto laminado. Se tiene que llegar a un punto medio, uno que consiga bajos coeficientes de fricción mediante el uso de lubricantes efectivos. El tiro máximo posible, que se define como la diferencia entre los espesores inicial y final (h0 − hf ), es una función del coeficiente de fricción, µ, y del radio del rodillo, R: h0 − hf = µ2 R. Por tanto, mientras más alta sea la fricción y mayor sea el radio del rodillo, mayor será el tiro máximo posible y la reducción de espesor.1

6.1.2.

Fuerza del rodillo y requerimientos de potencia

Dado que los rodillos aplican presión sobre el material a fin de reducir su espesor, se necesita de una fuerza perpendicular al arco de contacto. Esta fuerza del rodillo, F , se suele suponer perpendicular al plano de la tira en lugar de al ángulo de contacto. Se utiliza esta alineación porque el arco de contacto es, habitualmente, muy pequeño en comparación con el radio del rodillo, por 1 Esta situación es similar al uso de llantas grandes y cubiertas ásperas en los tractores agrícolas y en el equipo de movimiento de tierra, lo que permite a los vehículos moverse en terreno difícil sin derrapar.

6. Conformación por deformación plástica I

lo que podemos suponer sin un error significativo que la fuerza del rodillo es perpendicular. La fuerza del rodillo en el laminado plano se puede estimar partiendo de la fórmula F = LwYmed , (6.1) donde L es la longitud de contacto entre rodillo y tira y Ymed es el esfuerzo promedio real de la tira en el espacio de laminación. La ecuación (6.1), idealmente, corresponde a una situación sin fricción. Mientras más elevado sea el coeficiente de fricción entre los rodillos y la tira, mayor será la divergencia, y la fórmula dará como resultado una fuerza del rodillo menor que la fuerza real. La potencia necesaria por rodillo se puede estimar suponiendo que la fuerza F actúa a la mitad del arco de contacto. El par de torsión por rodillo es el producto de F por L2 . Por tanto, la potencia por rodillo, en unidades si, es: Potencia =

2πF LN kW, 60000

donde F está en newton, L en metros y N es la velocidad del rodillo expresada en revoluciones por minuto. Por su parte, en unidades inglesas, la potencia se puede expresar de l forma: Potencia =

2πF LN hp, 33000

donde F está en p libras y L en pies. L viene dada aproximadamente por la expresión: L = R(h0 − hf ). Reducción de la fuerza de laminación Las fuerzas de laminación pueden causar deflexión y aplastamiento de los rodillos; estos cambios afectarán de manera adversa, a su vez, a la operación de laminado. También el tren de laminación, incluyendo la carcasa, cuñas y rodamientos, puede estirarse bajo la acción de las fuerzas de laminación, de tal forma que el espacio de laminación se abra de manera significativa. En consecuencia, los rodillos deben ajustarse más de cerca de lo calculado, para compensar esta deflexión y para obtener el espesor final deseado. Las fuerzas de laminado pueden reducirse mediante cualquiera de los procedimientos siguientes: reduciendo la fricción; utilizando rodillos de diámetro menor, a fin de reducir el área de contacto; efectuando reducciones más pequeñas por pasada, a fin de reducir el área de contacto, y laminando a temperaturas elevadas, a fin de reducir la resistencia del material. Otro método efectivo de reducir las fuerzas de laminado es aplicar tensiones longitudinales a la tira durante la laminación. Como resultado, los esfuerzos de compresión requeridos para deformar plásticamente el material disminuyen. Dado que requieren elevadas fuerzas de laminación, estas tensiones son de importancia particular en la laminación de metales de alta resistencia. Las tensiones pueden ser aplicadas a la tira, ya sea en la zona de entrada (tensión posterior ), en la de salida (tensión anterior o frontal ) o en ambas.

6.1. Laminado plano

La tensión posterior es aplicada a la hoja sometiendo al rollo que alimenta la hoja al espacio de laminación (el rollo de suministro) a una acción de frenado mediante algún procedimiento adecuado. La tensión anterior se aplica incrementando la velocidad de rotación del rollo tensor. La laminación se puede efectuar también con tensión anterior únicamente, sin aplicar potencia a los rodillos; este proceso se conoce como laminación Steckel.

6.1.3.

Consideraciones geométricas

En vista de que las fuerzas que actúan sobre los rodillos, éstos sufren ciertos cambios geométricos. De la misma manera que una viga recta se flexiona bajo carga transversal, las fuerzas de laminación tienen tendencia a flexionar los rodillos elásticamente durante el laminado; mientras más elevado sea el módulo de elasticidad del material del rodillo, menor será la deflexión del mismo. Como resultado de la flexión del rodillo, la tira laminada tiene tendencia a quedar más gruesa en su centro que en sus bordes. El método usual para evitar este problema es rectificar los rodillos de manera que su diámetro en la parte central sea ligeramente mayor que en sus bordes, dándoles una combadura. Así, cuando los rodillos se flexionan, su contacto a todo lo ancho de la tira se endereza, y la tira que se está laminando pasa a tener un espesor constante en toda su anchura. Para el laminado de metales en hoja, el radio del punto máximo de combadura es, por lo general, 0,25 mm mayor que el de los bordes del rodillo. Cuando están correctamente diseñados, los rodillos con combadura producen tiras planas. Sin embargo, una combadura específica es únicamente correcta para una cierta carga y un cierto ancho de tira. A fin de reducir los efectos de la deflexión, los rodillos se pueden someter a flexión mediante la aplicación de momentos en sus cojinetes; esta manipulación simula la combadura. Debido al calor generado por deformación plástica durante la laminación, los rodillos pueden abarrilarse ligeramente (combadura térmica); a menos que esto se compense mediante algún otro procedimiento, dicha situación puede producir tiras más delgadas en el centro que en los bordes. En consecuencia, la combadura total (o final) puede variarse modificando la localización del refrigerante sobre los rodillos durante la laminación en caliente. Las fuerzas de laminación también tienden a aplanar los rodillos elásticamente. Este aplanamiento de los rodillos no es deseable, ya que genera, en efecto, un radio de rodillo más grande y, por tanto, un área de contacto mayor para el mismo tiro. A su vez, la fuerza de laminación se incrementa al aumentar el aplastamiento. Ensanchado En la laminación de placas y hojas con elevadas relaciones entre ancho y espesor, el ancho del material se conserva efectivamente constante durante la laminación. Sin embargo, con relaciones más pequeñas, como por ejemplo una sección transversal cuadrada, el ancho se incrementa de manera considerable en el espacio de laminación. Este incremento de la anchura se co-

6. Conformación por deformación plástica I

noce como ensanchado. En el cálculo de la fuerza de laminación, en ancho w de la ecuación (6.1) se toma como ancho promedio. Se puede demostrar que el ensanchado se incrementa con una reducción en la relación ancho a espesor del material de entrada (debido a la reducción en la limitación de ancho), con un incremento en la fricción y con una reducción en la relación del radio del rodillo al espesor de la tira —estos dos últimos debido a la mayor limitante longitudinal de flujo de material en el espacio de laminación). El ensanchado se puede evitar mediante el uso de rodillos verticales en contacto con los bordes del producto laminado (como en los molinos canteadores).

6.2.

Práctica del laminado plano

La ruptura de un lingote al inicio o de una placa durante el proceso de colada continua se efectúa mediante laminación en caliente. La laminación en caliente —efectuada por encima de la temperatura de recristalización del metal— convierte la estructura colada en una estructura laminada. Esta estructura tiene granos más finos y una mayor ductilidad, resultando ambas de la ruptura de los límites de los granos frágiles y del cierre de los defectos internos, especialmente de la porosidad. El producto de la primera operación de laminado en caliente se conoce como taco (bloom) o planchón (slab). Por regla general, un taco posee una sección transversal cuadrada, de por lo menos 150 mm de lado; un planchón tiene una sección transversal, por lo general, rectangular. Los tacos se siguen procesando, mediante laminado, en forma de perfiles estructurales y raíles de ferrocarril. Los planchones se laminan en placas y en hojas. Las palanquillas son, por lo general, cuadradas, con un área transversal menor que la de los tacos; posteriormente, se laminan en varias formas, como varillas y barras redondas, mediante el uso de rodillos y de forma. Las varillas redondas laminadas en caliente se utilizan como el material inicial para el estirado de varillas y de alambre; se conocen como varillas para alambre. En el laminado en caliente de los tacos y los planchones, la superficie del material, habitualmente, se acondiciona —i.e., se prepara para una operación posterior— antes de la laminación. El acondicionamiento se efectúa mediante varios procedimientos, como el uso de un soplete (descascarado) para eliminar la cascarilla gruesa, o de un esmerilado grueso para suavizar las superficies. Antes del laminado en frío, la cascarilla que se desarrolló durante el laminado en caliente puede eliminarse mediante ataque químico con ácido (ataque ácido), o mediante medios mecánicos tales como el chorro de agua o el esmerilado, permitiendo este último eliminar también otros defectos. El laminado en frío se lleva a cabo a la temperatura ambiente y, comparado con la laminación en caliente, produce hojas y tiras con un acabado superficial mucho mejor —debido a la inexistencia de cascarilla—, mejores tolerancias dimensionales y buenas propiedades mecánicas, gracias al endurecimiento por deformación.

6.2. Práctica del laminado plano

El laminado conjunto es una operación de laminado plano en la cual dos o más capas de metal se laminan juntas; este proceso mejora la productividad. La hoja de aluminio, por ejemplo, se lamina en conjunto o en dos capas. Un lado de la hoja de aluminio es mate, el otro brillante; el lado de hoja a hoja tiene un acabado mate y satinado, pero el lado de hoja a rodillo es brillante y pulido, porque ha estado en contacto con los rodillos pulidos. El acero dulce, cuando se le estira durante las operaciones de formado de hoja, sufre una elongación de punto de fluencia, un fenómeno que causa irregularidades superficiales conocidas como deformaciones de estirado o bandas de Lüder. Para corregir esta situación, el metal en hoja se somete a una ligera pasada final de 0,5 a 1,5 por ciento de reducción, conocida como laminado de relevado (temper rolling) o pase superficial. Una hoja laminada pudiera no quedar lo suficientemente plana al salir del espacio de laminación, debido a variaciones en el material o en los parámetros de procesamiento durante el laminado. A fin de mejorar la planitud, la tira laminada se hace pasar a través de una serie de rodillos niveladores. Se emplean varias combinaciones diferentes de rodillos. Cada rodillo, por lo general, es impulsado de manera independiente por un motor eléctrico. La tira es flexionada en direcciones opuestas conforme pasa a través del juego de rodillos.

6.2.1.

Defectos en placas y hojas laminadas

Se ha identificado un conjunto de defectos superficiales tales como cascarilla, corrosión, rayaduras, mordeduras, picaduras y grietas. Estos defectos pueden haber sido causados por inclusiones e impurezas en el material fundido original o debido a otras situaciones relacionadas con la preparación del material y con la operación de laminado. Los bordes ondulados en las hojas son el resultado de la flexión del rodillo. La tira es más delgada en sus bordes que en el centro; dado que los bordes se alargan más que el centro, se tuercen, ya que están limitados en su libre expansión en la dirección longitudinal de laminado. Las grietas son, habitualmente, el resultado de una deficiente ductilidad del material a la temperatura del laminado. El hojeamiento (alligatoring) es un fenómeno complejo y puede estar causado por una deformación no uniforme durante el laminado o por la presencia de defectos en la palanquilla fundida original. Dado que la calidad de los bordes de la hoja es importante en operaciones de conformado con lámina de metal, a menudo los defectos en los bordes de las hojas laminadas son eliminados mediante operaciones de corte y hendidura.

6.2.2.

Otras características

Esfuerzos residuales Debido a la deformación no uniforme del material en el espacio de laminación, se pueden desarrollar esfuerzos residuales en placas y hojas laminadas, especialmente durante la laminación en frío. Los rodillos de pequeño diámetro o las pequeñas resucciones por pasada tienden a deformar

6. Conformación por deformación plástica I

el metal plásticamente en sus superficies. Esta situación produce esfuerzos residuales a compresión sobre las superficies —que pueden ser benéficos para una mejor vida a fatiga— y esfuerzos a la tensión en el centro. Por otra parte, los rodillos de gran diámetro y grandes reducciones tienden a deformar todo el volumen más que las superficies; esto se debe a la limitante por fricción en las superficies a lo largo del arco de contacto entre el rodillo y la tira. Esta situación produce esfuerzos residuales opuestos a los que se presentan en el caso de rodillos de pequeño diámetro.

Tolerancias dimensionales Las tolerancias en espesor para hojas laminadas en frío poseen habitualmente un rango de ±0,1 a ±0,35 mm. Para las placas laminadas en caliente, las tolerancias son mucho mayores. Las tolerancias por planitud están habitualmente en el rango de ±15 mm por metro para laminado en frío y de ±55 mm por metro para el laminado en caliente. Aspereza superficial (rugosidad) El laminado en frío puede producir un acabado superficial muy fino, por lo que los productos hechos con hojas laminadas en frío pudieran no requerir operaciones de acabado. El laminado en caliente y la fundición en arena producen el mismo rango de aspereza superficial.

Número de calibre El espesor de una hoja se identifica habitualmente por un número de calibre: cuanto más pequeño sea el número, más gruesa será la hoja. Se utilizan varios sistemas de numeración, dependiendo del tipo de lámina de metal que se está clasificando. Las hojas laminadas de cobre y de latón también se identifican por cambios en su espesor durante el laminado, como por ejemplo 1 1 4 duro, 2 duro y así sucesivamente.

6.3.

Molinos para laminación

Aunque el equipo para el laminado en caliente y en frío es básicamente el mismo, existen diferencias en el material de los rodillos, los parámetros del proceso, los lubricantes y los sistemas de enfriamiento. El diseño, la construcción y operación de los molinos de laminación requiere de inversiones de consideración. Los molinos altamente automatizados producen placas y hojas de alta calidad y estrictas tolerancias en elevados volúmenes de producción y a un bajo costo por unidad de peso, particularmente cuando están integrados a la colada continua. El ancho de los productos laminados puede tener un rango de hasta 5 metros y un espesor de sólo 0,0025 mm. Los molinos de laminación con dos y tres rodillos se utilizan para la laminación en caliente en los pases iniciales (molino de desbaste primario o cogging mill ) sobre los lingotes fundidos o en la colada continua, con diámetros de rodillos que van desde 0,6 a 1,4 metros. En el laminador de tres rodillos o laminador inversor, la dirección del movimiento del material se invierte después de cada pasada; la placa que se está laminando es elevada de forma repetida al espa-

6.4. Operaciones de laminado de forma

cio superior de laminación, laminada y después bajada al espacio inferior de laminación mediante elevadores y diversos manipuladores. Los laminadores de cuatro rodillos y los laminadores de conjunto o en racimo —también llamados molinos Sendzimir o molinos Z se basan en el principio de que los rodillos de diámetro reducido disminuyen las fuerzas de laminado y los requisitos de potencia, reduciendo el ensanchado. Además, cuando están desgastados o rotos, los rodillos pequeños pueden reemplazarse a un coste inferior que los grandes. Sin embargo, los rodillos pequeños se flexionan más bajo las fuerzas de laminado y deben ser soportados por otros rodillos, como ocurre en laminadores de cuatro rodillos y de conjunto. Aunque el costo de una instalación de tren Sendzimir puede alcanzar millones de dólares, es particularmente adecuado para la laminación en frío de hojas delgadas de metales de alta resistencia. En la laminación en tándem, la tira es laminada continuamente, a través de un número de pases, con calibres más pequeños en cada pase. Cada pase está formado por un juego de rodillos con su propia carcasa y controles. Un grupo de pasos se conoce como un tren. El control del calibre y de la velocidad a la que se mueve la hoja a través de cada espacio de laminación es crítico. En las operaciones de laminación en tándem se utilizan controles electrónicos y por computadora, junto con una amplia cantidad de controles hidráulicos, particularmente en laminado de precisión.

Rodillos Los requerimientos fundamentales para el material de los rodillos son la resistencia mecánica y la resistencia al desgaste. Los materiales más comunes para los rodillos son la fundición de hierro, el acero fundido y el acero forjado. También se utilizan carburos de tungsteno para rodillos de pequeño diámetro, como por ejemplo los rodillos de trabajo de un laminador en cluster. Los rodillos de acero forjado, aunque de un costo mayor, poseen más resistencia, rigidez y tenacidad que los rodillos de hierro fundido. Los rodillos que se van a usar para la laminación en frío se rectifican hasta un acabado fino; para aplicaciones especiales, los rodillos, además, se pulen.

Lubricantes La laminación en caliente de las aleaciones ferrosas se efectúa por lo general sin lubricantes, aunque se puede usar grafito. Se emplean soluciones de base agua para enfriar los rodillos y para romper la cascarilla sobre el material laminado. Las aleaciones no ferrosas se laminan en caliente utilizando una diversidad de aceites compuestos, emulsiones y ácidos grasos. La laminación en frío se efectúa con lubricantes solubles en agua o lubricantes de baja viscosidad, como aceites minerales, emulsiones, parafina y aceites grasos. El medio de calentamiento usado para el tratamiento térmico de las palanquillas y de las placas también puede servir como lubricante.

6.4.

Operaciones de laminado de forma

Además de la laminación plana, se pueden producir varias formas mediante el laminado de forma. Pasando la materia prima a través de un juego de rodillos

6. Conformación por deformación plástica I

especialmente diseñados, se laminan formas estructurales rectas y largas, como barra sólida, canales, vigas y raíles de ferrocarril.

6.4.1.

Laminado en anillo

En el proceso de laminado en anillo, un anillo grueso se expande a un anillo de gran diámetro con una sección transversal reducida. El anillo se coloca entre dos rodillos, uno de los cuales es impulsado, y su espesor se va reduciendo al ir acercando los rodillos entre sí conforme giran. Dado que el volumen del anillo se conserva constante durante la deformación, la reducción de espesor se compensa con un incremento en el diámetro del anillo. La pieza en bruto en forma de anillo puede producirse cortándola de una placa, perforándola o cortando un tubo de pared gruesa. Mediante el uso de rodillos para anillo se pueden producir varias formas. Las aplicaciones típicas para el laminado en anillo son los grandes anillos para cohetes y turbinas, las coronas de engranajes, las pistas para bolas y rodillos de cojinetes, las bridas y los anillos de refuerzo para tuberías. El proceso de laminado en anillo se puede efectuar a temperatura ambiente o a temperaturas elevadas, dependiendo del tamaño, resistencia y ductilidad del material de la pieza de trabajo. En comparación con otros procesos de manufactura capaces de fabricar la misma pieza, las ventajas de este proceso son un corto tipo de producción, ahorros de material, estrictas tolerancias dimensionales y un flujo favorable del grano en el producto.

6.4.2.

Laminado de roscas

El proceso de laminado de roscas es un proceso de conformado en frío en el cual se forman roscas rectas o cónicas en varillas redondas, al pasar éstas entre dos dados para darles forma. Las roscas se forman sobre la varilla o sobre el alambre en cada carrera de un par de dados planos reciprocantes. Los productos típicos son los tornillos, los pernos y piezas similares roscadas. Dependiendo del diseño del dado, el diámetro principal de una rosca laminada puede o no ser mayor que el de una rosca maquinada, i.e., la misma que el diámetro de la varilla en bruto. El proceso es capaz de generar formas similares, como ranuras y varias formas de engranaje, en otras superficies, y se puede utilizar en la producción de casi todos los sujetadores roscados a elevadas tasas de producción. En otro método, se forman las roscas con dados rotatorios a tasas de producción de hasta 80 piezas por segundo. El proceso de laminado de roscas tiene la ventaja de generar roscas sin ninguna pérdida de material (desperdicio) y con buena resistencia (debido al trabajo en frío). El acabado superficial es muy terso y el proceso induce sobre la superficie de la pieza esfuerzos residuales de compresión, mejorando por tanto la vida bajo condiciones de fatiga. El laminado de roscas es superior a otros métodos de manufactura de roscas, dado que el maquinado de las roscas corta a través de las líneas el flujo del grano

6.5. Producción de tubos y tuberías sin costura

del material, en tanto que el laminado de roscas deja un patrón de flujo fino de grano que mejora la resistencia de la rosca. A diferencia del maquinado, que corta a través de los granos el metal, el laminado de las roscas genera una mejor resistencia, gracias al trabajo en frío y a un flujo favorable del grano. Las roscas se laminan en los metales en condición suave, en vista de los requisitos de ductilidad. Sin embargo, posteriormente se pueden someter a tratamiento térmico y, de ser necesario, a un maquinado o rectificado final. Para metales en condición dura, las roscas se maquinan y/o se rectifican. Las roscas laminadas están disponibles en las formas de rosca estándar de más amplio uso; las roscas poco comunes o las de propósito especial, por lo general, se maquinan. Mediante procesos de laminado en frío similares al laminado de roscas se pueden producir engranajes rectos y helicoidales. En las operaciones de laminado de roscas la lubricación es importante, a fin de obtener buenos acabados e integridad superficial y minimizar defectos. Es importante la forma en que el material cambia de forma durante la deformación plástica, ya que es fácil que se generen defectos internos.

6.5.

Producción de tubos y tuberías sin costura

El perforado rotativo de tubos es un proceso de trabajo en caliente para la manufactura de tubos y tuberías largas, de pared gruesa. Se basa en el principio de que cuando se somete una barra redonda a fuerzas radiales a compresión, se desarrollan esfuerzos a tensión en el centro de la misma. La perforación rotativa de tubos (proceso Mannesmann) se lleva a cabo utilizando un conjunto de rodillos giratorios. Los ejes de los rodillos están en ángulo, a fin de tirar de la barra redonda a través de los rodillos debido al componente axial del movimiento rotatorio. Un mandril o árbol interno ayuda en la operación, expandiendo la perforación y dimensionando el diámetro interno del tubo. El diámetro y el espesor de tubos y tuberías se pueden reducir mediante la laminación de tubos, que usa rodillos de forma. Algunas de estas operaciones pueden hacerse con y sin mandril interno. En la laminación Pilger, el tubo y el mandril interno tienen un movimiento reciprocante; los rodillos poseen una forma especial y giran continuamente. Durante el ciclo de espacio del rodillo, el tubo se adelanta y rota, iniciando otro ciclo de reducción del tubo.

6.6.

Colada y laminado continuos; laminadoras integradas y minialminadoras

Laminadoras o molinos integrados Se trata de grandes instalaciones que involucran las actividades totales desde la producción del metal caliente en un alto horno al vaciado y laminado de productos terminados.

6. Conformación por deformación plástica I

Minilaminadoras La competencia existente en la industria del acero ha conducido al desarrollo de las minilaminadoras o minimolinos, una operación relativamente nueva pero de importancia. En una minilaminadora, se funde el metal de desperdicio o chatarra en hornos de arco eléctrico, se hacen coladas continuas y se laminan directamente en líneas específicas de productos. Cada minilaminadora produce esencialmente un tipo de producto laminado a partir de básicamente un tipo de metal o de aleación. Las minilaminadoras poseen las ventajas económicas de operaciones óptimas de baja inversión para cada tipo de metal y línea de productos, así como bajos costos de mano de obra y de energía. Los productos están, por lo general, orientados a los mercados del área geográfica de la laminadora.

Tema 7

Conformación por deformación plástica II 7.1.

Forja con dado abierto

La forja con dado abierto es el proceso de forja más sencillo. Aunque la mayor parte de las forjas hechas con dado abierto pesan, en general, de 15 a 500 kilogramos, se han forjado piezas de hasta 300 toneladas. Los tamaños pueden variar desde piezas muy pequeñas hasta ejes de unos 23 m de largo, como los de hélices de barcos. Se puede describir el proceso con matriz abierta como una pieza sólida colocada entre dos dados o matrices planas, cuya altura se reduce por compresión. Este proceso también se llama recalcado o forjado con dado plano. Las superficies del dado en la forja con matriz plana pueden tener cavidades sencillas, para producir piezas relativamente sencillas. En condiciones ideales, la pieza se deforma uniformemente. En las operaciones reales, la pieza desarrolla una forma abarrilada; esta deformación también se llama pancaking. El abarrilamiento se debe principalmente a fuerzas de fricción en las interfases entre dado y pieza, que se oponen al flujo de los materiales hacia afuera en esas regiones. Se puede reducir el abarrilamiento al mínimo si se usa un lubricante eficaz. También puede presentarse el abarrilamiento al aplanar piezas calientes entre dados fríos. El material, en y cerca de las interfases, se enfría con rapidez, mientras que el resto de la pieza permanece relativamente caliente. Así, el material, en los extremos de la pieza, tiene más resistencia que en el centro. En consecuencia, la parte central de la pieza se dilata más en dirección lateral que en los extremos. El abarrilamiento debido a efectos térmicos se puede reducir o eliminar con dados calentados; también se usan barreras térmicas, como por ejemplo manta de fibra de vidrio en el contacto entre el dado y la pieza. El desbaste (dowing out) es, principalmente, una operación de forjado en dado abierto en la que se reduce el espesor de una barra en pasos sucesivos de forjado en intervalos específicos.

7.2. Dado impresor y forja con dado cerrado

Fuerza de forjado La fuerza de forjado, F , en una operación de forjado con dado abierto sobre una pieza sólida cilíndrica, se puede calcular con la fórmula: 2µr 2 F = Yf πr 1 + , 3h donde Yf es la resistencia de fluencia del material, µ el coeficiente de fricción y r y h son el radio y la altura de la pieza, respectivamente.

7.2.

Dado impresor y forja con dado cerrado

En la forja con dado impresor o forja con matriz de impresión, la pieza adquiere la forma de las cavidades (impresiones) del dado, al forjarse entre dos matrices perfiladas. Algo del material fluye hacia afuera y forma una rebaba. Ésta posee un papel importante en el flujo del material en el estampado: es delgada, se enfría con rapidez y, por su resistencia a la fricción, somete a grandes presiones al material en la cavidad de la matriz, promoviendo así el llenado de la cavidad. La pieza a forjar se prepara con operaciones como: corte o recorte de una barra extruida o estirada, operaciones de preconformado como metalurgia de polvos, fundido o una pieza bruta preformada en un forjado anterior. En la forja con dado cóncavo el material se aleja de una zona; en la forja con dado convexo, se junta en una zona localizada. A continuación, a la pieza se le da la forma aproximada con un proceso llamado bloqueo, usando dados bloqueadores. La operación final es el acabado de la forja en matrices de estampado, que le dan su forma final. La rebaba se quita, normalmente mediante troquelado. En el proceso verdadero de forja con dado cerrado o sin rebabas, éstas no se forman y la pieza llena por completo la cavidad del dado. Son esenciales el control exacto del volumen de material y un diseño correcto de la matriz, para obtener una forja con matriz cerrada que tenga las dimensiones y tolerancias deseadas. Las piezas brutas pequeñas no llenan por completo la cavidad del dado; al contrario, las demasiado grandes generan presiones excesivas y pueden hacer que los dados fallen prematuramente o se aplasten.

7.2.1.

Forja de precisión

Por razones económicas, la tendencia actual en las operaciones de forjado es hacia mayor precisión, con lo que se reduce la cantidad de las operaciones adicionales de acabado. Las operaciones en las que la pieza que se forma tiene dimensiones cercanas a las finales deseadas se denominan forja a la forma casi neta, o forja a la forma neta. En la forja de precisión, unos dados especiales producen piezas con mayores precisiones que las que se obtienen en la forja con dados de estampado, y requieren mucho menos maquinado. En el proceso se requiere equipo de mayor capacidad, por la necesidad de aplicar mayores fuerzas para obtener los detalles finos de la pieza. Debido a que las fuerzas y temperaturas que se requieren

7. Conformación por deformación plástica II

son relativamente bajas, las aleaciones de aluminio y de magnesio se prestan en especial para el forjado de precisión; además, los dados se gastan menos y el acabado superficial es bueno. También se puede hacer forja de precisión con los aceros y el titanio. Entre los productos característicos producidos mediante forja de precisión están los engranajes, bielas, cajas y álabes de turbina.

7.2.2.

Acuñamiento

El acuñado o acuñamiento es esencialmente un proceso de forja con dado cerrado, que se usa de forma específica para producir monedas, medallones y joyería. El tejo se acuña en una cavidad completamente cerrada del dado. Para producir los detalles finos, las presiones necesarias pueden ser de hasta 5 o 6 veces la resistencia del material. En este caso no se pueden emplear lubricantes, porque pueden quedar atrapados en las cavidades del dado y, al ser incompresibles, evitar la reproducción completa de los detalles superficiales del dado.

7.2.3.

Fuerza de forjado

La fuerza F de forjado que se necesita para una operación de estampado se puede calcular con la fórmula F = kYf A, donde k es un factor multiplicativo, Yf es el esfuerzo de flujo del material a la temperatura de forjado y A es el área proyectada de la forja, incluyendo la rebaba. En operaciones de forja en caliente, la presión real de forjado para la mayor parte de los metales va de 500 a 1000 MPa.

7.3.

Operaciones relacionadas con el forjado

7.3.1.

Cabeceado

El cabeceado, encabezado o cabeceo es esencialmente una operación de recalcado que normalmente se hace en el extremo de una varilla o alambre redondos, para producir una sección transversal mayor. Entre los ejemplos característicos están las cabezas de los tornillos, pernos, remaches, clavos y demás sujetadores. Los procesos de cabeceado se pueden hacer en frío o en caliente, en máquinas que se llaman cabeceadoras, que suelen estar muy automatizadas. Sus producciones con piezas pequeñas son de cientos de ellas por minuto. Es fácil que estas máquinas sean ruidosas; se requieren recintos a prueba de ruido, o el uso de protectores. Se pueden combinar las operaciones de cabeceado con los procesos de extrusión en frío para fabricar diversas piezas. Un aspecto importante del cabeceado es la tendencia que tiene la barra de torcerse si la relación de longitud soportada a diámetro es demasiado alta.

7.3. Operaciones relacionadas con el forjado

Esta relación se suele limitar a menos de tres a uno, pero puede ser mayor, dependiendo de la geometría del dado. Por ejemplo, se pueden lograr mayores relaciones si el diámetro de la cavidad de la matriz no es mayor que 1,5 veces el diámetro de la barra.

7.3.2.

Penetrado

El penetrado es un proceso de indentación (sin atravesar) de la superficie de una pieza con un punzón, para producir una cavidad o impresión. La pieza puede estar confinada en una cavidad del dado o puede no estar restringida. Al penetrado puede seguir la perforación, punzonado o taladrado, para producir un orificio en la pieza. Además, el penetrado se hace para producir regiones huecas en las forjas con equipo auxiliar de acción lateral. La fuerza de penetrado depende del área transversal y de la geometría de la punta del punzón, de la resistencia del material y de la magnitud de la fricción entre las interfases deslizantes. La presión puede ser de tres a cinco veces la resistencia del material, más o menos igual a la que se requiere para hacer una indentación en la determinación de la dureza.

7.3.3.

Otras operaciones

El punzonado de cavidades consiste en oprimir un punzón endurecido, con determinada geometría en la punta, sobre la superficie de un bloque de material. A continuación, la cavidad producida se usa como un dado para operaciones de conformado, como en la fabricación de cuchillería. La cavidad del dado suele ser poco profunda, pero para cavidades mayores se puede quitar algo de material de la superficie, maquinándolo antes de punzonar cavidades. En el laminado forjado o forja laminar, se reduce o se conforma la dimensión transversal de una barra pasándola por un par de rodillos con ranuras conformadas. Con este método se producen ejes cónicos y muelles trapezoidales, cuchillería y herramientas de mano; también se puede usar como operación preliminar de conformado, a la que siguen otros procesos de forja. Un proceso parecido al laminado formado es el laminado inclinado, que se usa normalmente para fabricar cojinetes de bolas. Se alimenta alambre o barra redonda al hueco entre los rodillos y se forman piezas más o menos esféricas, en forma continua, por acción de los rodillos giratorios. Otro método de formar piezas casi esféricas para cojinetes de bolas es cortar tramos de una barra redonda para después batirlos en cabeceadoras de bola entre dos dados con cavidades semiesféricas. Posteriormente, las bolas son esmeriladas y pulidas en una maquinaria especial. El forjado orbital es un proceso en el que el dado superior describe una trayectoria en órbita y forma la pieza en forma incremental. Las piezas que se suelen forjar con este proceso tienen formas de disco y formas cónicas, como por ejemplo los engranajes cónicos. La fuerza de forjado es relativamente pequeña,

7. Conformación por deformación plástica II

porque en cualquier instante el contacto del dado se limita a una zona pequeña de la pieza. La operación es relativamente lenta y las piezas pueden ser formadas con unos diez o veinte ciclos del dado en órbita. La forja incremental es un proceso en el que la pieza se conforma por forjado con una herramienta que da la forma en varios pasos pequeños. Este concepto se parece algo a la operación de desbaste; en ella el dado penetra en la pieza hasta distintas profundidades por la superficie. En consecuencia, en este proceso se requieren fuerzas mucho menores que en el forjado convencional con dado de impresión. Además, las herramientas son más sencillas y menos costosas. En el forjado isotérmico, también llamado forjado con dado caliente, los dados se calientan a la misma temperatura que la de la pieza caliente. Como la pieza permanece caliente, durante la forja se mantienen su baja resistencia y gran ductilidad; la fuerza de forjado es baja y mejora el flujo de material en el interior de la cavidad del dado. Se pueden forjar piezas complicadas, con buena precisión dimensional y casi hasta su forma, con un solo viaje de la prensa hidráulica. Los dados para el forjado en caliente se suelen hacer con aleaciones de níquel o de molibdeno.

7.4.

Forjado rotatorio

En el forjado rotatorio o suaje, llamado simplemente embutido o forjado radial, una varilla sólida o tubo se somete a fuerzas radiales de impacto mediante un conjunto de dados reciprocantes. El movimiento de los dados se obtiene mediante un conjunto de rodillos en una caja, en una acción parecida a la de un rodamiento laminar. La pieza se mantiene estática y los dados giran, golpeando la pieza con frecuencias de hasta veinte golpes por segundo. En las máquinas de forjado con dado cerrado de matriz, los movimientos de los dados se obtienen por el movimiento reciprocante de cuñas. Los dados se pueden abrir más que los de las forjadoras rotatorias y, en consecuencia, pueden manejar piezas de diámetro grande variable. En otra clase de máquinas, los dados no giran, sino que se mueven radialmente hacia el interior o el exterior. Entre los productos que se fabrican con ellas están las hojas de los destornilladores y las puntas de cautín. En la extrusión de tubo, el diámetro interno y/o el espesor de la pared del tubo se pueden controlar con o sin el uso de mandriles internos. Para tubuladoras de pequeño diámetro, se usa alambre de alta resistencia como mandril. Los mandriles también se pueden fabricar con ranuras longitudinales, para poder forjar tubos de formas internas especiales. Por ejemplo, el acanalado de los cañones de las armas se hace forjando un tubo sobre un mandril que tiene ranuras en espiral. El proceso de forjado rotatorio se puede aplicar para ensamblar herrajes sobre cables y alambres; en tales casos se emboquilla directamente el herraje tubular al cable. También se usa este proceso en operaciones como el apuntado —hacer cónica la punta de una pieza cilíndrica— y el dimensionado —terminar

7.5. Diseño del dado de forjado

76 las dimensiones de una pieza—.

El emboquillado o suajeado se limita a piezas que poseen un diámetro de aproximadamente 150 mm; se han emboquillado piezas de hasta 0,5 mm. Las tolerancias van desde ±0,05 a ±0,5 mm. Es adecuado para producciones medianas o altas. Es posible obtener producciones de hasta 50 partes por minuto, según la complejidad de la pieza. Es un proceso versátil y las longitudes sólo están limitadas por la longitud de la barra que sostiene el mandril, en caso de ser éste necesario. Como en otros procesos de trabajo en frío, las piezas producidas por el forjado rotatorio tienen mejores propiedades mecánicas.

7.5.

Diseño del dado de forjado

Para diseñar los dados para forja se requiere conocer la resistencia y la ductilidad del material de la pieza, su sensibilidad a la velocidad de deformación y a la temperatura, sus características de fricción y la forma y la complejidad de la pieza. Un aspecto importante es la distorsión del dado bajo grandes cargas en el forjado, en especial si se requieren tolerancias dimensionales cerradas. La regla más importante en el diseño de dados es que la pieza fluye en la dirección de la menor resistencia. Por consiguiente, se debe conformar la pieza (forma intermedia) de tal modo que llene bien las cavidades del dado.

Preformado En una pieza bien preformada o preconformada, el material no debe fluir con facilidad hacia la rebaba, el patrón de flujo del grano debe ser favorable y se debe minimizar el deslizamiento excesivo en las caras de contacto entre pieza y dado para reducir el desgaste. Se han desarrollado técnicas de diseño asistidas por computadora para llevar a cabo los cálculos necesarios, así como para predecir la pauta de flujo del metal en la cavidad de la matriz y la formación de defectos. Como el material sufre distintos grados de deformación —y a velocidades distintas— en diversas regiones de la cavidad del dado, las propiedades mecánicas dependerán del lugar específico en la forja.

Particularidades en el diseño de dados Para la mayor parte de las forjas o piezas forjadas, la línea de partición suele estar en la sección transversal máxima de la pieza. Para las formas simétricas sencillas, es normalmente una recta que pasa por el centro de la pieza forjada, pero para formas más complejas esa línea puede no estar en un solo plano. Después de restringir de forma suficiente el flujo lateral para asegurar un buen llenado del dado, se deja que el material de rebaba fluya en un canal de rebaba para que, si hay rebaba adicional, no aumente en forma innecesaria la fuerza de forjado. Un lineamiento general para holguras de rebaba entre dados

7. Conformación por deformación plástica II

es el tres por ciento del grosor máximo de la forja. La longitud de la cara suele ser de dos a cinco veces el espesor de la rebaba. A través de los años se han desarrollado diversos diseños de canal de rebaba. Los ángulos de salida son necesarios en casi todos los dados de forjado, para facilitar el desprendimiento entre la pieza y el dado. Al enfriarse, la pieza forjada se contrae en dirección radial y longitudinal a la vez, por lo que los ángulos de salida internos se hacen mayores que los externos. Los ángulos internos son de 7–10◦ , y los externos de 3–5◦ . Es importante seleccionar los radios de tangencia adecuados en las esquinas y los biseles, para asegurar el flujo uniforme del metal hacia la cavidad del dado y mejorar la vida de éste. En general, son indeseables los radios pequeños por su efecto adverso sobre el flujo de metal, y su tendencia a desgastarse con rapidez, como resultado de la concentración de esfuerzos y los ciclos térmicos. Además, los radios pequeños de bisel pueden causar la rotura de los dados por fatiga. Como regla general, estos radios deben ser tan grandes como lo permita el diseño de la pieza forjada. En lugar de hacerse de una sola pieza, los dados se pueden ensamblar con insertos, en particular para formas complejas; con esta alternativa se reduce el costo de fabricación de varios dados semejantes. Los insertos se pueden fabricar con materiales más fuertes y duros, y se pueden cambiar con facilidad en caso de desgaste o falla en una zona determinada. Como en el caso de los modelos empleados en fundición en forja, se prevén tolerancias en el diseño e los dados, porque se puede necesitar el maquinado de la pieza forjada para obtener las dimensiones y el acabado superficial finales. Las tolerancias de maquinado deben preverse en las bridas, orificios y superficies conjuntas.

7.6.

Materiales y lubricación de los dados

Materiales de los dados La mayor parte de las operaciones de forjado, en especial para piezas grandes, se hacen a altas temperaturas. En consecuencia, los requerimientos generales para los materiales del dado son: resistencia y tenacidad a temperaturas elevadas; capacidad de endurecimiento y de endurecerse uniformemente; resistencia al choque térmico y mecánico; y resistencia al desgaste, en especial al desgaste abrasivo, por la presencia de cascarilla en la forja en caliente. La selección de los materiales adecuados para los dados depende de factores tales como su tamaño, la composición y las propiedades de la pieza, la complejidad de la forma, la temperatura de forjado, el tipo de operación de forjado, el costo de los materiales del dado y la cantidad requerida de forjas. Además, un factor importante es la transferencia de calor de la pieza caliente a los dados, con la consiguiente distorsión de éstos. Los materiales comunes en los dados son los aceros de herramienta y para

7.7. Forjabilidad

dados, que contienen cromo, níquel, molibdeno y vanadio. Los dados se fabrican a partir de bloques, que a su vez se forjan a partir de fundición, y después se maquinan y terminan a la forma y acabado superficial deseados. Lubricación Los lubricantes influyen mucho sobre la fricción y el desgaste, y por consiguiente sobre las fuerzas requeridas y el flujo del metal en las cavidades. También pueden actuar como barrera térmica entre la pieza caliente y los dados relativamente fríos, disminuyendo la velocidad de enfriamiento de la pieza y mejorando el flujo del metal. Otro papel importante del lubricante es servir como agente de desprendimiento, i.e., inhibiendo que la pieza forjada se pegue a los dados, y ayudando en el desprendimiento. En el forjado se puede usar una gran variedad de lubricantes. Para una forja en caliente se emplean grafito, bisulfuro de molibdeno y, a veces, vidrio. Para la forja en frío, los lubricantes comunes son aceites minerales y jabones, aplicados después del recubrimiento de conversión de las piezas brutas. En la forja en caliente, se suele aplicar el lubricante directamente a los dos; en la forja en frío, se aplica a la pieza.

7.7.

Forjabilidad

La forjabilidad se define como la capacidad de un material de sobrellevar una deformación sin romperse. Para cuantificarla se han desarrollado varias pruebas, aunque ninguna se acepta de forma universal. Una prueba que se aplica con frecuencia es comprimir un espécimen cilíndrico sólido y observar si hay agrietamiento en las superficies abarriladas; mientras mayor sea la deformación antes del agrietamiento, mayor será la forjabilidad del metal. Se pueden hacer pruebas de compresión a diversas temperaturas y velocidades de deformación. Si la sensibilidad del material a la muesca es grande, los defectos superficiales afectarán a los resultados, al causar agrietamiento prematuro. Un defecto superficial característico es la fisura, que puede ser una hile de inclusiones, una rayadura longitudinal o pliegues introducidos antes de trabajar el material. En la prueba de torsión en caliente, una probeta redonda se tuerce en forma continua y en la misma dirección, hasta que falla. La prueba se hace en varios especímenes o probetas a distintas temperaturas, y se observa la cantidad de vueltas que soportan sin fallar. A continuación, se escoge la temperatura óptima de forjado. Esta prueba tiene utilidad especial para seleccionar aceros. Debido a las diferencias de ductilidad a distintas temperaturas, es más difícil forjar aleaciones bifásicas (como las de titanio) que las de una fase, y requieren una selección y control cuidadosos de la temperatura de forjado. Defectos en los materiales forjados Además del agrietamiento superficial durante el forjado, pueden desarrollarse otros defectos como resultado del flujo del

7. Conformación por deformación plástica II

material en la matriz. Si hay volumen insuficiente del material y no se llena la cavidad del dado, el alma puede torcerse durante el forjado y producir pliegues. Por otra parte, si el alma es gruesa, el exceso de material fluye por las piezas ya formadas de la forja y produce grietas internas. Los diversos radios en la cavidad del dado de forja pueden influenciar significativamente la formación de dichos defectos. Los defectos internos pueden desarrollarse también a partir de la deformación no uniforme del material en la cavidad, por gradientes de temperatura a través de la pieza durante el forjado, y por los cambios microestructurales causados por transformaciones de fase. Aunque podrá no considerarse como imperfección, otro aspecto importante de la calidad en una forja es el patrón de flujo de grano. Hay casos en los que las líneas de flujo llegan perpendicularmente a una superficie, descubriendo los límites de grano directamente al ambiente. Esta condición se llama de granos finales. En servicio estos granos finales pueden ser atacados por el ambiente, producir una superficie rugosa y funcionar como concentradores de esfuerzos.

7.8.

Máquinas de forjado

Se usa una diversidad de máquinas de forjado, con distintas capacidades, velocidades y características de carrera. Estas máquinas se clasifican, en general, en prensas y en martillos o martinetes.

7.8.1.

Prensas

Prensas hidráulicas Estas prensas funcionan a velocidad constante y están limitadas por la carga: la prensa se detiene si la carga requerida es mayor que su capacidad. Se transfiere una gran cantidad de energía a la pieza, mediante una carga constante durante una carrera, cuya velocidad se puede controlar. Como el forjado en prensa hidráulica tarda más que en otros tipos de máquina para forjar, la pieza se puede enfriar con rapidez, a menos que se calienten los dados. En comparación con las prensas mecánicas, las hidráulicas son más lentas e implican mayor costo inicial, pero requieren menos mantenimiento. Una prensa hidráulica consiste, normalmente, en un marco de carga con dos a cuatro columnas, pistones, cilindros, arietes y bombas hidráulicas impulsadas por motores eléctricos. Se puede variar la velocidad del ariete durante la carrera. Las capacidades de prensado llegan hasta 125 MN para forja con dado abierto, y hasta 450 MN en Estados Unidos, 640 MN en Francia y 730 MN en Rusia para forja con dado cerrado.

Prensas mecánicas Estas prensas son, fundamentalmente, de manivela o de excéntrica. Su velocidad varía desde un máximo en el centro de la carrera hasta cero en su término, por lo que están limitadas por la carrera. En una prensa mecánica se genera la energía mediante un gran volante, accionado por un

7.8. Máquinas de forjado

motor eléctrico. Un embrague se acopla al volante con un eje excéntrico, mientras que una biela transforma el movimiento reciprocante en movimiento lineal alternativo. La fuerza disponible en una prensa mecánica depende de la posición en la carrera; es muy alta en el punto muerto inferior. Por eso, es esencial la preparación adecuada, para evitar que se rompan los dados o las piezas del equipo. Las prensas mecánicas tienen grandes capacidades de producción, son fáciles de automatizar y requieren menos habilidad por parte del operador que otros tipos de máquinas forjadoras. Prensas de tornillo Estas prensas obtienen su energía de un volante, por lo que son de energía limitada. La carga de forjado se transmite mediante un tornillo vertical y el ariete se para cuando se disipa la energía del volante. Si no se cierran los dados al final del ciclo, se repite la operación hasta que se termina el forjado. Las prensas de tornillo se usan con distintas operaciones de forjado con dado abierto y con dado cerrado. Se adaptan en particular para pequeñas producciones y para piezas de precisión, como por ejemplo los álabes de turbina.

7.8.2.

Martinetes

Los martinetes obtienen su energía de la energía potencial del ariete, que se convierte en energía cinética; por consiguiente, están limitadas por la energía. A diferencia de las prensas hidráulicas, los martinetes trabajan con grandes velocidades, y el tiempo de conformado minimiza el enfriamiento de la forjadura caliente. Las bajas velocidades de enfriamiento permiten forjar formas complicadas, en especial las que tienen oquedades delgadas y profundas. Para completar el forjado, se suelen dar varios golpes sucesivos en el mismo dado. Los martinetes pueden tener varios diseños; son los más versátiles y menos costosos de entre los equipos de forjado. Martinetes de gravedad En la operación de este martillo, proceso que se conoce como forja por gravedad, la energía se obtiene de la caída libre del ariete. La energía disponible en el martinete es el producto del peso del ariete por su altura de caída. Los pesos de pilón van de 180 a 4500 kilogramos y las capacidades de energía llegan hasta los 120 kJ. Martinete accionado por energía En estas máquinas, la carrera del ariete hacia abajo se acelera con vapor, aire o presión hidráulica, a unos 750 kPa. El peso del ariete va de 225 hasta 22500 kg, y las capacidades de energía son de hasta 1150 kJ. Martinetes de contragolpe Este martinete tiene dos arietes que se acercan entre sí, en forma simultánea, en dirección horizontal o vertical, para forjar la

7. Conformación por deformación plástica II

pieza. Como en las operaciones de forjado con dado abierto, la pieza se puede girar entre golpe y golpe, para conformarla bien durante el forjado. Los martinetes de contragolpe trabajan a grandes velocidades y transmiten menos vibración a sus cimientos. Sus capacidades llegan hasta 1200 kJ. Martinetes de gran potencia En una máquina de gran potencia, el ariete se acelera mediante un gas inerte a alta presión, y la pieza se forja en un golpe a muy alta velocidad. Aunque hay diversos tipos de estas máquinas, existen varios problemas relacionados con su funcionamiento y mantenimiento, y con consideraciones de seguridad y de fractura de dados, que han limitado su uso en plantas actuales de forjado.

7.8.3.

Selección de las máquinas de forjado

En general, se prefieren las prensas para piezas de aluminio, magnesio, berilio, bronce y latón. Se suelen usar martinetes con los aceros, titanio, cobre y aleaciones de metales refractarios. También se puede hacer un forjado en dos o más equipos, i.e., primero en un martinete y después en una prensa hidráulica o mecánica.

7.9.

Práctica del forjado y posibilidades del proceso

Una operación de forjado implica el siguiente orden de pasos: – Se prepara un trozo de metal, palanquilla o preforma por cizalladura (recorte), aserrado o corte, en frío o en caliente. Si es necesario, se limpian las superficies con métodos como el granallado. – Para forjado en caliente, se calienta la pieza en un horno adecuado y, si es necesario, se la descascarilla después de calentarla, con un cepillo de alambre, chorro de agua o vapor, o se la rasca. Durante las etapas iniciales del forjado también se puede efectuar la eliminación de la cascarilla. – Para el forjado en caliente, se precalientan y lubrican los dados; para el forjado en frío, se lubrica la pieza. – Se forja en los dados adecuados y en el orden adecuado. Si es necesario, se quita todo el exceso de material, como la rebaba, por troquelado, maquinado o esmerilado. – Se limpia la pieza forjada, se comprueban sus dimensiones y, si es necesario, se maquina hasta alcanzar sus dimensiones y tolerancias finales. – Se efectúan otras operaciones tales como enderezado y tratamiento térmico, para mejorar las propiedades mecánicas. Se efectúan las operaciones de acabado que se necesiten.

7.10. Métodos de fabricación de dados

– Se inspecciona la pieza forjada para ver si tiene defectos internos o externos. La calidad, tolerancias dimensionales y acabado superficial de la pieza forjada dependen de lo bien que se efectúen y se controlen estas operaciones. En general, las tolerancias están entre ±0,5 y ±1 % de las dimensiones de la forja. En una buena práctica, las tolerancias del forjado en caliente del acero suelen ser menores que ±6 mm, y en el forjado de precisión pueden ser de hasta ±0,25 mm. Existen otros factores que contribuyen a la falta de precisión dimensional, como son los ángulos de salida, los radios, el desgaste y el cerrado del dado y la falta de coincidencia de los dados. El acabado superficial de la forja depende de la eficacia del lubricante, la preparación de la pieza, el acabado superficial y el desgaste del dado. Automatización del forjado Se han automatizado muchas máquinas e instalaciones de forjado, y hoy las operaciones están controladas por computadora. Las piezas brutas y las forjas se manejan con robots y demás equipo de manejo automático; este manejo puede incluir la carga y la descarga de los hornos. Se usan manipuladores mecánicos para mover y ubicar el material en los dados. Se han automatizado la lubricación y otras operaciones como el troquelado, el tratamiento térmico y el transporte del material. Las capacidades de producción han aumentado debido al mejor control de todos los aspectos de las operaciones de forja. La automatización ha dado muy buenos resultados en la producción de piezas de alta calidad, como engranajes, ejes, tuercas, tornillos y pistas de rodamientos. La distribución en una planta de forjado depende de factores como el tamaño de la forja y el equipo que se use. Entre los nuevos desarrollos del forjado están la eliminación de pasos intermedios, por fusión y forjado directo a formas netas o casi netas. Tales mejoras pueden reducir el costo de las forjas en forma apreciable, por el ahorro de mano de obra, equipo y materiales.

7.10.

Métodos de fabricación de dados

Para fabricar los dados se usan varios métodos de manufactura, ya sea aisladamente o en combinación. Entre ellos están la fundición, la forja, el maquinado, el esmerilado y los métodos electroquímico y eléctrico de estampado de dados. El método de punzonado de cavidades, ya sea en frío o en caliente, también se puede usar para fabricar dados pequeños con cavidades superficiales. Normalmente, los dados se tratan térmicamente para darles mayor dureza y resistencia al desgaste. Si es necesario, su contorno y acabado superficial se mejoran con rectificación y pulido, a mano o con la ayuda de robots industriales programables. Los dados de diversos tamaños y formas pueden fundirse en acero, fundición

7. Conformación por deformación plástica II

o aleaciones no ferrosas. Los procesos empleados van desde la fundición en arena —para dados grandes que pesan muchas toneladas— al moldeo en cáscara — para dados pequeños—. En general, se prefieren los aceros fundidos para dados de grandes piezas, por su resistencia y tenacidad y por la facilidad con la que se puede controlar su composición, tamaño de grano y propiedades. Según cómo solidifiquen, los dados fundidos, a diferencia de los hechos de metal forjado o laminado, pueden no poseer propiedades direccionales; pueden presentar las mismas propiedades en todas sus superficies de trabajo; sin embargo, debido a la contracción, puede dificultarse el control de las tolerancias dimensionales en ellas, en comparación con los dados maquinados. Lo más común es que los dados se maquinen a partir de bloques forjados, con procesos como fresado, torneado, rectificado, maquinado eléctrico y electroquímico. En forma característica, un dado para operaciones de trabajo en caliente se maquina fresándolo en máquinas controladas por computadora y que usan distintos programas. Puede ser difícil el maquinado cuando los materiales son de alta resistencia y con resistencia al desgaste, que cuando son duros o están tratados térmicamente. Las operaciones pueden durar mucho tiempo. Por eso se usan mucho procesos no tradicionales de maquinado, en especial para dados pequeños o medianos. Para mejorar la dureza, resistencia al desgaste y resistencia en general, los aceros para dados se tratan térmicamente en la mayor parte de los casos. Un mal tratamiento térmico es una de las causas más comunes de fallos en los dados. El tratamiento térmico los puede distorsionar por acción de cambios microestructurales y por ciclos térmicos no uniformes. La condición y la composición de las superficies del dado tienen especial importancia. Después del tratamiento térmico, los dados se someten a operaciones de acabado tales como rectificado, pulido y procesos químicos y eléctricos, para obtener el acabado y la precisión dimensional requeridos. El proceso de rectificado, si no se controla bien, puede causar daños en la superficie, debidos al calor excesivo, y puede inducir esfuerzos residuales de tensión en la superficie del dado que reducen su vida a la fatiga. Las rayaduras en la superficie de un dado pueden actuar como concentrador de esfuerzos.

7.11.

Fallos en los dados

Los fallos y defectos en los dados en las operaciones de manufactura se deben, en general, a una o más de las causas siguientes: diseño inadecuado; defectos del material; tratamiento térmico y operaciones de acabado inadecuados; sobrecalentamiento y agrietamiento térmico; desgaste excesivo; sobrepeso (carga); mal uso; y manejo inadecuado. A continuación se describen algunos de estos factores. El diseño adecuado de los dados es tan importante como la adecuada selección de sus materiales. Para resistir las fuerzas en los procesos de manufactura, un dado debe tener secciones transversales y holguras adecuadas. Las esquinas

7.12. La economía del forjado

agudas, los radios y los biseles, así como los cambios abruptos en la sección transversal, funcionan como concentradores de esfuerzos y pueden tener efectos negativos sobre la vida del dado. Los dados se pueden hacer en segmentos y pretensarse durante el ensamblado para mejorar su resistencia. El manejo, instalación, ensamblaje y alineamiento adecuado de los dados son esenciales. La sobrecarga de herramientas y dados puede causar fallos prematuros. Por ejemplo, una causa común de fallo de los dados para extrusión en frío es que el operador de un robot no quite una pieza formada con el dado antes de cargarla con otra pieza bruta. A pesar de su dureza y resistencia a la abrasión, materiales para dado tales como los carburos y el diamante son susceptibles al agrietamiento y el rebabeo debido a fuerzas de impacto, o por esfuerzos térmicos causados por gradientes de temperatura en el interior. Hasta los fluidos de trabajo pueden afectar negativamente a los materiales para herramienta y dado. Por ejemplo, los aditivos con azufre y cloro en los lubricantes y enfriadores pueden lixiviar el aglutinante de cobalto en el carburo de tungsteno y disminuir así su resistencia y tenacidad. Aun cuando se fabriquen en forma correcta, los dados se someten a grandes esfuerzos y altas temperaturas durante su empleo, factores éstos que pueden causar desgaste y, en consecuencia, cambios de forma. El desgaste de los dados es importante, porque cuando cambia su forma, las piezas producidas, a su vez, tendrán dimensiones incorrectas. Durante su empleo, los dados también pueden sufrir agrietamiento térmico, debido a ciclos térmicos, en especial en la fundición en dados. Para reducir el agrietamiento térmico y la rotura eventual en operaciones de trabajo en caliente, se suelen precalentar los dados a temperaturas entre 1500 y 2500◦ . Los dados agrietados o desgastados se pueden reparar con técnicas de soldadura y de depósito de metal. Por último, se pueden diseñar y fabricar dados con insertos que se puedan reemplazar cuando se desgasten o se agrieten.

7.12.

La economía del forjado

La relación entre el costo del material y el costo total de forjar la pieza aumenta con el peso del material forjado; mientras más costoso sea el material, la relación de su costo con respecto al costo total será mayor. Como se deben fabricar dados y se deben efectuar las operaciones de forjado independientemente del tamaño de la pieza, el costo de los dados y de la operación de forjado en relación con el costo del material es grande para piezas pequeñas y, a la inversa, los costos de material son relativamente bajos. A medida que aumenta el tamaño de la pieza, también aumenta la fracción de costo de material respecto al costo total, pero con una rapidez menor. Esto se debe, en primer lugar, a que el aumento paulatino en el costo de los dados es relativamente pequeño; en segundo lugar, a que la maquinaria y las operaciones que intervienen son casi iguales e independientes del tamaño de la pieza; y en

7. Conformación por deformación plástica II

tercer lugar, a que la cantidad de mano de obra por pieza no aumenta tanto. El costo total de una operación de forjado no viene influida de forma significativa por el tipo de materiales que se forjan. En general, los costos de mano de obra del forjado son moderados; se han reducido en forma apreciable mediante operaciones automatizadas y controladas por computadora. El diseño y la fabricación de los dados se realizan actualmente mediante técnicas de diseño y manufactura asistidas por computadora, que producen ahorros importantes de tiempo y de esfuerzo.

Tema 8

Conformación por deformación plástica III 8.1.

Introducción

En el proceso de extrusión, una palanquilla o billet (por lo general, redonda) es forzada a pasar por una matriz o dado. Según la ductilidad del material, se puede hacer la extrusión a temperatura ambiente o a temperatura elevada. Como se usa una cámara, cada lingote se extruye en forma individual, por lo que la extrusión es un proceso intermitente o semicontinuo. Con frecuencia se combina la extrusión con operaciones de forjado, en cuyo caso suele llamarse extrusión en frío. Ésta tiene muchas aplicaciones importantes, que incluyen tornillos y componentes para automóviles, bicicletas, motocicletas, maquinaria pesada y equipo de transporte. Entre los productos característicos de la extrusión están los rieles para puertas correderas, tubos de distintos perfiles transversales, perfiles estructurales y arquitectónicos y marcos para puertas y ventanas. Los productos extruidos se pueden cortar en tramos, con lo que se transforman en piezas discretas como soportes, engranajes y perchas. Los materiales que se extruyen con frecuencia son el aluminio, cobre, acero, magnesio y plomo —los tubos de plomo ya se fabricaban mediante extrusión en el siglo xviii—. El estirado es una operación cuyos orígenes se remontan a la Baja Edad Media y en la cual se reduce o se cambia la sección transversal de varillas, alambre o tubos jalándolos a través de una matriz o dado. Las varillas estiradas se usan en ejes, husillos y pistones pequeños, y como materia prima para elementos de sujeción tales como remaches, pernos y tornillos. Además de las varillas redondas también se pueden estirar distintos perfiles. El término estirado también se usa para indicar la fabricación de piezas cóncavas mediante operaciones de conformado de láminas. La diferencia entre los términos varilla y alambre es algo arbitraria; las varillas son iguales que los alambres, pero poseen mayor sección transversal. En

8.2. El proceso de extrusión

la industria se suele definir a un alambre como una varilla que se ha estirado a través de un dado cuanto menos una vez. El estirado de alambres, o trefilado, maneja diámetros menores que el estirado de varillas, y los tamaños bajan hasta 0,01 mm de diámetro para los alambres magnéticos, o menores aún para los fusibles de muy baja corriente.

8.2.

El proceso de extrusión

En el proceso básico de extrusión, llamado extrusión directa o en avance, una palanquilla redonda se coloca en una cámara (recipiente) y es impulsado a través de la abertura de una matriz mediante un pistón hidráulico o ariete de prensa. La abertura del dado puede ser redonda o tener otras formas. Hay otras clases de extrusión, como la indirecta, la hidrostática y la de impacto. En la extrusión indirecta —también llamada en reversa o invertida—, el dado se mueve hacia la palanquilla. En la extrusión hidrostática, la palanquilla posee menor diámetro que la cámara, que se llena con un fluido; la presión se transmite a la palanquilla mediante un ariete. A diferencia de la extrusión directa, no hay que superar ninguna fricción a lo largo de las paredes del muelle. Otro tipo de extrusión es la lateral. Un parámetro que describe la forma del producto extruido es el diámetro del círculo circunscrito (dcc), que se define como el diámetro del círculo más grande que cabe en el perfil extruido. Así, para un perfil cuadrado el dcc es la longitud de su diagonal. La complejidad de la extrusión es función de la relación del perímetro del producto extruido entre su área transversal, y recibe el nombre de factor de forma.

8.2.1.

Fuerza de extrusión

La fuerza que se requiere en la extrusión depende de la resistencia del material de la palanquilla, la relación de extrusión, el cociente entre las superficies de la palanquilla y la cámara, y de variables de proceso como la temperatura de la palanquilla y la velocidad de extrusión. La fuerza de extrusión, F , se calcula con la fórmula: A0 F = A0 k ln , Af donde k es la constante de extrusión y A0 y Af son las áreas transversales de la palanquilla y el producto, respectivamente.

8.2.2.

Flujo del metal en la extrusión

Es importante el patrón de líneas de flujo del metal en la extrusión, al igual que en otros procesos de conformado, por su influencia sobre la calidad

8. Conformación por deformación plástica III

y las propiedades mecánicas del producto final. El material fluye en sentido longitudinal, en forma muy similar a la del flujo de un fluido incompresible por un canal; así, los productos extruidos poseen una estructura de grano alargada (orientación preferencial). Una técnica que es común en la investigación del patrón de líneas de flujo es cortar la palanquilla redonda a la mitad, a lo largo, para marcar una cara con una red de cuadros. Se ponen las dos mitades de la cámara juntas y se extruyen. En las zonas muertas del metal, el metal es esencialmente estacionario. Es similar al remanso del flujo de un fluido en canales con vueltas repentinas.

8.3.

Práctica de la extrusión

Por tener la ductilidad suficiente, el aluminio, cobre, magnesio y sus aleaciones, y los aceros y aceros inoxidables se extruyen con relativa facilidad, para obtener muchas formas. Se pueden extruir otros metales, como titanio y los metales refractarios, pero sólo con dificultades y gran desgaste de los dados. Las relaciones R de extrusión van de 10 a 100, aproximadamente. Pueden llegar a ser mayores (400) en aplicaciones especiales, o menores para los materiales menos dúctiles, aunque por lo general deben ser de 4, como mínimo, para lograr que el material fluya en forma plástica por toda la pieza. Los productos extruidos tienen casi siempre menos de 7,5 m de longitud, por la dificultad de manejar tramos más grandes, que pueden ser hasta de 30 m. Los diámetros de círculo circunscrito para el aluminio van de 6 mm a 1 m; la mayor parte son menores que 0,25 m. Debido a las grandes fuerzas necesarias, el dcc máximo para el acero se limita normalmente a 0,15 m. Las velocidades del ariete de compresión llegan 0,5 m/s. En general, se prefieren velocidades menores para el aluminio, magnesio y cobre, y las velocidades mayores para loas aceros, el titanio y las aleaciones refractarias. La mayor parte de los productos extruidos, en especial los de secciones transversales reducidas, requieren enderezado y torcido. Estas operaciones se logran estirando el producto extruido, por lo general en una enderezadora hidráulica con mordazas. En la extrusión, las tolerancias dimensionales suelen estar en el rango de ±0,25 mm hasta ±2,5 mm, y aumentan al aumentar el área transversal. La presencia de un ángulo en el dado hace que una pequeña pieza del extremo de la palanquilla quede en la cámara después de haber terminado la operación. Esta parte, llamada recorte o extremo final, es eliminada desprendiendo o cortando la extrusión a la salida del dado. También se puede poner otro lingote o un bloque de grafito en la cámara para extruir la pieza que queda de la extrusión anterior. En la extrusión coaxial o de revestimiento, se extruyen conjuntos coaxiales, siempre y cuando la resistencia y la ductilidad de los dos metales sean compatibles. Un ejemplo es el del cobre revestido con plata. Las extrusiones escalonadas

8.4. Extrusión en caliente

se producen extruyendo parcialmente el lingote en un dado y después en una o más matrices o dados mayores. La extrusión lateral se emplea para forrar alambres y recubrir los conductores eléctricos con plástico. Aunque se trata de un proceso intermitente o semicontinuo, puede ser económico con grandes series de producción, al igual que con series pequeñas.

8.4.

Extrusión en caliente

Para los metales y aleaciones que no tienen ductilidad suficiente a temperatura ambiente, la extrusión se hace a temperaturas elevadas para reducir las fuerzas requeridas. Como en todas las demás operaciones de trabajo en caliente, la extrusión en caliente tiene sus requisitos especiales, debidos a las altas temperaturas de operación. Por ejemplo, puede ser excesivo el desgaste del dado, y ser problemático el enfriamiento de la palanquilla caliente en la cámara, lo que causa alta deformación no uniforme. Para reducir el enfriamiento y prolongar la vida del dado, pueden precalentarse los dados de extrusión, como se hace en las operaciones de forja en caliente. Como la palanquilla está caliente se forma sobre ella una capa de óxido, a menos que se caliente en un horno con atmósfera inerte. Esta película puede ser abrasiva y puede afectar el patrón de líneas de flujo del material. También causa un producto extruido que puede no ser aceptable, en los casos en que el buen acabado superficial sea importante. Para evitar la formación de películas de óxido sobre el producto extruido caliente, se hace que el bloque de apoyo que se coloca frente al ariete de compresión tenga un diámetro un poco menor que la cámara. En consecuencia, en la cámara queda una cáscara cilíndrica delgada (costra), formada principalmente por la capa oxidada. Así, el producto extruido queda libre de óxidos.

8.4.1.

Diseño y materiales de las matrices o dados

El tubo se extruye a partir de una palanquilla sólida, o hueco, para alcanzar espesores de pared tan pequeños como 1 mm. Para las palanquillas sólidas, el ariete es ajustado con un mandril que perfora el taco. También se pueden extruir de este modo tacos o lingotes con un orificio previamente perforado. Por la fricción y la severidad de la deformación, son más difíciles de producir las extrusiones de paredes delgadas que las de paredes gruesas. En general, el espesor de la pared se limita a 1 mm en el aluminio, a 3 mm en los aceros al carbono y a 5 mm en los aceros inoxidables. Los perfiles huecos se pueden extruir con métodos de cámara de soldadura y usando dados conocidos como dados tipo araña, dados de tipo ojo de buey y dados tipo puente. Durante la extrusión, el metal se divide y fluye en torno a los soportes del mandril interno, formando bandas. Esas bandas se vuelven a soldar

8. Conformación por deformación plástica III

por las grandes presiones en la cámara de soldadura, antes de salir por el dado. El proceso de cámara de soldadura sólo es adecuado para el aluminio y algunas de sus aleaciones, por su capacidad de formar una soldadura resistente bajo presión. No se pueden usar lubricantes, porque evitan el soldado del metal en el dado.

8.4.2.

Materiales y lubricación de los dados

Los materiales del dado para extrusión en caliente suelen ser aceros para trabajo en caliente. Se pueden recubrir los dados con materiales tales como circonio para prolongar su vida. También se emplean dados de circonio parcialmente estabilizado en la extrusión de tubos y varillas en caliente; sin embargo, no se prestan para hacer dados de extrusión de formas complicadas, por los grandes gradientes de esfuerzos que se desarrollan en ellas. La lubricación es importante en la extrusión en caliente. El vidrio es un lubricante excelente para los aceros, aceros inoxidables, y metales y aleaciones para alta temperatura. En un proceso desarrollado en la década de 1940, denominado proceso Séjournet en honor a J. Séjournet, se coloca una placa circular de vidrio en la entrada del dado, en la cámara. La palanquilla caliente lleva el calor a la placa de vidrio, que actúa como depósito de vidrio fundido y lubrica la interfase del dado a medida que avanza la extrusión. Antes de poner la palanquilla en la cámara, se recubre su superficie cilíndrica con una capa de vidrio en polvo para proporcionar el lubricante en la interfase entre él y la cámara. Para metales con tendencia a pegarse a la cámara y al dado, la palanquilla se puede encerrar en un recipiente de pared delgada hecho de un metal más suave y de menor resistencia, como cobre o acero suave. A este proceso se le denomina enchaquetado o enlatado. Además de formar una interfase con baja fricción, esta chaqueta evita la contaminación del lingote por el ambiente —o, si el material del lingote es tóxico o radiactivo, la chaqueta evita que contamine el ambiente.

8.5.

Extrusión en frío

La extrusión en frío fue desarrollada en la década de 1940, y es un término que con frecuencia indica una combinación de operaciones, como extrusión directa e indirecta y forjado. La extrusión en frío ha logrado gran aceptación en la industria, en especial para herramientas y piezas o partes de automóviles, motocicletas, bicicletas, electrodomésticos y equipo de transporte y agrícola. En este proceso se usan tramos de material que tienen menos de 40 mm de diámetro, se cortan y sus extremos se escuadran por rectificado o batido. Los materiales de gran diámetro se maquinan partiendo de barras, formando tramos específicos. Se han fabricado piezas que pesan hasta 45 kg, con longitudes de

8.6. Extrusión por impacto

hasta 2 m, aunque la mayor parte de las piezas extruidas en frío pesan mucho menos. También se extruyen en frío tramos de metal en polvo (preformas). La extrusión en frío tiene las siguientes ventajas sobre la extrusión en caliente: – Mejores propiedades mecánicas, debido al endurecimiento por el trabajado, siempre que el calor generado por la deformación plástica y la fricción no haga recristalizar el metal extruido. – Buen control de tolerancias dimensionales, reduciendo la necesidad de operaciones posteriores de maquinado o acabado. – Mejor acabado superficial, en parte debido a carencia de una capa de óxido, siempre y cuando la lubricación sea efectiva. – Eliminación de la necesidad de calentar la palanquilla. – Capacidades y costos de producción que son competitivos con los de otros métodos para producir la misma pieza. Algunas máquinas son capaces de producir más de 2000 piezas por hora. Sin embargo, la magnitud de los esfuerzos sobre las herramientas en la extrusión en frío es muy grande, en especial con las piezas de acero; es del orden de la dureza del material de la pieza. La dureza de los punzones suele estar entre 60 y 65 hrc, la de los dados entre 58 y 62 hrc. La lubricación es crítica, en especial para los aceros, por la probabilidad de que se peguen a la herramienta si la lubricación falla. El método más efectivo de lubricación es la aplicación de una capa fosfatada modificada en la pieza, seguida de una capa de jabón o de cera.

8.6.

Extrusión por impacto

La extrusión por impacto se parece a la extrusión indirecta; con frecuencia se incluye en la categoría de la extrusión en frío. El punzón desciende rápidamente sobre la pieza bruta, que se extruye hacia atrás. Debido a la constancia del volumen, el espesor de la sección tubular extruida es función de la holgura entre el punzón y la cavidad del dado. El diámetro de las piezas fabricadas puede llegar a 150 mm. Los procesos de extrusión por impacto pueden producir secciones tubulares de paredes delgadas, que tengan relaciones de espesor-diámetro tan pequeñas como 0,005. En consecuencia, la simetría de la pieza y la concentricidad entre punzón y pieza bruta son importantes.

8. Conformación por deformación plástica III

8.7.

Extrusión hidrostática

En la extrusión hidrostática, la presión necesaria para la extrusión se suministra a través de un fluido incompresible que rodee a la palanquilla. En consecuencia, no hay fricción entre la cámara y la pared. Las presiones suelen ser del orden de 1400 MPa. La alta presión en la cámara transmite algo del fluido a las superficies de la matriz, donde reduce en forma apreciable la presión y las fuerzas. La extrusión hidrostática, desarrollada a principios de la década del cincuenta, fue mejorada extruyendo la pieza a una segunda cámara, a presión más baja que la primera (extrusión de fluido a fluido). Debido al ambiente en compresión, esta operación reduce los defectos del producto extruido. La extrusión hidrostática se suele hacer a temperatura ambiente, en forma característica con aceites vegetales —en especial aceite de ricino, por ser buen lubricante y porque su viscosidad no se ve afectada por la presión en grado apreciable—. Para extrusiones a alta temperatura se usan ceras, polímeros y vidrio como fluidos. Esos materiales también sirven como aislantes térmicos, y ayudan a mantener la temperatura del lingote durante la extrusión. Con este método se pueden extruir bien los materiales frágiles, porque la presión hidrostática hace aumentar la ductilidad del material. Sin embargo, las razones principales de su éxito parecen ser la baja fricción y el uso de pequeños ángulos en el dado, y las altas relaciones de extrusión. A pesar del éxito obtenido, la extrusión hidrostática ha tenido aplicaciones industriales limitadas, por la naturaleza algo compleja de la herramienta, la experiencia necesaria con altas presiones y el diseño de equipo personalizado, así como el largo tiempo en los ciclos requeridos.

8.8.

Defectos de las extrusiones

De acuerdo con la condición del material y las variables del proceso, los productos extruidos pueden desarrollar varios defectos que pueden afectar en forma apreciable su resistencia y su calidad. Algunos defectos son visibles a simple vista; otros sólo se pueden descubrir con técnicas especiales. Hay tres defectos de extrusión principales: agrietamiento de la superficie, tubos y agrietamiento interno. Agrietamiento de la superficie Si la temperatura, la fricción o la velocidad de extrusión es demasiado alta, las temperaturas superficiales suben de forma apreciable, y esta condición puede causar agrietamientos y desgarramiento de la superficie (grietas tipo abeto o agrietamiento a alta velocidad ). Esas grietas son intergranulares y suelen deberse a la fragilidad en caliente. Estos defectos suceden en especial con aleaciones de aluminio, magnesio y cinc, aunque también pueden presentarse en aleaciones para alta temperatura. Lo anterior puede

8.9. Equipo para extrusión

evitarse bajando la temperatura del lingote y la velocidad de extrusión. También puede haber agrietamiento superficial a temperaturas menores, lo que se ha atribuido a adhesión periódica del producto extruido a lo largo de la cara del dado. Cuando el producto que se extruye se pega a la cara del dado, la presión de extrusión aumenta rápidamente. Poco después, el producto avanza de nuevo y se descarga la presión. El ciclo se repite en forma continua y se producen grietas periódicas circulares en la superficie. Por la apariencia de estas grietas, se denominan defecto de bambú.

Tubo El patrón de flujo característico de la extrusión tiende a desplazar óxidos e impurezas superficiales hacia el centro del lingote, casi como un embudo. Este defecto se denomina defecto tubo, y también tubo de escape o cola de pescado. Hasta la tercera parte de la longitud del producto extruido puede contener este defecto, y debe cortarse y desecharse. El tubo se puede reducir al mínimo modificando el patrón de línea de flujo para formar una más uniforme; por ejemplo, controlando la fricción y minimizando los gradientes de temperatura. Otro método es maquinar la superficie de la palanquilla antes de la extrusión, para eliminar la costra y las impurezas superficiales. También se pueden quitar las impurezas superficiales por ataque químico de los óxidos superficiales, antes de la extrusión.

Agrietamiento interno El centro del producto extruido puede desarrollar grietas, que tienen diversos nombres: grieta central, reventón central, fractura en forma de punta de flecha o fractura tipo Chevron. Se atribuyen estas grietas a un estado de esfuerzo de tensión hidrostática en la línea central, en la zona de deformación del dado. La tendencia al agrietamiento central aumenta al incrementarse el ángulo del dado y la concentración de impurezas, y disminuye al aumentar la relación entre la extrusión y la fricción.

8.9.

Equipo para extrusión

El equipo básico para extrusión es una prensa hidráulica horizontal. Esas prensas son adecuadas para la extrusión porque se puede controlar la carrera y la velocidad de la operación. Pueden aplicar una fuerza constante durante una carrera larga, y en consecuencia se puede usar la palanquilla larga para aumentar la capacidad de producción. Se han construido prensas hidráulicas con una fuerza en el ariete de hasta 120 MN, que se emplean para la extrusión de grandes palanquillas en caliente. En general, se usan prensas hidráulicas verticales para la extrusión en frío. Suelen ser de menor capacidad que las que se usan para la extrusión en caliente, pero ocupan menos espacio de piso. Además, también se han usado prensas mecánicas de cigüeñal y de rótula para extrusión en frío y extrusión de impacto, en la producción en masa de pequeños componentes. En prensas de diseño especial

8. Conformación por deformación plástica III

se hacen operaciones en varios pasos, donde el área transversal se va reduciendo en varias operaciones.

8.10.

El proceso de estirado

En el estirado o trefilado, la sección transversal de una barra o alambre redondos se reducen o cambian pasándolos a través de un dado o matriz. Las variables principales en el estirado se parecen a las de la extrusión: reducción de área transversal, ángulo del dado, fricción a lo largo de la interfase dado-pieza y velocidad de estirado. El ángulo del dado influye sobre la fuerza de estirado y la calidad del producto. Se puede demostrar que, para cierta reducción de diámetro y cierta condición de fricción, existe un ángulo óptimo de dado con el cual es mínima la fuerza de estirado. Sin embargo, estos cálculos no quieren decir que se deba hacer el proceso con este ángulo «óptimo», porque hay otras consideraciones que tienen que ver con la calidad del producto. Fuerza de estirado La ecuación para calcular la fuerza de estiramiento bajo condiciones sin fricción se parece a la de la extrusión; es la siguiente: A0 , F = Ym Af ln Af donde Ym es el esfuerzo real promedio del material en el hueco del dado. Como hay que efectuar más trabajo para contrarrestar la fricción, la fuerza aumenta al incrementar la fricción. Al aumentar la reducción aumenta la fuerza de estirado. Sin embargo, debe haber un límite de la magnitud de esa fuerza, porque cuando el esfuerzo de tensión debido a la fuerza de estirado llega al esfuerzo de fluencia del material que se estira, simplemente la pieza cedería y, al final, se rompería. Se puede demostrar que, en el caso ideal, la reducción máxima en área transversal por paso es del 63 %. Estirado de otras formas Se pueden producir diversos perfiles sólidos estirando a través de dados con distintos perfiles. La sección transversal inicial suele ser redonda o cuadrada. El espesor de la pared, el diámetro o la forma de los tubos que se producen por extrusión o con otros métodos se pueden reducir más mediante los procesos de estirado de tubos. Con estas técnicas se pueden estirar tubos hasta de 0,3 m de diámetro. Para estas operaciones hay disponibles mandriles de distintos perfiles. Para estirar bandas planas o cintas se usan matrices en forma de cuña. Este proceso no tiene mucha importancia industrial, aunque es el proceso fundamental en el planchado (ironing), que se usa ampliamente para fabricar latas de aluminio para bebidas.

8.11. Práctica del estirado

8.11.

Práctica del estirado

Como en todos los procesos de trabajo de metales, las buenas operaciones de estirado requieren una selección cuidadosa de los parámetros del proceso, y tener en cuenta muchos factores. Las velocidades de estirado dependen del material y de la reducción del área transversal; pueden ir desde 1 a 2,5 m/s para secciones pesadas, y hasta 50 m/s para alambre muy delgado, como el que se usa en los electroimanes. Puesto que el producto no tiene tiempo suficiente para disipar el calor que se genera, las temperaturas pueden subir bastante y las altas velocidades de estirado pueden tener efectos perjudiciales sobre la calidad del producto. Las reducciones en área transversal por paso van desde cerca de cero hasta un 45 por ciento; por lo general, mientras menor sea la sección transversal inicial, la reducción por paso será menor. Los alambres finos se suelen estirar con 15 a 22 % de reducción por paso, y los de calibres mayores, con 20 a 45 %. Si las reducciones son mayores del 45 %, pueden causar la rotura del lubricante y el deterioro consecuente del acabado superficial. El estirado de secciones sólidas o huecas grandes se puede hacer a temperaturas elevadas. Una reducción pequeña, llamada pase de dimensionamiento se puede hacer en barras para mejorar el acabado superficial y la precisión dimensional. Sin embargo, como deforman sólo las capas superficiales, las reducciones pequeñas producen deformaciones con poca uniformidad en el material y su microestructura. En consecuencia, las propiedades del material varían en toda la sección transversal. Debido al endurecimiento por el trabajo, podría necesitarse recocido intermedio entre los pases, para mantener la ductilidad suficiente durante el estirado en frío. Los alambres de cobre y latón estirados se especifican por su temple, como por ejemplo 41 duro, 12 duro, etcétera. Los alambres de acero al alto carbono para resortes e instrumentos musicales se fabrican mediante tratamiento térmico (patentado) del alambre estirado; la microestructura que así se obtiene es perlita fina. Estos alambres tienen resistencias últimas a la tensión de hasta 5 GPa, y la reducción de su área por tensión es de un 20 %.

Estirado múltiple Aunque se puede producir alambre muy delgado con el estirado, el costo puede ser grande. Un método para aumentar la productividad es estirar muchos alambres (hasta varios cientos) al mismo tiempo, como un manojo. Los alambres se separan entre sí mediante un material metálico adecuado con propiedades parecidas, pero menor resistencia química, para poder disolverlo y eliminarlo de las superficies del alambre ya estirado. El proceso múltiple produce alambres de sección transversal poligonal en lugar de redondas. Además de los tramos continuos, se han desarrollado técnicas para producir alambres finos que se separan en distintos tamaños y formas. Los alambres producidos pueden tener diámetros de sólo 4 mm; pueden fabricarse con materiales tales como aceros inoxidables, titanio y aleaciones para alta

8. Conformación por deformación plástica III

temperatura. Entre sus aplicaciones están los plásticos electroconductores, textiles resistentes al calor y electroconductores, medios filtrantes, camuflaje contra radar e implantes médicos.

8.11.1.

Diseño de dados

Veamos algunas de las propiedades características de un dado para estirar. Los ángulos van de 6 a 15◦ . En un dado normal existen, sin embargo, dos ángulos: el de entrada y el de aproximación. El diseño básico de este tipo de dado se desarrolló tras años de tanteos. El objeto de la superficie de carga es ajustar el diámetro definitivo del producto (dimensionamiento). También, cuando se rectifica un dado gastado, la cara mantiene la dimensión de salida de la abertura del dado. Se requiere un conjunto de dados para el estirado del perfil, para distintas etapas de deformación. Los dados pueden ser de una pieza o, según la complejidad de la sección transversal del perfil, tener varios segmentos unidos en un anillo. Se están implementando técnicas de diseño asistido por computadora para diseñar los dados para que el flujo de material por un dado sea uniforme, y para minimizar los defectos. Asimismo, pera estirar varillas o barras de distintas formas, se usa un conjunto de rodillos «locos», cilindros sin carga o conformados. Este arreglo (llamado cabeza de turco) es más versátil que las matrices ordinarias de estirado, porque los rodillos se pueden ajustar en distintas posiciones y ángulos.

8.11.2.

Materiales para dados

Los materiales para las matrices o dados para estirado suelen ser aceros para herramienta y carburos; los dados de diamante se usan para la fabricación de alambre delgado. Para tener mejor resistencia al desgaste, las matrices de acero se pueden cromar y las de carburo se pueden recubrir con nitruro de titanio. Los mandriles para estirar tubo son, en general, de aceros grado herramienta endurecidos o de carburos. Las matrices o dados de diamante se usan para estirar alambre fino, con diámetros de 2 µm a 1,5 mm. Pueden ser de diamante monocristalino o de forma policristalina, donde las partículas de diamante estén en una matriz metálica (compactos). Por su costo y falta de resistencia a la tensión y tenacidad, los dados de carburo y de diamante se usan en forma de insertos o pastillas, sostenidas en una pieza de acero fundido. Para el estirado en caliente se usan dados de acero fundido por su alta resistencia al desgaste a temperaturas elevadas.

8.11.3.

Lubricación

Es esencial la lubricación adecuada en el estirado para mejorar la vida del dado, reducir las fuerzas y la temperatura en el proceso y mejorar el acabado

8.12. Defectos y esfuerzos residuales

superficial. En el estiramiento de tubos, la lubricación es especialmente crítica, por la dificultad de mantener una capa de lubricante del grosor apropiado en el contacto entre mandril y tubo. Las clases básicas de lubricación son las siguientes: – Estirado en húmedo. Los dados y la varilla se sumergen por completo en el lubricante, que normalmente está formado por aceites y emulsiones con aditivos grasos o clorados, y diversos compuestos químicos. – Estirado en seco. La superficie de la varilla por estirar se recubre con un lubricante —como, por ejemplo, jabón—, haciéndola pasar por una caja llena de éste —caja de aditivo—. – Recubrimiento. La varilla o el alambre se cubre con un metal suave que funciona como lubricante sólido. Por ejemplo, el cobre o el estaño se pueden depositar químicamente sobre la superficie del metal para servir a este propósito. – Vibración ultrasónica de dados y mandriles. Esta técnica se ha empleado con éxito para reducir la fricción al estirar secciones sólidas o huecas, así como en otros procesos de trabajo con metales.

8.12.

Defectos y esfuerzos residuales

Los defectos normales en las varillas y alambres estirados son parecidos a los que se observan en la extrusión, en especial el agrietamiento del centro. Otra clase de defectos en el estirado es el traslapes o seams, que son rayaduras o pliegues longitudinales del material. Las costuras pueden abrirse durante las operaciones siguientes de conformado, como por ejemplo el recalcado, cabeceado, laminado de cuerdas o doblado de la varilla o el alambre, y pueden causar graves problemas de control de calidad en la producción. Existen otros defectos superficiales, como rayas y marcas de dado, que pueden resultar de la selección inapropiada de los parámetros del proceso de estirado, mala lubricación o mal estado de las matrices. Como los productos estirados en frío sufren deformación no uniforme durante el estirado, suelen tener esfuerzos residuales. En las reducciones pequeñas, de algunos puntos porcentuales, los esfuerzos superficiales longitudinales residuales son de compresión, mientras que el centro está en tensión; de este modo se mejora la vida de fatiga. Al revés, las reducciones mayores inducen esfuerzos superficiales de tensión, mientras que el núcleo está en compresión. Los esfuerzos residuales pueden ser de importancia en el origen del agrietamiento de la pieza, con el paso del tiempo, debido al agrietamiento por corrosión bajo tensión. Es más, causan que el componente se tuerza si se quita después una capa de material, como en el ranurado, maquinado o rectificado. Las varillas y los tubos que no son suficientemente rectos —o que se suministran en rollo— se pueden enderezar pasándolos por una serie de rodillos instalados con distintos ejes. Los rodillos someten al producto a una serie de

8. Conformación por deformación plástica III

operaciones de doblado y desdoblado, un proceso similar a la nivelación con rodillos.

8.13.

Equipo de estirado

Aunque tiene diversos diseños, el equipo de estirado presenta dos tipologías básicas: banco de estirado e hilera (conjunto a cuatro cabrestantes). Un banco de estirado contiene un solo dado y su diseño se parece a una máquina larga, horizontal, de pruebas de tensión. La fuerza de tracción se obtiene de una cadena o se activa hidráulicamente. Los bancos de estirado se usan para estirar tramos de varillas y tubos rectos con diámetros mayores de 20 mm. Los tramos pueden ser de hasta 30 m. Las capacidades de las máquinas llegan hasta 1,3 MN de fuerza de tracción, con un intervalo de velocidades de 6 a 60 m/min. Las varillas y alambres muy largos (de muchos kilómetros) y los alambres de menores secciones transversales (menores de 13 mm) se estiran con un tambor o cabrestante rotatorio. La tensión en este conjunto suministra la fuerza necesaria para estirar el alambre, por lo general a través de varios dados.

Tema 9

Procesos de conformado de chapa 9.1.

Introducción

El conformado de lámina data de cinco milenios antes de nuestra era, cuando se fabricaban utensilios domésticos y joyería por repujado y estampado de oro, plata y cobre. En comparación con los productos fabricados por fundición y forja, las piezas de metal laminado tienen la ventaja del poco peso y la forma versátil. Por su bajo coste y sus buenas características generales de resistencia y facilidad de conformado, el acero al bajo carbono es el metal en forma lámina que más se usa. Para aplicaciones en aviones y naves espaciales, los materiales laminados normales son el aluminio y el titanio.

9.2.

Cizalladura

Antes de fabricar una pieza de lámina metálica, se saca una pieza bruta de dimensiones adecuadas a partir de una lámina grande —por lo general un rollo— mediante la cizalladura, el corte o el repujado; esto es, la hoja se corta sometiéndola a esfuerzos cortantes, en forma característica los que se desarrollan entre un dado o matriz. Los bordes no quedan lisos, ni son, por lo general, perpendiculares al plano de la lámina. Normalmente, el corte comienza con la formación de grietas en los bordes superior e inferior de la pieza. Estas grietas eventualmente se encuentran entre sí, al final, y se produce la separación. Las superficies de fractura burdas se deben a esas grietas; las superficies bruñidas (endurecidas), lisas y brillantes, en el orificio y en el trozo de material se deben al contacto y frotamiento del borde cizallado contra las paredes del punzón y el dado. Los parámetros principales de procesamiento en el corte son la forma y los

9.2. Cizalladura

102

materiales del punzón y el dado, la velocidad del punzonado, la lubricación y la holgura entre el punzón y el dado. La holgura es uno de los factores principales en la determinación de la forma y la calidad del borde cortado. Al aumentar la holgura, el borde cortado se vuelve más burdo y se agranda la zona de deformación. La lámina tiende a ser jalada hacia la zona de holgura y los bordes de la zona de corte se hacen más burdos. A menos que tales bordes se puedan aceptar tal como se producen, se requerirán operaciones secundarias para alisarlas. La relación de las zonas bruñidas a burdas en el borde cizallado aumenta al incrementarse la ductilidad del material laminado, y disminuye cuando aumenta el espesor de la lámina y la holgura. El ancho de la zona de deformación depende de la velocidad del punzón. Con el aumento de la velocidad, el calor generado por la deformación plástica se confina en áreas cada vez más pequeñas; en consecuencia, la zona cizallada es más angosta y la superficie más lisa, y muestra menos formación de rebabas. La altura de las rebabas se incrementa al aumentar la holgura y la ductilidad de la lámina metálica. Los bordes desafilados de la herramienta contribuyen en gran medida a la formación de rebabas. Se ha visto que la calidad de los bordes mejora al aumentar la velocidad del punzón; esas velocidades pueden llegar a ser de 10 a 12 m/s. Los bordes cizallados pueden sobrellevar diversas operaciones de trabajo en frío, a causa de las grandes deformaciones por corte a las que se someten. El endurecimiento por trabajo en frío que resulta puede afectar de forma adversa a la conformabilidad de la lámina durante las operaciones subsiguientes.

9.2.1.

Fuerza del punzón

La fuerza que se requiere para punzonar es, básicamente, el producto por la resistencia al corte de la lámina metálica por el área que está siendo cortada. Sin embargo, la fricción entre el punzón y la pieza puede aumentar en gran medida dicha fuerza. La fuerza máxima del punzón, F , se puede estimar con la ecuación: F = 0,7 · T L · UTS, donde T es el espesor de la lámina, L la longitud total que se corta —el perímetro del orificio— y UTS (Ultimate Tensil Strength) es la resistencia última del material. A medida que aumenta la holgura disminuye la fuerza del punzón y también se reduce el desgaste de dados y punzones. Además de la fuerza del punzón, también se requiere una fuerza para separar al punzón de la lámina durante su golpe de retorno.

9.2.2.

Operaciones de cizalladura

Existen varias operaciones que se basan en el proceso de cizalladura. Antes de describirlas, deben definirse dos términos: en el punzonado se descarta el material cortado, mientras que, en la obtención de la forma bruta (blanking),

9. Procesos de conformado de chapa

103

la pieza interior es la importante y el resto es merma o desecho. Muchas de las operaciones que se describen en el resto del capítulo pueden efectuarse hoy día en máquinas de control numérico computerizado, con portaherramientas de cambio rápido. Esas máquinas tienen especial utilidad en la fabricación de prototipos de piezas de lámina metálica que requieren varias operaciones.

Troquelado El troquelado consiste en un corte por medio de un dado o matriz. Se trata de un proceso de cizalladura que consta de las siguientes operaciones: perforado o punzonado de varios orificios en una lámina; partido o corte de la lámina en dos o más piezas; muescado o remoción de piezas (o de diversas formas) de los bordes, y lanceteado, que consiste en dejar una «oreja» sin quitar material alguno. Las partes producidas con estos procesos tienen varios usos, en especial para ensamblarse con otros componentes. Las láminas perforadas, con orificios de 1 a 75 mm, se emplean como filtros, cribas, en ventilación, como defensas de maquinaria, en amortiguamiento de ruido y para reducir peso. Se punzonan en prensas de manivela, con velocidades de hasta 300000 orificios por minuto, con dados y equipo especiales.

Troquelado fino El proceso de troquelado fino, desarrollado en la década de los sesenta, implica holguras del orden del uno por ciento del espesor de la lámina, que pueden ir de 0,5 a 13 mm. Las tolerancias dimensionales son del orden de ±13 mm en la mayor parte de los casos, y menores que 0,025 mm para el caso de la perpendicularidad de la orilla. La operación de troquelado fino se suele hacer en prensas hidráulicas de triple acción, donde se controlan por separado los movimientos del punzón, el cojín de presión y el dado. El proceso suele emplear una máquina con orificios que se punzonan al mismo tiempo, con su troquelado. La dureza adecuada para las láminas es, de forma característica, de 50 a 90 HRB.

Ranurado Se pueden hacer operaciones de corte mediante un par de hojas circulares. Las hojas siguen una línea recta o una trayectoria circular o curvada. En el caso normal, el borde de una ranura tiene una rebaba que se puede doblar plásticamente sobre la superficie de la lámina, por medio de un proceso de laminado de la hoja entre dos rodillos. Existen dos clases de equipo para ranurar. En los impulsados, las hojas se mueven mediante un sistema motriz. En los de jalar, la lámina se jala pasando por dos hojas sin carga. Las operaciones de ranurado, si no se hacen bien, pueden causar diversas distorsiones en las orillas o bordes cizallados.

Reglas de acero Los metales suaves, así como el papel, el cuero y el hule, se pueden troquelar con dados o matrices de regla de acero. Consisten en una cinta delgada de acero endurecido, doblada en la forma que se va a producir y se sujeta en su orilla sobre una base plana de madera. La matriz o dado se

9.2. Cizalladura

104

comprime contra la lámina, que descansa en una superficie plana y corta la lámina a lo largo de la forma de la regla de acero.

Perforado o niblado En el perforado o niblado, una máquina llamada nibladora mueve hacia arriba y hacia abajo un punzón recto y pequeño, sacándolo y metiéndolo en un dado. En el espacio intermedio se alimenta una lámina y se hacen muchos orificios traslapados, como si se hiciese una ranura en el papel con una perforadora circular. Al usar control manual se pueden cortar láminas a lo largo de cualquier trayectoria deseada. Una ventaja del niblado, además de su flexibilidad, es que se pueden producir ranuras y muestras de forma intrincada con punzones normales. El proceso es económico para series pequeñas de producción porque no se requieren dados especiales.

Desechos de corte La cantidad de desechos (la pérdida por recortes) producida en las operaciones de cizalladura puede ser apreciable; puede llegar hasta el treinta por ciento para estampados grandes. Un factor importante en el costo de manufactura son los recortes, que se pueden reducir en forma sustancial con un arreglo adecuado de los contornos en la lámina que se va a cortar (anidado). Se han desarrollado técnicas de diseño asistidas por computadora para reducir al mínimo los desechos de las operaciones de corte.

Láminas brutas soldadas a medida Consisten en dos o más piezas de lámina plana, soldadas entre sí a tope. Están adquiriendo cada vez mayor importancia, en especial en la industria de automóviles. Cada subpieza puede tener distinto espesor, materiales, recubrimiento o cualquier otra propiedad. El resultado es mayor productividad, reducción del peso de los recortes, eliminación de la necesidad de puntos de soldadura posteriores en la fabricación de la carrocería y mejor control dimensional.

9.2.3.

Matrices o dados de corte

Holguras Debido a que la deformabilidad de una pieza cizallada puede verse influida por la calidad de sus bordes cortados, es importante controlar la holgura adecuada es función del tipo de material, su temple y su espesor, así como del tamaño de la lámina en bruto y de su proximidad a los bordes de esa lámina original. Como criterio general, las holguras para materiales suaves son menores que para materiales duros. Además, mientras más gruesa es la lámina, mayor debe ser la holgura. Los orificios pequeños, en comparación con el material de la lámina, requieren mayores holguras que los orificios mayores. Las holguras están, en general, entre el dos y el ocho por ciento del espesor de la lámina, pero pueden llegar a tener valores de entre el uno y el treinta por ciento. Cuando se emplean holguras elevadas, debe prestarse atención a la rigidez y al alineamiento de las prensas, y a los dados y su preparación. Cuanto menor es la holgura, la calidad de la orilla es mejor. En un proceso llamado rasurado,

9. Procesos de conformado de chapa

105

el material adicional procedente de un borde cortado en bruto se elimina por recorte. Formas de punzón y dado Las superficies del punzón y el dado son planas. En consecuencia, la fuerza del punzón se acumula con rapidez durante el corte, porque todo el espesor se corta al mismo tiempo. El lugar de las regiones que son cizalladas en cualquier momento se puede controlar realizando un chaflán o bisel a las superficies del punzón y el dado. El chaflán se adapta en especial al corte de láminas gruesas, porque reduce la fuerza al principio de la carrera; también reduce el nivel de ruido de la operación. Dados y matrices compuestas Se pueden hacer varias operaciones en la misma lámina, en un solo golpe y en una estación, con una matriz o dado compuesto. Esas operaciones combinadas se suelen limitar a formas relativamente sencillas, porque son algo lentas y porque las matrices, a medida que aumenta su complejidad, se vuelven rápidamente mucho más costosas que las que se emplean en operaciones individuales de corte. Dados progresivos Las piezas que requieren de operaciones múltiples, tales como el punzonado, el estampado y el formado de muesca, pueden ser realizadas a velocidades de producción altas en dados progresivos. La lámina metálica es alimentada por medio de un carrete con cinta, y una operación diferente se desempeña en la misma estación con cada golpe de una serie de punzones. Matrices o dados de transferencia En un arreglo de matriz de transferencia, la lámina metálica pasa por distintas operaciones en distintas estaciones, dispuestas en una línea recta o en una trayectoria circular. Después de cada paso, la pieza pasa a la siguiente estación para efectuarle las siguientes operaciones. Materiales para herramientas y dados Los materiales para herramientas y dados para corte suelen ser aceros grado herramienta y, para altas tasas de producción, carburos. Es importante la lubricación para reducir el desgaste de herramientas y dados, así como para mejorar la calidad de los bordes.

9.2.4.

Otros métodos de corte de lámina metálica

Hay otros muchos métodos para cortar láminas y, en especial, placas: – La lámina o placa se puede cortar con una sierra de cinta; este método es un proceso de remoción de viruta. – Corte con llama. Es otro método especial para placas gruesas de acero; se usa mucho en la construcción de barcos y en componentes estructurales pesados.

9.3. Características del metal laminado

106

– Corte con rayo láser. Ha llegado a ser un proceso importante. Es usado con equipo controlado por computadora, para cortar en forma consistente una diversidad de formas, y con varios espesores. Este proceso se puede combinar con el punzonado y la cizalladura; los dos procesos cubren intervalos distintos y complementarios. Se han diseñado máquinas combinadas, capaces de realizar ambos procesos. – Aserrado por fricción. Se realiza mediante un disco y hoja que se frota contra la lámina o placa, a grandes velocidades. – Corte con chorro de agua a presión. Se trata de un proceso de corte eficaz tanto para materiales metálicos como no metálicos.

9.3.

Características del metal laminado

9.3.1.

Elongación

Una probeta sometida a tensión sufre primero una elongación uniforme; sólo cuando la carga sobrepasa la resistencia última a la tensión, la probeta forma una estricción. Como en el formado de láminas se suele estirar el material, es preferible tener una elongación uniforme alta, para tener una mayor capacidad de conformado. La deformación real a la cual comienza la formación del cuello es numéricamente igual al exponente de endurecimiento por deformación. La formación del cuello (estrangulamiento) puede ser localizada o difusa, dependiendo de la sensibilidad a la velocidad de deformación del material. Valores altos de esta magnitud indican que la formación del cuello se hace más difusa; este efecto es deseable en las operaciones de conformado de láminas. Además de la elongación uniforme y la formación del cuello, también importa la elongación total de la probeta, porque es un factor importante en la capacidad de conformado de láminas metálicas. La elongación total del material se incrementa al aumentar los valores del exponente de endurecimiento y de la sensibilidad a la velocidad de deformación.

9.3.2.

Elongación del punto de fluencia

Los aceros de bajo carbono muestran un comportamiento llamado elongación del punto de fluencia, donde se tienen puntos de fluencia superior e inferior. Este comportamiento consiste en que, después de que el material cede, la lámina se estira más en ciertas regiones, sin aumento alguno en el punto de fluencia inferior, mientras que otras regiones de la lámina aún no han cedido. También muestran este comportamiento las aleaciones de aluminio y magnesio. Este comportamiento produce las bandas de Lüder o marcas de deformación por extensión; son depresiones alargadas en la superficie de la hoja, que pueden ser objetables en el producto final, porque la rugosidad en la superficie afea la

9. Procesos de conformado de chapa

107

apariencia y causa problemas en las operaciones subsiguientes de recubrimiento y pintura. El método normal para eliminar estas marcas es reducir o eliminar la elongación del punto de fluencia, reduciendo el espesor de la lámina de 0,5 a 1,5 por ciento al ser laminada en frío (laminación de temple o superficial ). Sin embargo, debido al envejecimiento por deformación, la elongación del punto de fluencia aparece nuevamente después de algunos días de exposición a temperatura ambiente, o de varias horas a temperaturas superiores. Para evitar este fenómeno, que es indeseable, se debe formar el material dentro de cierto límite de tiempo que depende del tipo de acero.

9.3.3.

Anisotropía

Un factor importante que influye sobre el formado de láminas metálicas es la anisotropía (direccionalidad) de la lámina. Recuérdese que la anisotropía es adquirida durante el procesamiento termomecánico de la lámina, y que existen dos tipos de anisotropía: la cristalográfica —orientación preferencial de los granos— y la fibrilación mecánica —alineamiento de impurezas, inclusiones y huecos dentro del espesor de la lámina—.

9.3.4.

Tamaño de grano

El tamaño de grano del metal laminado es importante por dos razones. Primero, porque afecta a las propiedades mecánicas e influye sobre el aspecto superficial de la pieza formada (cáscara de naranja). Mientras más basto sea el grano, el aspecto de la superficie será más burdo. Segundo, porque se prefiere un tamaño de grano ASTM 7 o más pequeño para las operaciones de conformado de metal laminado, en general.

9.4.

Métodos de prueba para el conformado de hojas o láminas metálicas

La facilidad para el conformado, o conformabilidad, de las láminas metálicas es de gran interés técnico y económico. La conformabilidad suele definirse como la capacidad del metal laminado para sufrir el cambio deseado de forma sin tener fallos como la constricción —formación del cuello de botella— ni el desgarramiento. Las hojas metálicas pueden (según la geometría de la pieza) sufrir dos modos básicos de deformación: el estirado y el embutido.

9.4.1.

Pruebas de copa (acopamiento o ahuecamiento)

Como la conformación con láminas es básicamente un proceso de extensión del material, las primeras pruebas que se desarrollaron para evaluar la facilidad

108 9.4. Métodos de prueba para el conformado de hojas o láminas metálicas del conformado fueron las de copa. El espécimen de metal laminado se aprisiona entre dos dados circulares planos y se comprime hidráulicamente en él una bola de acero o un punzón redondo hasta que comienza a aparecer una grieta en el espécimen estirado. Mientras mayor sea el valor de la profundidad de punzonado, d, la facilidad de conformado de la lámina es mayor. Aunque estas pruebas son fáciles de realizar, y sí son indicadores aproximados de la facilidad del conformado, no simulan las condiciones exactas de las operaciones reales de conformado de láminas.

9.4.2.

Diagramas de límite de conformado

Un desarrollo importante en las pruebas de facilidad para el conformado de las láminas metálicas es el diagrama de límite de formado. La lámina se marca con una red de círculos, habitualmente entre 2,5 y 5 mm de diámetro, mediante técnicas electroquímicas o de fotograbado. A continuación se estira la pieza bruta sobre un punzón, y se observa y se mide la deformación de los círculos, en regiones donde se haya presentado el fallo. Para tener una mayor precisión en la medición, los círculos se hacen lo más pequeños posible. Para provocar el estiramiento desigual, como en las operaciones reales de conformado de láminas, los especímenes se cortan con anchos variables. Un espécimen cuadrado produce extensión biaxial igual, mientras que un espécimen estrecho tiende a un estado de extensión uniaxial o tensión simple. Después de hacer una serie de pruebas en determinada hoja metálica, con distintos anchos, se traza un diagrama de límite de formado, mostrando los límites entre las regiones de fallo y segura. Para hacer el diagrama de límite de conformado, se miden las deformaciones mayor y menor determinadas con la deformación en los círculos originales. El círculo original se deforma pasando a ser una elipse. El eje mayor de la elipse representa la dirección principal y siempre es positiva, porque la lámina metálica se estira. El eje menor de la elipse representa la magnitud de la extensión o el encogimiento en dirección transversal de la lámina metálica. La deformación menor puede ser positiva o negativa. Si, por ejemplo, se pone un círculo en el centro de un espécimen de prueba de tensión y a continuación se estira, el espécimen se hace más estrecho a medida que se estira, y la deformación menor es negativa. El comparar las áreas superficiales del círculo original y el deformado, en la lámina ya conformada podemos determinar también si ha cambiado el espesor de la lámina. Como el volumen permanece constante en la deformación plástica, se sabe que si el área del círculo deformado es mayor que la del círculo original, la lámina se ha adelgazado. Es importante hacer notar que una deformación menor de compresión de, digamos, el veinte por ciento, se asocia con una deformación mayor que la que corresponde a una menor deformación en tensión (positiva) de la misma magnitud. En otras palabras, es deseable que la menor deformación sea negativa

9. Procesos de conformado de chapa

109

(contracción en la dirección menor). En el conformado de piezas complicadas de metal laminado se pueden diseñar herramientas especiales para aprovechar las ventajas del efecto benéfico que poseen las deformaciones menores negativas sobre la facilidad del conformado. La fricción y la lubricación en la interfase entre el punzón y la lámina son factores importantes en los resultados de la prueba. Con interfases bien lubricadas, las deformaciones se distribuyen de modo más uniforme sobre el punzón. Además, las rayaduras superficiales, hendiduras profundas e imperfecciones pueden reducir la facilidad de conformado, causando con ello el desgarramiento y el fallo prematuros.

9.5.

Doblado de láminas y placas

En el doblado, las fibras extremas del material están en tensión, mientras que las del interior están comprimidas. A causa de la relación de Poisson, el ancho de la pieza en la región externa es menor, y en la interna es mayor, que el ancho original. La holgura o tolerancia en el doblado es la longitud del eje neutro en la doblez, y se usa para determinar la longitud de la pieza bruta con que se fabrica una pieza doblada. Sin embargo, la posición del eje neutro depende del radio y del ángulo de doblez; una fórmula aproximada de la holgura de doblado, Lb , es la siguiente: Lb = α(R + kT ), donde α es el ángulo de doblez en radianes, T es el espesor de la lámina, R el radio de doblez y k una constante. Nótese que, para el caso ideal, el eje neutro está en el centro del espesor de la lámina; en ese caso, k = 0,5, y entonces: T Lb = α R + ; 2 en la práctica, los valores de k suelen ser de entre 0,33 (para R < 2T ) a 0,5 (para R > 2T ).

9.5.1.

Radio mínimo de doblez

La deformación de una lámina durante el doblado es: e=

2R T

A medida que disminuye R T , la relación entre el radio de doblez y el espesor se hace menor, la deformación por tensión en la fibra externa aumenta y, al final, el material se rompe. La relación a la que aparece una grieta en la superficie externa de la lámina se denomina radio mínimo de doblado del material. Se suele expresar en función

9.5. Doblado de láminas y placas

110

del espesor. Así, un radio mínimo de doblado de 3T indica que el radio mínimo con el que se puede doblar la lámina sin que se agriete es de tres veces su espesor. Hay una relación inversa entre la facilidad de doblado y la reducción de área del material por tensión. El radio mínimo de doblado es, aproximadamente, 50 R=T , r−1 donde r es la reducción del área de lámina metálica por tensión. Nótese que, para r = 50, el radio mínimo de doblez es cero; esto es, la lámina se puede doblar sobre sí misma casi como una hoja de papel. Para aumentar la facilidad de doblado de los metales se puede aumentar su reducción de área por tensión, ya sea por calentamiento o doblándolos en un ambiente de alta presión.

La facilidad de doblado depende de la condición de borde de la lámina. Puesto que los bordes rugosos son puntos de concentración de esfuerzos, disminuye la facilidad de doblado a medida que aumenta la rugosidad del borde. Otro factor importante en el agrietamiento de los bordes es la cantidad y la forma de las inclusiones en la lámina metálica, así como la cantidad de trabajo en frío que sufren los bordes durante el corte. A causa de su forma puntiaguda, las inclusiones de forma alargada son más perjudiciales que las de forma globular. La eliminación de las regiones con trabajo en frío —por ejemplo, mediante maquinado de la pieza, o recociéndola para mejorar su ductilidad— mejora mucho la resistencia a la fractura de los bordes. La anisotropía de una lámina es un factor importante en la facilidad de conformado. La laminación en frío produce anisotropía por orientación preferencial y por fibrilación mecánica debido al alineamiento de todas las impurezas, inclusiones y huecos que pueda haber. Antes de doblar esa lámina se debe tener cuidado para cortarla en la dirección adecuada de una lámina, aunque esta elección no siempre es posible.

9.5.2.

Restitución

Como todos los materiales tienen un módulo de elasticidad finito, al pasar a la etapa de deformación plástica y, al eliminar la carga aplicada, el material exhibirá algo de la recuperación elástica. En el doblado, a esta recuperación se le llama restitución o recuperación (springblock ); tras la restitución, el ángulo final de doblado es menor, y el radio final de doblado es mayor que antes de doblar. La restitución no sólo se presenta en láminas y placas planas, sino también en varillas, alambres y barras con cualquier perfil transversal. Se puede calcular de forma aproximada la restitución en función de los radios Ri y Rf de la siguiente: 3 Ri Ri Y Ri Y + 1. =4 −3 Rf ET ET

En esta fórmula, se observa que la restitución aumenta al incrementarse la relación R T y el esfuerzo de fluencia Y del material, y al disminuir el módulo de elasticidad E.

9. Procesos de conformado de chapa

111

En el doblado con dado en V , es posible que el material muestre restricción negativa, al igual que positiva. Esta condición se debe a la naturaleza de la deformación que sucede en el momento en el que el punzón termina la operación de doblado, al final de su carrera. La restitución negativa no se presenta en el doblado al aire (doblado libre) por la falta de restricciones como las que impone una matriz en V .

Compensación de la restitución En las operaciones de conformado se suele compensar la restitución doblando en exceso la pieza; serán necesarias varias pruebas para llegar a los resultados deseados. Otro método es acuñar la zona de doblez sometiéndola a grandes esfuerzos de compresión localizados, entre la punta del punzón y la superficie del dado; esta técnica se denomina fondeo del punzón. Otro método es el de doblado con estiramiento, en el que la pieza se somete a la tensión mientras se dobla. Para reducir la restitución, también se puede hacer el doblado a temperaturas elevadas.

9.5.3.

Fuerza de doblado

Se pueden calcular las fuerzas de doblado suponiendo que el proceso es de flexión simple de una vida rectangular. La fuerza de doblado, en este caso, es función de la resistencia del material, la longitud L de la doblez, el espesor T de la lámina y el tamaño W de la abertura del dado. Sin incluir la fricción, la fuerza máxima de doblado, P , es: P =

kY LT 2 , W

donde el factor k va desde 0,3 aproximadamente, para un dado deslizante, pasando por 0,7, aproximadamente, para un dado en U , hasta 1,3 para una matriz en V ; Y es la tensión de fluencia del material. Para un dado en V , se suele aproximar la ecuación anterior así: P =

UTSLT 2 , W

donde el UTS es la resistencia última del material. Esta ecuación se aplica a casos en los que el radio del punzón y el espesor del material son pequeños, en comparación con la abertura W del dado. La fuerza de doblado también es función del avance del punzón en el ciclo de doblado. Éste sube de cero hasta un máximo y hasta puede disminuir al ir completando el doblado; después aumenta bruscamente cuando el punzón llega al fondo de su carrera durante el doblado con dado. En el doblado al aire o doblado libre, la fuerza no vuelve a aumentar después de iniciar su decrecimiento.

112

9.6. Operaciones comunes de doblado

9.6.

Operaciones comunes de doblado

9.6.1.

Conformado con prensas excéntricas

El metal laminado o en placas se puede doblar con facilidad y usando soportes sencillos, mediante una prensa. Las láminas de 7 m o más largas, y otras piezas relativamente estrechas, se suelen doblar en una prensa excéntrica. Esta máquina usa matrices o dados largos en una prensa mecánica o hidráulica, y es adecuada para pequeñas producciones. Las herramientas son sencillas y se pueden adaptar a una gran variedad de formas; además, el proceso se puede automatizar con facilidad. Los materiales empleados en la producción de dados para estas prensas pueden ser desde maderas duras —para materiales de baja resistencia y pequeñas producciones— hasta carburos. Para la mayor parte de las aplicaciones se usan con más frecuencia dados de acero al carbono o de hierro gris.

9.6.2.

Otras operaciones de doblado

Doblado con rodillos En este proceso, las placas se doblan con un conjunto de rodillos. Ajustando la distancia entre los tres rodillos se pueden obtener diversas curvaturas. Doblado en máquina de cuatro correderas Estas máquinas se consiguen en diversos diseños, y los movimientos laterales de los dados se controlan y sincronizan con el movimiento vertical para conformar la pieza con las formas deseadas. Acanalado En el acanalado, la periferia de la lámina metálica se dobla hacia la cavidad de un dado. El canal imparte rigidez al aumentar el momento de inercia de la sección. También mejorará la apariencia de la pieza y eliminará los bordes agudos descubiertos. Rebordeado El rebordeado o bridado es un proceso de doblar los bordes de las láminas metálicas, normalmente a 90◦ .En el rebordeado contraído, la ceja se somete a esfuerzos circulares de compresión que, si son excesivos, pueden hacer que se plieguen los lados de la brida. La tendencia a la formación de pliegues aumenta al disminuir el radio de curvatura de la brida. En el rebordeado estirado, los bordes de la pestaña se someten a fuerzas de tensión que, si son excesivas, pueden causar el agrietamiento a lo largo de la periferia. Formado de orificios En esta operación, se troquela primero un orificio y después se expande formándole un reborde. Los rebordes se pueden producir perforando con un punzón conformado. Cuando el ángulo de doblez es menor de 90◦ , como en los herrajes con extremos cónicos, el proceso se denomina abocardado.

9. Procesos de conformado de chapa

113

El estado de los bordes es importante en estas operaciones. Al estirar el material se originan grandes esfuerzos de tensión en ellos, lo que podría conducir a la ruptura y desgarramiento de la brida. A medida que aumenta la relación entre el diámetro del reborde y el diámetro del orificio, las deformaciones aumentan en forma proporcional. Se pueden rasurar o troquelar los bordes con una herramienta afilada para mejorar su acabado superficial, reduciendo así la posibilidad de agrietamiento. Conformado de dobleces en los bordes En este proceso, también llamado aplanamiento, el borde de la lámina se dobla sobre sí mismo. La doblez aumenta la rigidez de la pieza, mejora su aspecto y elimina los filos. El empate implica unir dos bordes de lámina metálica mediante un dobladillo. El doble empate se hace mediante un proceso similar, con rodillos de forma especial, para obtener uniones herméticas al agua y al aire, como las que se necesitan en las latas de alimentos y bebidas. Conformado por laminación Este proceso se usa para tramos continuos de lámina metálica y para grandes producciones; también se denomina laminado de contorno o laminado en frío. En él, la cinta de metal se dobla, en etapas, pasando por una serie de rodillos. Después, las piezas se suelen cortar y apilar en forma continua. Entre los productos que se fabrican así están los canales, canalones, laterales, tableros, marcos de puertas y cuadros y tubos con costura cerrada. La longitud de la pieza sólo está limitada por la cantidad de material suministrado del rollo. El espesor de la lámina suele ser de entre 0,125 y 20 mm. Las velocidades de rolado son, en general menores que 1,5 m/s, aunque pueden ser mucho mayores en aplicaciones especiales. En general, los rodillos son de acero al carbono o de hierro gris, y pueden estar cromados para dar mejor acabado superficial al producto y presentar mejor resistencia al desgaste en los rodillos. Se pueden usar lubricantes para mejorar la vida de los rodillos y el acabado superficial, así como para enfriar los rodillos y la pieza.

9.7.

Doblado y conformado de tubos

El doblado y conformado de tubos y demás perfiles huecos requiere herramientas especiales para evitar flexiones o aplastamientos y dobleces. El método más antiguo y sencillo para doblar un tubo es introducir en su interior partículas sueltas —casi siempre arena— para después doblarlo en un soporte adecuado. El relleno evita que se aplaste el tubo. Después de haberlo doblado, se le saca la arena. También se pueden perforar los tubos con mandriles internos flexibles. Un tubo relativamente grueso, con radio grande de curvatura, se puede doblar sin llenarlo de partículas y sin usar tapones.

9.8. Conformado por extensión

114

Abombamiento Este proceso consiste en colocar una parte tubular, cónica o curvilínea en un dado hembra partido en dos, para después expandirlo, casi siempre con un tapón de poliuretano. A continuación se retira el punzón, el tapón regresa a su forma original y la pieza formada se saca abriendo las matrices o dados. Entre los productos que se fabrican así están las cafeteras o las jarras, los barriles y los rebordes de los tambores. Para piezas con formas complicadas, se puede conformar el tapón, en lugar de ser cilíndrico, para aplicar mayor presión en regiones críticas. La ventaja principal de usar tapones de poliuretano es que son muy resistentes a la abrasión, al desgaste y a los lubricantes; además, no dañan el acabado superficial de la pieza que se está moldeando. Dados segmentados Estos dados consisten en segmentos individuales que se colocan dentro de la pieza y a continuación se expanden, en general en dirección radial y, por último, se retraen. Los dados segmentados son poco costosos y se pueden usar para grandes series de producción.

9.8.

Conformado por extensión

En el conformado por extensión, la lámina metálica se sujeta en sus bordes y a continuación se estira sobre un dado o bloque formador, que se mueve hacia arriba, hacia abajo o hacia los lados, dependiendo de la máquina. La formación por estirado se usa principalmente para formar los recubrimientos de las alas de los aviones, las puertas de los automóviles y los marcos de ventana. En la mayor parte de las operaciones, la lámina bruta es rectangular, se sujeta a lo largo de sus lados cortos y se estira longitudinalmente, permitiendo así que el material se contraiga en su ancho. Es importante controlar la cantidad de estiramiento para evitar rasgaduras. Los dados para el estirado se fabrican, por lo general, con aleaciones de cinc, acero, plásticos o madera. En la mayor parte de las aplicaciones se requiere poca o ninguna lubricación. En conjunto, en el conformado por extensión se emplean diversos equipos accesorios, y conformado adicional con dados macho y hembra mientras la pieza está en tensión. Aunque se usa este proceso principalmente para producción de bajos volúmenes, es versátil y económico.

9.9.

embutición profunda

9.9.1.

El proceso de embutición profunda

En el método básico de embutición o embutición profunda, se coloca una pieza bruta de lámina, redonda, sobre un dado abierto circular, y se afianza en su lugar con un sujetador de material en bruto o un anillo de sujeción. El punzón corre hacia abajo y empuja la lámina dentro de la cavidad, para formar una taza o depresión. Las variables importantes en la embutición profunda son

9. Procesos de conformado de chapa

115

las propiedades de la lĂĄmina metĂĄlica, la relaciĂłn entre el diĂĄmetro de la pieza bruta (D0 ) y el diĂĄmetro del punzĂłn (Dp ), la holgura (c) entre el punzĂłn y el dado, el radio del punzĂłn, Rp , el radio de tangencia (Rd ), la fuerza en el sujetador de material en bruto y la fricciĂłn y lubricaciĂłn. Durante la operaciĂłn de embuticiĂłn, el movimiento de la pieza bruta hacia la cavidad induce esfuerzos circulares de compresiĂłn en la ceja, que tienden a hacer que ĂŠsta se pliegue. Se puede reducir o eliminar el plegamiento si se mantiene al sujetador de material en bruto bajo la acciĂłn de cierta fuerza. La pared de la depresiĂłn que ya se ha formado se somete principalmente a un esfuerzo longitudinal de tensiĂłn. El alargamiento hace adelgazar la pared de la depresiĂłn; si es demasiado elevado, causa rasgaduras.

9.9.2.

Capacidad de embuticiĂłn profunda

En una operaciĂłn de embuticiĂłn profunda, la generaciĂłn de defectos suele deberse al adelgazamiento de la pared de la depresiĂłn debido a los grandes esfuerzos longitudinales de tensiĂłn. Si se sigue el movimiento del material hacia la cavidad del dado, se puede ver que la lĂĄmina metĂĄlica debe ser capaz de sufrir una reducciĂłn de ancho, a causa de la reducciĂłn de diĂĄmetro; ademĂĄs, la lĂĄmina debe resistir el adelgazamiento bajo los esfuerzos de tensiĂłn en la pared de la taza. La capacidad de embuticiĂłn profunda se valora, en general, con la relaciĂłn lĂmite de embuticiĂłn, que se define como la relaciĂłn entre el diĂĄmetro mĂĄximo D0 de la lĂĄmina bruta y el diĂĄmetro del punzĂłn, D . p El que una lĂĄmina se pueda embutir en forma profunda para crear una taza redonda es funciĂłn de la anisotropĂa normal R del metal laminado, que tambiĂŠn se llama anisotropĂa plĂĄstica. La anisotropĂa normal se define en funciĂłn de las deformaciones reales que sufre el espĂŠcimen a la tensiĂłn, la deformaciĂłn en anchura entre la deformaciĂłn en espesor, wĎ&#x201E; . Para calcular el valor de R se prepara primero un espĂŠcimen para la prueba de tensiĂłn y, a continuaciĂłn, se le somete a una elongaciĂłn del quince al veinte por ciento. Como casi siempre las hojas laminas en frĂo tienen anisotropĂa en su direcciĂłn planar, el valor de R de un espĂŠcimen cortado de una lĂĄmina rolada dependerĂĄ de su orientaciĂłn con respecto a la direcciĂłn de laminado de la hoja (o lĂĄmina). En este caso, se calcula un valor promedio (Rm ) con la ecuaciĂłn: Rm =

R0 + 2R45 + R90 , 4

en la que los ĂĄngulos son respecto a la direcciĂłn de laminaciĂłn de la hoja. Borde ondulado y anisotropĂa planar En la embuticiĂłn las orillas o bordes de las depresiones se pueden volver onduladas; a este fenĂłmeno se le denomina borde ondulado u orejas. Esta condiciĂłn se debe a la anisotropĂa planar de la hoja. Se define en tĂŠrminos de valores direccionales de R, con la ecuaciĂłn: â&#x2C6;&#x2020;R =

R0 â&#x2C6;&#x2019; 2R45 + R90 . 2

116

9.9. embutición profunda

Cuando ∆R = 0 no se forman orejas. La altura de éstas aumenta al incrementar ∆R. La cantidad de ondulaciones que se forman puede ser dos, cuatro u ocho. Las orejas son indeseables en las depresiones embutidas, porque hay que recortarlas y se producen mermas. Se puede ver que la capacidad de embutición profunda aumenta con un valor alto de Rm y bajo de ∆R. Sin embargo y en general, los metales laminados con Rm alto también tienen valores altos de ∆R. Se están desarrollando texturas de metal laminado para mejorar la capacidad de embutición controlando el tipo de los elementos aleantes en el material, al igual que diversos parámetros del proceso durante el laminado de la hoja.

9.9.3.

Práctica de la embutición profunda

Se han establecido ciertos lineamientos para conseguir una buena embutición profunda. En general, se escoge la presión del sujetador de material blanco para que sea de 0,7 a 1,0 % de la suma de la resistencia de fluencia y la resistencia última del metal laminado. Si la fuerza en el portapiezas es muy alta, aumenta la fuerza del punzón y se provocan desgarramientos en la pared de la taza; por otra parte, si la fuerza en el portapiezas es muy baja, se producen arrugas. Las holguras suelen ser entre un 7 y un 14 por ciento mayores que el espesor de la lámina. Si son muy estrechas, puede ser que la lámina tan sólo se perfore o corte el punzón. Los radios de tangencia del punzón y la matriz también son importantes. Si son demasiado estrechos, pueden causar fracturas en las esquinas; si son demasiado grandes, la taza se pliega (fruncido). Con frecuencia, es necesario emplear cordones de estampado para controlar el flujo de la pieza bruta que entra a la cavidad del dado. Éstos restringen el flujo de la lámina, porque la doblan y desdoblan durante el estampado; con ello aumentan la fuerza necesaria para jalar la lámina hacia el centro del dado. También ayudan a reducir las fuerzas que se requieren en el sujetador de material en bruto, porque la lámina con canal tiene una rigidez mayor, y por consiguiente presenta menor tendencia a plegarse. Los diámetros de los cordones de embutición pueden ser de 13 a 20 mm. Para evitar que se rasgue la lámina metálica durante el formado, es importante incorporar factores tales como: radios grandes de dado; lubricación efectiva; diseño y ubicación de los cordones de embutición; desarrollo del tamaño y la forma correctos de la pieza en bruto; el recorte de esquinas de láminas cuadradas o rectangulares, a 45◦ para reducir los esfuerzos de tensión durante la embutición, y usar láminas en bruto libres de defectos internos y externos. Planchado Si la holgura es grande, la depresión embutida tendrá paredes más gruesas en su borde que en su base. La razón es que el borde consiste en material procedente del diámetro exterior de la lámina bruta, que se reduce más que el que forma el resto de la pared. En consecuencia, la depresión tendrá espesor no uniforme. El planchado es un proceso en el que el espesor de la pared de una

9. Procesos de conformado de chapa

117

depresión se hace uniforme, empujándola a través de anillos planchadores. Reembutición Los recipientes o contenedores muy difíciles de embutir en una operación suelen pasar por un reembutición. Por la constancia de volumen, la depresión de embutición se alarga a medida que se vuelve a embutir a diámetros más pequeños. En la reembutición inversa, la depresión (taza) se coloca boca abajo en el dado y se sujeta así al doblez en dirección opuesta a su configuración original. Embutición sin sujetador de material en bruto También se puede hacer una buena embutición profunda sin un portapiezas, siempre que la lámina metálica sea lo suficientemente gruesa como para evitar pliegues. Un intervalo normal es: D0 − Dp < 5T, donde T es el espesor de la lámina. Los dados tienen contornos especiales para esta operación. Realzado El realzado, también denominado repujado o gofrado, es una operación que consiste en embuticiones superficiales o moderadas hechas con dados macho y hembra correspondientes. Se usa principalmente para dar rigidez a tableros planos, así como para decoración. Lubricación En la embutición profunda, la lubricación hace disminuir las fuerzas, aumentar la capacidad de embutición y reducir los defectos en las piezas, así como el desgaste de las herramientas. En general, se debe mantener al mínimo la lubricación del punzón, porque la fricción entre éste y la depresión formada mejora la capacidad de embutición, al reducir los esfuerzos de tensión en la taza o depresión. Para las aplicaciones generales, los lubricantes de uso común son los aceites minerales, soluciones de jabón y emulsiones para trabajo duro. Para aplicaciones más difíciles se usan recubrimientos, cera y lubricantes sólidos. Herramientas y equipo para embutir Los materiales más comunes para herramientas y dados en la embutición profunda son los aceros para herramientas y fundiciones de hierro, aunque también se pueden usar otros materiales, como carburos y plásticos. El equipo para el embutición profunda suele ser una prensa hidráulica de doble acción, o una prensa mecánica. Se prefiere más esta última, por su alta velocidad del punzón. La prensa hidráulica de doble acción controla en forma independiente el punzón y el sujetador de pieza. En general, las velocidades de los punzones varían entre 0,1 y 0,3 m/s. Las fábricas modernas están muy automatizadas. Por ejemplo, una sola planta puede producir hasta 100000 cartuchos de filtro automotriz por día. Las piezas de lámina en bruto se alimentan y transfieren en forma automática en dedos mecánicos controlados por robots. El rociado de lubricante se sincroniza con la carrera de la prensa, y las piezas se suelen transferir con dispositivos

9.10. Conformado con hule

118

magnéticos o por medio de vacío. Hay sistemas de inspección que vigilan toda la operación de embutición.

9.10.

Conformado con hule

En los procesos descritos en las secciones anteriores se hizo notar que, en general, los dados se fabrican con materiales rígidos. Sin embargo, en el conformado con hule, uno de los dados de un conjunto puede ser de material flexible, como por ejemplo membrana de poliuretano. Se usan mucho los dados de poliuretano por su resistencia a la abrasión, a corte por rebabas o por filos de la lámina, y por su larga vida de fatiga. En el proceso de hidroformado o conformado fluido, se controla la presión sobre la membrana de hule durante el ciclo de formación, y las presiones máximas son de hasta 100 MPa. Este procedimiento permite un control estrecho de la pieza durante el conformado, para evitar pliegues o desgarramientos. Se obtienen embuticiones más profundas que en la embutición profunda convencional, porque la presión en torno a la membrana de hule fuerza a la depresión contra el punzón. En consecuencia, aumenta la fricción entre el punzón y la depresión marcada; este aumento reduce los esfuerzos longitudinales de tensión en la taza y demora la fractura. El control de las condiciones de fricción en el conformado con hule y en otras operaciones de conformado de lámina puede ser un factor crítico para poder fabricar las piezas. También es importante el uso adecuado de lubricantes y métodos de aplicación. Cuando se seleccionan en forma correcta, los procesos de conformado con hule tienen las ventajas de: bajo costo de herramientas; flexibilidad y facilidad de operación; bajo desgaste de dados; prevención de daños a la superficie de la lámina, y posibilidad de producir formas complicadas. También se pueden formar piezas con hojas metálicas de diversos materiales o recubrimientos.

9.11.

Rechazado

El rechazado es un proceso antiguo que implica la formación de piezas axilsimétricas sobre un mandril, usando diversas herramientas y rodillos. Hay tres técnicas básicas de rechazado: convencional (o manual), por corte, y de tubo. El equipo que se usa en esos procesos se parece a un torno, pero tiene características especiales.

9.11.1.

Rechazado convencional

En un rechazado convencional, una lámina bruta circular plana o preformada se sujeta contra un mandril y se hace girar, mientras que una herramienta

9. Procesos de conformado de chapa

119

rígida deforma y conforma el material sobre el mandril. La herramienta se puede activar manualmente o con un mecanismo hidráulico controlado por computadora. El proceso comprende una secuencia de pasadas y requiere de mucha destreza. El rechazado convencional se adapta en especial a formas cónicas y curvilíneas, que de otro modo sería difícil o costoso producir. Los diámetros de las piezas pueden llegar hasta los 6 m.

9.11.2.

Rechazado por corte

El rechazado por corte —también denominado rechazado motorizado, torneado con flujo, hidrorrechazado o forjado de rotación— produce una forma axilsimétrica, cónica o curvilínea, y mantiene al mismo tiempo el diámetro máximo de la pieza, reduciendo su espesor. Aunque se puede usar un solo rodillo, son preferibles dos para equilibrar las fuerzas sobre el mandril. Las piezas características que se producen son las cajas de motores a reacción y los conos de nariz de los misiles. Se pueden conformar piezas de hasta 3 m de diámetro con el rechazado de corte. Esta operación desperdicia poco material y se puede terminar en un tiempo relativamente corto, de unos pocos segundos. Por las grandes deformaciones que se manejan, este proceso genera bastante calor, por lo que en el transcurso se requieren flujos de agua. La capacidad de conformación por rechazado de un metal se define como la máxima reducción de espesor a la que puede someterse una pieza en el rechazado sin que se rompa. Esta capacidad se relaciona con la reducción de área del material a la tensión, al igual que la capacidad de flexión. Si un metal tiene una reducción de un cincuenta por ciento de área a tensión (o mayor), su espesor se puede reducir hasta en un ochenta por ciento sólo con un paso de rechazado. Los materiales con baja ductilidad se procesan a temperaturas elevadas.

9.11.3.

Rechazado de tubos

En el rechazado de tubos, el espesor de las piezas cilíndricas se reduce, porque se procesan con rodillos sobre un mandril cilíndrico. La reducción máxima por paso, en el rechazado de tubos, se relaciona con la reducción del área del material a la tensión, como en el rechazado de corte. Se puede aplicar la rotación de tubos para fabricar recipientes a presión, componentes automotrices como, por ejemplo, ruedas de automóviles y de camiones, así como piezas de cohetes, misiles y motores a reacción.

120

9.12.

9.12. Conformado superplástico

Conformado superplástico

Ciertas aleaciones con grano muy fino —tales como el Zn-Al y titanio— se pueden procesar hasta alcanzar formas complejas mediante el conformado superplástico, proceso en que se emplean técnicas comunes al trabajo de metales y al procesamiento de polímeros. Esta clase de conformado presenta varias ventajas:

– Se requiere menos resistencia en las herramientas, por la baja resistencia del material en las temperaturas del conformado; por consiguiente, los costos de las herramientas son menores.

– Se pueden conformar piezas complicadas en una sola pieza, con detalles finos y tolerancias cerradas, eliminando operaciones secundarias.

– Se pueden obtener ahorros en peso y material, por la facilidad de formación de los materiales.

– En las piezas formadas queda poco o ningún esfuerzo residual.

No obstante, el conformado superplástico posee las siguientes limitaciones: por una parte, el material no debe ser superplástico a las temperaturas de servicio; por otra, debido a la extremada sensibilidad del material superplástico a la velocidad de deformación volumétrica, se debe conformar a velocidades suficientemente bajas. Los tiempos de conformado van de algunos segundos hasta varias horas. En consecuencia, los tiempos de ciclo son mucho mayores que en los procesos convencionales de conformado; en consecuencia, el conformado superplástico es un proceso intermitente. Un desarrollo importante es la posibilidad de fabricar estructuras de metal laminado combinando la soldadura o enlace por difusión con el conformado superplástico (spf/db, Superplastic Forming/Diffusion Bonding). Después de la soldadura por difusión de regiones específicas de las láminas, las regiones no ligadas se expanden dentro de un molde, con argón gaseoso a presión. Estas estructuras son delgadas y poseen grandes relaciones de rigidez a peso. En consecuencia, son bastante importantes en aplicaciones aeronáuticas y aeroespaciales. Este proceso mejora la productividad, al eliminar sujetadores mecánicos, y produce piezas con buena precisión dimensional y bajos esfuerzos residuales. Los materiales que se suelen usar en el conformado superplástico son aceros de baja aleación, aceros grado herramienta fundidos, materiales cerámicos, grafito y yeso. La selección depende de las temperaturas de conformado y de la resistencia de la aleación superplástica.

9. Procesos de conformado de chapa

121

9.13.

Explosión, impulso magnético, repujado y otros procesos de conformado

9.13.1.

Conformado por explosión

Si se controla la cantidad y la forma de actuación de los explosivos, pueden emplearse como fuente de energía para dar forma a los metales. Esta forma de energía se empleó por primera vez para conformar metales a comienzos del siglo xx. Habitualmente, en el conformado por explosión, la lámina bruta se aprisiona sobre un dado y baja todo el conjunto a un tanque lleno de agua. Se saca el aire en la cavidad del dado, se coloca a cierta altura una carga explosiva y se hace detonar. La conversión rápida de la carga explosiva en gas genera una onda de choque. La presión de esa onda es suficiente para dar forma a los metales laminados. La presión máxima p debida a la explosión y generada en el agua, se calcula con la ecuación: !a √ 3 W , p=K R donde p está en psi, K es una constante que depende del explosivo (por ejemplo, para el tnt es de 21600), W es el peso del explosivo (en libras), R es la distancia del explosivo a la superficie de la pieza (en pies), y a es una constante que, por regla general, se toma igual a 1,15. Con este proceso, se pueden fabricar distintas formas, siempre que el material sea dúctil a las grandes tasas de formación características de la naturaleza explosiva del proceso. El conformado por explosión es versátil, casi no hay límite al tamaño de la pieza, y se adapta en especial para series de producción pequeñas, para piezas grandes, tales como las que se encuentran en las aplicaciones aeroespaciales. Las propiedades mecánicas de las piezas fabricadas mediante este proceso son básicamente iguales a las fabricadas con métodos convencionales de conformado. Según la cantidad de piezas que se van a producir, los dados pueden ser de aleaciones de aluminio, acero, hierro dúctil, aleaciones de zinc, cemento reforzado, madera, plásticos o materiales compuestos.

9.13.2.

Conformado con impulso magnético

En el conformado con impulso magnético, o conformado electromagnético, la energía almacenada en un banco de condensadores se descarga rápidamente a través de una bobina magnética. En un ejemplo característico, una bobina anular se coloca sobre una pieza tubular. A continuación, se aplasta el tubo sobre otra pieza sólida, por las fuerzas magnéticas, haciendo que el conjunto forme una sola parte. El campo magnético que produce la bobina cruza al tubo metálico (un conductor), generando así corrientes parásitas en él. Esas corrientes, a su vez, producen su propio campo magnético. Las fuerzas producidas por los dos campos

9.13. Explosión y otros procesos de conformado

122

magnéticos se oponen entre sí y, en consecuencia, crean una fuerza de repulsión entre la bobina y el tubo. Las fuerzas generadas colapsan al tubo sobre la pieza interior. Mientras mayor sea la conductividad eléctrica de la pieza, las fuerzas magnéticas son más grandes. No hay necesidad de que el material de la pieza tenga propiedades magnéticas. También hay bobinas magnéticas planas para las operaciones de realzado y de embutición superficial en metales laminados.

9.13.3.

Repujado

El repujado se usa para producir curvaturas en láminas delgadas de metal mediante bombardeo con perdigones. La superficie de la lámina se somete a esfuerzos de compresión que tienden a expandir la capa superficial. Como el material detrás de la superficie bombardeada permanece rígido, la expansión superficial hace que la lámina adquiera una curvatura. Además, el proceso induce esfuerzos superficiales de compresión, que mejoran la vida de fatiga de la lámina. El bombardeo se hace con bolas de hierro colado o de acero, lanzadas desde una rueda giratoria o con chorro de aire desde una boquilla. El bombardeo con perdigones se usa en la industria aeronáutica para generar curvaturas lisas y uniformes en las alas.

9.13.4.

Otros procesos de conformado de láminas

– Conformado con láser del metal laminado: implica la aplicación de rayos láser en zonas específicas de una parte para inducir gradientes térmicos en el espesor de la lámina. Los gradientes que se desarrollan son lo suficientemente grandes para causar deformaciones plásticas localizadas en la lámina y dar como resultado, por ejemplo, una lámina doblada. – En el conformado ayudado con láser se pueden hacer ciertas operaciones con láseres como fuente localizada de calor para reducir el esfuerzo de fluencia del metal laminado en lugares específicos y para mejorar la facilidad de conformado y aumentar la flexibilidad del proceso. Como ejemplos tenemos el enderezado, doblado, realzado y conformado de complejos componentes tubulares o planos. Se deben investigar los efectos adversos posibles del calentamiento localizado sobre la integridad del producto. – En el conformado electrohidráulico —también denominado conformado con chispa submarina o con descarga eléctrica—, la fuente de energía es una chispa entre electrodos conectados con un alambre delgado. La rápida descarga de energía de un banco de condensadores en los electrodos genera una onda de choque, similar a las creadas por explosivos, y moldea la pieza. Este proceso se ha usado para fabricar piezas relativamente pequeñas a niveles de energía menores que los que se usan en el conformado con explosivo, normalmente de unos pocos kJ. – Mezcla de gas en un recipiente cerrado: se han usado como fuente de energía. Cuando se encienden generan presiones para formar las láminas. El

9. Procesos de conformado de chapa

123

principio se parece a la generación de presión en un motor de combustión interna. – Los gases licuados, como por ejemplo el nitrógeno líquido, también se pueden usar para producir presiones lo bastante altas como para moldear metales laminados. Cuando se alcanza la temperatura ambiente en un recipiente cerrado, el nitrógeno líquido se vuelve gaseoso y se expande, desarrollando la presión necesaria para moldear la parte.

9.13.5.

Fabricación de estructuras de panal

La estructura de panal consiste básicamente en un núcleo de panal —o de otras formas corrugadas— ligado a dos láminas exteriores delgadas. El ejemplo más frecuente es el cartón corrugado. Existen dos métodos principales para fabricar materiales en panal. En el proceso de despliegue, que es el más común, se cortan láminas de un rollo y se aplica un adhesivo a intervalos (líneas nodales). Se apilan las láminas y se curan en un horno, para que se formen fuertes ligaduras en las uniones con adhesivo. A continuación, se corta el bloque en rebanadas de la dimensión deseada, y se estira para producir una estructura en panal. En el proceso de corrugado, la hoja pasa por un par de rodillos de diseño especial y se transforma en una lámina corrugada, que se corta a las longitudes deseadas. De nuevo, se aplica adhesivo a las líneas nodales y el bloque se cura. Nótese que no interviene proceso alguno de expansión. Después, el material del panal se encierra en una estructura emparedada: las láminas de las caras se pegan con adhesivos a las superficies superior e inferior.

9.14.

Resistencia de piezas de metal laminado a la abolladura

Las abolladuras se producen con frecuencia en automóviles, electrodomésticos, muebles de oficina y utensilios de cocina. Se producen por fuerzas dinámicas procedentes de objetos en movimiento que golpean al metal laminado. Así, por ejemplo, en las carrocerías de automóviles las velocidades en el impacto llegan hasta 45 m/s. Así, el parámetro importante de la resistencia es el esfuerzo de fluencia dinámico (esfuerzo de fluencia a grandes velocidades de deformación), y no el esfuerzo de fluencia estático. Las fuerzas dinámicas tienden a producir abolladuras localizadas; las fuerzas estáticas, por el contrario, tienden a repartir el área abollada. Se ha visto que la resistencia a la abolladura de piezas de lámina metálica se incrementa al aumentar el esfuerzo de fluencia y el espesor de la lámina, y disminuye al aumentar el módulo de elasticidad y la rigidez general de la parte. En consecuencia, las partes que se sujetan rígidamente en sus contornos tienen

124

9.15. Equipo para el conformado de hojas o láminas metálicas

menos resistencia al abollamiento.

9.15.

Equipo para el conformado de hojas o láminas metálicas

Para la mayor parte de las operaciones de prensado, el equipo básico consiste en prensas mecánicas, hidráulicas, neumáticas, o neumáticas-hidráulicas. El diseño, construcción y rigidez adecuadas de dichos equipos es esencial para tener un funcionamiento eficiente, gran producción, buen control dimensional y alta calidad del producto. La estructura tradicional de marco en C se ha usado mucho por la facilidad de acceso a las herramientas y a las piezas producidas. Sin embargo, no es tan rígida como la tipo caja de pilar y doble columna. Además, los progresos en automatización y el uso de robots industriales y controles computerizados han disminuido la importancia de la accesibilidad. La selección de una prensa para operaciones de conformado de metal laminado depende de varios factores: – El tipo de la operación de conformado y el tamaño y la forma de las matrices y herramientas requeridas. – El tamaño y la forma de la pieza a fabricar. – La longitud de la carrera de las correderas, la cantidad de golpes por minuto, la velocidad y la altura de cierre —distancia de la parte superior de la cama a la parte inferior de la corredera bajada—. – La cantidad de correderas. Las prensas de acción sencilla tienen una corredera alternativa. Las de doble acción tienen dos correderas, que se alternan en la misma dirección; se suelen usar para embuticiones profundas, una corredera para el punzón y otra para el portapiezas. Las prensas de triple acción tienen tres correderas; se suelen usar para embutición en reversa y para otras operaciones complicadas de moldeo. – La fuerza máxima requerida (capacidad o tonelaje de la prensa). – El tipo de controles. – Las características de seguridad. – La forma de cambiar los dados. Como es importante el tiempo de cambio de dados en las prensas —puede ser de hasta algunas horas—, afecta la productividad. Se han desarrollado sistemas de cambio rápido de dados. Con preparaciones de matrices de acuerdo con un sistema llamado cambio de dado en un minuto, (smed, Single-Minute Exchange of Die), hoy se pueden cambiar dados en menos de diez minutos usando sistemas hidráulicos o neumáticos automatizados. Estas técnicas son de especial importancia en sistemas de manufactura automatizados, con cómputo integrado.

Tema 10

Procesos de conformado de polímeros y materiales compuestos 10.1.

Introducción

Los plásticos se funden o se curan a temperaturas relativamente bajas; en consecuencia, y a diferencia de los metales, son fáciles de manejar y requieren menos energía en su procesamiento. Sin embargo, las propiedades de las partes y los componentes de plástico están muy influidas por el método de fabricación y los parámetros de procesamiento, por lo que es importante el control adecuado de esas condiciones para obtener una buena calidad de la pieza. Los plásticos se suelen embarcar hacia las plantas manufactureras en forma de partículas (pellets) o polvos, y se funden —en el caso de los termoplásticos— inmediatamente antes del proceso de moldeo. También se consiguen en forma de lámina, placa, varilla y tubo, que se pueden conformar para obtener una diversidad de productos. Los plásticos en estado líquido se usan en especial para fabricar partes de plástico reforzado.

10.2.

Extrusión

En la extrusión, las materias primas en forma de partículas, gránulos o polvo termoplástico se colocan en una tolva y se alimentan al barril o cañón del extrusor. Este barril contiene un tornillo que mezcla las partículas y las transporta por el barril. La fricción interna debida a la acción mecánica del tornillo, junto con los calentadores que rodean al barril del extrusor, hacen calentar las pastillas y las licúan. Además, la acción del tornillo hace aumentar la presión en el barril. Los tornillos tienen tres secciones distintas:

126

10.2. Extrusión

– Una sección de alimentación que transporta el material desde la zona de la tolva hasta la región central del barril. – Una sección de fusión, o transición, donde el calor generado por la cizalladura del plástico y por los calentadores hace que se inicie la fusión. – Una sección de bombeo, donde aumenta la cizalladura y la fusión, con el incremento de presión en la matriz o dado. El plástico o elastómero fundido es obligado a pasar a través de un dado, matriz o hilera, en un proceso parecido al de extrusión de metales. A continuación, el plástico extruido se enfría, sea exponiéndolo al aire o pasándolo por un canal lleno de agua. Es importante controlar la rapidez y la uniformidad del enfriamiento, para reducir al mínimo la contracción y la distorsión del producto. Como hay un abastecimiento continuo de materia prima en la tolva, se pueden extruir productos largos, como por ejemplo varillas sólidas, tubos, marcos de ventana, perfiles arquitectónicos y láminas. Un desarrollo más reciente es la extrusión de tubo rígido de plástico mediante un proceso en el cual el dado gira; en consecuencia, el polímero se somete a cizalladura y se orienta biaxialmente durante la extrusión. Este tubo tiene mayor resistencia al aplastamiento y mayor relación resistencia a peso que los tubos con extrusión convencional. Las partículas que se emplean para otros métodos de procesamiento de plásticos que se describen en este capítulo se fabrican por extrusión. En este caso, el producto extruido es una varilla de diámetro pequeño, que se corta en tramos cortos (partículas) a medida que se extruye. Con algunas modificaciones, también se pueden usar los extrusores como fundidores sencillos para otros procesos de conformado, como por ejemplo el moldeo por inyección y el moldeo por soplado. Se deben controlar los parámetros de proceso, como son la rapidez del tornillo extrusor, temperaturas de la pared del barril, diseño del dado y velocidades de enfriamiento y estirado, para obtener productos con precisión dimensional uniforme. Para eliminar la resina no fundida o congelada por filtración se suele colocar una tela metálica justo antes del dado y se cambia en forma periódica. En general, se requieren grandes series de producción para justificar estos gastos.

Extrusión de láminas y películas Las láminas y la película se pueden producir usando un dado plano de extrusión. El polímero se extruye forzándolo a pasar a través de un dado de diseño especial, después de lo cual la lámina extruida es tomada primero por rodillos enfriados por agua, y después por un par de rodillos de tensión cubiertos de hule. Las películas delgadas de polímero —con las que se fabrican, por ejemplo, las bolsas de plástico— se fabrican con un tubo producido en un extrusor. En este proceso (partícula soplada), un tubo de pared delgada se extruye verticalmente hacia arriba y después se infla como un globo soplando aire por el centro de la hilera de extrusión hasta llegar al espesor deseado en la película. El globo

10. Procesos de conformado de polímeros y materiales compuestos

127

se enfría casi siempre con aire de un anillo de enfriamiento que lo rodea, que también puede ser una barrera para evitar una mayor expansión del globo, controlando sus dimensiones. La película soplada se vende para envoltura (después de cortar el globo frío) y en forma de bolsas (estrangulando y cortando el globo). También se obtiene lámina rasurando barras sólidas redondas de plástico, en especial de politetrafluoruroetileno (ptfe o teflón); a este proceso se le denomina rasurado.

10.3.

Moldeo por inyección

El moldeo por inyección es exactamente igual al proceso de fundición a presión con cámara caliente. Así como en la extrusión, el barril o cilindro se calienta para provocar la fusión. Sin embargo, con las máquinas de moldeo por inyección se transfiere una parte mucho mayor del calor al polímero debido al calentamiento por fricción. Las partículas o granos se alimentan al barril calentado, y la masa fundida es obligada a pasar a una cámara con matriz o dado bipartido, mediante un émbolo hidráulico o con el sistema del tornillo rotatorio de un extrusor. Los equipos más recientes son del tipo de tornillo reciprocante. Al aumentar la presión en la entrada del molde, el tornillo rotatorio comienza a moverse hacia atrás bajo presión, hasta una distancia predeterminada; este movimiento controla el volumen de material a inyectar. A continuación, el tornillo cesa de girar y es empujado hidráulicamente hacia adelante, forzando al plástico fundido a la cavidad del molde. Las presiones de moldeo por inyección suelen ser de 70 a 200 MPa. Los productos característicos del moldeo por inyección son tazas, recipientes, cajas, mangos de herramientas, componentes eléctricos y de comunicaciones, juguetes y conexiones de fontanería. Para los polímeros termoplásticos, los moldes están relativamente fríos; pero los polímeros termofijos son moldeados en moldes calentados donde se efectúa la polimerización y el enlace cruzado. En cualquier caso, después de que la pieza haya sido enfriada (termoplásticos) o curada (termofijos), se abren los moldes y se expulsa la pieza. A continuación se cierran los moldes y el proceso se repite de forma automática. Además, los elastómeros se moldean por inyección mediante estos procesos. Como el material está fundido al inyectarse en el molde, se pueden obtener formas complicadas y buena precisión dimensional. También se usan moldes con mandriles móviles y sin atornillar, que permiten moldear piezas con muchas cavidades o con roscas internas o externas. Para adaptarse al diseño de la pieza, los moldes pueden tener varios componentes: canales de colada —como los de dados de colada de metales—, núcleos, cavidades, canales de enfriamiento, insertos, pernos de expulsión y expulsores. Hay tres clases básicas de moldes: – El molde de canal (corredor o distribuidor) frío y dos placas. Este es el diseño más sencillo.

128

10.3. Moldeo por inyección

– El molde de canal frío y tres placas, en que el sistema de canales es separado de la pieza cuando se abre el molde. – El molde de canal caliente —también llamado molde sin canal —, en el que el plástico fundido se conserva en un canal con la placa caliente. En los moldes de canal frío, el plástico solidificado en los canales que van del extremo del barril a la cavidad del molde se debe eliminar, casi siempre recortándolo. También se pueden colocar componentes metálicos tales como tornillos, pernos y bandas, en la cavidad del molde, y formar parte integral del producto moldeado por inyección (moldeo con inserto). Los ejemplos más comunes de estas combinaciones son los componentes eléctricos. Sobremoldeo Este término se aplica a la producción de piezas articuladas y uniones de rótula en una operación, sin necesidad de ensamblar posteriormente las piezas. Existe un proceso, denominado moldeo en hielo (ice-cold molding) en el que se usa la misma clase de plástico para formar los dos componentes de la junta. El proceso se hace en un ciclo con una máquina normal de moldeo por inyección. En él intervienen un molde de dos cavidades, y se usan insertos de enfriamiento colocados en la zona de contacto entre cada componente moldeado de la junta. De esta forma, no se forma un enlace entre las dos piezas. Posibilidades del proceso El moldeo por inyección es un proceso de producción de gran rapidez y permite obtener un buen control dimensional. Los tiempos característicos del ciclo van de 5 a 60 segundos, pero para materiales termofijos pueden ser de varios minutos. Los moldes se suelen fabricar con aceros grado herramienta y aleaciones de cobre al berilio o aluminio, y pueden tener varias cavidades, de modo que se puede hacer una pieza en un ciclo. Máquinas Las máquinas de moldeo por inyección suelen ser horizontales. Se usan máquinas verticales para fabricar piezas pequeñas, con tolerancias estrechas, y para moldeo con inserto. La fuerza de prensado en los dados se suministra, en general, por medios hidráulicos, aunque hoy se dispone de métodos eléctricos. Los modelos con impulsión eléctrica pesan menos y son menos ruidosos que las máquinas hidráulicas. Las máquinas de moldeo por inyección se especifican según la capacidad del molde y la fuerza de prensado. En la mayor parte de ellas, esta fuerza va de 0,9 a 2,2 MN. La máquina más grande que hay en operación tiene una capacidad de 45 MN y puede producir piezas que pesen hasta 25 kg. La mayor parte de ellas, sin embargo, pesan entre 100 y 600 g. El costo de una máquina de 100 toneladas oscila entre unos 60000 y 90000 dólares; el de una de 300 toneladas, entre 85000 y 140000. El alto costo de los dados, que normalmente es de entre 20000 y 200000 dólares, determina que sea necesario un gran volumen de producción para jus-

10. Procesos de conformado de polímeros y materiales compuestos

129

tificar esta inversión. Las máquinas modernas poseen microprocesadores y microcomputadoras en un tablero de control, y vigilan así todos los aspectos de la operación.

10.3.1.

Moldeo por inyección de reacción

El proceso de moldeo por inyección de reacción (reaction-injection molding), desarrollado en 1969, consiste en forzar una mezcla de resina con dos o más fluidos reactivos a una cavidad de moldeo a alta velocidad. En el molde se efectúan reacciones químicas rápidas y el polímero se solidifica y forma una parte termofija.

10.3.2.

Moldeo de espuma estructural

El proceso de moldeo de espuma estructural se usa para fabricar productos de plástico con cubierta externa sólida y una estructura interna celular. Los productos característicos de esta clase son componentes de muebles, cajas de televisión, cajas de máquinas de contabilidad y cajas de acumuladores. Aunque hay varios procesos de moldeo de espuma, básicamente son iguales al moldeo por inyección y a la extrusión. Se pueden usar polímeros termoplásticos y termofijos en este caso, pero los termofijos están en estado líquido, como el estado de los polímeros en el moldeo por inyección con reacción. En el moldeo de espuma por inyección, los termoplásticos se mezclan con un agente de soplado, que suele ser un gas inerte, como nitrógeno, que expande el material.

10.4.

Moldeo por soplado

El moldeo por soplado es un proceso modificado de moldeo por extrusión y por inyección. En el moldeo por extrusión y soplado se extruye primero un tubo —que se suele girar hasta ponerlo vertical—, que a continuación se sujeta en un molde con cavidad mucho mayor que el diámetro del tubo, y por último se sopla y crece hacia afuera, llenando la cavidad del molde. Se suele soplar con aire a presiones entre 350 y 700 kPa. En algunas operaciones, la extrusión es continua y los moldes se mueven con el tubo. Los moldes se cierran en torno al tubo, cierran ambos extremos —rompiendo así el tubo para formar tramos— y después se alejan a medida que se inyecta aire en la pieza tubular. A continuación, se enfría y se expulsa la parte. El tubo corrugado se fabrica por moldeo continuo por soplado, en el que el tubo se extruye en dirección horizontal y pasa a los moldes en movimiento. En el moldeo por inyección y soplado, primero se moldea una pieza tubular (pieza bruta o parison). A continuación se abren los moldes y la pieza pasa a una matriz o hilera de moldeo por soplado. Se inyecta aire caliente a la pieza

10.5. Moldeo rotativo

130

bruta, que se expande hasta llegar a las paredes de la cavidad del molde. Entre los productos que se suelen hacer de esta forma están las botellas de plástico para bebidas y los recipientes huecos. En el moldeo por soplado en capas múltiples se usan tubos o piezas brutas coextruidas, lo que permite producir estructuras en varias capas. Como ejemplo de esas estructuras tenemos el embalaje de plástico para alimentos y bebidas, con características específicas.

10.5.

Moldeo rotativo

La mayor parte de los termoplásticos y algunos termofijos se pueden moldear en piezas grandes y huecas mediante moldeo rotativo. El molde metálico de pared delgada se fabrica en dos piezas —molde hembra bipartido— y está diseñado para girar en torno a dos ejes perpendiculares. Una cantidad predosificada de material plástico en polvo se pone en el interior del molde tibio. El polvo se obtiene por un proceso de polimerización, en el que se precipita el polvo dentro de un líquido. A continuación se calienta el molde, por lo general en un horno grande, mientras se hace girar respecto a dos ejes. Esta acción lanza el polvo contra el molde, y el calentamiento pega entre sí el polvo sin derretirlo. En algunas partes se agrega al polvo un agente químico para formar enlaces cruzados, y el enlazamiento cruzado sucede después de que se haya formado la parte en el molde, debido al calentamiento continuo. Los polímeros líquidos llamados plastisoles —los más comunes son los de vinilo— se usan también en el moldeo de pulpa (o por escurrimiento). Se trata de un proceso en el que el molde se calienta y gira al mismo tiempo. Las partículas del material plástico son impulsadas contra las paredes internas del molde calentado, debido a la acción del giro. Al tocar la pared, el material se funde y la recubre. La parte se enfría mientras sigue girando, y después se saca abriendo el molde.

10.6.

Termoconformado

El termoconformado, o conformado en caliente, consta de una serie de procesos para conformar lámina o película de plástico sobre un molde, aplicando calor y presión. En este proceso se calienta una lámina en un horno hasta el punto de hundimiento, en el que se produce un reblandecimiento, pero sin llegar a la fusión. A continuación la hoja se saca del horno, se coloca sobre un molde y se empuja contra él, por aplicación de vacío. El molde se encuentra normalmente a temperatura ambiente, por lo que la forma del plástico se establece al tocar el molde. Por la pequeña resistencia de los materiales que se forman así, la diferencia de presiones debida al vacío suele bastar para la formación, aunque también, para algunas piezas, se aplican presión de aire o métodos mecánicos. Los moldes para termoconformado suelen ser de aluminio, porque no se necesita que tengan una gran resistencia. Los orificios en los moldes suelen tener menos de 0,5 mm para no dejar marcas en las piezas conformadas.

10. Procesos de conformado de polímeros y materiales compuestos

10.7.

131

Moldeo por compresión

En el moldeo por compresión se coloca una carga preformada de material, un volumen predosificado de polvo o una mezcla viscosa de resina líquida y una carga, directamente en la cavidad de un molde calentado. El moldeo se hace bajo presión desde un tapón, o desde la parte superior del molde. El moldeo por compresión causa la formación de una rebaba, que a continuación se elimina, recortándola o mediante otros métodos. Las piezas que se suelen fabricar así son platos, manijas, tapas de recipientes, conexiones, componentes eléctricos y electrónicos, etcétera. Las fibras largas y seccionadas sólo se fabrican por este método. El moldeo por compresión se usa principalmente con resinas termofijas, estando el material original en estado parcialmente polimerizado. El enlazamiento cruzado se completa en la matriz calentada; los tiempos de curado van de 0,5 a 5 minutos, dependiendo del material y del espesor y la geometría de la pieza. Hay tres clases de moldes de compresión disponibles: el de tipo rebaba, para piezas superficiales o planas; el positivo, para piezas de alta densidad; y el semipositivo, para producciones de gran calidad.

10.8.

Moldeo por transferencia

El moldeo por transferencia representa un desarrollo posterior del moldeo por compresión. El material termofijo sin curar se coloca en una olla o cámara de transferencia calentada. Después de calentado el material, se inyecta en moldes calentados y cerrados. Un vástago, émbolo o tornillo alimentador giratorio — según el tipo de máquina usada— impulsa el material, que fluye a través de canales delgados y entra en la cavidad del molde. Este proceso genera una cantidad considerable de calor, que eleva la temperatura del material y lo homogeneíza. El curado se hace por enlazamiento cruzado. Como la resina está fundida al entrar en los moldes, la complejidad y el control dimensional de las partes se acercan a los del moldeo por inyección. Entre las piezas que se fabrican mediante moldeo por transferencia están componentes eléctricos y electrónicos, así como piezas de hule y silicona. El proceso se adapta muy bien a las formas intrincadas, con distintos espesores de pared.

10.9.

Colado

Algunos termoplásticos, como los nailons y los acrílicos, y algunos plásticos termofijos como los epóxicos, fenólicos, poliuretanos o poliéster, se pueden colar en moldes rígidos o flexibles, con una diversidad de formas. Entre las partes

132

10.9. Colado

que se suelen fabricar así están engranajes, cojinetes, ruedas, láminas gruesas y componentes que necesiten tener resistencia al desgaste por abrasión. – En el colado convencional de los termoplásticos, se vierte una mezcla de monómero, catalizador y diversos aditivos, después de calentarla. La parte se forma después de efectuarse la polimerización a presión atmosférica. Se pueden producir formas intrincadas con moldes flexibles, que después se desprenden, pudiendo ser necesaria una desgasificación para conservar la integridad del producto. – Vaciado o fundición centrífuga. Este proceso se usa también con plásticos, incluyendo los plásticos reforzados con fibras cortas. Los polímeros termofijos son fundidos en forma similar; las piezas típicas producidas son similares a las fabricadas con fundición de polímeros termoplásticos. – Sembrado y encapsulado. Una variación del colado, importante en la industria eléctrica y electrónica, es el sembrado (potting) y el encapsulado. Este proceso consiste en colar el plástico en torno a un componente eléctrico, para embeberlo en el plástico. El sembrado se hace en una caja, que es parte integral del producto. En el encapsulado, el componente se recubre con una capa de plástico solidificado. – Moldeo y colado de espuma. Los productos tales como los vasos y los platos para alimentos de espuma de estireno, los bloques aislantes y los materiales moldeados de embalaje se fabrican por moldeo de espuma. El material es poliestireno expandible. Se colocan unas perlas de poliestireno (obtenidas polimerizando el monómero de estireno) en un molde, con un agente espumante, y se exponen al calor, normalmente con vapor de agua. En consecuencia, las perlas se expanden hasta cincuenta veces su tamaño original y toman la forma del molde. Se puede controlar la cantidad de expansión haciendo variar la temperatura y el tiempo. Un método común de moldeo es usar perlas preexpandidas, en el que las perlas se expanden parcialmente con vapor en una cámara sin tapa. A continuación las perlas se ponen en un silo de almacenamiento y allí se dejan estabilizar durante tres a doce horas. Después se pueden moldear en la forma descrita anteriormente. Las perlas de poliestireno se consiguen en tres tamaños: pequeño, para vasos; mediano, para formas moldeadas; y grande, para moldear bloques aislantes que, a continuación, se pueden cortar a su tamaño. El tamaño de perla seleccionado depende del espesor mínimo de la pared del producto. El procesamiento de espuma de poliuretano, para obtener productos como cojinetes y bloques aislantes, consiste en varios pasos. En forma básica, comienza mezclando dos o más componentes químicos; la reacción forma una estructura celular que se solidifica en el molde.

10. Procesos de conformado de polímeros y materiales compuestos

10.10.

133

Conformado en frío y en fase sólida

Los procesos que se han usado en el trabajo de los metales en frío, como laminado, embutición profunda, extrusión, estampado, acuñado y conformado con hule, también se pueden usar para moldear muchos termoplásticos a temperatura ambiente (conformado en frío). Entre los materiales característicos que se moldean están el polipropileno, policarbonato, abs (acrilonitrilo-butadienoestireno) y pvc rígido. Deben tenerse en cuenta principalmente dos cuestiones: primero, el material debe ser suficientemente dúctil a temperatura ambiente, con lo que los poliestirenos acrílicos y los termofijos no se pueden moldear; segundo, la deformación del material no debe ser recuperable, para minimizar la restitución y la fluencia. Las ventajas del conformado de los plásticos en frío por encima de otros métodos de moldeo son las siguientes: aumentan la resistencia, la tenacidad y la elongación uniforme; se pueden usar con altos pesos moleculares y así fabricar piezas con mejores propiedades; las velocidades de formación no se ven afectadas por el grosor de la pieza, porque no intervienen calentamiento ni enfriamiento; por regla general, los tiempos de ciclo son más cortos que en los procesos de moldeo. El conformado en fase sólida se realiza a temperaturas de 10 a 20 ◦ C menores que la temperatura de fusión del plástico (cuando es un polímero cristalino), mientras aún está en estado sólido. Las ventajas sobre el conformado en frío son que las fuerzas de conformado y restitución son menores.

10.11.

Procesamiento de elastómeros

Los elastómeros se pueden moldear mediante varios procesos de los que también se usan para moldear los termoplásticos. Los elastómeros termoplásticos se suelen formar por moldeo por extrusión o inyección; la extrusión es el proceso más económico y rápido. En términos de sus características de procesamiento, un elastómero termoplástico es un polímero; en términos de su función y desempeño, es un hule. Estos polímeros también se pueden moldear por soplado o por termoconformado. El poliuretano termoplástico se puede moldear por todos los métodos convencionales; también se puede mezclar con hules termoplásticos, compuestos con cloruro de vinilo, con abs y con nailon. Es importante la capacidad de secado de los materiales. Para la extrusión, las temperaturas se encuentran entre 170 y 230 ◦ C. Los productos característicos de elastómero extruido son tubos, mangueras, moldes y cámaras de neumático. Los productos moldeados por inyección abarcan una amplia gama de aplicaciones, como componentes de automóviles y electrodomésticos. Las láminas de hule y de algunos termoplásticos se forman por el proceso de calandrado, en el que una masa tibia del compuesto se alimenta a una serie

134

10.12. Procesamiento de plásticos reforzados

de rodillos y es masticada, desprendiéndose en forma de hoja. El hule también se puede formar sobre las dos superficies de un forro de tela. Los productos discretos de hule, como por ejemplo los guantes, se fabrican sumergiendo un molde metálico varias veces en una mezcla líquida que se adhiere al molde. A continuación se vulcaniza, por lo general en vapor, y se desprende del molde.

10.12.

Procesamiento de plásticos reforzados

Los plásticos reforzados pueden diseñarse para cumplir con requisitos específicos, como por ejemplo grandes relaciones entre resistencia y peso, así como resistencia a la termofluencia o deformación gradual. Debido a su estructura única, los plásticos reforzados requieren métodos especiales para moldearlos y formar con ellos productos útiles. El cuidado que se requiere y los diversos pasos de fabricación de estos plásticos hacen que los costos de procesamiento sean apreciables y que, en general, no sean competitivos con los materiales y las formas tradicionales. Un asunto importante para la seguridad y el ambiente, en los plásticos reforzados, es el polvo que se genera durante el procesamiento. Normalmente, se pueden fabricar los plásticos reforzados con los métodos que se describen en este capítulo, además de cierto margen por la presencia de más de una clase de material en el compuesto. El refuerzo puede ser de fibras cortadas, tela tejida, mecha o hilos (fibras ligeramente torcidas), o bien en tramos continuos de fibra. Para obtener buena adhesión entre las fibras de refuerzo y la matriz de polímero, así como para protegerlas durante el procesamiento siguiente, las fibras se tratan superficialmente por impregnación (encolado). Se suelen agregar fibras cortas a los termoplásticos para el moldeo por inyección; para el moldeo por inyección y reacción se pueden usar fibras molidas; las fibras más largas troceadas se usan principalmente en el moldeo de plásticos reforzados por compresión. Cuando se realiza la impregnación como paso aparte, las láminas que resultan, parcialmente curadas, poseen nombres diversos: – Preimpregnados o prepegs. En un procedimiento habitual para fabricar preimpregnados, las fibras continuas se alinean primero y después se someten al tratamiento superficial, para aumentar la adhesión a la matriz de polímero. A continuación se recubren, sumergiéndolas en un baño de resina, y por último se conforman en una lámina o cinta. – Compuesto de moldeo de láminas (smc, sheet-molding compound ). Las hebras continuas de fibra reforzada se cortan primero en tramos cortos y después se depositan en direcciones aleatorias sobre una capa de pasta de resina, que normalmente es una formulación de poliéster que puede contener rellenos como diversos polvos minerales depositada a su vez en una película de un polímero como polietileno. Encima se deposita una segunda capa de pasta de resina, y la lámina se comprime entre rodillos. El producto se forma en rollos o se pone en capas en recipientes y se almacena

10. Procesos de conformado de polímeros y materiales compuestos

135

hasta que ha pasado un período de maduración, tiempo en el que alcanza la viscosidad adecuada para el moldeo. El proceso de maduración se lleva a cabo a temperatura y humedad controladas, y normalmente dura un día. – Compuesto de moldeo volumétrico (bmc, bulk-molding compound ). Estos compuestos tienen la forma de palanquillas en general de hasta 50 mm de diámetro y se fabrican de la misma manera que los smc, con el proceso de extrusión para obtener una forma a granel. También se denominan compuestos de moldeo de masa (dmc, dough-molding compounds). – Compuesto de moldeo grueso (tmc). Estos compuestos combinan una característica de los bmc (menor costo) con una de los smc (mayor resistencia). Se suelen moldear por inyección, con fibras troceadas de diversas longitudes. Una de sus aplicaciones es la fabricación de componentes eléctricos, por la alta rigidez dieléctrica de los tmc.

10.12.1.

Moldeo

Existen diversos procesos de moldeo para plásticos reforzados: – En el moldeo por compresión, el material se pone entre dos moldes y se aplica presión. Según el material, los moldes pueden estar a temperatura ambiente, o ser calentados para acelerar el endurecimiento. – En el moldeo en bolsa al vacío, los preimpregnados se tienden en un molde formando el contorno deseado. En este caso, la presión necesaria para moldear el producto y desarrollar buena adhesión se obtiene cubriendo el tendido con una bolsa de plástico y creando un vacío. Para evitar que la resina se pegue a la bolsa de vacío y para facilitar la eliminación de su exceso, se colocan varias láminas de diversos materiales (tela de desprendimiento, tela de purga) sobre las láminas de preimpregnado. – Los procesos de moldeo por contacto usan un solo molde macho o hembra hecho de materiales como plásticos reforzados, madera o yeso. El moldeo por contacto se usa para fabricar productos con grandes relaciones de área a espesor, como por ejemplo piscinas, lanchas, etc. El método más sencillo es el de tendido a mano. En él los materiales se tienden y se conforman en el molde a mano, y por exprimido se expulsa todo el aire atrapado y se compacta la pieza. El moldeo se puede hacer por aspersión (rociado). Aunque la aspersión se puede automatizar, estos procesos son relativamente lentos y los costos de mano de obra son elevados. – El moldeo por transferencia de resina se basa en el moldeo por transferencia: se mezcla una resina con un catalizador y se fuerza a pasar a la cavidad del molde mediante una bomba de pistón del tipo de desplazamiento positivo, dentro de la cavidad del molde, que es llenado con fibra de refuerzo. – Moldeo por transferencia e inyección. Se trata de una operación automatizada que combina el moldeo por compresión, el moldeo por inyección y el

10.13. Procesamiento de materiales compositos con matriz de metal

136

moldeo por transferencia. Se está investigando el potencial de este proceso, en vista del buen acabado superficial, la estabilidad dimensional y las propiedades mecánicas, propias del moldeo por compresión, combinadas con la gran capacidad de automatización y el bajo costo del moldeo por inyección y el de transferencia que se alcanzan.

10.12.2.

Devanado de filamento, pultrusión y pulformado

– Devanado de filamento. Es un proceso en el que se combinan la resina y las fibras durante el curado. Las piezas con simetría axial, como tubos y tanques de almacenamiento, y hasta piezas asimétricas, se producen en un mandril rotatorio. Los productos fabricados con devanado de filamento son muy resistentes, por su estructura tan reforzada. – Pultrusión. Las formas largas con diversas secciones uniformes, como por ejemplo varillas, perfiles y tubo, de tipos parecidos a los de productos metálicos extruidos, se fabrican con el proceso de pultrusión. Éste fue desarrollado a principios de la década de los cincuenta, y consiste en jalar un refuerzo continuo (colchoneta o tela) a través de un baño de polímero termofijo, y después a través de un dado de acero largo y caliente. El producto se cura durante su paso por el molde. – Pulformado. Los productos reforzados en forma continua sin secciones transversales constantes son fabricados por pulformado. Después de tirar de él a través de un baño de polímero, el material compuesto se sujeta entre las dos mitades en un molde y se cura hasta llegar al producto terminado. Los moldes se recirculan y moldean en forma sucesiva a los productos.

10.12.3.

Consideraciones de calidad en el procesamiento de plásticos reforzados

Las principales consideraciones de calidad acerca de los procesos que se han descrito hasta aquí en el capítulo conllevan la formación de vacíos internos y huecos entre capas sucesivas de material. Los gases volátiles que se producen durante el proceso deben poder escapar del tendido a través de la bolsa de vacío para evitar porosidades debidas a los gases atrapados. Se pueden desarrollar microgrietas durante un curado impropio, o durante el transporte y manejo. Estos defectos se pueden descubrir con barrido ultrasónico y con otras técnicas.

10.13.

Procesamiento de materiales compositos con matriz de metal

Los tres métodos para fabricar materiales compositos con matriz de metal (mmc) son los siguientes:

10. Procesos de conformado de polímeros y materiales compuestos

137

– Procesamiento en fase líquida, que consiste fundamentalmente en colar la matriz de líquido y el refuerzo sólido con alguno de los procesos convencionales de colado o el colado con infiltración de presión. – Procesos en fase sólida, que consisten en técnicas de pulvimetalurgia, incluyendo el prensado isostático frío o caliente. Es importante el mezclado adecuado para obtener una distribución homogénea de las fibras. En la fabricación de piezas complejas de matriz metálica con refuerzo de triquitas o de fibras, son muy importantes la geometría de la matriz y el control del proceso, para asegurar la buena distribución y orientación de las fibras en el interior de la pieza. – Las técnicas que se usan en el procesamiento en dos fases (líquido y sólido) consisten en el rheocasting y en la atomización y deposición.

10.14.

Procesamiento de materiales compuestos con matriz de cerámico

La infiltración por escurrimiento (slurry) es el proceso más común. Implica la preparación de una preforma de fibra, que se prensa en caliente y a continuación se impregna con un lodo (que contiene el polvo de la matriz), un líquido portador y un aglomerante orgánico. Un desarrollo de este proceso es la adhesión con reacción, o sinterizado con reacción del lodo. El uso de la infiltración de lodo proporciona alta resistencia, tenacidad y estructura uniforme, pero el producto posee propiedades limitadas a alta temperatura, por la baja temperatura de fusión de los materiales de matriz que se usan. Los procesos de síntesis química implican técnicas como sol-gel y polímeroprecursor. En el proceso sol-gel, un sol, que es un fluido coloidal con líquido como fase continua, y que contiene fibras, se convierte en un gel, que a continuación se somete a tratamiento térmico para producir un compuesto con matriz de cerámico. El método polímero-precursor se parece al proceso para fabricar fibras de cerámico. En la infiltración química de vapor se infiltra una preforma porosa de fibra con la fase de la matriz, usando técnicas de deposición de vapor. El producto tiene muy buenas propiedades a alta temperatura, pero el proceso es costoso y lento.

10.15.

Consideraciones de diseño y economía para el moldeo y conformado de plásticos

Comparados con los metates, los plásticos tienen menor resistencia y rigidez, aunque las relaciones de resistencia a peso y de rigidez a peso en los plásticos reforzados es mayor que en muchos metales. En consecuencia, se deben seleccionar los tamaños de los perfiles tratando de mantener un módulo de

138

10.15. Consideraciones de diseño y economía

sección alto para tener mejor rigidez. Además, el refuerzo con fibras o partículas puede ser muy eficaz para lograr este objetivo, al igual que el diseño de perfiles transversales con una gran relación entre momento de inercia y área. Una de las principales ventajas del diseño con plásticos reforzados es la naturaleza direccional de la resistencia del material composito. Las fuerzas aplicadas al material son transferidas por la matriz de resina a las fibras, que son mucho más resistentes y rígidas que la matriz. Cuando todas las fibras están orientadas en una dirección, el material compuesto que resulta tiene una resistencia excepcional en esa dirección. Para obtener resistencia en dos direcciones principales, se suelen tender dos capas individuales unidireccionales en los ángulos adecuados entre sí. Si se desea obtener resistencia en la tercera dirección (el espesor), se usa un material compuesto de tipo distinto, para formar una estructura de emparedado. Las propiedades físicas, en especial un alto coeficiente de dilatación térmica (y por consiguiente de contracción) son importantes. El diseño o el ensamblaje inadecuado de la pieza puede originar torcimientos y contracción. Las propiedades del producto final dependen del material original y de su historia de procesamiento. El trabajo de los polímeros en frío mejora su resistencia y tenacidad. Por otro lado, debido a la falta de uniformidad en la deformación (aun en un laminado sencillo), se desarrollan esfuerzos residuales en los polímeros, así como en los metales. Estos esfuerzos se pueden generar también por ciclos térmicos en la pieza. La magnitud y la dirección de los esfuerzos residuales, independientemente de cómo se produzcan, son factores importantes. Estos esfuerzos pueden desaparecer después de cierto tiempo, y causar distorsión de la pieza durante su vida útil.

Tema 11

Procesos de conformado mediante técnicas pulvimetalúrgicas y de prototipado rápido 11.1.

Introducción

El proceso de la pulvimetalurgia fue empleado por primera vez por los egipcios, en torno al 3000 a.C., para fabricar herramientas de hierro. Una de las primeras aplicaciones modernas tuvo lugar a comienzos del siglo xx para fabricar filamentos de tungsteno para lámparas incandescentes. La disponibilidad de una gran variedad de formulaciones en polvo, la posibilidad de producir partes directamente a sus dimensiones finales (i.e., a forma neta y la economía de la operaciones en general hacen atractivo este proceso para muchas aplicaciones. Los productos que se suelen fabricar con técnicas de pulvimetalurgia van desde esferas diminutas para bolígrafos, engranajes, levas y bujes, productos porosos tales como filtros y cojinetes impregnados de aceite, hasta una diversidad de partes de vehículos (que hoy en día forman el setenta por ciento del mercado de la pulvimetalurgia), como anillos de pistón, guías de válvulas, bielas y pistones hidráulicos. Un automóvil común contiene hoy, en promedio, 11 kilogramos de partes metálicas de precisión fabricadas mediante pulvimetalurgia, y se estima que dicha cantidad aumentará en breve hasta 22 kilogramos. Los metales que más se emplean en la pulvimetalurgia son el hierro, cobre, aluminio, estaño, níquel, titanio y metales refractarios. Para piezas de latón, bronce, aceros y aceros inoxidables se emplean polvos prealeados, donde cada partícula de polvo es en sí una aleación. La metalurgia de polvos se ha vuelto competitiva con procesos como fundición, forjado y maquinado, en especial para piezas relativamente complejas hechas de aleaciones duras y de alta resistencia. Actualmente, el avance de la

140

11.2. Producción de metales en polvo

tecnología permite fabricar partes estructurales de aviones —como por ejemplo trenes de aterrizaje, soportes, rodetes y compartimentos de motores— por medio de la pulvimetalurgia. Por su parte, los productos de vidrio se fabrican fundiéndolos y moldeándolos con moldes, máquinas y diversos dispositivos, o soplándolos. Entre las formas que se producen están el vidrio plano, las varillas, las fibras de vidrio, el tubo y piezas discretas como botellas. La resistencia del vidrio se puede mejorar mediante tratamientos térmicos y químicos.

11.2.

Producción de metales en polvo

La pulvimetalurgia consiste, básicamente, en las siguientes operaciones: producción de polvo, mezclado, compactación, sinterización, operaciones de acabado. Para mejorar la calidad y la exactitud dimensional, o en aplicaciones especiales, pueden llevarse a cabo procesos adicionales: acuñado, dimensionamiento, forjado, maquinado, infiltración, resinterización. . .

11.2.1.

Métodos de producción de polvos

Existen varios métodos para producir metales en polvo, y en la mayor parte de los casos los polvos metálicos se pueden producir con más de un método. La elección depende de los requisitos del producto final. Los tamaños de partícula van de 0,1 a 1000 µm. Las materias primas metálicas suelen ser metales y aleaciones a granel, menas, sales u otros compuestos. La forma, tamaño, distribución, porosidad, pureza química y las características a granel y superficiales de las partículas dependen del proceso específico que se use. Estas características son importantes porque afectan mucho al flujo y a la permeabilidad durante la compactación, y a las operaciones siguientes de sinterización. 1. Atomización. La atomización produce una corriente de metal líquido inyectando un metal fundido en un orificio pequeño. La corriente se desintegra con chorros de gas inerte, aire o agua. El tamaño de las partículas que se forman depende de la temperatura del metal, el caudal, el tamaño de la boquilla y las características de los chorros. En una variante de este método, se hace girar un electrodo consumible, rápidamente, en una cámara llena de helio. La fuerza centrífuga desintegra la punta fundida del electrodo y forma partículas metálicas. 2. Reducción. La reducción de óxidos metálicos requiere gases tales como hidrógeno o monóxido de carbono como agentes reductores. Con este método los óxidos metálicos muy finos se reducen y pasan al estado metálico. Los polvos producidos mediante este método son muy esponjosos y porosos, y poseen formas esféricas o angulares, de tamaño uniforme.

11. Técnicas pulvimetalúrgicas y de prototipado rápido

141

3. Deposición electrolítica. En este método se usan soluciones acuosas o sales fundidas. Los metales producidos son de lo más puro que se puede conseguir. 4. Carbonilos. Los carbonilos metálicos, como el carbonilo de hierro Fe (CO) 5 y el de níquel Ni (CO)4 , se forman haciendo reaccionar hierro o níquel con el monóxido de carbono. Los productos de reacción se descomponen a continuación para obtener hierro y níquel, en forma de partículas pequeñas, densas y uniformemente esféricas, de gran pureza. 5. Pulverización. La pulverización mecánica implica la fragmentación, molido en molino de bolas o esmerilado de metales frágiles o menos dúctiles para obtenerlos en pequeñas partículas. Un molino de bolas es una máquina con un cilindro giratorio hueco, lleno en parte con bolas de acero o de fundición blanca. 6. Aleación mecánica. En este proceso, desarrollado en la década de los sesenta, se mezclan polvos de dos o más metales puros en un molino de bolas. Debido al impacto de las bolas duras, los polvos se rompen y se unen entre sí por difusión, formando polvos de aleación. 7. Otros métodos. Otros métodos que se emplean con menos frecuencia son: la precipitación de una solución química; la producción de esquirlas metálicas finas mediante maquinado; y la condensación de vapor. Entre los nuevos avances se incluyen técnicas basadas en procesos de metalurgia extractiva a alta temperatura. 8. Nanopolvos. Entre los nuevos desarrollos se encuentra la producción de nanopolvos de cobre, aluminio, hierro, titanio y otros metales. Como estos polvos son pirofóricos (se encienden espontáneamente) o se contaminan con facilidad al exponerlos al aire, se embarcan en forma de lodos espesos bajo hexano gaseoso. Cuando el material se somete a una gran deformación plástica por compresión y corte, a valores de esfuerzo de 5500 MPa durante el procesamiento de los polvos, el tamaño de partícula se reduce y el material se vuelve no poroso, y sus propiedades se vuelven más favorables. 9. Polvos microencapsulados. Estos polvos metálicos están totalmente recubiertos con un aglomerante. Para aplicaciones eléctricas como fabricación de componentes magnéticos de bobinas de ignición y otras donde se usan impulsos de alterna y continua, el aglomerante funciona como aislante, evitando que la electricidad pase entre las partículas, reduciendo así las pérdidas por corrientes parásitas. Los polvos se compactan con prensado en semicaliente; se usan con el aglomerante en su lugar.

11.2.2.

Tamaño, distribución y forma de las partículas

El tamaño de partícula se suele medir cribando, i.e., pasando el polvo metálico a través de cribas de distintos tamaños de malla. El análisis de mallas se hace con una pila vertical de cribas, reduciéndose el tamaño de malla a medida

142

11.2. Producción de metales en polvo

que el polvo va hacia abajo por la pila. Mientras mayor es el tamaño de malla, la abertura en la criba es menor. Además del análisis de mallas también hay otros métodos para analizar el tamaño de partícula. Se trata de: sedimentación, que implica medir la rapidez con la que se asientan las partículas en un fluido; microscopía, que puede implicar el uso de microscopía electrónica de barrido; dispersión de luz de un láser que ilumina un muestra de partículas suspendidas en un medio líquido, produciéndose una dispersión diferenciada según el tamaño de las partículas y calculándose dicha dispersión y, con ella, la distribución de tamaños; medios ópticos, como el bloqueo de un rayo por las partículas, que se detecta mediante una célula fotoeléctrica; y, por último, suspensión de partículas en un líquido y detección de la distribución de tamaños mediante sensores ópticos. La forma de la partícula posee gran influencia sobre las características del procesamiento. Se suele describir en función de la relación de aspecto o del factor de forma. La relación de aspecto es el cociente entre las dispersiones máxima y mínima de una partícula. Esta relación va desde la unidad (para una partícula esférica hasta diez, más o menos, para partículas fusiformes o en forma de hoja. Por su parte, el factor de forma, o índice de forma, es una medida de la relación del área de la superficie de la partícula entre su volumen, normalizada con respecto a una partícula esférica de volumen igual. Así, por ejemplo, el factor de forma de una hoja es mayor que el de una esfera.

11.2.3.

Mezclado de polvos metálicos

El mezclado de polvos es el segundo paso en la metalurgia de polvos. Se lleva a cabo con los siguientes objetivos: – Como los polvos fabricados por diversos procesos poseen distintos tamaños y formas, deben mezclarse para obtener uniformidad. La mezcla ideal es aquella en la que todas las partículas de cada material se distribuyen uniformemente. – Se pueden mezclar polvos de distintos metales y otros materiales para impartir propiedades y características físicas y mecánicas especiales al producto. – Se pueden mezclar lubricantes con los polvos para mejorar sus características de flujo. Se obtiene una menor fricción entre las partículas metálicas, menor flujo de los metales en polvo hacia los moldes y mayor vida de las matrices. El mezclado de los polvos se debe hacer bajo condiciones controladas para evitar contaminaciones o deterioro. El deterioro se debe a un exceso de mezclado, que puede modificar la forma de las partículas y endurecerlas por trabajo, dificultando así la siguiente operación de compactación. Los polvos se pueden mezclar en aire, en atmósferas inertes (para evitar la oxidación) o en líquidos, que funcionan como lubricantes y hacen más uniforme la mezcla. Se dispone de

11. Técnicas pulvimetalúrgicas y de prototipado rápido

143

varios tipos de equipo de mezclado. Para mejorar y conservar la calidad, estas operaciones tienden a ser controladas mediante microprocesadores. Riesgos Por su gran relación de superficie a volumen, los polvos metálicos son explosivos, en especial el aluminio, magnesio, titanio, circonio y torio. Se debe tener gran cuidado durante el mezclado y en el almacenamiento y manejo. Entre las precauciones están: la conexión del equipo a tierra; la prevención de chispas; y la prevención de nubes de polvo, llamas descubiertas y reacciones químicas.

11.3.

Compactación de polvos metálicos

La compactación es el paso en el que los polvos mezclados se prensan en matrices o moldes para obtener las formas deseadas. Las prensas que se usan son de acción hidráulica o neumática. Los objetivos de la compactación son obtener la forma, densidad y contacto entre partículas necesarios para que la parte adquiera la resistencia suficiente y se pueda seguir procesando. El polvo prensado se llama comprimido crudo o en verde. El polvo debe fluir con facilidad para llenar bien la cavidad del molde. El prensado se suele hacer a temperatura ambiente, aunque también se puede hacer a altas temperaturas. La densidad del comprimido crudo depende de la presión aplicada. Al aumentar la presión de compactación, la densidad tiende a la del metal macizo. Otro factor importante es la distribución de tamaños de las partículas. Si todas ellas son del mismo tamaño, siempre habrá algo de porosidad cuando se compacten (teóricamente, cuando menos el 24 por ciento del volumen). Sin embargo, si se introducen esferas más pequeñas éstas pueden llenar los espacios entre las partículas mayores y así producir una mayor densidad del comprimido. Mientras mayor sea la densidad, mayores serán la resistencia y el módulo de elasticidad de la pieza. La razón estriba en que, al aumentar la densidad, será mayor la cantidad de metal en el mismo volumen, por lo que aumentará su resistencia contra las fuerzas externas. Por la fricción entre las partículas metálicas del polvo, y la fricción entre los punzones y las paredes del dado, la densidad en el interior de la pieza puede variar de forma considerable. Esta variación se puede reducir al mínimo con un diseño correcto de punzón y matriz, así como controlando la fricción. Podrá necesitarse, por ejemplo, usar varios punzones con movimientos separados para asegurar que la densidad sea casi uniforme en toda la parte.

11.3.1.

Equipo

La presión necesaria para prensar metales en polvo va de 70 MPa para el aluminio hasta 800 MPa para partes de hierro de alta densidad. La presión de compactación necesaria depende de las características y la forma de las partículas, del método de mezclado y del lubricante.

11.3. Compactación de polvos metálicos

144

Las capacidades de las prensas van de 1,9 a 2,7 MN, aunque también se usan prensas de capacidades mucho mayores en aplicaciones especiales. En la mayor parte de las aplicaciones se requieren menos de 100 toneladas. Para fuerzas pequeñas se usan prensas mecánicas, de manivela o excéntricas; para capacidades mayores se emplean prensas de rótula o de palanca. Las prensas hidráulicas con capacidades de hasta 45 MN se pueden usar para partes grandes. La selección de la prensa depende del tamaño y la configuración de la pieza, de la densidad requerida y de la tasa de producción. Sin embargo, si aumenta la rapidez de prensado, aumentará la tendencia de la pieza a aprisionar aire en la cavidad de la matriz, impidiendo una correcta compactación.

11.3.2.

Prensado isostático

Se puede mejorar la compactación con procesos adicionales como, por ejemplo, prensado isostático, laminado y forjado. Como la densidad de los polvos compactados puede variar bastante, los comprimidos crudos se pueden someter a presión isostática para lograr una mayor compactación. En el prensado isostático en frío (pif), el polvo metálico se pone en un molde flexible de hule de neopreno, uretano, policloruro de vinilo u otro elastómero. A continuación se presiona hidrostáticamente el conjunto en una cámara, por lo general con agua. La presión más frecuente es 400 MPa, aunque se pueden usar presiones de hasta 1000 MPa. En el prensado isostático en caliente (pic), el recipiente se hace de metal laminado con alto punto de fusión, y el medio de presión es un gas inerte o un fluido vítreo. Las condiciones normales de un pic son 100 MPa a 1100◦C, aunque la tendencia actual es hacia mayores presiones y temperaturas. La ventaja principal del pic es su capacidad de producir comprimidos que tienen casi el cien por cien de la densidad, buena unión metalúrgica entre las partículas y buenas propiedades mecánicas. El proceso de prensado isostático en caliente se usa principalmente para fabricar componentes de superaleaciones para las industrias aeronáutica y aeroespacial, así como en aplicaciones militares, médicas y químicas. Con este proceso también se cierra la porosidad interna y se mejoran las propiedades en coladas de superaleaciones y de aleaciones de titanio para la industria aeroespacial. También se usa en forma rutinaria como paso de densificación final para buriles de carburo de tungsteno y con aceros para herramientas hechos con pulvimetalurgia. Las principales ventajas del prensado isostático son las siguientes: – Por la uniformidad de la presión en todas direcciones y la ausencia de fricción con la pared del molde, produce compactados con densidad total, de estructura granular y densidad prácticamente uniforme —en consecuencia, estos compactados poseen propiedades isotrópicas—, independientemente de la forma. Se han producido piezas con grandes relaciones de longitud a diámetro con densidad, resistencia y tenacidad muy uniformes, así como

11. Técnicas pulvimetalúrgicas y de prototipado rápido

145

con buen detalle superficial. – Es capaz de manejar piezas mucho mayores que los demás métodos de compactación. Las principales limitaciones son: – Hay tolerancias dimensionales mayores que las obtenidas con otros procesos de compactación. – El costo y el tiempo son mayores que los que requieren los demás procesos. – Sólo se aplican a producciones relativamente pequeñas —por ejemplo, de menos de diez mil piezas al año—.

11.3.3.

Otros procesos de compactación y moldeo

Moldeo de metales por inyección En este proceso, también denominado moldeo por inyección, se mezclan polvos metálicos muy finos (< 10 µm) con un polímero o bien con un aglomerante a base de cera. Los compactados verdes se colocan en un horno de baja temperatura para quemar el plástico, o bien se elimina el aglomerante por extracción con disolventes. A continuación, se sinterizan los comprimidos. Los metales adecuados para el moldeo por inyección son los aceros al carbono y los inoxidables; para herramientas, el cobre, bronce y titanio. Las piezas características que se fabrican son partes para relojes, cañones de armas de pequeño calibre, radiadores, partes para automóviles y bisturís. Las principales ventajas del moldeo de metales por inyección, con respecto a la compactación convencional, son las siguientes: – Se pueden moldear formas complejas, con espesores de pared de hasta 5 mm, y después se desprenden con facilidad de las matrices. – Las propiedades mecánicas son casi iguales a las de los productos forjados. – Las tolerancias dimensionales son buenas. – Se pueden alcanzar grandes tasas de producción usando matrices de huecos múltiples. La principal limitación de este proceso es que sus piezas deben ser relativamente pequeñas, y normalmente se limitan a 250 g; ello se debe, a su vez, al alto coste de los polvos metálicos finos que se requieren. Laminado En el laminado de polvos, también denominado compactación con rodillos, se alimenta el polvo al hueco entre los dos rodillos de una laminadora y se compacta formando una banda continua con velocidad de hasta 0,5 m/s. El

146

11.3. Compactación de polvos metálicos

proceso de laminado se puede hacer a temperatura ambiente o más elevada. Con este proceso se fabrica la lámina para componentes eléctricos y electrónicos, así como la que se usa para el acuñado de monedas. Extrusión Los polvos se pueden compactar por extrusión; para ello se confinan en un recipiente metálico y se extruyen. Después de sinterizadas, las partes preformadas con metalurgia de polvos se pueden recalentar para estamparlas a su forma final. Por ejemplo, los polvos de superaleaciones se extruyen en caliente para mejorar sus propiedades. Compactación sin presión En este método, la matriz se llena por gravedad con polvo metálico, que se sinteriza directamente dentro de ella. Por la baja densidad que se obtiene, la compactación sin presión se usa principalmente para fabricar partes porosas, tales como filtros. Moldes de cerámica Los moldes de cerámica para fabricar polvos metálicos se fabrican con la misma técnica de la fundición por revestimiento. Después de fabricado el molde se llena con polvo de metal y se coloca en un recipiente de acero. El espacio entre el molde y el recipiente se rellena con material en partículas. A continuación se hace el vacío en el recipiente, se sella y se somete a prensado isostático en caliente. Deposición por rociado La deposición por rociado es un proceso de generación de forma. Los componentes básicos de este proceso, para polvos metálicos, son: un atomizador; una cámara de aspersión con atmósfera inerte; y un molde para producir preformas. El molde puede tener distintas formas, como por ejemplo lingote, tubo, disco y cilindro. Aunque hay algunas variantes, el más conocido es el proceso Osprey. Después de atomizado, el metal se deposita sobre un molde enfriado de preforma, que normalmente es de cobre o de cerámica, donde se solidifica. Las preformas de deposición por rociado se pueden pasar a otros procesos de moldeo y consolidación, como forjado, laminado y extrusión. El tamaño de grano es fino y las propiedades mecánicas son comparables a las de los productos forjados hechos con la misma aleación.

11.3.4.

Materiales de punzones y matrices

La selección de materiales de punzón y de matriz para la metalurgia de polvos depende de la abrasividad del polvo metálico y de la cantidad de partes que se van a producir. Los metales más comunes en los dados son los aceros de herramienta templables en aire o en aceite, como el D2 y el D3, con durezas de 60 a 64 HRC. Por su mayor dureza y resistencia al desgaste, se usan matrices de carburo de tungsteno para aplicaciones más severas. Los punzones se suelen fabricar con materiales parecidos.

11. Técnicas pulvimetalúrgicas y de prototipado rápido

147

Es esencial un estrecho control de las dimensiones del punzón y la matriz para tener una buena compactación junto con una buena vida de la matriz. Si existe demasiada holgura entre el punzón y la matriz, el polvo metálico entrará al hueco e interferirá con la operación, causando que las partes sean excéntricas. En general, las holguras diametrales son menores de 25 µm. Se deben lapear o pulir las superficies de la matriz y el punzón en la dirección de movimiento de las herramientas, para mejorar su vida y la eficiencia en general.

11.4.

Sinterizado

El sinterizado o sinterización es el proceso de calentar los comprimidos crudos en un horno con una atmósfera controlada, hasta una temperatura menor al punto de fusión pero lo suficientemente alta como para permitir la adhesión (fusión) de las partículas individuales. Antes de la sinterización, el comprimido es frágil y su resistencia, denominada resistencia en verde, es baja. La naturaleza y la resistencia de la unión entre las partículas y, en consecuencia, del compactado sinterizado, dependen de los mecanismos de difusión, flujo plástico, evaporación de materiales volátiles del comprimido, recristalización, crecimiento de granos y contracción de poros. Las variables principales en el sinterizado son la temperatura, el tiempo y la atmósfera del horno. Las temperaturas de sinterizado suelen oscilar entre el setenta y el noventa por ciento del punto de fusión del metal o aleación. Los tiempos de sinterización van de un mínimo de unos diez minutos para aleaciones de hierro y cobre, hasta ocho horas, para tungsteno y tántalo. Los hornos de sinterizado continuo, usados hoy para el grueso de la producción, poseen tres cámaras: una cámara de quemado para volatilizar los lubricantes del comprimido crudo, para mejorar la resistencia de adhesión y evitar la rotura; una cámara de alta temperatura para el sinterizado; y una cámara de enfriamiento. Para obtener las propiedades óptimas es importante el buen control de la atmósfera del horno. Es esencial una atmósfera libre de oxígeno para controlar la cementación y la descarburación de los comprimidos de hierro y a base de hierro, y para prevenir la oxidación de los polvos. En general, se usa vacío para sinterizar aleaciones de metales refractarios y aceros inoxidables. Los gases que más se usan para sinterizar otros metales son hidrógeno, amoníaco disociado o quemado, hidrocarburos gaseosos parcialmente quemados y nitrógeno. Los mecanismos de sinterización son complejos: dependen de la composición de las partículas metálicas y de los parámetros del procesamiento. Al aumentar la temperatura, dos partículas adyacentes comienzan a formar una liga por el mecanismo de difusión (adhesión en estado sólido). En consecuencia, aumentan la resistencia, ductilidad y las conductividades térmica y eléctrica del comprimido. Sin embargo, al mismo tiempo el compactado se contrae, y en consecuencia se deben prever holguras de compactado, como en la fundición de metales. Un segundo mecanismo de sinterización es el de transporte en fase vapor. Como el material se calienta a temperaturas cercanas a su punto de fusión, hay átomos metálicos que pasan de las partículas a la fase de vapor. En las

148

11.5. Operaciones secundarias y de acabado

geometrías convergentes (i.e., en la interfase entre dos partículas), la temperatura de fusión local es mayor y la fase vapor vuelve a solidificar. De este modo, la interfase crece y se fortalece, mientras que cada partícula se contrae en su totalidad. Si dos partículas adyacentes son de metales distintos, se puede efectuar la aleación en la interfase entre ellas dos. Una puede tener un punto de fusión menor que la otra; en este caso, se podrá fundir una y, por la tensión superficial, rodeará la que no se ha fundido (sinterización en fase líquida). Un ejemplo es el del cobalto en las herramientas y matrices de carburo de tungsteno. Con este método se pueden obtener partes más resistentes y más densas. En la sinterización de fase líquida, la concentración de los componentes más pesados puede ser mayor en el fondo que en la parte superior, por efecto de la gravedad. Para obtener una distribución más uniforme, se hacen en la actualidad experimentos en transbordadores espaciales bajo condiciones de microgravedad. Otro método, todavía en fase experimental, es el sinterizado con chispa. En él, se ponen polvos metálicos sueltos en un molde de grafito, se calientan con corriente eléctrica, se someten a una descarga de gran energía y se compactan, todo ello en un paso. La descarga rápida expulsa los contaminantes —o toda capa de óxido, por ejemplo en el aluminio— de las superficies de las partículas, promoviéndose así una buena liga durante la compactación, a temperaturas elevadas. Propiedades mecánicas Según la temperatura, el tiempo y la historia de procesamiento, se pueden obtener distintas estructuras y porosidades en un comprimido sinterizado, que permiten modificar sus propiedades. No se puede eliminar por completo la porosidad, porque quedan huecos después de la compactación,y porque durante el sinterizado se desprenden gases. Los poros pueden formar una red de interconexiones o pueden ser huecos cerrados. En general, si la densidad del material es menor del ochenta por ciento de su densidad teórica, los poros están interconectados. La porosidad es una característica importante en la fabricación de filtros y cojinetes por metalurgia de polvos. Una de las principales ventajas de la metalurgia de polvos es que, a diferencia de los componentes forjados, que suelen requerir —a menos que se haya efectuado un forjado de precisión hasta su forma neta— procesos adicionales de maquinado, los producidos por pulvimetalurgia no suelen requerirlos.

11.5.

Operaciones secundarias y de acabado

Para mejorar las propiedades de los productos de metalurgia de polvos o para impartirles características especiales, se pueden efectuar varias operaciones más después del sinterizado: – Acuñado y dimensionamiento. Son operaciones de compactación a gran presión, en prensas. Los objetivos de estas operaciones son impartir exac-

11. Técnicas pulvimetalúrgicas y de prototipado rápido

149

titud dimensional en la parte sinterizada y mejorar su resistencia y acabado superficial mediante una mayor densificación. – Un avance importante es usar comprimidos de polvos de aleaciones preformadas y sinterizadas, que después se forjan en frío o en caliente hasta sus formas definitivas, a veces mediante forjado de impacto. Estos productos poseen un buen acabado superficial, buenas tolerancias dimensionales y un tamaño de grano fino y uniforme. Las mejores propiedades alcanzadas hacen que esta técnica sea especialmente adecuada para aplicaciones tales como la fabricación de componentes automotrices y de motores a reacción de alto rendimiento. – La porosidad inherente a los productos de pulvimetalurgia se puede aprovechar impregnándolos con un fluido. Una aplicación característica consiste en impregnar la parte sinterizada con aceite, por lo general sumergiéndola en aceite caliente. Los cojinetes y los bujes con lubricación interna, con hasta un treinta por ciento de aceite en volumen, se fabrican con este método. Estos componentes poseen un suministro continuo de lubricante, por acción capilar, durante sus vidas de servicio. Hoy se hacen uniones universales mediante técnicas de metalurgia de polvos con impregnación de grasas, que ya no requieren graseras. – La infiltración es un proceso en el que una masa de metal de menor punto de fusión se apoya contra la parte sinterizada, y a continuación se calienta el conjunto hasta una temperatura suficiente para fundir dicha masa. El metal fundido se infiltra por los poros, por acción capilar, y se produce una parte relativamente libre de poros, con buena densidad y resistencia. La aplicación más común es la infiltración de comprimidos a base de hierro con cobre. Las ventajas de la infiltración son que mejoran la dureza y la resistencia a la tensión y que los poros se llenan; esto último evita la penetración de humedad, que podría causar corrosión. También se puede hacer infiltración con plomo: debido a la baja resistencia al corte de este metal, la parte infiltrada desarrolla características de menor fricción que la que no se infiltró. Algunos materiales para cojinetes se fabrican con este método. – Las partes hechas con metalurgia de polvos se pueden someter a otras operaciones de acabado, como tratamiento térmico —para mejorar la dureza y la resistencia—, maquinado —para producir diversas características geométricas por fresado, taladrado y machuelado—, rectificado —para aumentar la exactitud dimensional y el acabado superficial—, y deposición —para mejorar la apariencia e impartir resistencia al desgaste y a la corrosión—.

11.6.

Consideraciones de diseño en pulvimetalurgia

– La forma del comprimido debe ser tan simple y uniforme como sea posible. Se deben evitar cambios bruscos de contornos, secciones delgadas,

11.7. Posibilidades del proceso

150

variaciones de espesor y grandes relaciones de longitud a diámetro. – Se debe prever el desmoldeado del comprimido verde de la matriz, sin dañarlo. – Al igual que en la mayor parte de otros procesos, se deben fabricar con pulvimetalurgia las partes con las tolerancias dimensionales más amplias adecuadas con sus aplicaciones, para aumentar la vida de la herramienta y la matriz, y para reducir los costos de producción. – Las tolerancias dimensionales de las partes fabricadas con pulvimetalurgia suelen ser del orden de ±0,05 ÷ 0,1 mm; las tolerancias mejoran mucho con operaciones adicionales como dimensionado, maquinado y rectificado.

11.7.

Posibilidades del proceso

Las principales ventajas de la pulvimetalurgia son las siguientes: – Se trata de una técnica para fabricar piezas con metales refractarios de alto punto de fusión, que puede ser difícil o antieconómico producir con otros métodos. – Permite grandes tasas de producción en piezas relativamente complejas, al usar equipo automatizado que requiere poca mano de obra. – Permite un buen control dimensional y, en muchos casos, la consiguiente eliminación de operaciones de maquinado y acabado; de esta forma se reducen los desechos y recortes y se ahorra energía. – La disponibilidad de una amplia gama de formulaciones hace posible la obtención de propiedades mecánicas y físicas especiales, como por ejemplo rigidez, capacidad de amortiguamiento, dureza y densidad, tenacidad y propiedades eléctricas y magnéticas específicas. Algunas de las nuevas superaleaciones se pueden moldear en partes tan sólo con el proceso de pulvimetalurgia. – Permite la posibilidad de impregnar e infiltrar, en aplicaciones especiales. En todo caso, existen en el proceso varias limitaciones: – El alto coste del polvo metálico, en comparación con las materias primas para fundir o forjar. – El alto costo de las herramientas y los equipos para pequeñas series de producción. – Las limitaciones con respecto al tamaño de la pieza y la complejidad de la forma.

11. Técnicas pulvimetalúrgicas y de prototipado rápido

151

– Las propiedades mecánicas resultantes, como la resistencia y la ductilidad, que suelen ser menores que las que se obtienen en el forjado. Sin embargo, las propiedades de las piezas fabricadas con pulvimetalurgia hasta densidad total, con prensado isostático en caliente o por forjado adicional pueden ser tan buenas como las de las partes fabricadas con otros procesos.

11.8.

Economía de la pulvimetalurgia

Como la pulvimetalurgia puede producir partes de forma neta o casi neta, eliminando así muchas operaciones secundarias de manufactura y armado, es cada vez más competitiva frente a la fundición, forjado y maquinado. Por otra parte, los altos costos iniciales de los punzones, matrices y equipo para procesamiento con pulvimetalurgia requieren que el volumen de producción sea suficientemente elevado como para garantizar estas inversiones. Aunque hay excepciones, el proceso suele ser económico para cantidades superiores a mil piezas.

11.9.

Moldeado de cerámicos

Se dispone de varias técnicas para procesar cerámicos y obtener productos útiles. En general, el procesamiento conlleva los siguientes pasos: partir o moler la materia prima para convertirla en partículas finas; mezclarla con aditivos para impartirle ciertas características adecuadas, y moldear, secar y cocer el material. El primer paso en el procesamiento de cerámicos es la trituración o molienda de las materias primas. La trituración se suele hacer en un molino de bolas, ya sea en seco o en mojado. Es más efectiva la molienda en mojado porque mantiene unidas las partículas y evita su diseminación en el aire. Después, las partículas se pueden cribar, filtrar y lavar. A continuación las partículas se mezclan con aditivos, cuyas funciones son algunas de las siguientes: aglomerante de las partículas cerámicas; lubricante, para ayudar al desmoldeo y reducir la fricción interna entre las partículas durante el moldeo; humectante, para mejorar el mezclado; plastificante, para hacer que la mezcla sea más plástica y moldeable; diversos agentes para controlar la formación de espuma y el sinterizado; y defloculante, para hacer más uniforme la suspensión cerámica en agua.1

11.9.1.

Vaciado

El proceso más común de vaciado es el de barbotina, también llamado vaciado de drenado. Una barbotina es una suspensión de partículas coloidales de 1 La defloculación cambia las cargas eléctricas en las partículas de arcilla, de tal modo que se repelen entre sí, en vez de atraerse. Se agrega agua para hacer más manejable y viscosa la mezcla. Los defloculantes normales son Na 2 C O 3 y Na 2 Si O 3 , en cantidades menores al uno por ciento.

11.9. Moldeado de cerámicos

152

cerámica en un líquido inmiscible que en general es agua. En este proceso, la barbotina se vierte en un molde poroso de yeso. Debe tener la fluidez suficiente y la viscosidad baja para fluir con facilidad hacia el molde. Después de que el molde ha absorbido algo del agua de las capas exteriores de la suspensión, se invierte y se vierte la suspensión restante para sacarla y fabricar productos huecos, como en la fundición de metales parcialmente derretidos. La parte superior se recorta, el molde se abre y se saca la pieza. Las piezas grandes y complicadas se pueden fabricar colando barbotina. El control de dimensiones es malo, y la rapidez de producción es baja, pero también son bajos los costes de moldes y equipos. En algunas aplicaciones se fabrican por separado las partes del producto (por ejemplo, asas de las tazas y jarras) y después se pegan con la barbotina como adhesivo. También pueden fabricarse los moldes en varias partes. El hierro y los metales magnéticos se apartan con separadores magnéticos en línea. Para las piezas de cerámico macizas, la barbotina se suministra en forma continua al molde, para reponer el agua absorbida. La suspensión no se vacía en el molde. En esta etapa, la pieza es un sólido suave, o es semirrígida. Mientras mayor sea la concentración de sólidos en la barbotina, menor es la cantidad de agua que se debe separar. La parte, llamada verde, se hornea a continuación. Mientras las partes de cerámica son verdes, se pueden maquinar con cuidado. Por la naturaleza delicada de los compactos verdes, el maquinado se suele hacer manualmente o con herramientas sencillas. Proceso de cuchilla de doctor Se pueden fabricar láminas delgadas de cerámica, de menos de 1,5 mm de espesor, con una técnica de colado llamada proceso de cuchilla de doctor. La barbotina se cuela sobre una banda de plástico en movimiento, y su espesor se controla con una cuchilla. Entre otros procesos están los dos siguientes: laminar la barbotina entre pares de rodillos, y colarla sobre una cinta de papel, que a continuación se quema durante el horneado.

11.9.2.

Moldeado plástico

El moldeado plástico, también denominado conformado suave, húmedo o hidroplástico, se puede hacer con varios métodos como extrusión, moldeo por inyección o moldeo y torneado de alfarero. El moldeo plástico tiende a orientar la estructura estratificada de la arcilla en la dirección del flujo de material, por lo que tiende a causar comportamiento anisotrópico del material, tanto en el procesamiento subsiguiente como en las propiedades finales del producto cerámico. En la extrusión, la mezcla de arcilla, con veinte a treinta por ciento de agua, se hace pasar por la abertura de un dado mediante un tornillo. El perfil transversal del producto extruido es constante y hay limitaciones de espesor de pared, para piezas extruidas huecas. Los costos de herramientas son bajos y las tasas de producción altas. Los productos extruidos pueden pasar por operaciones adicionales de moldeo.

11. Técnicas pulvimetalúrgicas y de prototipado rápido

11.9.3.

153

Prensado

Prensado en seco Esta operación se parece a la compactación de metales en polvo, y se aplica para obtener formas relativamente sencillas. Los productos característicos son la loza, los refractarios y los productos abrasivos. El proceso tiene las mismas tasas altas de producción y el estrecho control de tolerancias dimensionales de la pulvimetalurgia. El contenido de humedad de la mezcla suele ser menor del cuatro por ciento, aunque puede llegar a ser del doce. Se suelen agregar aglomerantes orgánicos e inorgánicos, como ácido esteárico, cera, almidón y alcohol polivinílico, que también funcionan como lubricantes. La presión de prensado es de 35 a 200 MPa. Las prensas modernas para prensar en seco están muy automatizadas. Los moldes o matrices, que con frecuencia son de carburos o de acero endurecido, deben tener gran resistencia al desgaste para soportar las partículas abrasivas de cerámico, y por ello pueden ser costosos. Al igual que en la compactación en la pulvimetalurgia, la densidad puede variar en forma apreciable en los cerámicos prensados en seco, por la fricción entre las partículas y con las paredes de los moldes. Las variaciones de densidad causan torcimientos durante el horneado. El torcimiento es especialmente grave en partes que tienen grandes relaciones de longitud a diámetro; la relación máxima recomendada es de dos a uno. Se pueden usar varios métodos para reducir al mínimo las variaciones de densidad; es importante el diseño de las herramientas. Se usan el prensado vibratorio y el moldeado por impacto, en especial con los elementos de combustibles en reactores nucleares. Con el prensado isostático también se reducen las variaciones de densidad. Prensado en húmedo En el prensado en húmedo, la parte se moldea bajo alta presión, en una prensa mecánica o hidráulica. Este proceso se usa en general para fabricar formas intrincadas. El contenido de humedad varía entre el 10 y el 55 por ciento. Las tasas de producción son altas; sin embargo, el tamaño de la parte es limitado, es difícil lograr el control de las dimensiones por la contracción durante el secado y los costos de las herramientas pueden ser altos. Prensado isostático El prensado isostático es muy empleado en la pulvimetalurgia; cuando se aplica a los cerámicos permite obtener una distribución uniforme de densidad en toda la pieza. Torneado (conformado con plantillas) Para fabricar placas de cerámica se usa una combinación de procesos. Las porciones de arcilla se extruyen primero y, a continuación, se moldean en forma de losa delgada sobre un molde de yeso; por último, se tornean sobre un molde rotatorio. El torneado es un movimiento en el que se moldea la losa de arcilla mediante plantillas formadoras. Después, la parte se seca y se cuece. Este proceso se limita a partes con simetría axial, con exactitud dimensional limitada, pero se puede automatizar la operación.

11.9. Moldeado de cerámicos

154

Moldeo por inyección Este proceso se usa hoy mucho para el moldeo de precisión de los cerámicos en aplicaciones de tecnología punta, como por ejemplo en los componentes de motores a reacción. La materia prima se mezcla con un aglomerante, como por ejemplo un polímero termoplástico o con una cera. Por lo general, se elimina el aglomerante por pirólisis; a continuación se sinteriza la parte en el horneado. Este proceso puede producir secciones delgadas, normalmente menores que 10 a 15 mm de espesor en la mayor parte de los cerámicos de uso en ingeniería —aluminio, circonio, nitruro de silicio, carburo de silicio—. Las secciones más gruesas requieren un control cuidadoso de los materiales usados y de los parámetros de procesamiento, para evitar huecos y grietas internas, en especial los debidos a la contracción. Prensado en caliente En esta operación, también denominada sinterizado a presión, se aplican en forma simultánea presión y temperatura. Este proceso produce partes más densas y resistentes, al reducir su densidad. Se suelen emplear atmósferas protectoras, y el grafito es el material acostumbrado en punzones y matrices. También se puede usar el prensado isostático en caliente, en especial para mejorar la exactitud de formas de la calidad de cerámicos de tecnología avanzada, como carburo de silicio y nitruro de silicio. Se ha demostrado que el prensado isostático en caliente con encapsulado en vidrio es eficaz para este propósito.

11.9.4.

Secado y cocción

El siguiente paso en el procesamiento del cerámico es secar y cocer la parte para comunicarle su resistencia y dureza adecuadas. El secado es una etapa crítica, por la tendencia de la pieza a torcerse o agrietarse, debido a variaciones en el contenido de humedad y el espesor. Es importante controlar la humedad y la temperatura atmosférica para reducir el torcimiento y el agrietamiento. Una parte del cerámico que se ha moldeado con alguno de los métodos descritos más arriba está en estado verde o crudo, igual que en la pulvimetalurgia. Esta parte se puede maquinar con relativa facilidad para llevarla a su forma casi neta. Aunque se debe manejar con cuidado, el maquinado no es muy difícil, por la blandura relativa del material. El cocido, horneado o sinterizado implica calentar la parte a una temperatura elevada en un ambiente controlado, proceso parecido al sinterizado en pulvimetalurgia. Se presenta cierta contracción durante el cocido. Esta operación produce la dureza y la resistencia de la pieza de cerámico. Esta mejora de propiedades se debe, por una parte, a que se desarrolla una liga resistente entre las partículas de óxido complejo en la cerámica y, por otra, a que se produce una reducción en la porosidad. En una nueva tecnología, aún no comercializada, se emplea el sinterizado por microondas de los cerámicos en hornos que trabajan a más de 2 GHz. Su economía dependerá de la disponibilidad de aislamientos poco costosos para los hornos.

11. Técnicas pulvimetalúrgicas y de prototipado rápido

155

Los cerámicos de nanofase se pueden sinterizar a menores temperaturas que las altas que se emplean en los cerámicos convencionales. Son más fáciles de fabricar, porque se pueden compactar con altas densidades a temperatura ambiente, prensar en caliente a la densidad teórica, y moldear en partes de forma casi neta, sin aglomerantes ni ayudas de sinterizado.

11.9.5.

Operaciones de acabado

Como el cocido origina cambios de dimensiones, se pueden efectuar operaciones adicionales para dar su forma final a las piezas del cerámico, mejorar su acabado superficial y tolerancias y eliminar cualquier defecto superficial. Los procesos de acabado que se usan son: el rectificado con una rueda de diamante; el lapidado y asentado —también denominados lapeado y horneado—; el maquinado ultrasónico; el taladrado, usando una broca con un recubrimiento de diamante; el maquinado por descarga eléctrica; el maquinado con rayo láser ; el corte con chorro abrasivo; el tamborado, para eliminar aristas agudas y marcas de rectificado. Es importante la elección del proceso, por la naturaleza frágil de la mayor parte de los cerámicos y por los costos adicionales que implica. También se debe tener en cuenta el efecto de la operación de acabado sobre las propiedades del producto; por ejemplo, a causa de la sensibilidad a muescas, mientras más fino sea el acabado será mayor la resistencia de la parte. Para mejorar la apariencia y la resistencia, y para impermeabilizarlos, con frecuencia los productos cerámicos se recubren con una pasta adecuada que forma una capa vítrea después del horneado.

11.10.

Moldeado y formado del vidrio

El vidrio se procesa fundiéndolo y moldeándolo, ya sea en moldes, en diversos aparatos o mediante soplado. Entre las formas que se producen están las placas planas, varillas, tubo, fibra de vidrio y productos discretos como botellas o bombillas. La resistencia del vidrio se puede mejorar con tratamientos térmicos y químicos. En general, los productos de vidrio se pueden clasificar como sigue: – Vidrio plano en placa o en lámina, con espesores desde 0,8 hasta 10 mm, como los vidrios de ventana, puertas de vidrio y vidrios de mesa. – Varilla y tubo, para manejar sustancias químicas, o letreros de neón y artefactos decorativos. – Productos discretos, como botellas, vasos, etc. – Fibras de vidrio para reforzar materiales compuestos y fibras ópticas.

11.10. Moldeado y formado del vidrio

156

Todos los procesos de moldeado y conformado de vidrio comienzan con el vidrio fundido, entre 1000 y 1200◦C para el vidrio normal o de sosa-cal-sílice.

11.10.1.

Láminas y placas planas

El vidrio plano se puede fabricar estirándolo o laminándolo en el estado fundido, o con métodos de flotación. Los tres métodos son procesos continuos. El proceso de estirado para fabricar vidrio plano se basa en una máquina en la que el vidrio fundido pasa por un par de rodillos. El vidrio que se solidifica es prensado entre ellos, saliendo en forma de lámina, que pasa a un conjunto de rodillos más pequeños. En el proceso de laminado, el vidrio fundido es comprimido entre rodillos y forma una lámina. Las superficies del vidrio se pueden grabar con un relieve en las superficies de los rodillos. De este modo, la superficie del vidrio es una réplica de la superficie del rodillo. La lámina de vidrio obtenida por estirado o laminado tiene una superficie áspera. Para fabricar el vidrio plano, ambas superficies se deben pulir y lustrar después, para que queden paralelas entre sí. En el método de flotado, el vidrio fundido del horno se alimenta a un baño en el que el vidrio, bajo atmósfera controlada, flota sobre un baño de estaño fundido. A continuación se pasa sobre rodillos a otra cámara (túnel de recocido), donde se solidifica. El vidrio flotado tiene una superficie lisa (pulida a fuego) y no necesita rectificarse ni pulirse.

11.10.2.

Tubo y varillas

El vidrio fundido se envuelve en torno a un mandril giratorio hueco, cilíndrico o cónico, y se estira y saca con un conjunto de rodillos. A través del mandril se sopla aire para evitar que se aplaste el tubo de vidrio. Estas máquinas pueden ser horizontales, verticales o con inclinación hacia abajo. Las varillas de vidrio se hacen en forma parecida, pero no se sopla aire a través del mandril; el producto estirado se transforma en varilla maciza.

11.10.3.

Fibras de vidrio

Las fibras continuas de vidrio se hilan o trefilan a través de orificios múltiples —con entre 200 y 400 agujeros— en planos calientes de platino, a velocidades de hasta 500 m/s. Con este método se pueden producir fibras de diámetros tan pequeños como 2 µm. Para proteger sus superficies, las fibras pasan a continuación a recubrirse con sustancias químicas. Las fibras cortas, que se usan como material aislante térmico (lana de vidrio) o para aislamiento acústico, se fabrican con aspersión centrífuga, donde se alimenta vidrio a una cabeza giratoria.

11. Técnicas pulvimetalúrgicas y de prototipado rápido

11.10.4.

157

Productos discretos de vidrio

Para fabricar productos de vidrio se emplean varios procesos. El proceso de soplado se usa para obtener artículos huecos y de paredes delgadas, como botellas y frascos. El aire soplado llena una masa de vidrio fundido y la empuja contra las paredes del molde. Éstos suelen estar recubiertos con un agente desmoldeador, como un aceite o una emulsión, para evitar que el vidrio se pegue en ellos. El acabado superficial de los productos fabricados con el proceso de soplado es aceptable para la mayor parte de sus aplicaciones. Es difícil controlar el espesor de pared del producto, pero se usa el proceso por su gran tasa de producción. En el prensado, una masa de vidrio fundido se coloca en un molde y se prensa hasta llegar a su forma, con un punzón. El molde puede ser de una pieza, o bien puede ser bipartido. Después de prensado, el vidrio que se solidifica adquiere la forma de la cavidad entre el molde y el punzón. Debido al ambiente de confinamiento, el producto tiene mayor exactitud dimensional que la que se obtiene con soplado. Sin embargo, el prensado no se puede usar para artículos con paredes delgadas, ni para productos (como las botellas) en los que no se pueda sacar el punzón. El proceso de colado centrífugo, que también se conoce como de rotación, se parece al que se usa en los metales. La fuerza centrífuga empuja al vidrio fundido contra la pared del molde, donde se solidifica. Entre los productos característicos de este método están los trc de televisión y los conos de nariz de misil. Las partes de vidrio en forma de platillo plano, o ligeramente grabadas, se pueden fabricar con el proceso de moldeo por hundimiento. Una lámina de vidrio se coloca sobre el molde y se calienta. El vidrio se hunde por su propio peso y toma la forma del molde. Este proceso se parece al de termoformado de los termoplásticos, pero se trabaja sin presión ni vacío.

11.11.

Técnicas para reforzar y tratar el vidrio

El vidrio se puede reforzar con diferentes procesos. Además, los productos de vidrio se pueden someter a tratamiento térmico (templado) y a otras operaciones de acabado. – Templado térmico, también llamado templado físico o templado por congelamiento. En este proceso se enfrían con rapidez las superficies del vidrio caliente. Esto causa que las superficies se contraigan y, al principio, que se desarrollen esfuerzos de tensión en ellas. Al comenzar a enfriarse el vidrio del interior, éste se contrae. Las superficies ya solidificadas se intentan contraer, por lo que se desarrollan esfuerzos residuales superficiales de compresión, mientras que el interior desarrolla esfuerzos de tensión. Los esfuerzos superficiales de compresión mejoran la resistencia del vidrio, del

11.12. Procesamiento de superconductores

158

mismo modo que lo hacen en otros materiales. Cuanto mayor sea el coeficiente de dilatación térmica del vidrio, y menor su conductividad térmica, el valor de los esfuerzos residuales que se desarrollan será mayor y, en consecuencia, el vidrio se hará más resistente. El templado térmico consume un tiempo relativamente corto (minutos) y se puede aplicar a la mayor parte de los vidrios. Por la gran cantidad de energía almacenada en los esfuerzos residuales, el vidrio templado se desintegra en una gran cantidad de pedazos pequeños, cuando se rompe. – Templado químico. En este proceso, el vidrio se calienta en un baño de KNO 3 , K 2 SO 4 o NaNO 3 fundidos, dependiendo del tipo de vidrio. Se efectúa un intercambio iónico en el que los átomos mayores reemplazan a los menores en la superficie del vidrio. En consecuencia, en la superficie se desarrollan esfuerzos residuales de compresión. El proceso puede efectuarse a diferentes temperaturas. A temperaturas bajas, la distorsión de la parte es mínima y, en consecuencia, se pueden procesar formas complejas. – Vidrio laminado. Este producto es el resultado de otro método de refuerzo, denominado refuerzo por laminado; consiste en poner dos piezas de vidrio plano con una hoja delgada de un plástico tenaz entre ellas. Cuando se rompe el vidrio laminado, sus pedazos se mantienen unidos por la lámina de plástico. Operaciones de acabado Como en los productos metálicos, se pueden desarrollar esfuerzos residuales en los productos de vidrio si no se enfrían con una velocidad suficientemente alta. Para asegurar que el producto no tenga estos esfuerzos, se recuece con un proceso similar al recocido de relevado de esfuerzos en los metales. El vidrio es calentado a determinada temperatura y luego se enfría gradualmente. Además del recocido, se pueden someter los productos de vidrio a operaciones posteriores, como corte, taladrado, rectificado y pulido. Se pueden alisar las aristas y esquinas agudas con esmerilado o acercando un soplete contra los bordes (pulido a fuego).

11.12.

Procesamiento de superconductores

Aunque los superconductores tienen un gran potencial de ahorro de energía en la generación, almacenamiento y distribución de electricidad, su procesamiento para obtener formas y tamaños útiles para aplicaciones prácticas posee dificultades importantes. Dos tipos básicos de superconductores son los metales (superconductores baja temperatura, incluyendo combinaciones de niobio, estaño y titanio) o los cerámicos (superconductores a alta temperatura, incluyendo diversos óxidos de cobre). En este caso, «alta» temperatura quiere decir temperatura más cercana a la ambiente. Los materiales superconductores cerámicos se consiguen en forma de polvo. La dificultad fundamental en su manufactura reside en su fragilidad y aniso-

11. Técnicas pulvimetalúrgicas y de prototipado rápido

159

tropía inherentes, que hacen difícil alinear los granos en la dirección correcta para obtener alta eficiencia. Cuanto menor es el tamaño del grano, más difícil es alinearlo. El proceso básico de manufactura consta de los siguientes pasos: preparación del polvo, mezcla del mismo y molienda en un molino de bolas hasta llegar a un tamaño de grano de 0,5–10 µm; moldeo, y tratamiento térmico. El proceso más común en el moldeado es el polvo de óxido en tubo. En él, el polvo se empaqueta en tubos de plata (por tener la plata la máxima conductividad eléctrica) y se sellan los extremos. A continuación, los tubos se conforman mecánicamente, con procesos de deformación como forjado rotatorio, estirado, extrusión, prensado isostático y laminado, para llegar a las formas finales que pueden ser alambre, cinta, bobina o a granel.

11.13.

Operaciones de prototipado rápido

Una tecnología nueva que acelera mucho el proceso iterativo de desarrollo del proceso es el concepto y la práctica de prototipado rápido. Los procesos de prototipado rápido se pueden clasificar en tres grupos principales: sustractivos, aditivos y virtuales. Como sus nombres indican, los procesos sustractivos implican quitar material de una pieza mayor que la parte final; los procesos aditivos forman una parte añadiendo material en incrementos, y los procesos virtuales usan tecnologías avanzadas de visualización basadas en cálculo. Casi todos los materiales se pueden fabricar mediante una operación de prototipo rápido, pero los polímeros son los que más se usan hoy día.

11.14.

Procesos sustractivos

Tradicionalmente, para fabricar un prototipo se han venido empleando procesos de manufactura que requieren diversas herramientas y máquinas; por lo general, se necesitan entre semanas y meses, dependiendo de la complejidad de la parte. Hasta fecha muy reciente, este método ha requerido operadores muy especializados, con maquinaria convencional de corte y acabado de metales para ejecutar operaciones, una tras otra, hasta que se termina el prototipo. Hoy en día, los procesos sustractivos usan tecnologías computerizadas para acelerar el proceso. Para estos procesos son esenciales las siguientes tecnologías: – Paquetes de dibujo basados en computadora, que pueden producir representaciones tridimensionales de las piezas. – Programas de interpretación, que puedan traducir el fichero cad a un formato útil para los programas de manufactura.

11.15. Procesos aditivos

160

– Programas de manufactura capaces de planear las operaciones de maquinado que se requieren para producir la forma deseada. – Maquinaria computerizada con control numérico, con la capacidad necesaria para fabricar las piezas. Cuando sólo se necesita un prototipo para verificación de la forma, la pieza se conforma con un material suave, que por lo general es un polímero o una cera, para reducir los problemas de maquinado.

11.15.

Procesos aditivos

Todas las operaciones aditivas de prototipado rápido forman las piezas en capas. Todos los procesos que se describen en esta sección construyen las piezas una rebanada tras otra. La diferencia principal entre los diversos procesos está en el método con el que se producen las rebanadas individuales. El primer paso consiste en obtener una descripción detallada de la pieza en un fichero cad. A continuación, la computadora forma rebanadas de la pieza tridimensional. Cada rebanada se analiza por separado, se compila un conjunto de instrucciones para alimentar la máquina de prototipo rápido con información detallada sobre la manufactura de la pieza. En este sistema, el prototipo rápido necesita la participación del operador en la preparación de los ficheros adecuados de cómputo y para iniciar el proceso de producción. Después de esta etapa, las máquinas suelen trabajar sin vigilancia y producir una parte aproximada después de algunas horas. A continuación, la parte pasa por una serie de operaciones manuales de acabado (como lijado y pintado) para terminar el prototipo. En general, los procesos aditivos son mucho más rápidos que los sustractivos; pueden tardar desde unos minutos hasta unas horas para producir una pieza.

11.15.1.

Modelado por deposición de material fundido

En el proceso de modelado por deposición de fundido (fdm, Fuel Deposition Modelling), una cabeza extrusora controlada por un robot colgado en un puente se mueve en dos direcciones principales sobre una mesa. La mesa se puede subir y bajar lo necesario. Se extruye un filamento de material termoplástico o cera por el pequeño oficio de un dado calentado. La capa inicial se deposita sobre una base de espuma, extruyendo el filamento a velocidad constante mientras la cabeza del extrusor sigue una trayectoria predeterminada. Cuando se termina la primera capa, la mesa baja para que se puedan sobreponer las capas siguientes. Las capas que deposita una máquina fdm se determinan por el diámetro del dado extrusor; en forma característica, varían entre 0,50 y 0,25 mm. Este espesor representa la mejor tolerancia alcanzable en dirección vertical. En el

11. Técnicas pulvimetalúrgicas y de prototipado rápido

161

plano XY , la precisión dimensional puede ser tan fina como 0,025 mm siempre que el filamento pueda extruirse y formar el detalle determinado. Un examen cuidadoso de una pieza moldeada por deposición de fundido indica que existe una superficie escalonada en los planos exteriores oblicuos. Si esta rugosidad de la superficie es indeseable, se puede usar una herramienta caliente para alisarla, o se puede aplicar un recubrimiento, que con frecuencia es una cera para pulir.

11.15.2.

Estereolitografía

Otro proceso muy común para obtener prototipos rápidos, que en realidad apareció antes del moldeado deposición de fundido, es la estereolitografía. Este proceso se basa en el principio de curar (endurecer) un fotopolímero líquido moldeado en una forma específica. Un depósito que contiene un mecanismo para bajar o subir una plataforma se llena con un polímero líquido de acrilato fotocurable. El líquido es una mezcla de monómeros y oligómeros —polímeros intermedios— de acrílico con un fotoiniciador. Un láser, en forma de rayo ultravioleta, se enfoca en cierta superficie seleccionada del fotopolímero y se mueve a continuación en las direcciones XY . El haz cura esta parte del fotopolímero y con ello produce un cuerpo sólido. A continuación la plataforma baja lo suficiente para cubrir el polímero curado con otra capa de polímero líquido, y la secuencia se repite. El polímero líquido del entorno sigue estando fluido, porque no se ha expuesto al rayo ultravioleta; la pieza se produce de abajo hacia arriba, en «rebanadas» individuales. El término estereolitografía con el que se describe este proceso se debe a que los movimientos son tridimensionales y que el proceso se parece a la litografía, en la que la imagen que se va a imprimir en una superficie plana es receptora de tinta, y las áreas en blanco son repelentes de tinta. Después de terminar, la pieza se saca de la plataforma, se seca y se limpia ultrasónicamente y con un baño de alcohol; a continuación se quita la estructura de soporte, y la pieza se somete a un ciclo de curado final. La tolerancia mínima que se puede lograr con la estereolitografía depende de la nitidez del foco del láser; en forma característica, es de alrededor de 0,0125 mm. Las superficies oblicuas también pueden tener una calidad muy alta.

11.15.3.

Sinterizado selectivo con láser

El sinterizado selectivo con láser (sls) es un proceso basado en sinterizar polvos no metálicos (o metálicos, con menor frecuencia) en forma selectiva para formar un objeto. El fondo de la cámara de procesamiento posee dos cilindros: – Un cilindro de alimentación de polvo, que sube en forma incremental para suministrar polvo al cilindro de formación de la pieza, mediante un mecanismo de rodillo.

11.15. Procesos aditivos

162

– Un cilindro de formación de la pieza, que se baja en forma incremental hasta donde se forma la parte sinterizada. Primero se deposita una capa delgada de polvo en el cilindro de formación de parte. A continuación se enfoca un rayo láser, guiado con una computadora de control de proceso con instrucciones para la parte deseada generadas por el programa cad en 3D, y traza y sinteriza determinada área transversal de masa sólida. El polvo en las demás zonas queda suelto, aunque sostiene a la porción sinterizada. A continuación se deposita otra capa de polvo; este ciclo se repite una y otra vez hasta que se ha producido la pieza tridimensional. Entonces se sacuden las partículas sueltas y se recupera la pieza, que no requiere más curado, a menos que sea un cerámico. En este proceso se pueden usar también varios materiales, incluyendo polímeros, cera, metales y cerámicos con aglutinantes adecuados. Lo más frecuente es usar polímeros, porque requieren láseres menores, menos costosos y menos complicados en el sinterizado.

11.15.4.

Curado en base sólida

El proceso de curado en base sólida, que también se denomina curado sólido en el suelo, es único, porque todas las rebanadas de una parte se fabrican de una vez; como resultado, se logra una gran producción, en comparación con otros procesos de prototipo rápido. Sin embargo, este proceso está entre los más costosos, por lo que su adopción ha sido menos frecuente que otros métodos de obtención rápida de prototipos. El método consta de los siguientes pasos: 1. Una vez creada una rebanada con el programa de cómputo, se imprime su mascarilla en una lámina de vidrio mediante un proceso de impresión electrostática. 2. Mientras se prepara la mascarilla, se deposita una capa delgada de polímero fotorreactivo en la superficie de trabajo y se reparte uniformemente. 3. La fotomascarilla se coloca sobre la superficie de trabajo y se enciende un reflector ultravioleta que la ilumina. Allí donde la mascarilla es transparente, la luz llega a curar al polímero y endurece la rebanada que se pretende. 4. La resina no afectada, todavía en estado líquido, se aspira y se quita de la superficie. 5. Se reparte cera líquida soluble en agua por el área de trabajo, que llena las cavidades que antes ocupaba el polímero líquido no expuesto a la luz. Como la pieza está sobre una placa de solidificación y el espacio de trabajo permanece frío, la cera se endurece con rapidez. 6. A continuación se maquina la capa para obtener el espesor correcto y una buena planitud.

11. Técnicas pulvimetalúrgicas y de prototipado rápido

163

7. El proceso se repite capa tras capa hasta completar la parte. El curado en base sólida tiene la ventaja de una gran rapidez de producción, debido a que se producen rebanadas completas de una vez, y al mismo tiempo porque se usan dos pantallas de vidrio en forma concurrente. Esto es, mientras se usa una mascarilla para exponer el polímero, la siguiente ya se está preparando y queda lista tan pronto como se termina la operación de maquinado. El soporte de cera es hidrosoluble; se puede quitar de inmediato o puede quedar en su lugar, como protección durante el transporte de la pieza.

11.15.5.

Manufactura con partículas balísticas

En el proceso de manufactura con partículas balísticas, se expulsa un chorro de material, como plástico, cerámico, metal o cera, por un orificio pequeño hacia una superficie (el blanco) con un mecanismo parecido al del chorro de tinta. Este mecanismo usa una bomba piezoeléctrica que trabaja cuando se aplica una carga eléctrica y genera una onda de choque que impulsa gotitas de 50 µm con una frecuencia de 10000 por segundo. La operación se repite en forma parecida a otros procesos y se construye la pieza con capas de material depositadas una sobre otra. La cabeza del chorro de tinta es guiada por un robot con tres ejes. La impresión tridimensional (3DP, 3-Dimensional Printing) se relaciona con la fabricación con partículas balísticas, excepto que, en lugar de depositar el material, la cabeza de impresión deposita un material aglutinante inorgánico (como sílice coloidal). Los materiales en polvo que se emplean con frecuencia son óxido de aluminio, carburo de silicio, sílice y circonio. Una pieza que se produce con frecuencia mediante impresión tridimensional es un cascarón cerámico de colada, en el que se funde un polvo de óxido de aluminio y sílice con un aglutinante de sílice.

11.15.6.

Fabricación de objetos laminados

La laminación consiste en tender capas que se pegan entre sí. En la fabricación de objetos laminados, se emplean capas de papel o láminas de plástico con un pegamento térmico en una cara, para producir las piezas. Las formas deseadas se queman en la hoja con un láser, y las partes se forman capa sobre capa. Una vez terminada la pieza hay que quitar manualmente el exceso de material. Este proceso se simplifica programando el láser para que queme perforaciones en pautas cruzadas: las líneas de malla que resultan hacen aparecer a la pieza como si se hubiera construido en papel milimetrado. En la fabricación de objetos laminados se usan hojas de hasta 0,05 mm de espesor, aunque es más habitual utilizarlas de 0,02 pulgadas, por lo que se pueden obtener tolerancias similares a las de la estereolitografía y del modelado con deposición de fundido. El papel comprimido tiene el aspecto y la resistencia de una madera suave, y

164

11.16. Construcción virtual del prototipo

las piezas de papel son fáciles de acabar o de recubrir. Estos sistemas, comparados con otras operaciones de prototipado rápido, emplean medios muy poco costosos, y los sistemas menos complicados representan las máquinas menos costosas. Se llaman máquinas de escritorio para prototipado rápido.

11.16.

Construcción virtual del prototipo

Las formas más sencillas de prototipado virtual usan programas complicados y rutinas gráficas tridimensionales para permitir a los espectadores cambiar el punto de vista de las partes en una pantalla de computadora. Las versiones más complicadas usan cascos y guantes de realidad virtual con los sensores adecuados, que permiten al usuario observar un prototipo de la pieza generada por computadora en un ambiente totalmente virtual. Quizás el ejemplo más conocido de producto que se ha fabricado sin prototipo físico alguno es el del Boeing 777; en él se evaluaron los ajustes e interferencias mecánicas en un sistema cad, y se corrigieron las dificultades antes de fabricar el primer modelo de producción.

11.17.

Aplicaciones de la tecnología de prototipado rápido a la fabricación de partes reales

Si bien es extremadamente útil como herramienta de demostración y visualización, los procesos de prototipo rápido también se han usado como paso de manufactura en la producción. Se usan dos metodologías básicas: producción directa de las partes deseadas con técnica de prototipado rápido; y producción de herramientas con prototipo rápido, para usarlas luego en las operaciones de manufactura.

11.17.1.

Producción de piezas individuales

Las piezas de polímeros que se pueden obtener con las diversas operaciones de prototipo rápido tienen utilidad no sólo para evaluar el diseño y buscarle fallos; a veces hasta se pueden usar estos procesos para fabricar productos vendibles, en forma directa. En cualquier caso, con frecuencia es preferible — por motivos funcionales— usar piezas metálicas, mientras que las operaciones de prototipo real más desarrolladas y más disponibles implican trabajar sobre piezas de plástico. La solución es usar los componentes fabricados como prototipos rápidos como auxiliares en los procesos posteriores. Es preciso notar que este método requiere un polímero que se funda y se queme desapareciendo por completo del molde de cerámico.

11. Técnicas pulvimetalúrgicas y de prototipado rápido

165

Los procesos de prototipado rápido se usan hoy para producir componentes (manufactura directa), aunque no en forma económica cuando las cantidades son grandes. La ventaja del prototipado rápido es que hace económicos procesos tradicionalmente costosos, cuando las series de producción son muy pequeñas.

11.17.2.

Herramientas rápidas

La dificultad principal que se debe superar en la aplicación de operaciones de prototipado rápido, más allá de la obtención del prototipo, es el tiempo tan largo que se requiere. Para producción rápida de herramientas mediante operaciones de prototipo rápido existen varios métodos. Por ejemplo, puede emplearse una operación de fundición en molde de arena, en la que se fabrican las placas del modelo mediante métodos de prototipo rápido y el resto del proceso se hace de forma idéntica a la fundición convencional en arena. La ventaja de este método es el tiempo tan corto que se necesita para producir la placa modelo, en comparación con su fabricación convencional. La principal desventaja es la menor vida del patrón, en comparación con la que se obtiene con metales de alta resistencia maquinados.

Tema 12

Procesos de soldadura y unión de partes 12.1.

Procesos de soldadura por fusión

Los procesos de soldadura que se describen en este capítulo implican la fusión parcial de la unión entre dos miembros. En este contexto, se define la soldadura por fusión como la fusión y coalescencia mutuas de materiales mediante calor. La energía térmica requerida en estas operaciones de soldadura se suele suministrar por medios químicos o eléctricos. Se pueden usar o no metales de aportación, o de relleno, que son metales que se agregan a la zona de soldadura durante la operación. Las soldaduras por fusión realizadas sin agregar metales de aportación se denominan soldaduras autógenas.

12.2.

Soldadura con oxígeno y combustible gaseosos

La soldadura con oxígeno y combustible gaseosos, o soldadura de oxicombustible, es un término general para describir cualquier proceso de soldadura que use un gas combustible con oxígeno para producir una llama. Esta llama es la fuente de calor para fundir los metales en la unión. El proceso más común de soldadura con gas emplea el combustible acetileno; se conoce como soldadura con oxiacetileno y se usa mucho para fabricación de lámina metálica estructural, carrocerías de automóviles y diversos trabajos de reparación. Se desarrolló a principios de la década de 1900, y usa el calor generado por la combustión del acetileno gaseoso (C 2 H 2 ) mezclado con oxígeno. El calor se genera de acuerdo con un par de reacciones químicas. El proceso de combustión primaria, que se efectúa en el cono interior de la llama, es el siguiente: C2 H2 + O2 −→ 2CO + H2

∆H < 0.

168

12.2. Soldadura con oxígeno y combustible gaseosos

Esta reacción disocia el acetileno y forma monóxido de carbono e hidrógeno; produce aproximadamente la tercera parte del calor generado en la llama. El proceso de combustión secundaria es 2CO + H2 + 1,5O2 −→ 2CO2 + H2 O

∆H < 0.

Esta reacción es el quemado posterior del hidrógeno y del monóxido de carbono, y produce aproximadamente las dos terceras partes del calor total. Las temperaturas que se desarrollan en la llama, como resultado de esas reacciones, puede llegar a los 3300◦C.

12.2.1.

Tipos de llamas

Un factor importante en la soldadura con oxiacetileno es la proporción del acetileno y el oxígeno en la mezcla de gas. A una relación de uno a uno, i.e., cuando no hay exceso de oxígeno, se considera que se produce una llama neutra. Con mayor suministro de oxígeno, ésta se transforma en una llama oxidante. Esta llama es perjudicial, en especial para los aceros, porque los oxida. Sólo es preferible la llama oxidante en la soldadura de cobre y sus aleaciones, porque en estos casos se forma una capa protectora delgada de escoria sobre el metal fundido. Si la relación de oxígeno es deficiente, la llama es reductora o carburante. La temperatura de una llama reductora, que contiene exceso de acetileno, es menor, por lo que es adecuada para las aplicaciones que requieran poco calor, como por ejemplo la soldadura fuerte y blanda, y el endurecimiento a la llama. En la soldadura con oxígeno y combustible gaseosos se pueden usar otros gases, como hidrógeno y metilacetileno o propadieno. Las temperaturas obtenidas con estos gases con bajas, y en consecuencia se usan para soldar: metales con bajos puntos de fusión, como plomo, y piezas delgadas y pequeñas.

12.2.2.

Metales de aportación

Los metales de aportación se usan para suministrar material adicional a la zona de soldadura durante la operación. Se consiguen en varillas o alambres de metales compatibles con los que se van a soldar. Estas varillas de aportación consumibles pueden ser desnudas o estar cubiertas con un fundente. El objeto del fundente es retardar la oxidación de las superficies de las piezas que se sueldan, generando una protección gaseosa en torno a la zona de soldadura. Además, el fundente ayuda a disolver y eliminar óxidos y otras sustancias en la pieza, por lo que contribuye a la formación de una unión más resistente. La escoria que se forma protege al régulo o gota de metal fundido contra la oxidación, al enfriarse.

12.2.3.

Práctica y equipo de soldadura

Se puede usar la soldadura con oxígeno y combustible gaseoso en la mayor parte de los materiales ferrosos y no ferrosos, para casi cualquier espesor o

12. Procesos de soldadura y unión de partes

169

pieza, pero la producción relativamente baja de calor limita en la práctica este proceso a espesores menores de 6 mm. Con este método se puede producir una gran diversidad de uniones. Las uniones pequeñas pueden consistir en un solo cordón de soldadura; las soldaduras profundas en V se terminan en varios pasos. Es importante limpiar la superficie de cada cordón antes de depositar una segunda capa, para tener resistencia en la unión y evitar defectos; para este fin se pueden usar cepillos de alambre, bien manuales o bien eléctricos. El equipo para soldadura con oxígeno y combustible gaseoso consta básicamente de un soplete (disponible en varios tamaños y formas) conectado con mangueras a cilindros de gas a alta presión, que tienen manómetros y regulador. Es esencial usar equipo de seguridad, como gafas con lentes oscuros, caretas, guantes y ropa de protección. Además, es un factor importante en la seguridad la conexión correcta de las mangueras a los cilindros. Los cilindros de oxígeno y de acetileno poseen roscas distintas, por lo que las mangueras no se pueden conectar a los cilindros que no les correspondan. Posibilidades del proceso Aunque se puede mecanizar, esta operación de soldadura es esencialmente manual, y por consiguiente lenta; se usa mucho para trabajos de fabricación y reparación. Posee las ventajas de ser portátil, versátil y económica para hacer trabajos sencillos y en pequeñas cantidades. Son esenciales la capacitación y la destreza adecuadas del operador.

12.2.4.

Soldadura con gas a presión

Este método de soldar dos componentes comienza calentando la interfase mediante un soplete, comúnmente de oxiacetileno. Al comenzar a fundirse la interfase se retira el soplete y se aplica una fuerza para prensar juntas entre sí las dos partes. La fuerza se mantiene hasta que se solidifica la interfase. Se forma una rebaba debido al rechazado de los extremos unidos de los dos componentes.

12.3.

Procesos de soldadura con arco: electrodo consumible

En la soldadura con arco, desarrollada a mediados del siglo xix, el calor que se requiere se obtiene de la energía eléctrica. El proceso puede implicar un electrodo consumible o uno no consumible (varilla o alambre). Se produce un arco entre la punta del electrodo y la de la pieza que se va a soldar, mediante una fuente de alimentación de ca o de cd. Este arco produce temperaturas de unos 30000◦C, mucho mayores que las que se desarrollan en la soldadura con oxígeno y combustible gaseoso. En la categoría de «soldadura con arco» se incluyen varios procesos, que se describen a continuación.

170

12.3.1.

12.3. Procesos de soldadura con arco: electrodo consumible

Soldadura con arco y metal protegido

La soldadura con arco y metal protegido (smaw) es uno de los procesos de unión más antiguos, sencillos y versátiles. Hoy en día, un cincuenta por ciento de toda la soldadura en la industria y el mantenimiento se hace mediante este proceso. El arco eléctrico se genera tocando la pieza con la punta de un electrodo recubierto y retirándola con rapidez a la distancia suficiente para mantener el arco. Los electrodos tienen la forma de una varilla delgada y larga, por lo que este proceso se denomina también soldadura con varilla. El calor generado funde una parte de la punta de su electrodo, su recubrimiento, y el metal base en la zona inmediata del arco. Se forma una soldadura cuando se solidifican el metal fundido, una mezcla del metal de base (el de la pieza), el metal del electrodo y las sustancias del recubrimiento del electrodo, solidifican en el área de la soldadura. El recubrimiento del electrodo desoxida la zona de la soldadura y produce gas de pantalla que la protege del oxígeno del ambiente. Una parte desnuda en el extremo del electrodo se sujeta a una terminal de la fuente de alimentación, mientras que la otra terminal se conecta con la pieza que se suelda. La corriente suele estar entre 50 y 300 A; en general, los requerimientos de potencia son menores de 10 kW. La corriente puede ser directa o alterna. Para soldar lámina se prefiere cd porque el arco que produce es estable. Puede ser importante la polaridad de la cd, i.e., la dirección del flujo de la corriente; su selección depende de factores como el tipo del electrodo, los metales que se van a soldar y la profundidad de la zona calentada. En la polaridad directa la pieza es positiva y el electrodo es negativo; se prefiere para los metales laminados porque produce poca penetración, y en uniones con huecos o espacios muy amplios. En la polaridad inversa, el electrodo es positivo y es posible una mayor profundidad de penetración. En la soldadura con corriente alterna el arco pulsa rápidamente; este método es adecuado para soldar partes gruesas y para usar electrodos de gran diámetro en corrientes máximas. Posibilidades del proceso El proceso de arco y metal protegidos tiene la ventaja de ser relativamente sencillo y versátil, y de requerir mayor variedad de electrodos. El equipo consiste en una fuente de alimentación, cables de corriente y un portaelectrodo; el costo total del equipo suele ser menor de 1500 dólares. Es esencial usar equipo de seguridad, que es parecido al que se emplea en la soldadura con oxicombustible. El proceso de arco y metal protegidos se usa con frecuencia en la construcción en general, en astilleros, oleoductos y en trabajos de mantenimiento, porque el equipo es portátil y se puede reparar con facilidad. Es muy útil en zonas remotas, donde puede llevar un generador con motor de combustión como fuente de electricidad. El proceso se adapta bien para espesores de pieza de 3 a 19 mm, aunque se puede ampliar con facilidad este intervalo si los operadores son hábiles y usan técnicas de múltiples pasos. En consecuencia, los costos de mano de obra y material son altos.

12. Procesos de soldadura y unión de partes

12.3.2.

171

Soldadura con arco sumergido

En la soldadura con arco sumergido (saw), el arco se protege con un fundente granular formado por cal, sílice, óxido de manganeso, fluoruro de calcio y otros compuestos. Este fundente se alimenta por gravedad a la zona de soldadura, a través de una boquilla. La capa gruesa de fundente cubre totalmente el metal fundido; evita las salpicaduras y las chispas, suprime la intensa radiación ultravioleta y los humos característicos del proceso de arco y metal protegidos. Además, el fundente actúa como aislante térmico, facilitando la penetración profunda del calor en la pieza. El electrodo consumible es un rollo de alambre redondo desnudo de 1,5 a 10 mm de diámetro; se alimenta en forma automática por un tubo (pistola de soldar ). Las corrientes eléctricas suelen ser de 300 a 2000 A. Las fuentes de alimentación se conectan con cables monofásicos o trifásicos con tensiones de hasta 440 V. El soldador debe usar guantes, pero en general no son necesarias las caretas; sólo gafas de seguridad con vidrios tintados.

Posibilidades del proceso Como el fundente llega por gravedad, el proceso de arco sumergido queda limitado principalmente a soldaduras en posición plana u horizontal, con una pieza de respaldo. Se pueden hacer soldaduras circulares en tubos, siempre que se hagan girar durante el proceso. Además, se puede recuperar, tratar y reutilizar el fundente. Este proceso se desarrolló en la década de 1940, y se puede automatizar para lograr mayor economía. Se emplea para soldar diversos aceros al carbono y aleados, y aceros inoxidables, en láminas o placas, con frecuencia con velocidades de hasta 5 m/min. La calidad de la soldadura es muy alta, con buena tenacidad, ductilidad y uniformidad. El proceso de arco sumergido permite una productividad muy alta en la soldadura, porque deposita de cuatro a diez veces la cantidad de metal de aportación en comparación con el proceso de arco y metal protegidos. Entre las aplicaciones características están la soldadura de placas gruesas para barcos y para recipientes a presión. El costo total de un sistema de estos oscila entre 2000 y 10000 dólares, pero puede ser bastante mayor en sistemas mayores con varios electrodos.

12.3.3.

Soldadura de arco, metal y gas

En la soldadura de arco, metal y gas (gmaw), antes denominada soldadura de metal en gas inerte (mig), se protege el área de soldadura con una atmósfera inerte de argón, helio, dióxido de carbono o varias mezclas de gases. El alambre desnudo consumible se alimenta al arco de forma automática a través de una boquilla. Además de usar gases inertes de protección, en el metal del electrodo suele haber desoxidantes para evitar la oxidación del régulo de metal fundido. En la

172

12.3. Procesos de soldadura con arco: electrodo consumible

unión se pueden depositar varias capas de soldadura; el metal se puede transferir con tres métodos en este proceso: atomización (aspersión), globular y cortocircuito. En la transferencia por aspersión o atomización, pequeñas gota de metal fundido del electrodo pasan al área de soldadura, con una frecuencia de varios cientos por segundo. La transferencia no tiene salpicaduras y es muy estable. Se usan altas corrientes, tensiones directas, y electrodos de gran diámetro. El gas de protección es argón o una mezcla rica en argón. Se puede reducir la corriente promedio necesaria para este proceso usando un arco pulsado, que sobrepone impulsos de gran amplitud a una corriente baja y continua, y se puede usar el proceso en todas las posiciones de soldar. En la transferencia globular, se usan gases ricos en dióxido de carbono, y los glóbulos se impulsan mediante las fuerzas del arco eléctrico; se producen bastantes salpicaduras. Se usan altas corrientes que posibilitan mayor penetración de la soldadura, y mayor velocidad que las que se alcanzan con la transferencia por atomización. Las piezas más pesadas se suelen unir por medio de este método. En el cortocircuito, el metal se transfiere en forma de gotitas individuales, más de 50 por segundo, cuando la punta del electrodo toca el metal fundido de soldadura y hace cortocircuito. Se usan corrientes y tensiones bajas, los gases son ricos en dióxido de carbono y los electrodos son de alambre de diámetro pequeño. La potencia requerida es de unos 2 kW. Las temperaturas generadas son relativamente bajas; en consecuencia, este método sólo es adecuado para láminas y secciones delgadas (menores de 6 mm), porque de otro modo se puede presentar fusión incompleta. Este proceso es fácil de usar y está muy difundido para metales ferrosos en secciones delgadas. Sin embargo, los sistemas de arco pulsado están ganando más adeptos para soldar metales delgados.

Posibilidades del proceso El proceso de soldadura de arco, metal y gas, es adecuado para soldar diversos metales ferrosos y no ferrosos, y se usa en forma extensa en la industria de fabricación metálica. Por la naturaleza relativamente sencilla del proceso, es fácil capacitar a los operadores. El proceso es versátil, rápido y económico, y la productividad es el doble que la del arco y metal protegidos. El proceso de arco, metal y gas se puede automatizar con facilidad y se presta con facilidad a ser incorporado a los sistemas robótico y de manufactura flexible. El costo del equipo suele oscilar entre los 1000 y los 3000 dólares.

12.3.4.

Soldadura con arco y núcleo de fundente

El proceso de soldadura con arco y núcleo de fundente (fcaw) se parece al de la soldadura con arco y metal en gas, con la excepción de que el electrodo tiene forma tubular y está relleno con fundente. Los electrodos con núcleo producen un arco más estable, mejoran el contorno del cordón y producen mejores propiedades mecánicas del metal de soldadura.

12. Procesos de soldadura y unión de partes

173

En estos electrodos el fundente es mucho más flexible que el frágil recubrimiento que se usa en los electrodos de arco y metal en gas, por lo que estos electrodos se pueden proporcionar en tramos largos y enrollados. Los electrodos tienen en general diámetros pequeños, de 0,5 a 4 mm, y la potencia requerida es de unos 20 kW. También se consiguen electrodos con núcleo y protección propia, que no requieren protección externa con gas porque contienen fundentes que desprenden gases y protegen la zona de soldadura frente a la atmósfera. Los avances en la manufactura de electrodos para soldadura con núcleo y en la química de los fundentes han permitido que este proceso sea el de crecimiento más rápido en el área de la soldadura. Los electrodos de diámetro pequeño han hecho que la soldadura de materiales más delgados con este proceso no sólo sea posible, sino con frecuencia preferible. También facilitan relativamente soldar partes en distintas posiciones, y con fundente de composición química adecuada se pueden soldar muchos metales.

Posibilidades del proceso El proceso de arco y núcleo de fundente combina la versatilidad de la soldadura con arco y metal protegido con la característica de alimentación continua y automática del electrodo del proceso de arco, metal y gas. Es económico y versátil, por lo que se usa para soldar una diversidad de uniones, principalmente en los aceros, aceros inoxidables y aleaciones de níquel. La mayor rapidez de deposición de metal en el proceso con arco y núcleo de fundente, en comparación con el de arco, metal y gas, ha permitido su aplicación para unir secciones de todos los espesores. El desarrollo reciente de los electrodos tubulares con diámetros muy pequeños ha ampliado la aplicación de este proceso a piezas con sección de menor diámetro. Una de las ventajas principales del proceso de arco con núcleo protegido es la facilidad con la que se pueden desarrollar formulaciones específicas del metal de aporte. Si se agregan elementos de aleación al núcleo de fundente, se puede obtener virtualmente cualquier composición de aleación. Este proceso es fácil de automatizar y se adapta con facilidad a sistemas de manufactura flexible y de robots. El costo del equipo oscila en general entre 1000 y 3000 dólares.

12.3.5.

Soldadura con electrogas

La soldadura con electrogas (egw) se usa principalmente para soldar los bordes de secciones en sentido vertical y en un paso, con las piezas colocadas borde con borde (unión a tope). Se considera un proceso de soldadura con máquina, porque requiere equipo especial. El metal de aportación se deposita en una cavidad de la unión entre las dos piezas por unir. El espacio se encierra entre dos labios de cobre enfriados por agua (zapatas) para evitar que escurra la escoria fundida. Con accionamientos mecánicos se van subiendo las zapatas. También es posible hacer soldaduras circulares, por ejemplo en tubos, cuando se hace girar la pieza.

12.4. Electrodos

174

Uno o varios electrodos se alimentan por un conducto y se mantiene un arco continuo con electrodos de núcleo de fundente, hasta de 750 A, o de electrodos sólidos a 400 A. La potencia requerida es de unos 20 kW. La protección se hace con un gas inerte, como dióxido de carbono, argón o helio, que depende del material que se suelda. El gas puede suministrarse con una fuente externa o se puede producir en un electrodo con núcleo de fundente, o con ambos métodos. Posibilidades del proceso El equipo de soldadura con electrogas es fiable, y es relativamente sencillo capacitar a los operarios. Los espesores de soldadura van de 12 a 75 mm en aceros, titanio y aleaciones de aluminio. Las aplicaciones características son la construcción de puentes, recipientes a presión, tubos de pared gruesa y gran diámetro, tanques de almacenamiento y barcos. El costo normal de las máquinas oscila entre 15000 y 25000 dólares, aunque las máquinas portátiles de menos potencia llegan a costar sólo 5000 dólares.

12.3.6.

Soldadura por electroescoria

Este proceso se desarrolló en la década de 1950; la soldadura eléctrica por escoria (esw) y sus aplicaciones se parecen a la soldadura con electrogas. La principal diferencia es que el arco se inicia entre la punta del electrodo y el fondo de la pieza por soldar. Se agrega fundente, el cual se funde por el calor del arco. Después de que la escoria fundida llega a la punta del electrodo, se extingue el arco. En adelante, el calor se produce en forma continua por la resistencia eléctrica de la escoria fundida. Como se extingue el arco, la soldadura por electroescoria no es estrictamente un proceso de soldadura con arco. Se pueden usar uno o varios electrodos, y también electrodos con núcleo de fundente. La guía puede ser no consumible (método convencional) o consumible. Posibilidades del proceso La soldadura por electroescoria es capaz de soldar placas de espesores entre 50 y más de 900 mm. La soldadura se hace en un paso. La corriente requerida es de unos 600 A a 40 o 50 V, aunque con placas gruesas se usa más. La velocidad de avance del electrodo va de 12 a 36 mm/min.

12.4.

Electrodos

Los electrodos para los procesos de soldadura con arco y electrodos consumibles que hemos descrito se clasifican según la resistencia del metal depositado, la corriente (ca o ±cd), y el tipo de recubrimiento. Los electrodos se identifican con números y letras o con clave de colores, en particular si son demasiado pequeños para grabarles su identificación. Las dimensiones normales de los electrodos recubiertos son de 150 a 460 mm de longitud y de 1,5 a 8 mm de diámetro. Al disminuir el grosor de las piezas por soldar, también disminuyen la corriente necesaria y el diámetro del electrodo.

12. Procesos de soldadura y unión de partes

175

Recubrimientos de electrodo Los electrodos están recubiertos con materiales arcillosos que incluyen aglutinante de silicato y materiales en polvo como óxidos, carbonatos, fluoruros, aleaciones metálicas y celulosa (celulosa de algodón y polvo de madera). El recubrimiento, que es frágil y participa en interacciones complejas durante la soldadura, posee las siguientes funciones básicas: – Estabilizar el arco. – Generar gases que formen una pantalla contra la atmósfera circundante; los gases producidos son dióxido de carbono y vapor de agua, así como monóxido de carbono e hidrógeno en cantidades pequeñas. – Opera como fundente para, por una parte, proteger la soldadura contra la formación de óxidos, nitruros y demás inclusiones y, por otra proteger el estanque de metal fundido con la escoria que resulte. – Agregar elementos de aleación en la zona de soldadura, para mejorar las propiedades de la unión; entre estos elementos están los desoxidantes para evitar que la soldadura se vuelva frágil. El recubrimiento del electrodo o la escoria deben eliminarse después de cada pasada para asegurar que la soldadura sea buena. Para esto se puede usar un cepillo de alambre, manual o motorizado. También se consiguen los electrodos y el alambre desnudos, hechos con aceros inoxidables y aleaciones de aluminio. Se usan como metales de aportación en diversas operaciones de soldadura.

12.5.

Procesos de soldadura con arco: electrodo no consumible

A diferencia de los procesos de soldadura con arco que usan electrodos consumibles, en la soldadura con arco y electrodo no consumible se usa, habitualmente, un electrodo de tungsteno. Siendo uno de los polos del arco, genera el calor necesario en la soldadura. De una fuente externa se suministra el gas de protección.

12.5.1.

Soldadura con arco de tungsteno y gas

En la soldadura con arco de tungsteno y gas (gtaw), que antes se llamaba tig (tungsten inert gas), el metal de aportación es un alambre de aporte. Como no se consume el electrodo de tungsteno en esta operación, se mantiene una abertura de arco constante y estable en un nivel constante de corriente. Los metales de aporte son parecidos a los que se van a soldar y no se usa fundente. El gas de protección suele ser argón o helio, o una mezcla de los dos. Según los metales que se van a soldar, la fuente de alimentación puede ser de cd con 200 A o de ca con 500 A. En general se prefiere la corriente alterna para el aluminio y el magnesio, porque tiene una acción limpiadora que elimina

176

12.5. Procesos de soldadura con arco: electrodo no consumible

óxidos y mejora la calidad de la soldadura. Se pueden usar torio o circonio en los electrodos de tungsteno para mejorar sus características de emisión de electrones. La potencia necesaria será de entre 8 y 20 kW. La contaminación del electrodo de tungsteno con el metal fundido puede ser un problema importante, en especial en aplicaciones críticas, donde puede causar discontinuidades en el cordón. Por ello, debe evitarse el contacto del electrodo con el charco de metal fundido. Posibilidades del proceso El proceso de arco de tungsteno y gas se usa para una gran variedad de metales y aplicaciones, en especial con aluminio, magnesio, titanio y los metales refractarios. Es especialmente adecuado para los metales delgados. El costo del gas inerte hace que este proceso sea más costoso que el de arco y metal protegido, pero produce soldaduras y acabados superficiales de muy alta calidad. Se usa en varias aplicaciones de muy alta calidad. Se usa en varias aplicaciones críticas, con amplios rangos de espesores y formas de pieza. El equipo es portátil y su costo normal es de 1000 a 5000 dólares.

12.5.2.

Soldadura con hidrógeno atómico

En la soldadura con hidrógeno atómico (ahw) se usa un arco en una atmósfera protectora de hidrógeno. El arco se produce entre dos electrodos de tungsteno o de carbón. Por consiguiente, la pieza no es parte del circuito eléctrico, como en la soldadura con arco de tungsteno y gas. El hidrógeno gaseoso también enfría los electrodos.

12.5.3.

Soldadura con arco de plasma

En la soldadura con arco de plasma (paw), desarrollada en la década de 1960, se produce un arco concentrado de plasma que se dirige hacia el área de la soldadura. El arco es estable y sus temperaturas llegan a 33000◦C. Un plasma es un gas caliente ionizado, formado por cantidades casi iguales de electrones e iones positivos. El plasma se inicia entre el electrodo de tungsteno y el orificio, mediante un arco piloto de baja corriente. A diferencia de otros procesos, el arco de plasma es concentrado, porque se hace pasar por un orificio relativamente pequeño. Las corrientes de operación suelen ser menores que 100 A, pero pueden ser mayores en aplicaciones especiales. Cuando se usa un metal de aportación se alimenta al arco, como se hace en la soldadura de arco de tungsteno en gas. La protección del arco y la zona de soldadura se obtiene mediante un anillo protector externo, y usando gases como argón, helio o mezclas de ellos. Hay dos métodos para soldar con arco de plasma. En el método de arco transferido, la pieza que se suelda es parte de un circuito eléctrico. El arco se transfiere del electrodo a la pieza. En el método no transferido, el arco se produce entre el electrodo y la boquilla, y el calor es arrastrado a la pieza por

12. Procesos de soldadura y unión de partes

177

el gas de plasma. Este mecanismo de transferencia térmica se parece al de la llama de oxicombustible. Posibilidades del proceso En comparación con otros procesos de soldadura con arco, el de arco de plasma tiene mayor concentración de energía (por lo que permite hacer soldaduras más profundas y más angostas), mejor estabilidad del arco, menos distorsión térmica y mayores velocidades de soldadura, de 120 a 1000 mm/min. Se pueden soldar diversos metales, y en general con espesores menores de 6 mm. La gran concentración de calor puede atravesar por completo la unión (técnica del ojo de cerradura) en espesores de hasta 20 mm para ciertas aleaciones de titanio y aluminio. En la técnica de ojo de cerradura, la fuerza del arco de plasma desplaza al metal fundido y produce un orificio en el borde delantero del charco de soldadura. La soldadura con arco de plasma se usa con frecuencia, más que el arco de tungsteno en gas, para uniones a tope y traslapadas, por su mayor concentración de energía, mejor estabilidad del arco y mayores velocidades de avance. Es esencial que los operadores de este proceso tengan la formación y la destreza adecuadas. Entre las consideraciones de seguridad están protegerse contra reflejos, salpicaduras y el ruido del arco de plasma. Los costos de estos equipos van de 3000 a 6000 dólares.

12.6.

Soldadura con termita

La soldadura con termita o aluminotérmica (tw) toma su nombre de formulaciones llamadas termita o thermit —nombre derivado de therm, calor. La palabra Thermit es una marca registrada. Este proceso implica reacciones exotérmicas entre óxidos metálicos y agentes reductores metálicos. El calor que produce esa reacción se usa para soldar. Este proceso data de los primeros años del siglo xx. La mezcla más común de materiales para soldar acero y hierro fundido es de partículas finamente divididas de óxido de hierro (Fe 3 O 4 ), óxido de aluminio (Al 2 O 3 ) y aluminio. Esta mezcla no explosiva produce una temperatura máxima teórica de 3200◦C en menos de un minuto. Sin embargo, en la práctica sólo llega de 2200 a 2400◦C. En la soldadura con termita se deben alinear las piezas que se van a unir, con un hueco entre ellas (que se suele llenar con cera) en torno al cual se forma un molde con arena o cerámico. Si las partes son muy gruesas, se puede precalentar la cavidad del molde para mejorar la soldadura y para secarlo. Es muy importante secar el molde porque de otra forma el vapor sobrecalentado aprisionado en el molde puede causar explosiones. Los productos sobrecalentados de la reacción se dejan fluir al hueco y funden las orillas de las piezas que se unen. La soldadura con termita es adecuada para soldar y reparar grandes piezas forjadas y fundidas, y también para soldar perfiles estructurales de acero

12.7. Soldadura con haz de electrones

178 gruesos, rieles y tubos.

12.7.

Soldadura con haz de electrones

En la soldadura con haz de electrones (ebw), desarrollada en la década de 1960, se genera calor mediante los electrones de un haz fino y de alta velocidad. La energía cinética de los electrones se convierte en calor al chocar contra la pieza. Este proceso requiere equipo especial para enfocar el haz de electrones en la pieza, en el vacío; mientras mayor sea el vacío el haz penetra más y la relación entre profundidad y ancho es mayor. Casi todos los metales pueden ser soldados con haz de electrones, y los grosores de la pieza pueden ir desde la membrana hasta la placa. Una intensa energía también puede producir agujeros en la pieza (ojo de cerradura). En general no se requiere gas ni fundente protector, ni metal de aporte. Las capacidades de los cañones de electrones pueden llegar hasta 100 kW. Posibilidades del proceso El proceso de soldadura con haz de electrones tiene la capacidad de hacer soldaduras de alta calidad que tengan lados casi paralelos, sean profundas y delgadas, y cuya zona afectada por el calor sea pequeña. Las relaciones de profundidad-ancho van de diez a treinta. Los tamaños de las soldaduras hechas con haz de electrones son mucho menores que las realizadas con procesos convencionales. Si se usan servocontroles, se pueden controlar los parámetros con exactitud y a velocidades hasta de 12 m/min. Con este proceso se puede soldar casi cualquier metal, a tope o al traslape, con espesores de hasta 150 mm. Son mínimas la distorsión y contracción en el área de la soldadura. La calidad de la soldadura es buena, y de muy alta pureza. Entre las aplicaciones típicas están las soldaduras de componentes de aviones, misiles, nucleares y electrónicos, y de engranajes y ejes para la industria automotriz. El equipo de soldadura con haz de electrones genera rayos X, y en consecuencia son esenciales la vigilancia adecuada y el mantenimiento periódico. Según la capacidad, el coste del equipo va de 75000 a más de un millón de dólares.

12.8.

Soldadura con rayo láser

La soldadura con rayo láser (lbw) usa un rayo láser de alto poder como fuente de calor, y produce una soldadura por fusión. Como el rayo se puede enfocar en un área muy pequeña, tiene gran densidad de energía y, por consiguiente, capacidad de penetración profunda. El rayo se puede dirigir, conformar y enfocar con precisión sobre la pieza. Por lo anterior, este proceso es adecuado especialmente para soldar uniones

12. Procesos de soldadura y unión de partes

179

profundas y delgadas, con relaciones normales de profundidad-ancho entre 4 y 10. En la industria automotriz, la soldadura de componentes de transmisiones es su aplicación más difundida. Entre muchas otras aplicaciones está la soldadura de piezas delgadas para componentes electrónicos. El rayo láser se puede pulsar (en milisegundos) para obtener aplicaciones como en soldadura por puntos de materiales delgados, con potencias de hasta 100 kW. Los sistemas de láser continuo de varios kW se usan para soldaduras profundas en secciones gruesas. Posibilidades del proceso Los procesos de soldadura con rayo láser producen soldaduras de buena calidad, con contracción y distorsión mínimas. Estas soldaduras tienen buena resistencia y en general son dúctiles y libres de porosidades. El proceso se puede automatizar, de tal modo que se use en diversos materiales con grosores de hasta 25 mm; es especialmente eficaz en piezas delgadas. En los metales y aleaciones que normalmente se sueldan están el aluminio, titanio, metales ferrosos, cobre, superaleaciones y metales refractarios. Las velocidades de soldado van de 2,5 m/min hasta 80 m/min para metales delgados. Por la naturaleza del proceso, la soldadura puede efectuarse en lugares inaccesibles por otros medios. En la soldadura con rayo láser tiene especial importancia la seguridad, por los riesgos extremos a los ojos y a la piel; los láseres de estado sólido (yag) son especialmente peligrosos. Las principales ventajas del rayo láser sobre el haz de electrones son las siguientes: – No se requiere un vacío, así que el rayo se puede transmitir por el aire. – Los rayos láser se pueden conformar, manipular y enfocar ópticamente, usando fibras ópticas, por lo que el proceso se puede automatizar con facilidad. – Los rayos no generan rayos X (y sí se generan con el haz de electrones). – Es mejor la calidad de la soldadura y tiene menor tendencia a la fusión incompleta, salpicaduras y porosidades, y produce menos distorsión.

12.9.

Corte

12.9.1.

Corte con oxígeno y combustible gaseosos

El corte con combustible (ofc), u oxicorte, se parece a la soldadura con oxicombustible, pero en este caso la fuente de calor es para quitar una zona delgada de una placa o lámina metálica. Este proceso es bastante adecuado para los aceros.

12.9. Corte

180 Las reacciones básicas con el acero son: Fe + O −→ Fe O 3Fe + 2O2 −→ Fe3 O4 4Fe + 3O2 −→ 2Fe2 O3

∆H < 0; ∆H < 0; ∆H < 0.

La mayor cantidad de calor se genera con la segunda reacción y puede producir un aumento aproximado de temperatura de unos 870◦C. Sin embargo, esta temperatura no es suficiente para cortar los aceros, por lo que la pieza se precalienta con un gas combustible y el oxígeno se introduce después. Mientras mayor sea el contenido de carbono en el acero, la temperatura de precalentamiento debe ser mayor. El corte se produce principalmente por la oxidación (quemado) del acero; también se obtiene alguna fusión. Con este método se pueden cortar también hierros fundidos y piezas de acero colado. El proceso genera una ranura. Posibilidades del proceso El espesor máximo que se puede cortar con el oxicorte depende principalmente de los gases que se usen. Con oxiacetileno, el espesor máximo es de unos 300 a 350 mm; son soplete oxhídrico, unos 600 mm. Los anchos de saque van desde 1,5 a 10 mm, más o menos, con un control de tolerancias razonablemente bueno. La llama deja líneas de arrastre en la superficie cortada, que termina siendo más áspera que las superficies que se obtienen por aserrado, troquelado o con otras operaciones con herramientas de corte mecánico. En el oxicorte, la distorsión causada por distribución no uniforme de temperatura puede ser un problema serio. Aunque se ha usado desde hace mucho en trabajos de chatarra y reparación, el oxicorte se puede usar en la manufactura. Se pueden guiar los sopletes en diversas trayectorias de forma manual, mecánica o con máquinas automáticas con controladores programables. El corte bajo el agua se hace con sopletes de diseño especial que producen una cubierta de aire comprimido entre la llama y el agua que la rodea.

12.9.2.

Corte con arco

Los procesos de corte con arco se basan en los mismos principios de la soldadura con arco. Con ellos se pueden cortar diversos materiales a grandes velocidades. Como en la soldadura, los procesos de corte con arco dejan también una zona afectada por el calor, que se debe tener en cuenta, en especial en aplicaciones críticas. En el corte con arco de carbono en aire (arcair ) se emplea un electrodo de carbono y el metal fundido se sopla con un chorro de aire a gran velocidad. Así, el metal que se corta no tiene que oxidarse. Este proceso se usa en especial para acanalar y biselar. Sin embargo, el proceso es ruidoso y el metal fundido puede salir despedido a grandes distancias y ocasionar riesgos de seguridad. El corte con arco y plasma (pac) produce las máximas temperaturas. Se

12. Procesos de soldadura y unión de partes

181

usa para cortes rápidos de placas de metal no ferroso y de acero inoxidable. La productividad de este proceso es mayor que la de los procesos de oxígeno y gas combustible. Produce buen acabado superficial y saques angostos, y es el que más se usa de los que emplean controles programables en la manufactura de hoy. Los rayos láser y los haces de electrones se usan para cortar con mucha exactitud una gran variedad de metales. El acabado superficial es mejor que el de otros procesos térmicos de corte, y el saque es el más angosto. Es importante atenerse a las precauciones adecuadas de seguridad.

12.10.

Unión adhesiva

Muchos componentes y productos se pueden unir y ensamblar usando un adhesivo, en lugar de alguno de los métodos que se han descrito hasta ahora. Un ejemplo clásico de unión adhesiva es el «plywood» (unión con pegamento) de varias capas de madera, desarrollada en 1905. La unión adhesiva ha ido ganando cada vez mayor aceptación en la manufactura desde su primer uso a gran escala: en ensamblaje de componentes sometidos a cargas en los aviones durante la Segunda Guerra Mundial (1939–1945). Los adhesivos se consiguen en varias formas: líquido, pasta, solución, emulsión, polvo, cinta y película. Al ser aplicados, tienen en general más o menos 0,1 mm de espesor. Para satisfacer los requerimientos de determinada aplicación, puede ser necesario que un adhesivo posea algunas de las siguientes propiedades: resistencia (cortante y al desprendimiento), tenacidad, resistencia a diversos fluidos y agentes químicos, resistencia a la degradación ambiental —incluidas la degradación por calor y por humedad— y capacidad de humedecer las superficies que se van a unir.

12.10.1.

Tipos de adhesivos y sistemas de unión

Existen diversos tipos de adhesivos en el mercado que proporcionan resistencia adecuada a la unión, incluyendo resistencia a la fatiga. Los tres tipos básicos de adhesivos son los siguientes: – Adhesivos naturales, como almidón, dextrina (sustancia gomosa obtenida del almidón), harina de soja y productos animales. – Adhesivos inorgánicos, como silicato de sodio y oxicloruro de magnesio. – Adhesivos inorgánicos sintéticos, que pueden ser polímeros termoplásticos (para uso estructural y algunos para pegado estructural) o termofijos (para pegado estructural principalmente).

182

12.10. Unión adhesiva

Por su resistencia, los adhesivos orgánicos sintéticos son los más importantes en los procesos de manufactura, en especial para aplicaciones en partes sometidas a cargas. Se clasifican como sigue: – Químicamente reactivos. Por ejemplo, poliuretanos, siliconas, epóxicos, cianoacrilatos, acrílicos modificados, fenólicos, poliimidas y anaeróbicos. – Sensibles a la presión. Por ejemplo, hule natural, de estireno-butadieno, de butilo, nitrilo y poliacrilatos. – Por ser una sustancia que reacciona en caliente o al ser fundida (hot melts). Por ejemplo, termoplásticos —tales como copolímeros de etileno y acetato de vinilo, poliolefinas, poliamidas y poliéster— y elastómeros termoplásticos. – Evaporativos o por difusión. Incluyen los vinilos, acrílicos, fenólicos, poliuretanos, hules sintéticos y naturales. – En película o cinta. Como los nailon-epóxicos, elastómeros-epóxicos, nitrilo-fenólicos, vinilo-fenólicos y las poliimidas. – De unión retardada. Como los copolímeros de estireno-butadieno, acetatos de polivinilo, poliestirenos y poliamidas. – Conductores eléctricos y térmicos. En esta clase están los epóxicos, poliuretanos, siliconas y poliimidas. La conductividad eléctrica se obtiene agregando rellenos, como la plata (es la de uso más común), el cobre, el aluminio y el oro. Los rellenos que mejoran la conductividad eléctrica de los adhesivos también suelen mejorar su conductividad térmica. De forma similar, los sistemas adhesivos se pueden clasificar con base en sus características químicas específicas: – Sistemas a base de epóxico. Poseen alta resistencia y buenas propiedades a alta temperatura, hasta 200◦C, y las aplicaciones frecuentes son las balatas automotrices y como aglutinante para los moldes de arena empleados en fundición. – Acrílicos. Son adecuados para aplicaciones con sustratos que no están limpios. – Sistemas anaeróbicos. El curado de estos adhesivos se hace en ausencia de oxígeno, y en general la unión es dura y frágil. Es posible reducir los tiempos de curado con calor externo o con radiación ultravioleta. – Cianoacrilatos. La capa de unión es delgada, y el pegado se completa entre 5 y 40 segundos. – Uretanos. Tienen gran tenacidad y flexibilidad a temperatura ambiente, y se usan mucho como selladores. – Siliconas. Son muy resistentes a la humedad y a los disolventes, poseen gran resistencia al impacto y al desprendimiento. Sin embargo, los tiempos normales de curado son de uno a cinco días.

12. Procesos de soldadura y unión de partes

183

Muchos de estos adhesivos pueden estar combinados para optimizar sus propiedades y obtener productos tales como epóxico-silicona, nitrilo-fenólico y epóxico-fenólico. Los adhesivos menos costosos son los epóxicos y los fenólicos, y les siguen los poliuretanos, acrílicos, siliconas y cianoacrilatos. Los adhesivos para aplicaciones de alta temperatura, hasta unos 260◦C, como las poliimidas y los polibenzimidazoles, suelen ser los más costosos.

12.10.2.

Adhesivos conductores de electricidad

Aunque la mayor parte de los usos de las uniones adhesivas se dirige hacia la resistencia mecánica, un avance relativamente reciente es el desarrollo y la aplicación de adhesivos conductores de la electricidad, que reemplazan las aleaciones de estañado a base de plomo, en particular en la industria electrónica. También requieren temperaturas de curado o fraguado menores que las necesarias para soldar. En esos adhesivos, el polímero es la matriz, y contiene metales conductores (rellenos) en formas como hojuelas y partículas. Hay una proporción mínima (en volumen) de rellenos necesaria para hacer que el adhesivo sea conductor de la electricidad; típicamente esta proporción está entre el cuarenta y el setenta por ciento. Se consiguen en forma de película o de pasta. El tamaño, la forma y la distribución de las partículas metálicas, el método de aplicación de calor y presión y la geometría del contacto conductor entre las partículas pueden ser controladas para impartir al adhesivo conductividad eléctrica isotrópica o anisotrópica. Entre los rellenos característicos están la plata, el carbono, el níquel, el cobre y el oro. Entre los nuevos desarrollos de rellenos está el uso de partículas poliméricas, como de poliestireno, recubiertas con capas delgadas de plata u oro. Los materiales de matriz son, en general, epóxicos, aunque también se emplean termoplásticos. Entre las aplicaciones de los adhesivos conductores de electricidad están las calculadoras, los controles remotos y los tableros de control, y se usan en ensambles electrónicos de alta densidad, pantallas de cristal líquido, juegos electrónicos y televisores de bolsillo.

12.10.3.

Preparación y aplicación de la superficie

La preparación de la superficie es muy importante en la unión adhesiva. La resistencia de la unión depende mucho de la ausencia de suciedad, polvo, aceite y diversos contaminantes. Las capas de óxido gruesas, débiles o sueltas sobre las superficies de las piezas son perjudiciales para la unión adhesiva (pegado). Por otro lado, puede ser conveniente tener una capa de óxido porosa (o delgada) y resistente, en especial con cierta rugosidad en la superficie para mejorar la adhesión. Se consiguen diversos compuestos y primarios que modifican las superficies, mejorando la resistencia de adhesión o pegado. Los adhesivos líquidos

12.10. Unión adhesiva

184 se pueden aplicar con brochas, aspersores o rodillos.

12.10.4.

Posibilidades y alcance del proceso

Se pueden emplear adhesivos para unir una gran variedad de materiales y componentes, similares o distintos, metálicos y no metálicos, con distintas formas, tamaños y espesores. También se puede combinar la adhesión con los métodos mecánicos de unión para mejorar la resistencia de unión. El diseño de la unión y los métodos de pegado requieren cuidado y destreza. Normalmente se requiere equipo especial, como soportes, prensas, herramientas, autoclaves y hornos para curar. Las uniones adhesivas se diseñan para soportar las fuerzas de corte, de compresión y de tensión, pero no se deben sujetar a fuerzas de separación o de desprendimiento. Las grandes industrias que emplean extensamente los adhesivos son la aeroespacial, la automotriz, de electrodomésticos y las de material para la construcción. Una consideración importante en el uso de los adhesivos en producción es el tiempo de curado, que puede ir de algunos segundos (a altas temperaturas) hasta varias horas (a temperatura ambiente), en especial con los adhesivos termofijos. Así, las producciones pueden ser bajas en comparación con otros procesos de unión. Además, las uniones adhesivas para aplicaciones estructurales rara vez son adecuadas para temperaturas mayores de 250◦ C. Es difícil hacer la inspección no destructiva de la calidad y la resistencia de los componentes pegados. Algunas técnicas son: el impacto acústico (golpeteo), holografía, detección infrarroja y pruebas ultrasónicas, que son métodos no destructivos y efectivos de prueba. Las principales ventajas del pegado son las siguientes: – Suministrar una fijación en la interfase, con el fin de proporcionar resistencia estructural o para aplicaciones no estructurales como sellado, aislamiento, evitar corrosión electroquímica entre metales distintos y reducir la vibración y el ruido (mediante amortiguamiento interno en las uniones). – Distribuir la carga en la interfase y eliminar así los esfuerzos localizados que suele causar la unión de los componentes con sujeciones mecánicas como tornillos. Además, se mantiene la integridad estructural de las secciones, porque no se requieren orificios, y en general mejora el aspecto de los componentes. – Es posible pegar componentes muy delgados y frágiles sin que su peso aumente mucho. – Es posible unir materiales porosos, y con propiedades y tamaños muy distintos. – Como se acostumbra a hacer a una temperatura intermedia entre la ambiental y unos 200◦ C, no hay mucha distorsión de los componentes ni

12. Procesos de soldadura y unión de partes

185

cambio en sus propiedades originales. El evitar tal distorsión tiene mucha importancia en materiales sensibles al calor. Las principales limitaciones de la unión adhesiva son las siguientes: – Intervalos limitados de temperatura de servicio. – Con probabilidad, tiempo largo de curado. – Es preciso tener mucho cuidado al preparar las superficies. – Dificultad de probar las uniones pegadas no destructivamente, en especial las estructuras grandes. – Poca fiabilidad de las estructuras pegadas durante su vida de servicio. El costo de la unión adhesiva depende de la operación en particular. Sin embargo, en muchos casos la economía general del proceso lo hace atractivo. A veces es el único posible o práctico. El costo del equipo varía mucho, dependiendo del tamaño y el tipo de operación.

12.10.5.

Diseño para la unión adhesiva

– Los diseños para la unión con adhesivo deben asegurar que las uniones sólo se sometan a fuerzas de compresión, tensión y cortante, y no a desprendimiento o separación. – La resistencia de los diferentes tipos de uniones pegadas varía mucho y, en consecuencia, es importante la selección del diseño adecuado, debiéndose tener en cuenta factores como el tipo de carga y el ambiente. – Las uniones a tope requieren grandes superficies de unión. Las uniones sencillas traslapadas tienden a distorsionarse bajo tensiones, por la fuerza del par en la unión. – Es preferible que los coeficientes de dilatación de los componentes que se van a pegar sean de valores similares, para evitar esfuerzos internos durante la unión. También se deben evitar situaciones en las que los ciclos térmicos puedan causar movimiento diferencial a través de la unión con adhesivo.

12.11.

Sujeción mecánica

Puede ser preferible la sujeción mecánica sobre otros métodos por una serie de razones: facilidad de manufactura; facilidad de ensamble y transporte; facilidad de desarmado, mantenimiento y reemplazo o reparación de partes; facilidad de crear diseños que requieran uniones móviles, como bisagras, mecanismos de

12.11. Sujeción mecánica

186

corredera y componentes y soportes ajustables; menor costo general de manufactura del producto. El método más común de sujeción mecánica es el uso de tornillos, tuercas, roscas, pernos y una diversidad de fijadores o sujetadores. Estos procesos también se llaman ensamblado mecánico. En general, la sujeción mecánica requiere que los componentes posean orificios a través de los cuales se inserten los sujetadores. Esas uniones pueden someterse a esfuerzos cortantes y de tensión, y deben estar diseñadas para resistirlos.

12.11.1.

Preparación del orificio

La preparación del orificio es un aspecto importante de la sujeción mecánica. Para tener mejor exactitud y acabado superficial, muchas de las operaciones de agujereado pueden continuarse con otras de acabado, como rectificado, desbarbado, escariado y honeado. Por las diferencias fundamentales en sus características, las diversas operaciones de agujereado producen orificios con distintos acabados y propiedades superficiales, así como distintas tolerancias dimensionales. La influencia más importante de un orificio en un sólido es su tendencia a reducir la vida de fatiga del componente, debido a la concentración de esfuerzos. Lo mejor para aumentar la vida de fatiga es inducir esfuerzos residuales de compresión sobre la superficie cilíndrica del orificio. Estos esfuerzos se suelen inducir empujando una varilla redonda (mandrín) por el orificio, y expandiéndolo una cantidad muy pequeña. Esta operación deforma plásticamente las capas superficiales del orificio, en forma parecida a la que se ve en el granallado o el bruñido con rodillos.

12.11.2.

Sujetadores roscados

Los tornillos y tuercas son los sujetadores o fijadores roscados de uso más frecuente. Para fabricarlos se siguen numerosas normas y especificaciones, que incluyen las dimensiones de rosca, tolerancias, paso, resistencia y calidad de estos sujetadores. Los tornillos y pernos se pueden asegurar con tuercas (tornillos de carrocería y de máquina) o se pueden hacer autorroscantes: en estos el tornillo corta o conforma la rosca en la pieza que se va a fijar. Si la unión se va a someter a la vibración, como en los aviones, diversos tipos de motor y maquinaria de alta velocidad, se dispone de varias tuercas y contratuercas de diseño especial. Aumentan la resistencia a la fricción en la dirección de torsión, por lo que se inhibe el aflojamiento por vibración de los sujetadores.

12. Procesos de soldadura y unión de partes

12.11.3.

187

Remaches

El método más común de unión mecánica permanente o semipermanente es el remachado; en la construcción y ensamblaje de un avión comercial grande se pueden usar cientos de miles de remaches. La instalación de un remache consta de dos pasos: colocar el remache en el orificio y deformar el extremo de su cuerpo por recalcado o batido. El remachado se puede hacer a temperatura ambiente o elevada. Dentro de una cavidad en el remache se pueden poner explosivos, y detonarlos para dilatar el extremo del remache.

12.11.4.

Diseño para sujeción mecánica

El diseño de las uniones mecánicas requiere considerar el tipo de carga (por ejemplo, si es cortante o de tensión) a la que se someterá la estructura, y el tamaño y las distancias de los orificios. Es importante la compatibilidad del elemento de sujeción con el que se van a unir los componentes. Si no hay compatibilidad, se puede producir corrosión galvánica, llamada también corrosión en hendiduras. Por ejemplo, en un sistema donde se use un tornillo o remache de acero para sujetar láminas de cobre, el tornillo es el ánodo y la placa de cobre el cátodo; esta combinación causa la rápida corrosión y pérdida de la resistencia de la unión. Los sujetadores de aluminio o de zinc, sobre productos de cobre, reaccionan de manera parecida. Entre los lineamientos generales para la unión mecánica se incluyen los siguientes: – En general, es menos costoso usar menos elementos de sujeción, pero más grandes, que usar una gran cantidad de fijadores pequeños. – El ensamblaje de la pieza se debe lograr con una cantidad mínima de elementos de sujeción. – El ajuste entre las piezas a unir debe ser tan holgado como sea posible, para reducir los costos y facilitar el proceso de ensamble. – Siempre que sea posible, se deben usar elementos de sujeción de tamaño estándar. – Los orificios deben estar alejados de las orillas o las esquinas, para evitar el rasgado del material al someterlo a fuerzas extremas.

12.11.5.

Otros métodos de sujeción

Engrapado El proceso de engrapado o cosido metálico se parece mucho al engrapado ordinario. Se trata de una operación rápida, que se presta en especial a unir materiales metálicos y no metálicos delgados.

12.12. Unión de plásticos

188

Engargolado El engargolado se basa en el sencillo principio de doblar en conjunto dos piezas de material delgado. Entre los ejemplos comunes del engargolado están las tapas de latas de bebidas, los recipientes para productos alimentarios y domésticos, y los conductos de calefacción y acondicionamiento de aire. En el engargolado, los materiales deben poder sufrir flexiones y doblez con radios muy pequeños, porque de lo contrario se rompen. La eficiencia y la fiabilidad de los engargolados puede mejorarse agregando adhesivos, recubrimientos o sellos, o mediante estañado.

Plegado El proceso de plegado es un método de unión sin sujetadores. Se puede usar con bandas o con resaltes que se pueden hacer con operaciones de emboquillado o embutido. El plegado se puede hacer en partes tubulares y planas, siempre que los materiales sean lo bastante delgados y dúctiles como para resistir las grandes deformaciones localizadas. Las chapas se fijan a las botellas por plegado, al igual que algunos conectores en los cables eléctricos.

Sujetadores de agarre o ajuste instantáneo Se emplean mucho en carrocerías y en electrodomésticos. Son económicos y permiten armar los componentes en forma fácil y rápida.

Ajustes de contracción y de prensa También se pueden ensamblar los componentes con ajustes de contracción y de prensa. El ajuste de contracción se basa en una diferencia entre las contracciones térmicas de dos componentes. Entre las aplicaciones habituales están el ensamblaje de componentes de dados y el montaje de engranajes y levas en ejes. En el ajuste de prensa, un componente se introduce en otro con una prensa; este proceso da como resultado una gran resistencia en la unión.

12.12.

Unión de plásticos

Los plásticos se pueden unir con muchos de los métodos que ya se describieron para unir metales y materiales no metálicos, en especial con calor y con fijación mecánica.

12.12.1.

Unión de termoplásticos

Los termoplásticos se reblandecen y funden al aumentar la temperatura, y en consecuencia se pueden unir con método en los que se genere calor (de fuente externa o interna) en la interfase. El calor suaviza el termoplástico en la interfase y éste alcanza un estado viscoso o fundido; al aplicar presión para asegurar una buena unión, se permite que tenga lugar la fusión. También se pueden usar materiales de aporte del mismo tipo del polímero.

12. Procesos de soldadura y unión de partes

189

Las fuentes externas de calor pueden ser varias; la elección depende de la compatibilidad de los polímeros que se van a unir. – Aire o gases calientes, o irradiación infrarroja generada con lámparas de cuarzo de gran intensidad calorífica. – Herramientas y dados calentados —en un proceso denominado soldadura a la placa caliente—, donde las piezas que se van a unir se prensan contra una superficie caliente y después entre sí, para efectuar interdifusión de las cadenas moleculares. Este proceso se usa con frecuencia para soldar tubos a tope. – Calentamiento con radiofrecuencia o dieléctrico, muy útil para películas delgadas. – Con alambres o cables de alambre, o con cintas, láminas y cuerdas a base de carbón, y resistencia eléctrica; los elementos mencionados se colocan en la intercara para crear calor mediante el paso de corriente eléctrica. Este proceso se llama soldadura con implante resistivo. También se puede someter a un campo de radiofrecuencias a los elementos de la interfase (soldadura por inducción). En ambos casos, los elementos de la interfase deben ser compatibles con la aplicación del producto unido, porque se quedan en la zona de la soldadura. – Láseres que emitan rayos desenfocados a baja potencia, para evitar la degradación del polímero. Las fuentes internas de calor se producen con los siguientes métodos: – Soldadura ultrasónica, que es el proceso de uso más común para los termoplásticos, en especial para polímeros amorfos. – Soldadura por fricción (llamada soldadura de giro para polímeros). Este último proceso se adapta en especial para unir polímeros con alto grado de cirstalinidad, como los de acetal, polietileno, nailons y polipropileno. – Soldadura orbital, que se parece a la soldadura por fricción, pero el movimiento rotativo de un componente es una trayectoria orbital. Aplicaciones El método de fusión es bastante efectivo en plásticos que no se pueden unir con facilidad con adhesivos. En esta forma se pueden unir plásticos como cloruro de polivinilo, polietileno, polipropileno, acrílicos y acrilonitrilobutadieno-estireno (abs). Por ejemplo, se han desarrollado sistemas especialmente diseñados, portátiles, de sellado por fusión, para permitir la unión de tubo de plástico en el campo. Las envolturas múltiples coextruidas para alimentos consisten en diversos tipos de películas que se unen con calor durante su extrusión. Cada película tiene una función distinta; por ejemplo, una contra la humedad, otra contra el oxígeno y la tercera para facilitar el sellado térmico durante el proceso de

12.12. Unión de plásticos

190

empaque. Algunas envolturas tienen hasta siete capas, todas unidas entre sí durante la producción. Durante la unión de algunos polímeros, puede presentarse oxidación, como en el polietileno que puede causar degradación. En estos casos se usa un gas inerte protector, como el nitrógeno, para evitarla. Por la baja conductividad térmica de los termoplásticos, la fuente de calor puede quemar o carbonizar las superficies de los componentes, si se aplica el calor con gran intensidad; este efecto puede causar dificultades para lograr una fusión con la profundidad suficiente. La unión adhesiva de los plásticos se ilustra mejor con la unión de tramos de tubo de cloruro de polivinilo y de tubo de abs —empleado en los sistemas de drenaje, de desechos y de ventilación—. El adhesivo se aplica a las superficies de la vaina de unión y del tubo, y se usa un primario para mejorar la adhesión, en un paso que se parece mucho al de aplicar primarios en la pintura; después, las prensas se comprimen entre sí. La unión adhesiva de polietileno, polipropileno y politratrafluoruroetileno (teflón) se puede dificultar, porque los adhesivos no se ligan con facilidad a ellos. En general, se deben tratar químicamente las superficies de las partes hechas con estos materiales para mejorar la adhesión. También es eficaz el uso de adhesivos o de cintas adhesivas de una o de dos caras. En otros métodos para unir plásticos, se aceptan cada vez más los sujetadores con ajuste instantáneo integrado como herramienta para simplificar las operaciones de ensamblado. Como el sujetador puede moldearse en forma directa al mismo tiempo que el plástico, agrega muy poco al costo del conjunto, por lo que esta técnica es muy económica porque reduce el tiempo de ensamblado y minimiza la cantidad necesaria de piezas. La sujeción mecánica tiene eficacia especial en la mayor parte de los plásticos, debido a su tenacidad y resistencia inherentes. Es práctica general el uso de tornillos autorroscantes.

12.12.2.

Unión de materiales termofijos

Como no se reblandecen ni se funden al aumentar la temperatura, los plásticos termofijos, como los epóxicos y los fenólicos, se suelen unir con las siguientes técnicas: – Insertos roscados o moldeados de otra índole. – Elementos de sujeción mecánicos, en especial tornillos autorroscantes y elementos de sujeción instantánea integrada. – Pegado con solventes. El proceso básico de unión de termofijos con solventes consiste en los siguientes pasos: hacer ásperas las superficies con un abrasivo; lavar y limpiar las

12. Procesos de soldadura y uni贸n de partes

191

superficies con un solvente; comprimir entre s铆 las superficies y sujetarlas hasta que se haya desarrollado la resistencia suficiente en la uni贸n.

Tema 13

Conformación por eliminación de material I 13.1.

Fundamentos del corte

Los procesos de corte quitan material de la superficie de una pieza y producen virutas. Uno de los procesos más comunes es el cilindrado. La herramienta de corte se ajusta a determinada profundidad de corte y se mueve hacia la izquierda con cierta velocidad a medida que gira la pieza. El avance o velocidad de avance es la distancia que recorre la herramienta en cada revolución. Como consecuencia de esta acción se produce una viruta, que se mueve cuesta arriba por la cara de la herramienta. Las principales variables independientes en el proceso de corte son las siguientes: el material, recubrimientos y estado de la herramienta; la forma, acabado superficial y filo de la herramienta; los parámetros del corte, tales como velocidad, avance y profundidad del mismo; los fluidos de corte; las características de la máquina herramienta, como por ejemplo rigidez y amortiguamiento; la sujeción y soporte de la pieza. Por su parte, las principales variables dependientes son las siguientes: el tipo de viruta producida; la fuerza y energía disipadas en el proceso de corte; el aumento de temperatura en la pieza, la viruta y la herramienta; el desgaste y eventual fallo de la herramienta; el acabado superficial producido en la pieza después de maquinarla.

13.2.

La mecánica de la formación de virutas

Aunque casi todos los procesos de corte son de naturaleza tridimensional, el modelo que aquí describiremos, bidimensional, es suficientemente útil para estudiar la mecánica básica del corte. En ese modelo, llamado corte ortogonal, la herramienta posee un ángulo de ataque y un ángulo de incidencia o de holgura.

13.2. La mecánica de la formación de virutas

194

En exámenes macroscópicos se ha visto que las virutas se producen por un proceso de cizalladura, acción que se produce a lo largo de una zona de cizalladura (plano cortante). El espesor tc de la viruta se puede calcular si se conocen la profundidad t0 de corte, el ángulo de ataque α y el ángulo que forma el plano cortante con la superficie de la pieza, φ. La relación tt0c se denomina relación de corte, r, y se puede expresar así: r=

sin φ t0 = . tc cos (φ − α)

El espesor de la viruta siempre es mayor que la profundidad de corte; por consiguiente, el valor de r siempre es menor que la unidad. El recíproco de r se llama relación de compresión de viruta, y es una medida de lo gruesa que es la viruta en relación con la profundidad de corte. Por consiguiente, la relación de compresión de viruta siempre es mayor que la unidad. También se debe observar que, aunque hasta aquí se ha llamado profundidad de corte a t0 , en muchos procesos de maquinado dicha cantidad se conoce como avance. La relación de corte es un parámetro útil e importante para evaluar las condiciones del corte. Ya que el espesor t0 de la viruta no deformada es un ajuste de la máquina, y en consecuencia es conocido —y es una variable independiente—, la relación de corte se puede calcular con facilidad midiendo con un micrómetro de tornillo o de carátula el espesor de la viruta. Como también se conoce el ángulo de ataque para determinada operación de corte, se puede calcular la deformación cortante γ que sufre el material: γ=

1 + tan (φ − α). tan φ

Nótese que hay grandes deformaciones cortantes asociadas con pequeños ángulos de plano cortante, o con ángulos de ataque bajos o negativos. Se han observado deformaciones cortantes de 5 o mayores en las operaciones reales de corte. El ángulo del plano cortante posee una gran importancia en la mecánica de las operaciones de corte. Influye sobre los requisitos de fuerza y de potencia y sobre el espesor y la temperatura de la viruta (debido al trabajo de deformación). En consecuencia, se ha prestado mucha atención a determinar las relaciones entre el ángulo del plano cortante y las propiedades del material de la pieza, y las variables del proceso de corte. Uno de los primeros análisis se basó en la hipótesis de que el ángulo del plano cortante se ajusta sólo para minimizar la fuerza de corte, o que el plano de corte es un plano de esfuerzo cortante máximo. Con este análisis se llegó a la ecuación: α β φ = 45◦ + − , 2 2 donde β es el ángulo de fricción y está relacionado con el coeficiente de fricción, µ, en la interfaz viruta-herramienta (cara de ataque). Como el espesor de la viruta es mayor que la profundidad del corte, la velocidad vc de flujo de la viruta debe ser menor que la velocidad v de corte.

13. Conformación por eliminación de material I

195

Ya que se debe mantener la continuidad de la masa, se tiene: vt0 = vc tc Por tanto, vc =

o sea,

vc = vr.

v sin φ . cos (φ − α)

También se puede construir un diagrama de velocidades y, con relaciones trigonométricas, obtener la ecuación: vs vc v = = , cos (φ − α) cos α sin φ donde vs es la velocidad con la que se efectúa el cizallamiento en el plano cortante. Nótese también que: vc t0 = . r= tc v Estas relaciones de velocidad se usan para determinar la potencia necesaria en las operaciones de corte.

13.3.

Tipos de viruta producida en el corte de metales

Al observar la formación real de virutas bajo distintas condiciones de corte de metales, se ven desviaciones apreciables del modelo ideal. Se describirán los siguientes tipos de viruta: continua, de borde acumulado o recrecido, escalonada o segmentada y discontinua. Una viruta posee dos superficies: una en contacto con la cara de la herramienta (cara de ataque) y otra de la superficie original de la pieza. La cara de la viruta hacia la herramienta es brillante o bruñida, y ello se debe al frotamiento de la viruta al subir por la cara de la herramienta. La otra superficie de la viruta no se pone en contacto con cuerpo alguno. Esta superficie posee un aspecto rasgado y áspero, que se debe al propio proceso de corte.

13.3.1.

Virutas continuas

Las virutas continuas se suelen formar con materiales dúctiles a grandes velocidades de corte y/o grandes ángulos de ataque. La deformación del material se efectúa a lo largo de una zona de cizalladura angosta, la zona primaria de corte. Las virutas continuas pueden, por la fricción, desarrollar una zona secundaria de corte en la interfase entre la herramienta y la viruta. La zona secundaria se vuelve más gruesa a medida que aumenta la fricción entre la herramienta y la viruta. En las virutas continuas la deformación también puede ser a lo largo de una zona primaria de corte amplia, con límites curvos. La frontera inferior está

196

13.3. Tipos de viruta producida en el corte de metales

debajo de la superficie maquinada y somete a esta superficie a una distorsión, como muestran las rayas verticales distorsionadas. Este caso se presenta en especial al maquinar metales suaves a velocidades y ángulos de ataque bajos. Puede producir mal acabado superficial e introducir esfuerzos superficiales residuales, que pueden ser perjudiciales para las propiedades de la parte maquinada. Aunque en general producen buen acabado superficial, las virutas continuas no siempre son deseables, en especial en las máquinas herramientas controladas por computadora que son habituales hoy en día. Tienden a enredarse en el portaherramientas, los soportes y la pieza, así como en los sistemas de eliminación de viruta, y se debe parar la operación para apartarlas. Este problema se puede aliviar con los rompevirutas, y cambiando los parámetros de maquinado, como la velocidad de corte, el avance y los fluidos de corte.

13.3.2.

Virutas de borde acumulado o recrecido

Una viruta de borde acumulado consiste en capas de material de la pieza maquinada que se depositan en forma gradual sobre la herramienta (de aquí el término acumulada). La viruta puede formarse en la punta de la herramienta durante el corte. Al agrandarse, esta viruta se hace inestable y finalmente se rompe. Parte del material de la viruta es arrastrado por el lado que ve a la herramienta, y el resto se deposita al azar sobre la superficie de la pieza. El proceso de formación y destrucción del borde acumulado se repite en forma continua durante la operación de corte, a menos que se tomen medidas para eliminarlo. El borde acumulado se observa con frecuencia en la práctica. Es uno de los factores que afecta de manera más adversa al acabado superficial en el corte. De hecho, un borde acumulado cambia la geometría del filo de corte. Por el endurecimiento por trabajo y la deposición de capas sucesivas de material, la dureza del borde acumulado aumenta constantemente. Aunque en general el borde acumulado es indeseable, se considera que un borde delgado y estable es favorable, porque reduce el desgaste, protegiendo la cara de ataque de la herramienta. A medida que aumenta la velocidad de corte disminuye el tamaño del borde acumulado; de hecho, puede no formarse. La tendencia a la formación de borde acumulado se reduce también con cualquiera de los siguientes métodos: disminuir la profundidad de corte; aumentar el ángulo de ataque; usar una herramienta aguda; usar un buen fluido de corte. En general, mientras mayor sea la afinidad (tendencia a formar una liga) de los materiales de la herramienta y la pieza, mayor es la tendencia al borde acumulado. Además, un metal trabajado en frío tiene, en general, menor tendencia al borde acumulado que uno que haya sido recocido.

13.3.3.

Virutas escalonadas o segmentadas

Las virutas escalonadas (también denominadas virutas segmentadas o no homogéneas) son semicontinuas, con zonas de baja y alta deformación cortante.

13. Conformación por eliminación de material I

197

Los metales con baja conductividad térmica y resistencia que disminuye rápidamente con la temperatura, como el titanio, muestran este comportamiento. Las virutas tienen un aspecto de diente de sierra.

13.3.4.

Virutas discontinuas

Las virutas discontinuas consisten en segmentos que pueden fijarse, de forma firme o floja, entre sí. Se suelen formar bajo las siguientes condiciones: – Materiales frágiles en la pieza, porque no tienen la capacidad para absorber las grandes deformaciones constantes que se presentan en el corte. – Materiales de la pieza que contienen inclusiones e impurezas duras, o que tienen estructuras como las láminas de grafito en la fundición gris. – Velocidades de corte muy bajas o altas. – Grandes profundidades de corte. – Ángulos de ataque bajos. – Falta de un fluido de corte eficaz. – Baja rigidez de la máquina herramienta. Por la naturaleza discontinua de la formación de virutas, las fuerzas varían en forma continua durante el corte. En consecuencia, adquieren importancia la rigidez del portaherramientas y de los sujetadores de la pieza, así como de la máquina herramienta, cuando se forman virutas discontinuas o escalonadas.

13.3.5.

Viruta en forma de rizos

En todas las operaciones de corte de los metales y en los materiales no metálicos, como plásticos y madera, las virutas desarrollan una curvatura (forma de rizos de viruta) al salir de la superficie de la pieza. Todavía no se comprenden con claridad las razones de la formación de rizos. Entre los posibles factores que contribuyen al fenómeno están la distribución de esfuerzos en las zonas primaria y secundaria de corte, los efectos térmicos, las características de endurecimiento por trabajo del material de la pieza y la geometría de la cara de ataque de la herramienta de corte. También las variables del proceso y las propiedades del material afectan a la formación de rizos de la viruta. En general, el radio de curvatura baja —y la viruta se enrosca más— a medida que disminuye la profundidad de corte: esto aumenta el ángulo de ataque y disminuye la fricción en la interfase entre herramienta y viruta. Además, el uso de fluidos de corte y de diversos aditivos en el material de la pieza influyen sobre la formación de rizos.

13.4. Vida de las herramientas: desgaste y fallo

198

13.3.6.

Rompevirutas

Las virutas largas y continuas son indeseables, porque constituyen un riesgo potencial de seguridad, tienden a enredarse e interferir con las operaciones de corte. Esta situación es muy problemática en la maquinaria automatizada de alta velocidad y en celdas de maquinado sin atención, que usan máquinas de control numérico por computadora. Si todas las variables independientes de maquinado están bajo control, el procedimiento normal para evitar esta viruta continua es romperla en forma intermitente con un rompevirutas. Aunque el rompevirutas ha sido por tradición una placa de metal fija a la cara de ataque de la herramienta que dobla la viruta y la rompe, la mayor parte de las herramientas de corte e insertos de hoy poseen características incorporadas de rompevirutas, con distintos diseños de insertos individuales. Los rompevirutas aumentan el ángulo efectivo de ataque de la herramienta y, en consecuencia, aumentan el ángulo de plano constante. También se pueden romper las virutas debido a la geometría de la herramienta, controlando así el flujo. La experiencia indica que la viruta ideal tiene la forma de una letra C o del dígito 9, y que cabe en un cuadrado de 25 mm. Con materiales suaves de la pieza, como aluminio o cobre puros, por lo general no es eficaz romper virutas con estos métodos. Las técnicas comunes que se usan en estos casos incluyen maquinar a pequeños incrementos para después hacer una pausa (para no generar viruta) o invertir el avance en pequeños incrementos. En operaciones interrumpidas de corte, no se necesitan en general rompevirutas, porque las virutas ya tienen longitudes finitas por la naturaleza intermitente de la operación.

13.3.7.

Formación de virutas en materiales no metálicos

Muchas de las explicaciones para los metales también se pueden aplicar en general a los materiales no metálicos. Al cortar termoplásticos se obtiene una diversidad de virutas, según el tipo de polímero y de parámetros del proceso, como profundidad de corte, geometría de la herramienta y velocidad de corte. Por ser frágiles, los plásticos termofijos y las cerámicas producen, en general, virutas discontinuas.

13.4.

Vida de las herramientas: desgaste y fallo

En las secciones anteriores se ha explicado que las herramientas de corte están sometidas a: grandes esfuerzos localizados, altas temperaturas, deslizamiento de viruta por la cara de ataque, y deslizamiento de la herramienta por la superficie recién cortada. Estas condiciones inducen el desgaste de la herramienta que, a su vez, afecta en forma negativa a la vida de la herramienta, la calidad de la superficie maquinada y su exactitud dimensional, y en consecuencia a la economía de las operaciones de corte.

13. Conformación por eliminación de material I

199

Existen dos tipos básicos de desgaste, que corresponden a dos regiones de una herramienta: el desgaste de flanco y el desgaste de cráter.

13.4.1.

Desgaste de flanco

El desgaste de flanco se presenta en la superficie de incidencia de la herramienta, y en general se atribuye a: frotamiento de la herramienta sobre la superficie maquinada, que causa desgaste adhesivo y/o abrasivo, y alta temperatura, que afecta a las propiedades del material de la herramienta y a la superficie de la pieza. En un estudio clásico, debido a F.W. Taylor, sobre aceros para maquinado, que se publicó en 1907, se estableció la relación aproximada: vtn = C,

(13.1)

en la que v es la velocidad de corte, t es el tiempo, en minutos, que tarda en desarrollarse cierta cara de desgaste en el flanco, n es un exponente que depende de los materiales de herramienta y de la pieza, así como de las condiciones de corte, y C es una constante. Cada combinación de materiales de pieza y herramienta, y cada condición de corte, poseen sus propios valores de n y C, y ambos se determinan experimentalmente. La velocidad de corte es la variable más importante del proceso que influye sobre la duración de la herramienta, aunque también son importantes la profundidad de corte y la rapidez de avance. Así, la ecuación (13.1) puede reemplazarse por: v n dx f y = C, (13.2) donde d es la profundidad de corte y f es el avance en el torneado. Se deben determinar experimentalmente los exponentes x e y para cada condición de corte. Si se supone que n = 0,15, x = 0,15 e y = 0,6 son valores característicos que se encuentran en la práctica, se puede ver que la velocidad de corte, la de avance y la profundidad de corte poseen una importancia decreciente. La ecuación (13.2) se puede reexpresar como sigue: 1

t = C n v − n d− n f − n ,

o sea,

t ' C 7 v −7 d−1 f −4 .

A partir de aquí pueden hacerse las siguientes observaciones, para obtener una vida de la herramienta constante: – Si se aumenta la rapidez de avance o la profundidad de corte, debe disminuirse la velocidad de corte, y viceversa. – Dependiendo de los exponentes, una reducción de la velocidad puede tener como consecuencia un aumento de material removido, por la mayor rapidez de avance y/o profundidad de corte.

200

13.4. Vida de las herramientas: desgaste y fallo

Curvas de vida de la herramienta Las curvas de vida de herramienta son gráficas de datos experimentales obtenidos en pruebas de corte con varios materiales bajo distintas condiciones y variando los parámetros de proceso, como velocidad de corte, avance, profundidad de corte, material y geometría de la herramienta y fluidos de corte. Es importante el tratamiento térmico de la pieza, principalmente porque aumenta la dureza de la misma. Por ejemplo, la ferrita posee una dureza aproximada de 100 HB, la perlita de 200 HB y la martensita de 300 a 500 HB. Las impurezas y los componentes duros en el material o en la superficie de la pieza —como, por ejemplo, herrumbre, cascarilla, escoria, etc.—, también son de importancia, porque su acción abrasiva reduce la vida de la herramienta. Las curvas de vida de herramienta, de las cuales se puede calcular el exponente n, se suelen trazar en papel logarítmico. Estas curvas son más o menos rectas en un intervalo limitado de velocidades de corte, y raramente lo son en un intervalo amplio. Además, el exponente n puede volverse en realidad negativo, a bajas velocidades de corte. Estas curvas de duración de herramienta pueden hasta tener un máximo y a continuación descender. Debido a lo anterior, se debe tener cuidado al emplear ecuaciones de duración de herramienta fuera del intervalo de velocidades de corte en el que se aplican.

Pista de desgaste admisible Cuando comienza a empeorar la calidad del corte y a aumentar demasiado las fuerzas necesarias en él, las herramientas de corte se afilan o cambian. Concretamente, los criterios de afilado o sustitución son: cuando el acabado superficial de la pieza maquinada comienza a empeorar; cuando las fuerzas de corte aumentan en forma apreciable; y cuando la temperatura aumenta en forma apreciable. La velocidad recomendada de corte para un acero rápido es, en general, la que produce una duración de herramienta entre 60 y 120 minutos (para herramientas de carburo, entre 30 y 60 minutos). Sin embargo, las velocidades seleccionadas de corte pueden variar bastante respecto a estos valores, dependiendo de la pieza, la operación y las consideraciones de alta productividad debidas al uso de máquinas herramientas modernas y controladas por computadora.

Velocidad óptima de corte Hemos visto que al aumentar la velocidad de corte, la vida de la herramienta se reduce con rapidez. Por otra parte, si las velocidades de corte son muy bajas, la herramienta dura mucho, pero también es baja la rapidez con que se elimina el material.

13.4.2.

Desgaste de cráter

El desgaste de cráter se presenta en la cara de ataque de la herramienta y, ya que cambia la geometría de la interfase entre viruta y herramienta, afecta al proceso de corte. Los factores más importantes que influyen sobre el desgaste de cráter son: la temperatura en la interfase herramienta-viruta, y la afinidad

13. Conformación por eliminación de material I

201

química entre materiales de herramienta y pieza. Además, los factores que influyen sobre el desgaste de flanco también influyen mucho sobre el desgaste de cráter. Se ha descrito el desgaste de cráter en términos de un mecanismo de difusión, i.e., del movimiento de los átomos a través de la interfase entre herramienta y viruta. Como la rapidez de la difusión se incrementa al aumentar la temperatura, el desgaste de cráter se incrementa al aumentar la temperatura.

13.4.3.

Desportillamiento

Desportillado es el término que se usa para describir la rotura y expulsión de una pequeña parte del filo de la herramienta. Las partes desportilladas de la herramienta de corte pueden ser muy pequeñas (microdesportillado o macrodesportillado) o pueden ser relativamente grandes (desportillado grueso o fractura). A diferencia del desgaste, que es un proceso gradual, el desportillamiento da como resultado una pérdida repentina del material de la herramienta y un cambio correspondiente de forma, y tiene un gran efecto negativo sobre el acabado superficial, la integridad superficial y la exactitud dimensional de forma. Dos causas principales del desportillado son el choque mecánico (impacto por interrumpir el corte, como cuando se talla o tornea un eje estirado) y la fatiga térmica (variaciones cíclicas de temperatura de la herramienta en el corte interrumpido). Las grietas térmicas suelen ser perpendiculares al filo cortante de la herramienta. El desportillamiento puede ser consecuencia de grandes inconsistencias en la composición del material de la pieza o en su estructura. El desportillamiento se puede presentar en una región de la herramienta donde ya exista una grieta o un defecto pequeños. Los ángulos de ataque positivos grandes también pueden contribuir al desportillamiento, por el ángulo incluido pequeño de la punta de la herramienta. Además, es posible que la región de desgaste de cráter avance hacia la punta de la herramienta, debilitándola y causando su desportillamiento. El desportillamiento o la fractura se pueden reducir seleccionando materiales de herramienta con gran resistencia al impacto y al choque térmico.

13.4.4.

Observaciones generales sobre el desgaste de herramientas

A causa de los muchos factores que intervienen, que incluyen las características de la máquina herramienta y la calidad de una herramienta fabricada por determinado proveedor, el comportamiento de las herramientas de corte en el desgaste varía mucho. Además de los procesos de desgaste ya mencionados, hay otros fenómenos que también contribuyen a los patrones del desgaste de la herramienta. Por ejemplo, por la disminución del esfuerzo de fluencia a altas temperaturas generadas durante el corte, las herramientas se pueden ablandar y sufrir

13.4. Vida de las herramientas: desgaste y fallo

202

deformación plástica. En general, esta clase de deformación se presenta al maquinar metales y aleaciones de alta resistencia. En consecuencia, las herramientas deben ser capaces de mantener su resistencia y su dureza a las temperaturas elevadas que se desarrollan en el corte. La ranura o la muesca de desgaste en las herramientas de corte se han atribuido a que esta región es la frontera donde la viruta ya no está en contacto con la herramienta. Esta frontera, llamada también línea de profundidad de corte, oscila, por las variaciones inherentes en la operación de corte, y acelera el proceso de desgaste. Por ser duras y abrasivas, las cascarillas y capas de óxidos en una superficie de pieza aumentan el desgaste. En estos casos, la profundidad de corte debe ser mayor que el espesor de la capa de óxido o de la capa endurecida por el trabajo.

13.4.5.

Vigilancia del estado de la herramienta

Con el rápido aumento de las máquinas herramientas controladas por computadora y la implementación de manufactura automatizada, el desempeño fiable y repetible de las herramientas de corte se ha convertido en una consideración importante. La mayor parte de las máquinas herramientas modernas, una vez bien programadas, trabajan con poca supervisión directa de un operador. En consecuencia, el fallo de una herramienta de corte puede tener graves efectos sobre la calidad de las partes maquinadas, así como sobre la eficiencia y economía de la operación general de maquinado. Por lo anterior, es esencial vigilar en forma continua e indirecta el estado de la herramienta para notar, por ejemplo, si hay desgaste, desportillamiento o fallo generalizado. En la mayor parte de las máquinas herramientas modernas se integran sistemas de vigilancia del estado de herramientas en el control numérico computerizado y en los controles lógicos programables. Las técnicas para vigilar el estado de las herramientas suelen entrar en dos categorías generales: directas e indirectas. El método directo para observar el estado de una herramienta de corte implica la medición óptica del desgaste, como en una observación periódica. Es la técnica más común y fiable, y se hace con un microscopio (microscopio de herramentista). Sin embargo, este procedimiento requiere parar la operación de corte. Los métodos indirectos de medición del desgaste implican la correlación del estado de la herramienta con variables de proceso, como fuerzas, potencia, aumento de temperatura, acabado superficial y vibraciones. Un desarrollo importante es la técnica de emisión acústica, que usa un trasductor piezoeléctrico fijo a un portaherramientas. El trasductor siente las emisiones acústicas (habitualmente, en torno a los 100 kHz) que se producen por las ondas de esfuerzo generadas durante el corte. Al analizar las señales se puede vigilar el desgaste y el desportillamiento de la herramienta. La técnica de emisión acústica es especialmente efectiva en operaciones de

13. Conformación por eliminación de material I

203

maquinado de precisión en las que, por las pequeñas cantidades de material eliminado, las fuerzas de corte son bajas. Una aplicación eficaz de la emisión acústica es la detección de la fractura de pequeñas herramientas de carburo a grandes velocidades de corte. Un sistema parecido de vigilancia indirecta del estado de la herramienta consiste en trasductores instalados en las máquinas herramientas originales, o en máquinas ya existentes pero modificadas. Vigilan en forma continua los pares y las fuerzas durante el corte. Las señales se preamplifican y con microprocesador analiza e interpreta su contenido. El sistema es capaz de diferenciar las señales que provienen de la rotura de herramientas, desgaste, falta de herramienta, sobrecarga de la máquina o choque entre las partes. El sistema también puede compensar en forma automática el desgaste de la herramienta, mejorando la exactitud dimensional. En las máquinas herramientas de control numérico por computadora de menor precio, la vigilancia se hace mediante el tiempo de ciclo de herramienta. En un ambiente de producción, una vez determinada la vida esperada de una herramienta de corte o un inserto, se puede capturar en el control para que sea avisado el operador para cambiar la herramienta o el cortador cuando se llega a este tiempo. El proceso es bastante fiable, aunque no en su totalidad, por la variación estadística inherente a la vida de las herramientas; además, es bastante costoso.

13.5.

Acabado e integridad de la superficie

El acabado superficial no sólo influye sobre la exactitud dimensional de las partes maquinadas, sino también sobre sus propiedades. Mientras que el acabado superficial describe las características geométricas, la integridad superficial pertenece a las propiedades, como la vida de fatiga y la resistencia a la corrosión, que están muy influidas por el tipo de superficie producida. Los factores que influyen sobre la integridad superficial son: las temperaturas generadas durante el procesamiento; los esfuerzos residuales; las transformaciones metalúrgicas, y la deformación plástica, desgarramiento y agrietamiento superficiales. El borde acumulado, con su gran efecto sobre el perfil de la punta de la herramienta, tiene la máxima influencia sobre el acabado superficial. El daño acumulado se manifiesta por las marcas abrasivas que se desvían de los surcos rectos que produciría un maquinado normal. Se producen daños considerables a las superficies debidos al borde acumulado. En general, las herramientas de cerámica y de diamante producen mejor acabado superficial que las demás, principalmente debido a su tendencia mucho menor a formar un borde acumulado. Una herramienta que no esté afilada posee un radio grande en su arista. A pequeñas profundidades de corte, el ángulo de ataque puede volverse de hecho negativo; entonces la herramienta «cabalga» sobre la pieza sin sacar viruta. El frotamiento de la herramienta sobre la pieza genera calor e induce esfuerzos superficiales residuales que, a su vez, pueden causar daños superficiales, como rasgaduras y grietas. En consecuencia, la profundidad de corte debe ser, en

204

13.6. Procesos de maquinado para producir formas redondas

general, mayor que el radio de corte. En el cilindrado, como en otras operaciones de corte, la herramienta deja un perfil en espiral (marcas de avance) en la superficie maquinada, al recorrer la pieza. Se puede ver que cuanto mayor es el avance f , y cuanto menor es el radio R de nariz de la herramienta, estas marcas serán más prominentes. Aunque no importan en operaciones de desbaste, sí importan en el maquinado de acabado. Por último, si la herramienta vibra o traquetea durante el corte, afectará negativamente al acabado superficial. La causa es que una herramienta en vibración cambia en forma periódica las dimensiones del corte. Un traqueteo excesivo también puede causar desportillamiento y fallo prematuro de las herramientas de corte más frágiles, como las de cerámica y diamante.

13.6.

Procesos de maquinado para producir formas redondas

El término de tornear indica que la pieza está girando mientras se maquina. El material inicial suele ser una pieza fabricada por otros procesos, como fundición, forjado, estirado o extrusión. Los procesos de torneado son muy versátiles. Se puede producir una gran variedad de formas mediante los siguientes procesos: – Cilindrado, para producir piezas rectas, cónicas, curvas o ranuradas, como ejes, espigas y pernos. – Refrenado, para producir una superficie plana en el extremo de una parte, en partes que se fijan a otros componentes, o ranurar caras y formar asientos para sellos de anillo en «O». – Uso de herramienta formadora para producir diversas formas con fines funcionales o de apariencia. – Mandrinado o perforado, para aumentar un orificio o cavidad cilíndrica hecha con un proceso anterior, o para producir surcos internos circulares. – Taladrado, para producir un orificio, que puede ser seguido de un mandrinado, para mejorar su exactitud y acabado superficial. – Tronzado, para cortar una pieza del extremo de una parte, como por ejemplo en la producción de tejos o piezas brutas para procesamiento adicional en la obtención de productos discretos. – Roscado, para producir roscas externas o internas. – Moleteado, para producir rugosidad en contornos regulares, sobre superficies cilíndricas, como cuando se hacen perillas. Estas operaciones de corte se suelen hacer en un torno, que hoy se consigue en una diversidad de diseños y con características de control por computadora. El cilindrado se puede hacer a varias velocidades de rotación, profundidades de

13. Conformación por eliminación de material I

205

corte d y avance f de la pieza, dependiendo de los materiales de la pieza y la herramienta, del acabado superficial y de la exactitud dimensional requerida de la pieza y de las características del torno.

13.7.

Parámetros del cilindrado

La mayor parte de las operaciones de cilindrado implican el uso de herramientas de corte monofilo (buriles o a base de inserto). Estas herramientas se describen con nomenclatura normalizada. Cada grupo de materiales de herramienta y pieza tiene un conjunto óptimo de ángulos de herramienta, que se han establecido principalmente por experiencia. Geometría de la herramienta Los diversos ángulos en las herramientas de corte monofilo tienen funciones importantes en las operaciones de maquinado. Los ángulos de ataque son importantes para controlar la dirección de flujo de virutas y la resistencia de la punta de la herramienta. Los ángulos de ataque positivo, como ya se mencionó, mejoran la operación de corte reduciendo las fuerzas y las temperaturas; sin embargo, estos ángulos dan como resultado un ángulo incluido pequeño en la punta de la herramienta. Dependiendo de la tenacidad del material de la pieza, esto puede causar desportillamiento y fallo prematuro de la pieza. El ángulo de ataque lateral es más importante que el ángulo de ataque posterior, aunque este último suele controlar la dirección del flujo de virutas. Los ángulos de incidencia controlan la interferencia y el frotamiento en la interfaz entre herramienta y pieza. Si el ángulo de desahogo es demasiado grande, la punta de la herramienta se puede desportillar; si es demasiado pequeño, será excesivo el desgaste de flanco. Los ángulos de filo, o de borde cortante, afectan a la formación de viruta, la resistencia del buril y las fuerzas de corte en distintos grados. El radio de nariz afecta al acabado superficial y a la resistencia de la punta del buril. Mientras menor sea el radio de nariz (herramienta aguzada), el acabado superficial de la pieza será más áspero, y la resistencia del buril será menor. Sin embargo, los radios grandes pueden provocar traqueteo. Rapidez de remoción del material Es el volumen de material quitado por unidad de tiempo. Para cada revolución de la pieza se elimina una capa anular de material, con área transversal igual al producto de la distancia que recorre la herramienta en una revolución (avance f ) por la profundidad de corte d. El volumen de este anillo es igual al producto del área transversal f d por la i circunferencia promedio del anillo, πDm , con Dm = De +D . Para cortes ligeros 2 sobre piezas de gran diámetro, el diámetro promedio se puede reemplazar por De , el diámetro externo. La velocidad de rotación de la pieza es N , y la rapidez de remoción de material por revolución es πDm df . Como son N revoluciones por minuto, esta

13.8. Tornos y operaciones en el torno

206 rapidez es:

RRM = πDm df N. Como la distancia recorrida es l (en mm), el tiempo de corte será: t=

l . fN

El tiempo de corte no incluye al necesario para acercar y retirar la herramienta. Como el tiempo transcurrido en ciclos sin corte en una operación de maquinado no es productivo y afecta en forma negativa a la economía en general, es importante tener en cuenta el que se necesita para acercar y retirar las herramientas hacia y de la pieza. Fuerzas en el cilindrado Las fuerzas que actúan sobre las herramientas de corte son importantes en el diseño de máquinas herramientas, así como en la flexión de las piezas y de herramientas cuando las operaciones de maquinado son de precisión. La fuerza de corte, Fc , actúa hacia abajo sobre la punta de la herramienta de corte y, por consiguiente, también tiende a flexionarla hacia abajo. Es la fuerza que suministra la energía necesaria para la operación de corte. La fuerza de empuje, Ft , actúa en dirección longitudinal. También se la llama fuerza de avance porque posee la dirección del avance. La fuerza radial, Fr , actúa en dirección radial y tiende a alejar la herramienta de la pieza. Es difícil calcular las fuerzas Ft y Fr , por los muchos factores que intervienen en el proceso de corte; en consecuencia, se determinan en forma experimental. Cortes de desbaste y acabado En el maquinado, el procedimiento normal es: hacer uno o más cortes de desbaste con grandes avances y grandes profundidades de corte (y, por tanto, grandes tasas de remoción de metal, sin importar mucho la tolerancia dimensional y la aspereza de la superficie); y continuar con un corte de acabado con menor avance y profundidad de corte para obtener un buen acabado superficial. Fluidos de corte Aunque se pueden maquinar muchos materiales metálicos y no metálicos sin fluido de corte (maquinado en seco), en muchos casos se puede mejorar la operación si se aplica un fluido de corte.

13.8.

Tornos y operaciones en el torno

En general, se considera que los tornos son las máquinas herramientas más antiguas. Aunque se desarrollaron tornos para madera en torno al año 1000 a.C, los tornos para metal con avance de sinfín no se construyeron sino hasta finales del siglo xviii. El torno más común se llamó originalmente torno de motor porque era impulsado por poleas y bandas por encima, accionadas por motores cercanos. Hoy en día, estos tornos tienen sus motores eléctricos individuales.

13. Conformación por eliminación de material I

207

Aunque es sencillo y versátil, un torno común requiere de un tornero hábil, porque todos los controles se manipulan a mano. En consecuencia, es ineficiente en operaciones repetitivas y para grandes producciones.

13.8.1.

Componentes de los tornos

Los tornos poseen una gran diversidad de componentes y accesorios. Los componentes básicos de un torno común son: – Bancada. La bancada sostiene todos los componentes principales del torno. Las bancadas tienen masas grandes y son de construcción rígida, por lo general de hierro colado gris o nodular. La parte superior de la bancada posee dos guías o correderas con diversas secciones transversales, endurecidas y maquinadas para que tengan resistencia al desgaste y exactitud dimensional durante su uso. – Carro. El carro longitudinal, o conjunto del carro, se desliza por las correderas y está formado por un conjunto de corredera transversal, por el portaherramienta y el tablero. La herramienta de corte se monta en el portaherramienta, normalmente con un apoyo compuesto que gira para posicionar y ajustar la herramienta. El carro universal se mueve hacia adentro y afuera, radialmente, controlando la posición radial de la herramienta en operaciones como refrentado. El tablero tiene mecanismos para movimiento, tanto manual como mecanizado, del carro longitudinal y del transversal, mediante tornillos de avance. – Cabezal. El cabezal está fijo en la bancada y posee motores, poleas y bandas que suministran potencia al husillo a varias velocidades de giro. Las velocidades se pueden establecer mediante selectores de control manual. La mayor parte de los cabezales poseen un conjunto de engranajes y algunos tienen varios reductores para permitir una variación continua de velocidades en el husillo Los cabezales tienen un husillo hueco al que se fijan dispositivos de sujeción de la pieza, como mandriles y boquillas, y se pueden manejar barras o tubos largos en diversas operaciones de torneado. – Carro de contrapunto. El carro de contrapunto puede deslizarse por las correderas y se puede sujetar en cualquier posición. Sostiene el otro extremo de la pieza. Tiene un contrapunto que se puede fijar (contrapunto fijo) o puede girar junto con la pieza (contrapunto vivo). En la boquilla del contrapunto (una parte cilíndrica hueca con orificio cónico) se pueden montar brocas y rimas para taladrar orificios axiales en la pieza. – Barra de avance y tornillo guía. La barra de avance es accionada por un conjunto de engranajes en el cabezal. Gira durante el funcionamiento del torno y pasa el movimiento al carro longitudinal y al carro transversal mediante engranajes, un embrague de fricción y un cuñero que lo recorre en su longitud. Al cerrar una tuerca dividida que rodea al tornillo guía, lo acopla con el carro longitudinal; también se usa para cortar roscas con exactitud.

208

13.8.2.

13.8. Tornos y operaciones en el torno

Especificaciones de un torno

Los tornos se suelen especificar por: su volteo —i.e., el diámetro máximo de la pieza que se puede maquinar—; la distancia máxima entre el cabezal y el contrapunto; y la longitud de la bancada. Por ejemplo, un torno puede tener el siguiente tamaño: 3600 mm de volteo por 760 mm entre centros por 1830 mm de bancada. Se consiguen tornos en una diversidad de estilos, construcción y potencia. Los tornos de banco se instalan en un banco de mecánico; tienen baja potencia y suelen funcionar con avance normal; se usan para maquinar pequeñas piezas con precisión. Los tornos de taller tienen gran precisión, lo que permite maquinar piezas a tolerancias estrechas. Los tornos de motor se consiguen en una gran variedad de tamaños y se emplean para diversas operaciones; por último, en los tornos al aire o bipartidos, se quita una parte de la bancada, frente al cabezal fijo, para manejar piezas de diámetros grandes. Los tornos especiales se usan en aplicaciones como en ruedas de ferrocarril, cañones y rodillos de laminadora, con piezas de hasta 1,7 m de diámetro por 8 m de longitud, y con capacidades hasta de 450 kW. El costo de los tornos de motor va desde unos 2000 dólares para los de banco hasta más de 100000 dólares para las unidades mayores. Las velocidades máximas de husillo suelen ser de 2000 rpm, aunque pueden ser sólo de 200 rpm para tornos grandes. En aplicaciones especiales, las velocidades pueden ir de 4000 a 10000 rpm, o hasta 40000 rpm en el maquinado de alta velocidad.

13.8.3.

Dispositivos y accesorios para sujetar piezas

Los dispositivos de sujeción de pieza tienen especial importancia en las máquinas herramientas y en las operaciones de maquinado. En un torno, un extremo de la pieza se sujeta al husillo con una boquilla, plato de arrastre o mandril. Un mandril se suele equipar con cuatro mordazas de sujeción. Los mandriles de tres mordazas o universales poseen en general un diseño de espiral con engranajes que los hace autocentrantes; se usan con piezas redondas, como por ejemplo perfiles de barra y tubos, que se pueden centrar con 0,025 mm de precisión. Los mandriles de cuatro mordazas (independientes) tienen mordazas que se pueden mover y ajustar en forma independiente entre sí; pueden usarse para manejar piezas cuadradas, rectangulares o de formas diversas. Como son más robustos que los de tres mordazas, se usan para piezas pesadas, o para trabajos donde se requieren varias posiciones, donde la concentricidad es importante. En algunos mandriles, se pueden invertir las mordazas para permitir sujetar piezas desde sus superficies externas o desde sus superficies internas, cuando son huecas, en piezas como tubos. También se consiguen mordazas de acero al bajo carbono (mordazas suaves) que se pueden maquinar en formas deseadas; por su

13. Conformación por eliminación de material I

209

baja resistencia y dureza, se apegan a pequeñas irregularidades en las piezas, y en consecuencia producen mejor sujeción. Los mandriles pueden ser motorizados o de accionamiento manual, con una llave de mordazas. Como se tardan más en funcionar, los mandriles de accionamiento manual se usan en general sólo en talleres y para pequeñas series de producción. Las mordazas se consiguen en varios diseños y tamaños. Su selección depende del tipo y rapidez de la operación, del tamaño de la pieza, de los requisitos de producción y exactitud, y de las fuerzas necesarias en las mordazas. Si controla la magnitud de las fuerzas en las mordazas, un operador puede asegurar que la pieza no se deslice en el mandril al maquinarla. Las grandes velocidades de husillo pueden reducir bastante las fuerzas de sujeción en las mordazas, por el efecto de las fuerzas centrífugas; este efecto posee importancia especial en el torneado de tubos de precisión. Los mecanismos modernos de accionamiento de mordazas permiten tener mayores fuerzas de sujeción para el desbaste y menor para las operaciones de acabado. Para satisfacer las crecientes demandas de rigidez, precisión, versatilidad, potencia y altas velocidades de corte en las máquinas herramientas modernas, se han hecho grandes avances en el diseño de los dispositivos de sujeción de piezas. Los platos o sistemas de sujeción motorizados, de acción neumática o hidráulica, se usan en equipo automático para grandes tasas de producción; incluyen la carga de las piezas con robots industriales. También se consiguen varias clases de platos de sujeción motorizados con mecanismos de palanca o de cuña, para accionar las mordazas; estos platos de sujeción tienen movimientos (carreras) de mordaza que suelen limitarse a unos 13 mm. Una boquilla es básicamente un buje cónico partido longitudinalmente. La pieza, que en general tiene un diámetro máximo de 1 pulgada, se coloca dentro de la boquilla, y ésta se estira (boquilla de tracción) o se empuja (boquilla de empuje), de o hacia el husillo, en forma mecánica. Las superficies cónicas concentran radialmente los segmentos de la boquilla y aprietan la pieza. Se usan boquillas para piezas redondas y de otras formas (por ejemplo, piezas cuadradas o hexagonales) y se consiguen una gran variedad de tamaños crecientes. Una de las ventajas de usar boquillas y no un mandril de tres o cuatro mordazas es que la boquilla sujeta casi toda la circunferencia de la parte, por lo que es muy adecuada para partes con pequeñas áreas transversales. Debido a que movimiento radial de los segmentos de la boquilla es pequeño, las piezas deben tener una aproximación de 0,125 mm de aquélla. Los platos de arrastre son para sujetar piezas de forma irregular. Son redondos y poseen varias ranuras y orificios, a través de los cuales se atornilla o prensa la pieza. Los mandriles de centro se colocan dentro de piezas huecas o tubulares, y son para sujetarlas cuando se requiere maquinarlas en ambos extremos o en sus superficies cilíndricas. Algunos mandriles de centro se montan entre los puntos del torno.

210

13.8. Tornos y operaciones en el torno

Accesorios Se dispone de varios dispositivos y accesorios para tornos. Entre ellos están los siguientes: – Topes de carro y de carro transversal, de varios diseños, para detener al carro en un punto predeterminado de aquella. – Dispositivos para cilindrar piezas con distintas conicidades o radios. – Aditamentos para fresar, aserrar, maquinar engranajes y rectificar. – Diversos accesorios para mandrinar, taladrar y roscar.

13.8.4.

Operaciones en el torno

En una operación normal de cilindrado, la pieza se sujeta con alguno de los dispositivos descritos hasta aquí. Las partes largas y esbeltas deben soportarse con una luneta fija y una luneta móvil colocada en la bancada; si no se hace esto, la parte se flexionará debido a las fuerzas de corte. Estas lunetas suelen estar equipadas con tres dedos o rodillos ajustables, que sostienen a la pieza pero la dejan girar libremente. Las lunetas fijas se sujetan en forma directa a las guías de la bancada, mientras que las lunetas móviles se sujetan en el carro longitudinal y se mueven con él. La herramienta de corte, fija al portaherramientas —que a su vez es impulsado por el tornillo guía— quita el material al recorrer la bancada. Una herramienta derecha viaja hacia el cabezal, y una herramienta izquierda se mueve hacia el contrapunto. Las herramientas formadoras son para producir diversos contornos en piezas redondas por cilindrado. La herramienta se mueve en sentido radial, hacia dentro, para maquinar la parte. El maquinado con corte de forma no es adecuado para ranuras profundas y angostas ni para aristas agudas, que pueden causar vibración y ocasionar un mal acabado de la superficie. En un torno se efectúan también algunas otras operaciones. La operación de perforado o mandrinado en un torno se parece a la de cilindrado. El mandrinado se hace en el interior de piezas huecas, o en un orificio hecho antes por taladrado u otros métodos. Los orificios de forma inadecuada se pueden corregir por mandrinado. La pieza se sujeta en un plato de sujeción o por cualquier otro método. El taladrado se puede hacer en un torno montando la broca en un broquero, en la boquilla del contrapunto (un eje tubular). La pieza se pone en un sujetador en el cabezal y la broca se hace avanzar girando la manivela. Puede ser que los orificios taladrados en esa forma no sean concéntricos, por la tendencia que tiene la broca a desplazarse radialmente. La concentricidad del orificio se mejora después mandrinando el orificio taladrado. Los orificios taladrados se pueden escariar o rimar en tornos, en forma parecida al taladrado, mejorando así las tolerancias del orificio.

13. Conformación por eliminación de material I

211

Las herramientas para tronzar, ranurar, maquinar roscas u otras operaciones tienen formas especiales para sus destinos particulares, o se consiguen como insertos. El moleteado se hace en un torno con rodillos endurecidos en los que la superficie es un réplica del perfil que se va a generar. Estos rodillos se comprimen radialmente contra la pieza que gira, mientras la herramienta se mueve en dirección axial, a lo largo de la parte.

13.8.5.

Tornos copiadores

Los tornos copiadores son máquinas herramientas con accesorios, capaces de tornear partes de diversos contornos. También se denominan tornos duplicadores o tornos de contornear. La herramienta de corte sigue una trayectoria que duplica el contorno de una plantilla. Las operaciones hechas con un torno copiador se han reemplazado en su mayor parte con los tornos de control numérico y los centros de torneado.

13.8.6.

Tornos automáticos

A través de los años se han automatizado los tornos cada vez más. Los controles manuales de las máquinas se han sustituido con diversos mecanismos que permiten que las operaciones de corte se apeguen a un orden preestablecido. En una máquina totalmente automática, se alimentan y se quitan las partes también en forma automática, mientras que en las máquinas semiautomáticas esas funciones las hace el operador. Los tornos automáticos, que pueden tener husillo horizontal o vertical y no tienen contrapuntos, se llaman también tornos automáticos al aire. Son para maquinar piezas individuales de formas regulares o irregulares, y se consiguen en tipos de uno o varios husillos. En otra clase de tornos automáticos, la barra se alimenta de forma periódica al torno, y una parte se maquina y se corta en el extremo de la barra. Los tornos automáticos son adecuados para producciones medianas o grandes.

13.8.7.

Máquinas automáticas para barras

Antes se denominaban máquinas roscadoras automáticas; estas máquinas están diseñadas para producir tornillos y piezas roscadas en grandes cantidades. Como pueden producir además otros componentes, hoy se denominan máquinas automáticas para barras. En estas máquinas, todas las operaciones se efectúan en forma automática, y las herramientas se fijan en un revólver especial. Después de haber maquinado cada tornillo o parte a sus dimensiones finales, el perfil de barra avanza en forma automática y se corta. Las máquinas pueden tener uno o varios husillos. Las capacidades para barra redonda van de 3 a 150 mm de diámetro. Las máquinas automáticas de barra con un husillo se parecen a los tornos

13.8. Tornos y operaciones en el torno

212

de revólver, y tienen varios mecanismos accionados por levas. Hay dos tipos de estas máquinas: en las máquinas automáticas tipo suizo, la superficie cilíndrica de la varilla es maquinada por una serie de herramientas que se mueven en el sentido radial y en el mismo plano, hacia la pieza. La barra se sujeta cerca del husillo principal, con lo cual se reducen al mínimo las deflexiones. La otra máquina de un husillo (llamada tipo americano) se parece a un pequeño torno revólver. El revólver está en el plano vertical, y todos los movimientos de los componentes de la máquina son controlados por levas. Las máquinas automáticas de barra de husillos múltiples tienen entre cuatro y ocho husillos dispuestos en un círculo, en un tambor grande, y cada uno tiene una pieza. Las herramientas de corte se disponen en varias posiciones en la máquina y se mueven en direcciones axiales y radiales a la vez. Cada parte se maquina en etapas, al moverse de una estación a la siguiente. Como todas las operaciones se hacen en forma simultánea, se reduce el tiempo de ciclo de maquinado por pieza.

13.8.8.

Tornos de revólver

Los tornos (de) revólver son capaces de efectuar muchas operaciones de corte, como cilindrado, mandrinado, taladrado, roscado y refrentado en la misma pieza. Se montan varias herramientas de corte (por lo general hasta seis) en el revólver principal, que gira para efectuar cada operación de corte. El torno suele tener un revólver cuadrado en el carro transversal hasta con cuatro buriles montados en él. La pieza, que en general es una varilla larga y redonda, se hace avanzar una distancia preestablecida por el plato. Después de maquinada la pieza, es tronzada mediante una herramienta montada en el revólver cuadrado, que se mueve en dirección radial penetrando en la pieza. A continuación, la varilla avanza la misma distancia preestablecida, hacia el área de trabajo, y se maquina la siguiente parte. Los tornos revólver (tipo de barra o mandril) son versátiles y se pueden hacer las operaciones ya sea a mano, usando una manivela (rueda de trinquete) o en forma automática. Una vez que un programador lo alista bien, esta máquina no requiere operadores muy diestros. Uno de los tornos revólver más empleados es el tipo ariete, en el que un ariete se desliza en una base separada, sobre el puente. La carrera corta del ariete del revólver limita esta máquina a procesar piezas relativamente cortas y cortes ligeros, en producción a pequeña y mediana escala. En otro estilo, llamado tipo puente, el revólver principal se instala en forma directa sobre el puente, que se desliza directamente sobre la bancada. La longitud de la carrera sólo está limitada por la longitud de la bancada. Este tipo de torno tiene construcción más robusta y se usa para maquinar piezas grandes. Por el gran peso de los componentes, las operaciones en el torno tipo puente son más lentas que el tipo ariete. También hay tornos revólver verticales; son más adecuados para piezas cortas y pesadas, con diámetros de hasta 1,2 m.

13. Conformación por eliminación de material I

13.8.9.

213

Tornos controlados por computadora

En los tornos más avanzados, el movimiento y el control de la máquina y sus partes se produce mediante controles numéricos computerizados. Estos tornos suelen tener uno o más revólveres. Cada uno posee diversas herramientas y ejecuta varias operaciones en superficies distintas de la pieza. Estas máquinas están muy automatizadas, las operaciones son repetitivas y mantienen la exactitud dimensional pretendida; se requiere además mano de obra menos capacitada (después de haber preparado la máquina). Son adecuadas para producción en pequeña y mediana escalas.

13.8.10.

Posibilidades del proceso de torneado

Las velocidades de producción relativas en torneado, así como en otras operaciones de corte, poseen una gran influencia sobre la productividad en las operaciones de maquinado. Hay grandes diferencias de velocidad de producción entre los distintos procesos; éstas no se deben sólo a las características inherentes al proceso y as herramientas, sino también a otros factores, como tiempos de preparación y tamaño de las piezas. El acabado superficial y la exactitud dimensional que se obtienen en el cilindrado y operaciones afines dependen de factores como las características y el estado de la máquina herramienta, la rigidez, la vibración y el traqueteo, los parámetros de proceso, la geometría y el desgaste de la herramienta, el empleo de fluidos de corte, la facilidad de maquinado del material de la pieza y la destreza del operador.

13.8.11.

Consideraciones de diseño para operaciones de conformado

Son importantes ciertas consideraciones en el diseño de piezas que se deban fabricar económicamente mediante operaciones de torneado. Como el maquinado, en general, puede consumir bastante tiempo aumentando el costo de producción, desperdicia material y no es tan económico como el moldeado de partes, se debe evitar hasta donde sea posible. Cuando sean necesarias operaciones de torneado, deben usarse los siguientes lineamientos generales de diseño: – Las piezas se deben diseñar de tal modo que se puedan soportar y sujetar en los aditamentos correspondientes con relativa facilidad. Las piezas delgadas y esbeltas son difíciles de sujetar bien para resistir las fuerzas de sujeción y de corte. – La exactitud dimensional y el acabado superficial que se especifiquen deben ser lo más amplios que sea posible para que la parte funcione de forma correcta.

13.8. Tornos y operaciones en el torno

214

– Se deben evitar aristas agudas, conos y grandes variaciones en dimensiones de la parte. – Las piezas brutas por maquinar deben tener dimensiones tan aproximadas a las finales como sea posible (formadas a forma casi neta) para reducir el tiempo del ciclo de producción. – Las piezas se deben diseñar de tal manera que las herramientas de corte puedan desplazarse por la pieza sin obstrucción. – Las propiedades del diseño deben ser tales que se puedan usar herramientas de corte, insertos y sujetadores normales y disponibles en el mercado. – Los materiales deben seleccionarse, hasta donde sea posible, en base a su facilidad de maquinado.

13.8.12.

Lineamientos para operaciones de torneado

Además de las diversas recomendaciones acerca de las herramientas y parámetros de proceso que hemos descrito hasta ahora, un factor importante es la presencia de vibración y traqueteo. La vibración durante el corte puede causar mal acabado superficial, mala exactitud dimensional y desgaste y fallo prematuros de la herramienta. A causa de la complejidad que implica el torneado, alguno de los lineamientos deben implementarse por tanteo: – Minimizar lo sobresalido de la herramienta. – Soportar en forma rígida la pieza. – Usar máquinas herramientas de gran rigidez y gran capacidad de amortiguamiento. – Cuando las herramientas comiencen a vibrar y a traquetear, modificar uno o más de los parámetros del proceso, como por ejemplo la geometría de la herramienta, velocidad de corte, avance, profundidad de corte o empleo de fluido de corte.

13.8.13.

Sistemas de recolección de viruta

Las virutas que se producen durante el maquinado se deben recolectar y eliminar en forma correcta. El volumen de virutas puede ser muy alto, en especial en operaciones de alta velocidad y alta tasa de remoción. A veces, se le llama administración de viruta al proceso que implica recolectar las virutas de sus fuentes en las máquinas herramientas en forma eficiente, y sacarlas del área de trabajo. Las virutas largas y filamentosas son más difíciles de recolectar que las cortas (uso de los aditamentos rompedores de viruta en las herramientas de corte). En consecuencia, el tipo de viruta producida (control de viruta) es un aspecto integral del sistema de recolección.

13. Conformación por eliminación de material I

215

Las virutas se pueden recolectar con cualquiera de los métodos siguientes: dejar que la gravedad las haga caer sobre una banda transportadora de acero; barrer las virutas de un tanque de asentamiento; con sondas de gusano de alimentador, parecidas a las de los picadores de carne; con transportadores magnéticos (para virutas ferrosas); con instalaciones de vacío para eliminación. Las máquinas herramientas modernas se diseñan con aditamentos para manejo de viruta. Se debe hacer notar que puede haber una cantidad importante de fluido de corte mezclado y adherido a las virutas producidas, por lo que es importante su drenaje o filtración adecuados. El fluido y el lodo se pueden eliminar con exprimidores de viruta (centrífugos). Los sistemas de procesamiento de viruta suelen requerir bastante espacio de piso, y pueden costar desde 60000 dólares para talleres pequeños hasta más de un millón de dólares para virutas grandes. Las virutas recolectadas se pueden reciclar o desechar (siempre que no contengan componentes ni fluidos peligrosos. Antes de sacarlas de una planta manufacturera, su gran volumen se puede reducir hasta la quinta parte por compactación para formar briquetas, o por desintegración. Las virutas secas son más valiosas en el reciclado, por la reducida contaminación ambiental. El método final de eliminación de viruta depende de la economía y del apego a los reglamentos locales, estatales y federales. La tendencia es reciclar toda la viruta, al igual que los fluidos de corte usados y el lodo.

13.9.

El mandrinado y la mandrinadora

Si se hace en un torno, el mandrinado o perforado produce perfiles internos circulares en piezas huecas, o en un orificio hecho por taladrado u otro proceso. El mandrinado se hace con herramientas de corte parecidas a las que se usan en el torneado. Como la barra de mandrinar debe llegar a toda la longitud del barreno, la flexión de la herramienta y, en consecuencia, la conservación de la exactitud dimensional, puede ser un problema importante. La barra de mandrinar debe tener la rigidez suficiente, i.e., debe estar hecha de un material de alto módulo de elasticidad, como el carburo de tungsteno, para minimizar la flexión y evitar vibración y traqueteo. Se han diseñado barras de mandrinar con propiedades amortiguadoras de vibración. Aunque las operaciones de perforado en piezas relativamente pequeñas se pueden hacer en un torno, para piezas grandes se emplean mandrinadoras. Estas máquinas pueden ser verticales u horizontales, y son capaces de operaciones como cilindrado, refrentado, ranurado y biselado. Una mandrinadora vertical se parece a un torno, pero el eje de rotación de la pieza es vertical. La herramienta de corte, que por lo general es de un solo filo, hecha de acero rápido M2 y M3 y carburo C-7 y C-8, se monta en el portaherramientas, con movimientos verticales (para perforar y tornear) y movimientos radiales (para

13.10. Taladrado y brocas

216

refrentar), guiada por el riel transversal. Este cabezal se puede inclinar para producir superficies cónicas. En las mandrinadoras horizontales, la pieza se monta en una mesa que se puede mover en sentido horizontal en las direcciones axial y radial. La herramienta de corte se monta en un husillo que gira en el cabezal, que a su vez puede moverse en sentidos vertical y longitudinal. También se pueden montar en el husillo de la máquina brocas, escariadores, machuelos y fresas. Las mandrinadoras se consiguen con diversas características. Aunque los diámetros de pieza son en general de 1 a 4 m, se pueden maquinar piezas de hasta 20 m en mandrinadoras verticales. Las capacidades de las máquinas llegan hasta 150 kW. Estas máquinas también se venden con controles numéricos computerizados con los que se pueden programar todos los movimientos. Con esos controles, se requiere poca intervención del operador y se mejora mucho la productividad. Las máquinas perforadoras verticales son mandrinadoras verticales con cojinetes de gran precisión. Aunque se consiguen en varios tamaños y se usan en los almacenes de herramienta para fabricar plantillas y soportes, hoy se están reemplazando por máquinas más versátiles de control numérico.

Aspectos de diseño del mandrinado Los lineamientos para las operaciones eficientes y económicas de perforado o mandrinado se parecen a los del torneado. Además, se deben tener en cuenta los siguientes factores: – Siempre que sea posible, se deben especificar orificios pasantes y no ciegos. – Cuanto menor sea la relación de longitud a diámetro del orificio, más difícil es mantener las dimensiones exactas, por las deflexiones de la barra de mandrinado, debidas a las fuerzas de corte. – Se deben evitar las superficies internas interrumpidas.

13.10.

Taladrado y brocas

En general, los orificios se usan para ensamblar con sujetadores tales como pernos, tornillos o remaches, o para tener acceso al interior de una pieza. El maquinado de orificios es una de las operaciones más importantes en la manufactura. En la producción de motores de automóvil, el costo del maquinado de orificios es uno de los mayores en el maquinado. El taladrado es uno de los procesos más importantes y más comunes de maquinado de orificios; entre otros procesos para producir orificios está el punzonado o troquelado y otros más avanzados de maquinado.

13. Conformación por eliminación de material I

13.10.1.

217

Brocas

Debido a que las brocas suelen tener una relación grande de longitud a diámetro, son capaces de producir orificios relativamente profundos. Sin embargo, son algo flexibles, dependiendo de su diámetro, y se deben usar con cuidado para taladrar orificios con exactitud y evitar que se rompa la broca. Además, hay que remover las virutas que se producen dentro de la pieza, moviéndolas en dirección opuesta al movimiento axial de la broca. En consecuencia, en el taladrado pueden presentarse grandes dificultades para retirar las virutas, así como la eficacia de los fluidos de corte. En general, los diámetros de orificio que produce mayores que el diámetro de la broca (sobretamaño) vándola, que se puede sacar con facilidad una broca producir. La cantidad de sobretamaño depende de la equipo usado, así como de los métodos empleados.

el taladrado son un poco y se puede notar, obserdel orificio que acaba de calidad de la broca y del

Broca helicoidal Las brocas más comunes son del tipo convencional helicoidal con punta cónica, cuyas propiedades principales son el ángulo de punta, el ángulo de gavilanes, el ángulo de punto muerto o arista y el ángulo de hélice. La geometría de la boca o punta de la broca es tal que el ángulo de ataque normal y la velocidad del filo varían con la distancia al centro de la broca. En general, dos ranuras helicoidales (canales) van por la longitud de la broca, y las virutas producidas son conducidas hacia arriba por estos canales. Además, los canales funcionan como pasos para que el fluido de corte pueda llegar a los filos. Algunos taladros tienen orificios longitudinales internos, a través de los cuales se hacen pasar los fluidos de corte, mejorando la lubricación y el enfriamiento, y también lavan y retiran las virutas. Se consiguen brocas con aditamento rompevirutas, tallado en los filos. Esta función es importante en el taladrado con maquinaria automática, donde es necesaria la eliminación de virutas largas sin que intervenga el operador. Geometrías de punta de broca Unos cambios pequeños en la geometría de la broca pueden tener grandes efectos en la eficiencia de ésta, en especial en la región del punto muerto o arista, que consume un cincuenta por ciento de la fuerza de empuje en el taladrado. Por ejemplo, si el ángulo de gavilanes es pequeño, aumenta la fuerza de empuje, se genera demasiado calor y aumenta el desgaste. A la inversa, si ese ángulo es demasiado grande, puede causar el desportillamiento o la rotura del filo de corte. En consecuencia, además de las brocas convencionales, se han desarrollado otras muchas geometrías de punta de broca para mejorar el funcionamiento y aumentar la rapidez de penetración de la broca. Para producir estas geometrías se usan técnicas y equipo especiales de rectificado. Otras clases de brocas Una broca escalonada produce orificios de dos o más diámetros distintos. Una broca de sondeo es para agrandar un orificio existen-

218

13.10. Taladrado y brocas

te. Las brocas de abocardar y de avellanar producen depresiones o cajas en la superficie, para acomodar cabezas de tornillos y pernos. Una broca de centro es corta y se usa para producir un orificio en el extremo de una pieza, para poder montarla entre los puntos de un torno. Una broca piloto se usa para iniciar un orificio en el lugar deseado de una superficie. Las brocas de pala tienen puntas o buriles desmontables, y se usan para producir orificios grandes y profundos. Tienen las ventajas de mayor rigidez (por falta de canales en el cuerpo), facilidad de afilado de las aristas de corte y menor coste. Las brocas de punta de cigüeñal tienen buena facilidad de centrado y, como las virutas tienden a romperse con facilidad, estas brocas son adecuadas para producir orificios profundos.

Taladrado de cañones Desarrollado en sus inicios para taladrar cañones, esta operación tiene por objeto taladrar orificios profundos, y emplea brocas especiales. Las relaciones de profundidad a diámetro de los orificios obtenidos pueden ser de 300 a 1 o mayores. La fuerza de empuje (fuerza radial que tiende a empujar la broca hacia un lado) se equilibra mediante bases de soporte en la broca, que se deslizan por la superficie interna del orificio. En consecuencia, una broca de cañón es autocentrante, propiedad importante cuando se taladran orificios rectos y profundos. Las velocidades de corte en el taladrado de cañones suelen ser altas, y los avances bajos. El fluido de corte se hace pasar a alta presión por un orificio longitudinal en el cuerpo de la broca. Además de lubricar y enfriar, el fluido de corte también lava y retira las virutas que se quedarían atrapadas en el orificio profundo que se taladra, interfiriendo con la operación. No es necesario retirar la herramienta para retirar las virutas.

Trepanado En el trepanado, la herramienta de corte produce un orificio al quitar una pieza (núcleo) en forma de disco, por lo general en placas planas. Se produce un orificio sin reducir a virutas todo el material que se va a quitar, como se hace en el taladrado. El proceso de trepanado se puede usar para fabricar discos de hasta 150 mm de diámetro con placa o lámina plana. Se puede hacer trepanado en tornos, taladros verticales u otras máquinas, con herramientas de una o varias puntas. Una variación del trepanado es el trepanado de cañón, donde se usa una herramienta de corte parecida a una broca de cañón, excepto que esa herramienta tiene un orificio central.

13.10.2.

Rapidez de remoción de material

La rapidez de remoción de material en el taladrado es el volumen de material sacado por la broca por unidad de tiempo. Para una broca con diámetro D, 2 el área transversal del orificio taladrado es πD 4 . La velocidad de la broca, perpendicular a la pieza, es el producto del avance f por la velocidad de rotación,

13. Conformación por eliminación de material I N , siendo N =

V πD .

Así, RRM =

13.10.3.

219

πD2 f N. 4

Fuerza de empuje y par de torsión

La fuerza de empuje en el taladrado tiene dirección perpendicular al eje del orificio; si esta fuerza es excesiva puede hacer que la broca se doble o rompa. Una fuerza excesiva de empuje también puede distorsionar la pieza, en especial si no tiene la rigidez suficiente (por ejemplo, si es una estructura de metal en láminas delgadas), o puede hacer que la pieza se deslice en su soporte. Las fuerzas de empuje van desde algunos newton con brocas pequeñas hasta 100 kN cuando se taladran materiales de gran resistencia con brocas grandes. De igual manera, el par de taladrado puede llegar hasta 4000 N · m. Es esencial conocer la magnitud del par de torsión en el taladrado para estimar la potencia requerida. Un par muy grande puede torcer la pieza o hacer que se deslice en su soporte. Es difícil calcular el par durante el taladrado.

13.10.4.

Materiales y tamaños de brocas

Las brocas se suelen fabricar con aceros rápidos (M1, M7 y M10), y muchas se recubren hoy con nitruro de titanio para tener mayor resistencia al desgaste. Se consiguen brocas con puntas de carburo o de carburo macizo para hierros colados, aceros, metales duros en alta temperatura y materiales abrasivos, como hormigón y ladrillos, así como materiales compuestos con refuerzos de fibras abrasivas, como las de vidrio y grafito. Hoy es común el uso de brocas recubiertas de diamante policristalino, para producir orificios para tornillos en plásticos reforzados, como epóxicos con grafito. Por su alta resistencia al desgaste, se pueden taladrar varios miles de orificios con pocos daños al material.

13.10.5.

Práctica del taladrado

Las brocas y las herramientas para hacer orificios se suelen sujetar en broqueros o mordazas para brocas que se puedan apretar con o sin llaves. Se consiguen broqueros y boquillas especiales con diversas funciones de cambio rápido, que no requieren parar el husillo, para usarlos en maquinaria de producción. Como una broca no tiene acción centrante, tiende a «caminar» sobre la superficie de la pieza al comenzar la operación. Este problema es especialmente grave en las brocas de tamaño pequeño. Para iniciar bien un orificio se debe guiar a la broca, con soportes (como por ejemplo un buje) que eviten que se desplace hacia los lados.

13.10. Taladrado y brocas

220

Se puede hacer un orificio pequeño inicial con una broca de centro (normalmente con ángulo de 60◦ en la punta), o se puede esmerilar la punta de la broca para obtener una forma de S (punta en espiral o helicoidal ). Esta característica autocentrante elimina la necesidad del taladrado de centro, produce orificios exactos y mejora la vida de la broca. Estos factores son de especial importancia en la producción automatizada, con máquinas de control numérico, en donde lo que se acostumbra es a usar una broca piloto con ángulo de 118◦ en la punta. La broca «camina» menos cuando se igualan los ángulos de punta de la broca piloto y la broca que se vaya a usar. Por su movimiento giratorio, el taladrado produce orificios con paredes que tienen marcas circulares; en contraste, los orificios troquelados o punzonados tienen marcas longitudinales. Esta diferencia es importante en lo que respecta a las propiedades de fatiga del orificio. Recomendaciones para el taladrado dos para velocidades y avances en el superficial de la broca en su periferia. 1 mm de diámetro, las velocidades de dependiendo del material de la pieza.

Existen una serie de límites recomendataladrado. La velocidad es la velocidad Cuando se taladran orificios menores de rotación pueden subir hasta 30000 rpm,

El avance en el taladrado es la distancia que recorre la broca por revolución, al penetrar en el material de la pieza. La eliminación de viruta durante el taladrado se puede dificultar, en especial en orificios profundos y en materiales suaves y dúctiles. La broca se debe retirar en forma periódica para sacar las virutas que se hayan acumulado en sus surcos; de otro modo puede romperse debido al par de torsión excesivo, o puede «caminar» y salirse del lugar, produciendo un orificio mal hecho. Reacondicionamiento de brocas Las brocas se reacondicionan esmerilándolas, ya sea en forma manual o con soportes especiales. Es importante el reacondicionamiento adecuado, en especial en la manufactura automatizada con máquinas de control numérico por computadora. Las brocas recubiertas con nitruro de tungsteno se pueden volver a recubrir.

13.10.6.

Medición de la vida de las brocas

Es importante afilar o cambiar las brocas desafiladas, en especial si la producción está automatizada. El uso de brocas desafiladas aumenta las fuerzas y la potencia, causa daños en la superficie y produce orificios faltos de exactitud. La vida de las brocas, al igual que la de los machuelos, se suele medir en cantidad de orificios taladrados antes de desafilarse. El procedimiento de prueba consiste en sujetar un bloque de material sobre un dinamómetro adecuado, o trasductor de fuerza, y taladrar varios orificios, anotando al mismo tiempo el par de torsión o la fuerza durante cada operación. Después de haber taladrado varios orificios, comienzan a aumentar el par de torsión y la fuerza, porque la herramienta se está desafilando.

13. Conformación por eliminación de material I

221

La vida de la broca se define como la cantidad de orificios taladrados hasta que comienza esta transición. También se pueden usar otras técnicas, como por ejemplo vigilar la vibración y las emisiones acústicas para determinar la vida de las brocas. Estas técnicas tienen importancia especial en operaciones controladas por computadora.

13.11.

Taladros

Los taladros se usan para barrenar, machuelar, escariar y también para perforar diámetros pequeños. El tipo más común es el taladro vertical. La pieza se coloca en una mesa ajustable, prensándola directamente en las ranuras y orificios de la mesa, o con un tornillo de banco, que a su vez se puede sujetar en la mesa. La broca se baja manualmente mediante un volante o con el avance adecuado con velocidades preestablecidas. Para el avance manual se requiere cierta destreza para determinar el valor adecuado. Los taladros verticales se suelen especificar por el diámetro máximo de pieza que puede caber en la mesa. Los tamaños característicos van de 150 a 1250 mm. Para mantener las velocidades correctas de corte en los filos de las brocas, se debe ajustar la velocidad del husillo en los taladros de acuerdo con los diferentes diámetros de broca. Los ajustes se hacen mediante poleas, cajas de engranajes o motores de velocidad variable. Los tipos de taladros van desde las sencillas unidades de taladro de banco, que son para taladrar orificios de diámetro pequeño, hasta los grandes taladros radiales, donde pueden caber piezas grandes. La distancia entre la columna y el centro del husillo puede ser hasta de 3 m. La cabeza del taladro de los taladros universales se puede girar, para taladrar en ángulo. Entre los desarrollos de taladros están las máquinas de tres ejes, numéricamente controladas; se efectúan varias operaciones de taladrado en forma automática y en el orden deseado usando un revólver. Éste tiene fijas varias herramientas distintas. Los taladros con varios husillos (taladros múltiples) se usan para operaciones de producción en grandes volúmenes. Estas máquinas son capaces de taladrar hasta 50 orificios de diversos diámetros, profundidades y lugares en una etapa. Por último, los soportes de piezas para taladrar son importantes, pues aseguran que se puede ubicar en forma correcta la pieza.

13.12.

Escariado y escariadores

El escariado o rimado es una operación para: hacer un orificio con dimensiones más exactas que uno existente, o mejorar su acabado superficial. Los orificios más exactos se producen, por tanto, con el siguiente orden de operaciones: centrado, taladrado, perforado o mandrinado y escariado. Un escariador o rima es una herramienta con varios filos de corte, rectos o helicoidales; elimina muy poco material. Para los metales suaves, un escariador

222

13.13. Machuelado y machuelos

suele quitar un mínimo de 0,2 mm del diámetro de un orificio taladrado; para los metales más duros, esta cantidad es de 0,13 mm aproximadamente. Si se trata de quitar capas más delgadas de material puede perjudicarse la operación, porque se puede dañar el escariador o la superficie del orificio se puede bruñir. Los tipos básicos de escariadores son manuales y de máquina. Los escariadores manuales son rectos, o tienen un extremo cónico en el primer tercio de su longitud. Se consiguen diversos escariadores de máquina, llamados también de broquero porque se montan en un broquero. Existen dos tipos básicos de escariadores de broquero. Las rimas de rosa tienen filos con amplios márgenes y sin desahogo; sacan bastante material, y rectifican un orificio para escariar con rimas acanaladas. Los escariadores acanalados tienen poco margen de desahogo y su ángulo de ataque aproximado es de 5◦ . Se usan para cortes ligeros, de más o menos 0,1 mm en diámetro de orificio. Los escariadores huecos, que se montan en un eje, se usan en general para orificios de más de 20 mm de diámetro. Los escariadores de expansión se adaptan a pequeñas variaciones de diámetro de orificio, y pueden compensar también el desgaste de sus filos. Los escariadores ajustables se pueden ajustar para obtener diámetros específicos de orificio y por consiguiente son versátiles. Los escariadores se suelen fabricar con aceros rápidos (M1, M2 y M7) o carburos macizos (C-2), o tienen filos de carburo. Las rimas se pueden sujetar con firmeza, como en un broquero, o pueden flotar en sus sujetadores, para asegurar el alineamiento; también se pueden pilotear en bujes guía colocados arriba y abajo de la pieza.

13.13.

Machuelado y machuelos

Se pueden producir roscas internas en piezas mediante machuelado. Un machuelo es una herramienta de roscar que produce virutas, con dos, tres o cuatro canales. El machuelo más común en la producción tiene dos canales y punta en espiral. Impulsa a las virutas hacia el orificio, por lo que hay que sacarlo sólo al finalizar el corte. Los machuelos de tres canales son más robustos, porque en el canal hay más material disponible. Los tamaños de machuelo llegan hasta los 100 mm. Los machuelos cónicos son para reducir el par de torsión que se requiere para roscar orificios pasantes. Los machuelos de fondeo son para roscar orificios ciegos en toda su profundidad. Los machuelos colapsables se usan en orificios de gran diámetro; después de terminar el roscado el machuelo se contrae mecánicamente y, sin girar, sale del orificio. En el machuelado puede presentarse el problema de la remoción de viruta por las pequeñas holguras que se manejan. Si no se eliminan las virutas adecuadamente, el par de torsión excesivo resultante puede romper el machuelo. Los medios eficaces para eliminar las virutas y mejorar la calidad del orificio roscado

13. Conformación por eliminación de material I

223

son el uso de un fluido de corte y la inversión periódica y retirada del machuelo del orificio. Un desarrollo cuyo objeto es aumentar la productividad del machuelado es la combinación de taladrado y machuelado en una sola herramienta (drapping). Esta herramienta tiene una parte de taladrado en su punta, y le sigue una sección de machuelado. El machuelado se puede hacer a mano o con máquinas como las siguientes: taladros, tornos, roscadoras automáticas y fresadoras verticales de control numérico —en las que se combinan la rotación relativa y el avance longitudinal correctos—. Se venden machueladoras especiales con funciones para operaciones de machuelado múltiple. Se usan mucho cabezas con husillos múltiples de machuelado, en especial en la industria automotriz, donde entre el 30 y el 40 por ciento de las operaciones implican el machuelar orificios. Con lubricación adecuada, la vida de un machuelo puede ser hasta de 10000 orificios. Se puede determinar la vida con la misma técnica que se usó para medir la vida de las brocas. Los machuelos suelen ser de aceros al carbono para aplicaciones de servicio suave, o de aceros rápidos (M1, M2, M7 y M10) para trabajos de producción. Se puede mejorar la productividad de las operaciones de machuelado subiendo la velocidad superficial hasta los 100 m/min. También se han mejorado los sistemas autoinversores de machuelado, y hoy se usan máquinas herramienta modernas, controladas por computadora. Se consiguen diversos diseños con velocidades de operación de hasta 5000 rpm, aunque las velocidades de corte en la mayor parte de las aplicaciones son bastante menores. Los tiempos de ciclo oscilan habitualmente entre uno y dos segundos. Además, algunos sistemas de machuelado tienen la posibilidad de dirigir el fluido de corte hacia la zona de corte a través del husillo y un orificio en el machuelo, que también ayuda a lavar las virutas y a sacarlas del orificio que se rosca. El machuelado de viruta, por último, es un proceso de laminado de roscas internas que usa un machuelo formador.

13.14.

Consideraciones de diseño para taladrado, escariado y machuelado

Los lineamientos básicos para diseñar las operaciones de taladrado, escariado y machuelado son los siguientes: – Los diseños deben permitir el taladrado de orificios sobre superficies planas y perpendiculares al movimiento de la broca; de no ser así, la broca se tiende a flexionar y el orificio no estará localizado con exactitud. Las superficies de salida de la broca también deben ser planas. – Se deben evitar las superficies interrumpidas de orificio, o al menos reducir al mínimo, para mejorar la exactitud dimensional.

224 13.14. Consideraciones de diseño para taladrado, escariado y machuelado – Si es posible, los fondos de los orificios deben ser iguales a los ángulos normales de la punta de broca. Se deben evitar fondos planos o formas raras. – Son preferibles los orificios pasantes a los ciegos, al igual que en las operaciones de mandrinado. Si se requieren orificios de gran diámetro, la pieza debe tener un orificio previo, preferentemente hecho durante su fabricación (por ejemplo, mediante conformado o colado). – Se deben diseñar las partes de tal modo que se pueda hacer todo el taladrado con un mínimo de soporte y sujetadores, y sin cambiar de posición la pieza. – Puede dificultarse escariar orificios ciegos o en intersección, por la posibilidad de romper la herramienta. Se debe tener una profundidad adicional en el orificio. – Se deben taladrar orificios ciegos a mayor profundidad que la alcanzada por las operaciones posteriores de escariado o machuelado que se vayan a ejecutar.

Tema 14

Conformación por eliminación de material II 14.1.

Operaciones de fresado

Además de producir perfiles redondos diversos, internos o externos, con operaciones de corte se pueden fabricar muchas otras piezas con formas más complicadas. En el fresado se incluyen varias operaciones de maquinado muy versátiles, capaces de producir una diversidad de configuraciones usando una fresa, que es una herramienta de varios dientes que produce varias virutas en una revolución.

14.1.1.

Fresado horizontal

En el fresado plano, también llamado fresado periférico, el eje de rotación de la fresa es paralelo a la superficie de la pieza que se va a maquinar. La fresa suele ser de acero de alta velocidad, tiene varios dientes en su circunferencia, y cada uno de ellos trabaja como herramienta de corte; esta fresa se denomina fresa recta. Los cortadores para fresado periférico pueden tener dientes rectos o dientes helicoidales, con los que se obtienen acciones respectivas de corte ortogonal u oblicuo. Los dientes helicoidales se prefieren a los dientes rectos, porque la carga en el diente es menor y se obtiene una operación más uniforme que reduce las fuerzas sobre la herramienta y el traqueteo.

Fresado convencional y fresado concurrente En el fresado convencional, también llamado hacia arriba o contra el avance, el espesor máximo de la viruta está en el final del corte. Sus ventajas son que el agarre del diente no es función de la características superficiales de la pieza, y que la contaminación y/o cascarilla no afectan a la vida de la herramienta. En el método normal de fresar, el

14.1. Operaciones de fresado

226

proceso de corte es uniforme siempre que los dientes de la fresa estén afilados. Sin embargo, puede haber tendencia de la herramienta a traquetear, y la pieza tiene tendencia a ser arrancada hacia arriba, por lo que necesita una sujeción adecuada. En el fresado concurrente, llamado también hacia abajo —el giro de la fresa está en la misma dirección que el avance de la pieza—, el corte comienza en la superficie de la pieza, y la viruta allí es más gruesa. La ventaja es que la componente hacia abajo de las fuerzas de corte mantiene a la pieza en su posición, en especial en piezas delgadas. Sin embargo, debido a las grandes fuerzas de impacto que se producen cuando los dientes entran a la pieza, esta operación debe tener un soporte rígido y se debe eliminar el juego en el mecanismo de engranajes de avance de la mesa. El fresado ascendente (concurrente) no es adecuado para maquinar piezas con cascarilla, como son los metales trabajados en caliente, las piezas forjadas y las piezas fundidas. La cascarilla es dura y abrasiva, causa demasiado desgaste y daños a los dientes de la fresa, acortando su vida. Parámetros del fresado La velocidad v de corte en el fresado es la velocidad periférica de la fresa: v = πDN, donde D es el diámetro de la fresa y N su velocidad de rotación. El grosor de la viruta en el fresado plano o periférico varía en su longitud, debido al movimiento longitudinal relativo entre la fresa y la pieza. Para una fresa de dientes rectos, se puede calcular el espesor de viruta no deformada aproximado (profundidad de corte de viruta), tc , con la ecuación: tc =

2f d , D

donde f es el avance por diente de la fresa, medido a lo largo de la superficie de la misma, i.e., la distancia que recorre la pieza por cada diente; d es la profundidad de corte. Conforme tc aumenta, la fuerza sobre el diente de la fresa se incrementa. El avance por diente se calcula con la ecuación f=

v , Nn

donde v es la velocidad de la pieza, y n es la cantidad de dientes en la periferia de la fresa. El tiempo de corte t se calcula con la ecuación: t=

l + lc , v

donde l es la longitud de la pieza y lc es la extensión del primer contacto de la fresa con la pieza. Si se supone que lc l (que no es en general el caso), la rapidez de remoción del material es RRM =

lwd = wdt, t

14. Conformación por eliminación de material II

227

donde w es el ancho de corte, que para una pieza más angosta que la longitud de la fresa, es igual al ancho de la pieza. La distancia que recorre la fresa en el ciclo sin corte de la operación de fresado es una consideración económica importante, y debe reducirse al mínimo. Aunque se puede calcular la potencia necesaria en el fresado plano, es difícil calcular las fuerzas que actúan sobre la fresa (tangencial, radial y axial), por las muchas variables que intervienen, en especial de la geometría de la fresa. Estas fuerzas se pueden medir experimentalmente para varias condiciones.

14.1.2.

Fresado de refrentado

En el fresado de refrentado, de cara o de careado, la fresa se monta en un husillo cuyo eje de rotación es perpendicular a la superficie de la pieza. La fresa gira a N rpm, y la pieza se mueve en una trayectoria recta a velocidad v. Según el sentido de giro de la fresa, se puede tener un fresado ascendente o un fresado convencional. Las herramientas se montan en el portafresas. A causa del movimiento relativo entre los dientes cortantes y la pieza, una fresa de careado deja marcas de avance en la superficie maquinada parecidas a las que quedan en las operaciones de cilindrado. La rugosidad superficial de la pieza depende de la geometría del filo del inserto y del avance por diente. El ángulo de posición o avance del inserto en el refrentado tiene una influencia directa sobre el espesor de viruta no deformada. A medida que aumenta el ángulo de posición, disminuye el espesor de viruta no deformada (así como el espesor en general de la viruta), y aumenta la longitud de contacto. Es importante la relación entre el diámetro de la fresa y los ángulos de los insertos, así como su posición en relación con la superficie que se va a fresar, porque determinará el ángulo con el cual el inserto entra y sale de la pieza.

14.1.3.

Fresado frontal o de extremo

Con el fresado frontal o de extremo se pueden producir superficies planas y también diversos perfiles. La fresa en este caso (fresa frontal ) posee zancos rectos o cónicos, para las fresas pequeñas y grandes, respectivamente. La fresa suele girar en torno a un eje perpendicular a la pieza, aunque se puede inclinar para maquinar las superficies oblicuas. También se consiguen fresas frontales con extremos hemisféricos (de nariz de bola) para producir superficies curvas, como en dados y moldes. Las fresas huecas tienen dientes internos y se usan para maquinar la superficie cilíndrica de piezas redondas sólidas. Las fresas frontales son de aceros rápidos o tienen insertos de carburo. Fresado de alta velocidad Una de las aplicaciones más comunes del maquinado de alta velocidad es el fresado de alta velocidad con una fresa frontal, que se

14.1. Operaciones de fresado

228

ajusta a las mismas descripciones generales acerca de la rigidez de las máquinas, dispositivos de sujeción, etc. La producción de cavidades en pequeños dados de forja (embutido profundo) para piezas como bielas, se hace hoy con fresado frontal con una fresa de nariz de bola de 2 mm de diámetro, recubierta con TiAl N. El husillo tiene cojinetes de aire y puede girar a velocidades de hasta 50000 rpm, con una precisión rotacional de 10 µm.

14.1.4.

Otras operaciones de fresado y sus fresas

Para maquinar diversas superficies se usan otras operaciones de fresado y fresas. En el fresado compuesto o gemelo, se montan dos o más fresas en un eje y con ellas se maquinan dos o más superficies paralelas sobre la pieza. El fresado de contorno, que produce perfiles curvos, usa fresas con dientes de forma especial; esas fresas también se usan para tallar dientes de engranajes. Las fresas circulares para cortar pueden tener los dientes ligeramente triscados, como los de una segueta, para proporcionar la holgura a la fresa cuando se cortan ranuras hondas. Las fresas para ranuras en T son para maquinar ranuras como las de las mesas de máquinas herramientas, para sujetar las piezas. Primero se fresa una ranura con una fresa frontal. A continuación la fresa de ranura en T corta el perfil completo de la ranura en un paso. Las fresas de cuñeros o de chaveteros se usan para cortar cuñeros redondos en los ejes. Las fresas en ángulo son para producir superficies oblicuas a diversos ángulos. Las fresas huecas (shell mill ) se montan en un zanco; esto permite usar el mismo zanco con fresas de diversos tamaños. El empleo de las fresas huecas se parece al de las de calar. El fresado con un solo diente de corte montado en un husillo de alta velocidad se llama corte al vuelo; por lo general se usa en operaciones sencillas de refrentado y de barrenado. Se puede conformar la herramienta como si fuese de una punta, y se puede colocar en diversas posiciones radiales en el husillo.

14.1.5.

Portaherramientas

Las fresas se clasifican en fresas de árbol y fresas de zanco. Las fresas de árbol se montan en un árbol o eje en operaciones como fresado plano, refrentado, compuesto y de contorno. En las fresas de zanco, la fresa y el zanco son de una pieza. Los ejemplos más comunes de fresas de zanco son las de calado. Aunque las fresas pequeñas frontales poseen zancos rectos, las mayores tienen zancos cónicos para poder sujetarse mejor y resistir las mayores fuerzas y pares que se desarrollan. Las fresas con zancos rectos se montan en broqueros de pinzas (boquillas) o en sujetadores especiales; las de zancos cónicos se montan en portaherramientas cónicos. Además de los portaherramientas mecánicos, se consiguen portaherramientas y árboles hidráulicos. La rigidez de las fresas y sus portaherramientas

14. Conformación por eliminación de material II

229

es importante en la calidad de la superficie, y para reducir la vibración y el traqueteo durante las operaciones de fresado. Los portaherramientas cónicos convencionales tienen tendencia a desgastar y abocardarse, debido a las fuerzas radiales que se desarrollan en el fresado.

14.1.6.

Posibilidades del proceso de fresado

Los avances de corte para el fresado van normalmente desde 0,1 mm a 0,5 mm por diente. Las profundidades de corte son de 1 a 8 mm. Las velocidades de corte varían dentro de amplios límites, dependiendo del material de la pieza, de la herramienta de corte y de los parámetros del proceso; normalmente están entre 30 y 3000 m/min.

14.1.7.

Lineamientos de diseño y operación para el fresado

Muchos de los lineamientos para cilindrar y mandrinar se aplican a las operaciones de fresado. Entre los factores adicionales para el fresado están los siguientes: – Se deben usar fresas bajo norma y evitar las fresas especiales y costosas. Entre las propiedades del disñeo se incluyen forma, tamaño, profundidad, ancho y radios de esquina. – Se deben usar chaflanes y no radios, por la dificultad de hacer coincidir bien las diversas superficies que se intersecan. – Se deben evitar cavidades y bolsas u oquedades con esquinas agudas, por la dificultad de fresarlas, ya que las fresas tienen un radio finito de filo. – Las piezas deben tener la rigidez suficiente para reducir al mínimo la flexión producida por las fuerzas de sujeción y de corte. Los lineamientos para evitar la vibración y el traqueteo en el fresado se parecen a los del torneado. Además, se deben observar las siguientes prácticas: – Las fresas se deben montar tan cerca de la base del husillo como sea posible, para reducir las deflexiones de la herramienta. – Los portaherramientas (las boquillas) y los soportes deben ser tan rígidos como sea posible. – En caso de que haya vibración y traqueteo, se deben modificar la forma de la herramienta y las condiciones del proceso; además, se deben usar fresas con menos dientes, o con espaciamiento aleatorio entre dientes.

14.2. Máquinas fresadoras

230

14.2.

Máquinas fresadoras

Por ser capaces de ejecutar diversas operaciones de corte, las fresadoras son una de las máquinas herramientas más versátiles y útiles. La máquina fresadora más antigua fue construida por Eli Whitney (1765–1825) en 1820. Hoy se dispone de una amplia variedad de máquinas fresadoras con numerosas funciones.

14.2.1.

Máquinas de consola (columna y rodilla)

Se usan para operaciones de fresado de propósito general, y son las más comunes. El husillo sobre el que se monta la fresa puede ser horizontal para fresado plano o vertical, para careado y contorneado, taladrado y barrenado. Las partes básicas de estas máquinas son las siguientes: – Una mesa, donde se sujeta la pieza con ranuras en T. La mesa se mueve en dirección longitudinal con respecto a la silla o al carro. – Una silla o carro (soporte de la mesa), que sostiene la mesa y puede moverse en dirección transversal. – Una consola o rodilla que soporta la silla y comunica movimiento vertical a la mesa, para poder ajustar la profundidad de corte. – Un contrasoporte (carnero) en las máquinas horizontales, ajustable para adaptarse a diferentes longitudes de árbol. – Un cabezal, que contiene el husillo y los sujetadores de fresas. En las máquinas verticales, el cabezal puede ser fijo o se puede ajustar verticalmente e inclinarse en un plano vertical, en la columna, para cortar superficies oblicuas. Las fresadoras en plano poseen tres ejes de movimiento, los cuales se manejan manualmente o están motorizados. En las fresadoras universales, la mesa se puede hacer girar en un plano horizontal. De esta forma se pueden maquinar formas complicadas, por ejemplo ranuras helicoidales en distintos ángulos, para producir piezas como engranajes, brocas, machuelos y cortadores.

14.2.2.

Fresadoras longitudinales

En las fresadoras longitudinales, la mesa se monta directamente en la bancada, que reemplaza a la consola o rodilla y sólo se puede mover en sentido longitudinal. Estas fresadoras no son tan versátiles como las de otros tipos, pero tienen gran rigidez y se usan para trabajos de alta producción. Los husillos pueden ser horizontales o verticales y dobles o triples, para maquinar en forma simultánea dos o tres superficies de la pieza.

14. Conformación por eliminación de material II

14.2.3.

231

Otros tipos de fresadoras

Hay otros tipos de fresadoras. Las fresadoras de cepillo, o fresadoras planas, que se parecen a las longitudinales, tienen varios cabezales y fresas para cortar varias superficies. Se usan para piezas pesadas y son más eficientes que los cepillos cuando tienen la misma aplicación. Las fresadoras de carrusel o de mesa rotatoria se parecen a las fresadoras verticales, y tienen uno o más cabezales para operaciones de refrentado. Hay diversos componentes de las fresadoras que se están reemplazando rápidamente por máquinas de control numérico por computadora. Esta máquinas herramientas son versátiles y capaces de fresar, taladrar, mandrinar y machuelar con precisión repetitiva. Entre otros desarrollos se incluyen las fresadoras de contorno, que tienen cinco ejes de movimiento.

14.2.4.

Dispositivos y accesorios de sujeción de piezas

La pieza que se va a fresar se debe sujetar con firmeza a la mesa para resistir las fuerzas de corte y evitar el deslizamiento durante el fresado. Para este fin se usan varios aditamentos y prensas. Se montan y sujetan a la mesa con las ranuras en T. Las prensas se usan en trabajos menores de producción y en pinzas pequeñas. Los soportes se usan para producciones más grandes y se pueden automatizar mediante dispositivos mecánicos e hidráulicos. Entre los accesorios de las fresadoras se incluyen diversos soportes y aditamentos para cabezales y mesas, diseñados para adaptarlas a diferentes operaciones de fresado. El accesorio que se usaba con más frecuencia en el pasado era el cabezal divisor universal. Este soporte funciona manualmente y gira la pieza en ángulos específicos, entre los pasos de maquinado. Se ha usado para fresar piezas con superficies poligonales y para maquinar dientes de engranajes. Hoy en día, los cabezales divisores sólo se usan para producción a escala de taller, de bajo volumen. Han sido sustituidos por controles numéricos y centros de maquinado.

14.3.

Cepillado y contorneado

El cepillado es una operación relativamente sencilla de corte, mediante la cual se producen superficies planas y diversas formas transversales, con canales y muescas a lo largo de la pieza. El cepillado se suele hacer en grandes piezas, de hasta 25 × 15 m2 . En un cepillo la pieza se monta en una mesa que se mueve en línea recta. Un riel transversal horizontal, que se puede mover verticalmente por las guías en la columna, tiene uno o más cabezales de herramienta. Las herramientas de corte se fijan a los cabezales y el maquinado se hace moviéndolas en línea recta. Por el movimiento de vaivén de la pieza, es apreciable el tiempo sin cortar durante el viaje de regreso.

232

14.4. Brochado y brochadoras

En consecuencia, estas operaciones no son eficientes ni económicas excepto para producciones bajas. Se puede mejorar la eficiencia de la operación poniendo portaherramientas y herramientas que corten en ambas direcciones de movimiento de la mesa. Para evitar que los filos de la herramienta se desportillen o mellen cuando frotan la pieza durante el viaje de regreso, las herramientas se inclinan o se elevan mecánica o hidráulicamente, para alejarse de la pieza. A causa de su longitud, es esencial equipar a las herramientas con rompedores de viruta. De no ser así, las virutas pueden ser muy largas, interfiriendo con la operación y constituyéndose en un riesgo para la seguridad. En los cepillos, las velocidades de corte pueden llegar a 120 m/min y las capacidades, a 110 kW. Las velocidades recomendadas son de 3 a 6 m/min para las fundiciones de hierro y los aceros inoxidables, y hasta 90 m/min para aleaciones de aluminio y magnesio. Los avances suelen estar entre 0,5 y 3 mm por pasada. Los materiales más comunes de herramienta son los aceros para alta velocidad M2 y M3 y los carburos C-2 y C-6. El contorneado o formado se usa para maquinar piezas; se parece mucho al cepillado, pero las piezas son más pequeñas. El corte en el contorneado es básicamente igual que en el cepillado. En una formadora horizontal la herramienta sigue una trayectoria recta y la pieza es fija; esa herramienta está fija en el cabezal de la herramienta, que se monta en el ariete. El ariete tiene un movimiento de vaivén, y en la mayor parte de las máquinas de corte se hace durante el movimiento de ida del ariete (corte de empuje); en otras se hace durante la carrera de regreso (corte de tirón). Las formadoras verticales (ranuradoras) se usan para maquinar muescas, cuñeros y dados. Por las bajas velocidades de producción sólo se usan hoy formadoras de propósito especial, por ejemplo talladoras de engranajes.

14.4.

Brochado y brochadoras

La operación de brochado se parece a la de contorneado con varios dientes, y es para maquinar superficies externas e internas. Una brocha es en efecto una herramienta de corte larga multidentada; la profundidad total del material removido en un solo golpe es la suma de las profundidades de corte de cada diente de la herramienta para el brochado. Una herramienta larga para este tipo de operación puede remover material con una profundidad de hasta 38 mm. El brochado es un proceso de producción muy importante y se pueden manufacturar piezas con muy buen acabado superficial y una alta precisión dimensional. Este proceso compite favorablemente con otros tales como el mandrinado (perforado), fresado, contorneado y rimado, cuando se producen piezas semejantes. A pesar de que el brochado puede ser costoso, éste se justifica por las grandes series de producción.

14. Conformación por eliminación de material II

233

Brochas El ángulo de ataque o de gancho de una brocha depende del material que se corta, y suele ser de 0 a 20◦ . El ángulo de holgura suele ser de 1 a 4◦ ; los dientes de acabado tienen ángulos menores. Si el ángulo de holgura es demasiado pequeño, los dientes se friccionan contra la superficie brochada. El paso de los dientes depende de factores como la longitud de la pieza (longitud de corte), la resistencia del diente y el tamaño y la forma de las virutas. La profundidad del diente y el paso deben ser suficientemente grandes para que acomoden las virutas producidas en el brochado, en especial para piezas largas; siempre deben estar cuando menos dos dientes en contacto con la pieza. Se puede usar la siguiente fórmula para calcular el paso de una herramienta para el brochado que corta una superficie de longitud l: √ Paso = k l. En esta ecuación k es una constante igual a 1,76 cuando l está en mm, y a 0,35 cuando l está en pulgadas. Las herramientas para el brochado se consiguen con varios perfiles, incluyendo algunos con rompevirutas. Se fabrican para producir diversas formas externas e internas. La diversidad de brochas de superficie abarca la plana, de ranura, de contorno, de cola de milano, de olla —para formas externas con precisión— y paralela. Los tipos internos de brocha incluyen el de orificio —para agujeros con tolerancias estrechas, formas redondas y otras formas más—, cuñero, engranaje interno y acanalado.

Brochado con giro Un avance en la tecnología de brochado es el brochado con giro de superficies de apoyo o de cojinete de cigüeñales y aplicaciones parecidas. El cigüeñal se gira entre puntos y la brocha, que tiene varios insertos de carburo, pasa rozando por las superficies de cojinete y saca material.

14.4.1.

Brochadoras

Las brochadoras jalan o empujan las brochas y son horizontales o verticales. Las brochas de empuje suelen ser más cortas, de 150 a 350 mm. Las brochas de tracción tienden a enderezar el agujero, mientras que el empuje permite a la brocha seguir cualquier irregularidad del agujero piloto. Las máquinas horizontales tienen capacidad para mayores carreras. La fuerza necesaria para empujar o jalar la brocha depende de la resistencia del material de la pieza, la profundidad total y el ancho del corte, así como de la velocidad de corte. También influyen sobre esta fuerza el perfil del diente y el uso de fluidos de corte. Las fuerzas que desarrollan las brochadoras pueden llegar hasta 0,9 MN. Estas máquinas son relativamente sencillas, sólo tienen movimientos lineales y suelen estar accionadas hidráulicamente, aunque algunas se mueven con manivela, tornillo o cremallera.

14.5. Aserrado

234

14.4.2.

Parámetros del proceso de brochado

Las velocidades de corte en el brochado pueden ir de 1,5 m/min para aleaciones de alta resistencia hasta 15 m/min para aleaciones de aluminio y magnesio. Los materiales de brocha más comunes son aceros rápidos M2 y M7 e insertos de carburo. Hoy en día, la mayor parte de las brochas se recubren de nitruro de titanio para tener mayor duración de la herramienta y mejor acabado superficial. También se usan insertos de cerámica para operaciones de acabado en algunas operaciones. Las piezas troqueladas pequeñas de acero para alta velocidad de brochas se pueden fabricar por pulvimetalurgia para tener un mejor control de calidad. Aunque se pueden colocar insertos de carburo o de cerámica después de haberse gastado, los dientes de una brocha de acero para alta velocidad se pueden afilar por esmerilado. En general, se recomienda usar fluidos de corte para el brochado.

14.4.3.

Consideraciones de diseño para el brochado

Los principales requisitos para el brochado son los siguientes: – Se deben diseñar piezas de modo que se puedan sujetar con firmeza en las brochadoras. Las partes deben tener la suficiente rigidez y resistencia estructurales para resistir las fuerzas de corte durante el brochado. – Se deben evitar los agujeros ciegos, las aristas agudas, las estrías en cola de milano y las superficies planas grandes. – Son preferibles los chaflanes a las transiciones redondas.

14.5.

Aserrado

El aserrado es una operación de corte en la que la herramienta de corte es una hoja con una serie de dientes pequeños (segueta); cada diente quita una pequeña cantidad de material. Este proceso se usa en todos los materiales metálicos y no metálicos que sean maquinables mediante otros procesos de corte, y puede producir diversas formas. El aserrado es un proceso eficaz de remoción de material voluminoso y puede producir formas casi netas a partir de la materia prima. El ancho de corte en el aserrado suele ser pequeño, por lo que en el proceso se desperdicia poco material. La distancia entre dientes es en general de 0,08 a 1,25 dientes por mm. Se consigue una gran variedad de formas y pasos de diente, así como espesores, anchos y tamaños de segueta. Las seguetas se fabrican con aceros al carbono y de alta velocidad (M-2 y M-7). Las seguetas de dientes de carburo o de acero rápido se usan para aserrar los materiales más duros. El triscado de los dientes es importante, porque produce un ancho de corte suficiente para que la segueta se mueva libremente dentro de la pieza sin atorarse

14. Conformación por eliminación de material II

235

ni tener resistencia por fricción. También se reduce así el calor generado, que puede tener un efecto desfavorable sobre el corte, en especial cuando se cortan materiales termoplásticos. En la pieza siempre deben estar cortando cuando menos dos o tres dientes, para evitar el enganche o aprisionamiento del diente en la pieza. Esta es la razón por la que se puede dificultar el corte de materiales delgados. Mientras más delgada sea la pieza, los dientes de la segueta deben ser más finos, y mayor su cantidad por unidad de longitud. Las velocidades de corte en el aserrado llegan hasta 90 m/min y se usan velocidades menores para cortar metales de alta resistencia.

14.5.1.

Tipos de sierras

Las sierras de arco tienen seguetas rectas y movimientos de vaivén. Se inventaron hacia 1650 y se usan en general para cortar barras, varillas y perfiles estructurales. Pueden tener accionamiento manual o mecánico. Como el corte sólo se hace durante una de las dos carreras alternativas, las sierras mecánicas no son tan eficientes como las de cinta. Las seguetas para sierras de arco motorizadas suelen tener de 1,2 a 2,5 mm de espesor, y hasta 610 mm de longitud. Los golpes por minuto van de 30, para aleaciones de alta resistencia, hasta 180 para aceros al carbón. El armazón de las sierras de arco motorizadas tiene varios mecanismos de contrapeso, que pueden aplicar fuerzas de hasta 1,3 kN a la pieza para mejorar la velocidad de corte. Las seguetas para las sierras de arco manuales son más delgadas y cortas que las anteriores, y tienen hasta 1,2 dientes por mm para aserrar láminas metálicas y tubos de pared delgada. Las sierras circulares o sierras de disco se usan en general para el aserrado de gran rapidez de producción y para desprender o tronzar. Las operaciones de desprendimiento también se pueden hacer con discos abrasivos delgados. El aserrado con disco se usa mucho, en especial para áreas transversales masivas, como en los productos de laminadoras con diversas áreas transversales. Estas sierras se consiguen en una gran diversidad de perfiles y tamaños de diente, y pueden avanzar formando cualquier ángulo hacia la pieza. El desprendimiento con sierras circulares produce piezas relativamente lisas con buena precisión dimensional, debido a la rigidez de las máquinas y de los discos. Las sierras de cinta tienen seguetas continuas, largas y flexibles que permiten una acción continua de corte. Las sierras de cinta verticales (en las que la dirección de movimiento de la segueta es vertical) se usan para cortes rectos y de calado, en láminas planas y otras partes, soportadas en una mesa horizontal. También se consiguen sierras de cinta con control por computadora, que permiten guiar la trayectoria de calado en forma automática. Las sierras de cinta horizontales tienen mayor productividad que las de arco motorizadas. Con seguetas de acero para alta velocidad, las velocidades de corte en el aserrado son de unos 9 m/min para aleaciones de alta resistencia, y de 120 m/min para aceros al carbono. Con seguetas de acero al alto carbono, las velocidades de

14.6. Limado y acabado

236

corte llegan hasta los 400 m/min con las aleaciones de aluminio y de magnesio. Las seguetas y el alambre de alta resistencia se pueden recubrir con polvo de diamante (seguetas de filo de diamante y seguetas de alambre de diamante), de tal modo que las partículas de diamante funcionen como dientes de corte (corte abrasivo); también se usan partículas de carburo para ese fin.

14.5.2.

Aserrado por fricción

El aserrado por fricción es un proceso en el que una hoja o disco de acero suave se frota contra la pieza con velocidades de hasta 7600 m/min. La energía de fricción se convierte en calor, que suaviza con rapidez una zona angosta de la pieza. La acción de la segueta o disco, que a veces tiene dientes o muescas, jala y expulsa al material suavizado en la zona de corte. El proceso de aserrado por fricción es adecuado para los metales ferrosos duros y los plásticos reforzados, pero no para los metales no ferrosos, porque tienden a pegarse a la segueta.

14.6.

Limado y acabado

El limado consiste en quitar material en pequeña escala a una superficie, esquina u orificio, e incluye la remoción de asperezas o rebabas. Las limas fueron inventadas hacia el 1000 a.C., y son en general de acero endurecido; se consiguen con una diversidad de secciones transversales, como las planas, redondas, de media caña, cuadradas y triangulares. Tienen muchas formas y tamaños de diente. Aunque el limado se acostumbra a hacer a mano, se consiguen diversas máquinas con funciones automáticas para obtener grandes capacidades de producción, donde las limas van y vienen hasta a 500 carreras por minuto. Las limas de cinta están formadas por segmentos, cada uno de unos 75 mm de longitud, remachados por una cinta flexible de acero, y se usan en forma parecida a las sierras de cinta. También se consiguen limas de disco. Las limas rotatorias y matafilos rotatorios son para aplicaciones especiales, como quitar material en matrices o dados, rebabeado, borrado de rayaduras, quitar cascarilla y producir chaflanes en las piezas. Estos cortadores suenen ser cónicos, cilindros o esféricos, y tienen varios perfiles de diente.

14.7.

Operaciones de maquinado y acabado con abrasivos

En muchas de las manufacturas, los requisitos de acabado superficial y de exactitud dimensional de las partes son demasiado finos, el material de la pieza

14. Conformación por eliminación de material II

237

es demasiado duro o es demasiado frágil para poder producirlas sólo con cualesquiera de los procesos que se han descrito hasta aquí. Uno de los mejores métodos para producir esta clase de partes es el maquinado abrasivo. Un abrasivo es una partícula dura, pequeña y no metálica que tiene aristas agudas y forma irregular —a diferencia de las herramientas que se han descrito hasta ahora—. Los abrasivos son capaces de quitar pequeñas cantidades de material de una superficie, mediante un proceso de corte que produce virutas diminutas. Por ser duros, los abrasivos también se usan en procesos de acabado para partes muy duras o con tratamiento térmico, por ejemplo para dar forma a materiales no metálicos duros, como cerámicos y vidrios, para quitar cordones y salpicaduras de soldadura, cortar tramos de perfiles estructurales y barras, mampostería y cemento, y para limpiar superficies con chorros de aire o agua que contengan partículas abrasivas.

14.8.

Abrasivos

En los procesos de manufactura se usan habitualmente dos grandes clases de abrasivos: por un lado están los abrasivos convencionales, entre los cuales se cuentan el óxido de aluminio (Al 2 O 3 ); por otro están los superabrasivos, entre los cuales están el nitruro de boro cúbico y el diamante. Estos abrasivos son mucho más duros que los materiales convencionales de las herramientas de corte. El nitruro de boro cúbico y el diamante son los materiales más duros que se conocen. Además de la dureza, una característica importante es la friabilidad, que es la facilidad con la que los granos abrasivos se fracturan y forman piezas más pequeñas. Esta propiedad es la base de las características de autoafilamiento de los abrasivos, esencial para mantener la abrasividad durante su uso. La forma y el tamaño del grano abrasivo también afectan a su friabilidad. Por ejemplo, los granos voluminosos, que se parecen a las herramientas de corte con ángulo negativo de ataque, son menos friables que los granos laminares. Además, como la posibilidad de tener defectos es menor en los granos pequeños (a causa del efecto del tamaño), son más fuertes y menos friables. Tipos de abrasivos Los abrasivos que hay en la naturaleza son esmeril, corindón (alúmina), cuarzo, granate y diamante. Estos abrasivos naturales contienen en general cantidades desconocidas de impurezas y sus propiedades no son uniformes; en consecuencia, su funcionamiento no es consistente ni fiable. Por lo anterior, hoy se hacen abrasivos en forma sintética. – El óxido de aluminio sintético se preparó por primera vez en 1893, y se obtiene fundiendo bauxita, limaduras de hierro y coque. Los óxidos de aluminio se dividen en dos grupos: fundidos y no fundidos. Los óxidos de aluminio fundido se clasifican en oscuros (menos friables), blancos (muy

14.9. Abrasivos aglomerados o piedras abrasivas

238

friables) y monocristalinos. La alúmina no fundida (llamada también óxidos de aluminio cerámicos) puede ser más dura que la alúmina fundida, y su forma más pura (libre de imperfecciones) es el gel sembrado. Este gel sembrado se comenzó a usar en 1987, y tiene un tamaño de partícula del orden de 0,2 µm, mucho menor que los granos de abrasivos de uso común. Estas partículas se sinterizan para formar tamaños mayores. Por su dureza y friabilidad relativamente alta, los geles sembrados mantienen su filo y se usan para materiales difíciles de rectificar. – El carburo de silicio (descubierto en 1891) se fabrica con arena de sílice, coque de petróleo y pequeñas cantidades de cloruro sólido. Los carburos de silicio se dividen en negros (menos friables) y verdes (más friables), y en general tienen mayor friabilidad que los óxidos de aluminio; por consiguiente, tienen mayor tendencia a fracturarse y mantenerse afilados. – El nitruro de boro cúbico se desarrolló en la década de 1970. – El diamante, que puede ser sintético, es decir industrial, se usó por primera vez como abrasivo en 1955. Tamaño de grano Tal como se usan en los procesos de manufactura, los granos de abrasivo son en general muy pequeños en comparación con el tamaño de las herramientas de corte y los insertos. Además, tienen esquinas agudas que permiten la remoción de cantidades muy pequeñas de material de la superficie de la pieza. En consecuencia, se pueden obtener un acabado superficial muy fino y una gran exactitud dimensional. El tamaño de un grano abrasivo se identifica por su número de grano, que es una función del tamaño de malla; mientras menor sea el tamaño de grano, mayor será el número de grano. Por ejemplo, se considera que el número 10 es muy grueso, el 100 es fino y el 500 muy fino.

14.9.

Abrasivos aglomerados o piedras abrasivas

Como cada grano de abrasivo retira sólo una cantidad muy pequeña de material cada vez, sólo se pueden alcanzar rapideces altas de remoción si trabajan juntos una gran cantidad de ellos. Esto se logra usando abrasivos aglomerados, que en forma característica asumen la forma de una piedra abrasiva, piedra de rectificar, piedra de esmeril o muela. Los granos abrasivos se mantienen unidos mediante un material aglomerante que funciona como liga de soporte entre los granos. En los abrasivos aglomerados es esencial la porosidad, para tener huecos para las virutas que se producen, y para ayudar al enfriamiento; de otro modo, las virutas interferirían con el proceso de rectificado. Es imposible usar una piedra abrasiva que no tenga porosidad, que esté totalmente densa y maciza. Los abrasivos aglomerados tienen una marca con sistema normalizado de letras y números, que indica la clase de abrasivo, el tamaño de grano, el grado, la estructura y el tipo de aglomerante.

14. Conformación por eliminación de material II

14.9.1.

239

Tipos de aglomerante

Los tipos comunes de aglomerante de abrasivos son los vitrificados, resinoides, hules y metálicos. La mayor parte de estos aglomerantes se usan tanto para abrasivos convencionales como para superabrasivos.

Vitrificados Son esencialmente un vidrio, y también se llaman aglomerante cerámico, en especial fuera de Estados Unidos. Es el aglomerante más común y su uso está muy extendido. Las materias primas son feldespato y caolines. Se mezclan con los abrasivos, se humedecen y se moldean a presión, con n la forma de las piezas abrasivas. Estos productos «verdes» se hornean gradualmente hasta una temperatura aproximada de 1250◦C para fundir el vidrio y desarrollar resistencia estructural. A continuación se enfrían con lentitud para evitar roturas térmicas, terminadas al tamaño, se inspeccionan para comprobar su calidad y exactitud dimensional y se prueban para localizar posibles defectos. Las piedras con aglomerantes vitrificados son resistentes, rígidas, porosas y resistentes a los aceites, ácidos y agua. Son frágiles y carecen de resistencia a los choques mecánico y térmico, pero también se consiguen con placas o copas de respaldo de acero para tener mejor soporte estructural en su empleo. Se puede modificar el color de la piedra con diversos elementos durante su fabricación; de ese modo se pueden identificar para usarse con materiales de pieza específicos, como ferrosos, no ferrosos, cerámicos, etcétera.

Resinoides Los materiales aglomerantes resinoides son resinas termofijas y se consiguen en una amplia gama de formulaciones y propiedades. Como el adhesivo es un compuesto orgánico, las piedras con aglomerantes resinoides se llaman también piedras orgánicas. La técnica básica de fabricación consiste en mezclar el abrasivo con resinas fenólicas líquidas o en polvo, y aditivos; la mezcla se prensa para llegar a la forma de la piedra, y se cuece a temperaturas aproximadas de 175◦ C. Como el módulo de elasticidad de las resinas termofijas es menor que el de los vidrios, las piedras resinoides son más flexibles que las vitrificadas. Se usan mucho las piedras reforzadas, en las que una o más capas de colcha de fibra de vidrio de diversos tamaños de malla suministran el refuerzo. Su objeto es retardar la desintegración de la pieza en caso de que se rompa por cualquier motivo.

Hule El aglomerante más flexible que se usa en las piedras abrasivas es el hule. El proceso de manufactura consiste en mezclar hule curado, azufre y los granos de abrasivo, laminar la mezcla, cortar círculos y calentarlos a presión, para vulcanizar el hule.

240

14.10. El proceso de rectificado

Aglomerantes metálicos Mediante técnicas de pulvimetalurgia, los granos de abrasivo —por lo general diamante o nitruro de boro cúbico— se pegan a la periferia de una rueda metálica, a profundidades de 6 mm o menos. La adhesión metálica se hace bajo alta presión y temperatura. La rueda misma (el núcleo) puede ser de aluminio, bronce, acero, cerámica o materiales compuestos, dependiendo de los requisitos como resistencia, rigidez y estabilidad dimensional. Otros aglomerantes Además de los descritos arriba, hay otros aglomerantes como los de silicato, goma laca y oxicloruro. Sin embargo, sus usos son limitados. Un nuevo desarrollo es el uso de la poliimida como sustituto de la resina fenólica en las piedras resinoides. Es tenaz y a la vez resistente a altas temperaturas. Además, las piedras superabrasivas se pueden estratificar, de modo que se pegue una sola capa de abrasivo con plata o latón a una rueda metálica con determinada forma. Estas piedras son de menor costo y se usan para producciones pequeñas.

14.9.2.

Grado y estructura de la piedra

El grado de un abrasivo aglomerado es una medida de la resistencia del adhesivo; incluye tanto al tipo como a la cantidad del aglomerante en la piedra. Como la resistencia y la dureza se relacionan directamente, el grado también se llama dureza del abrasivo aglomerado. Una piedra dura tiene un adhesivo más resistente y/o una mayor proporción del mismo entre los granos que una piedra suave. La estructura de un abrasivo aglomerado es una medida de la porosidad.

14.10.

El proceso de rectificado

El rectificado es un proceso de remoción de virutas que usa un grano abrasivo individual como herramienta de corte. Las diferencias principales entre las acciones del grano y de herramienta de una punta son las siguientes: – Los granos abrasivos individuales tienen formas irregulares y están a distancias aleatorias en la periferia de la piedra. – El ángulo promedio de ataque de los granos es muy negativo, como por ejemplo −60◦ o aún menos. En consecuencia, las virutas del rectificado sufren una deformación mucho mayor que las de otros procesos de corte. – Las posiciones radiales de los granos varían. – Las velocidades de corte son muy altas, normalmente de 30 m/s. Se pueden observar mejor el proceso de rectificado y sus parámetros en la operación de rectificado plano. En ella, una piedra abrasiva recta de diámetro D saca una capa de metal a la profundidad d (profundidad de corte de la piedra).

14. Conformación por eliminación de material II

241

Un grano individual en la periferia de la rueda se mueve a una velocidad tangencial V , mientras que la pieza se mueve a velocidad v. Cada grano abrasivo saca una pequeña viruta con un espesor no deformado (profundidad de corte del grano) igual a t, y de longitud no deformado l.

14.10.1.

Fuerzas en el rectificado

Si suponemos que la fuerza de corte en el grano es proporcional al área transversal de la viruta no deformada, se puede demostrar que la fuerza del grano (fuerza tangencial de la piedra) es proporcional a las variables del proceso como sigue: Fuerza de grano ∝

v V

d D

(Resistencia del material).

Por las pequeñas dimensiones que se manejan, las fuerzas en el rectificado suelen ser mucho menores que las de las operaciones de corte. Las fuerzas de rectificado deben mantenerse bajas para evitar distorsiones y mantener la exactitud dimensional de la pieza. La energía disipada al producir una viruta en el rectificado está constituida por la necesaria para: la formación de las virutas, el rayado del material, y la fricción causada por el frotamiento del grano a lo largo de la superficie. Los granos desarrollan una cara de desgaste, parecida al desgaste de flanco en las herramientas de corte, resultado de la operación de rectificado. La cara de desgaste se frota con la superficie rectificada y, por la fricción, disipa energía. Los requisitos normales de energía específica —energía requerida por unidad de volumen de material eliminado— en el rectificado son mucho mayores que en las operaciones de maquinado. Se puede atribuir esta diferencia a factores como la presencia de caras planas y virutas producidas con ángulo de ataque negativo grande. A partir de los datos de energía específica se puede calcular la fuerza de rectificado (tangencial a la piedra), Ft , y la fuerza de empuje (normal a la superficie de la pieza), Fn .

14.10.2.

Temperatura

En el rectificado, el aumento de temperatura es una consideración importante, porque puede afectar en forma adversa a las propiedades de la superficie, y causar esfuerzos residuales en la pieza. Además, los gradientes de temperatura en la pieza causan distorsiones por diferencias en dilatación y contracción térmica. Cuando una parte del calor generado entra en la pieza, expande la parte que se está rectificando, y se dificulta controlar la exactitud dimensional. El aumento de temperatura superficial en el rectificado se relaciona con las

14.10. El proceso de rectificado

242 variables del proceso con la siguiente ecuación:

1 4

Aumento de temperatura ∝ D d

3 4

V v

Por consiguiente, la temperatura aumenta al incrementarse la profundidad de corte, el diámetro y la velocidad de la piedra, y disminuye al aumentar la velocidad de la pieza. Chispas Las chispas producidas al rectificar metales en realidad son virutas que se encienden, resultado de la reacción exotérmica entre las virutas y el oxígeno de la atmósfera. Las chispas no se observan cuando un metal cualquiera se rectifica en un ambiente sin oxígeno. El color, intensidad y forma de las chispas dependen de la composición del metal que se rectifica. Hay tablas que ayudan a identificar el tipo de metal que se rectifica a partir del aspecto de sus chispas. Si el calor generado debido a la reacción exotérmica es suficientemente grande, las virutas se pueden fundir y, debido a la tensión superficial, adquirir una forma esférica y solidificarse en forma de partículas metálicas. Revenido Un aumento excesivo de temperatura en el rectificado puede producir el revenido o reblandecimiento de la superficie de la pieza En vista de ello, se deben seleccionar con cuidado las variables del proceso para evitar un aumento excesivo en la temperatura. Quemado Un aumento excesivo en la temperatura durante el rectificado —y, en especial, durante el esmerilado— puede quemar la superficie que se trabaja. Una quemadura no es perjudicial por sí misma. Sin embargo, las capas superficiales pueden sufrir transformaciones de fase con formación de martensita en los aceros al alto carbono, debido al enfriamiento rápido (quemadura metalúrgica). Esta condición influirá sobre las propiedades superficiales de las partes rectificadas, reduciendo la ductilidad y la tenacidad superficial. Agrietamiento térmico Las altas temperaturas durante el rectificado pueden hacer que la superficie de la pieza se agriete. A esto se le llama agrietamiento térmico. Estas grietas suelen ser perpendiculares a la dirección del rectificado. Sin embargo, bajo condiciones severas de rectificado también pueden aparecer grietas en dirección paralela. Esa superficie carece de tenacidad, y tiene baja resistencia a la fatiga y a la corrosión.

14.10.3.

Esfuerzos residuales

Los gradientes de temperatura en el interior de la pieza durante el rectificado son los principales responsables de los esfuerzos residuales. Por el efecto adverso

14. Conformación por eliminación de material II

243

de los esfuerzos residuales de tensión sobre la resistencia a la fatiga, se deben seleccionar con cuidado las variables del proceso. Normalmente, los esfuerzos residuales se pueden reducir aminorando la velocidad de la piedra y aumentando la de la pieza (rectificado de bajo esfuerzo, o rectificado benigno). También se pueden usar piedras de grado más suave, llamadas piedras de corte libre.

14.11.

Métodos y máquinas de rectificado

Las operaciones de rectificado se efectúan en una diversidad de configuraciones de piedra y pieza. La selección del proceso de rectificado para una aplicación en particular depende de la forma y el tamaño de la parte, facilidad de sujeción y producción requerida. Los tipos básicos de operaciones de rectificado son plano, cilíndrico, interno y sin centros. El movimiento relativo de la piedra puede ser a lo largo de la superficie de la piedra (rectificado universal ) o puede ser radial hacia la pieza (rectificado por penetración). Las rectificadoras de superficie constituyen el mayor porcentaje de rectificadoras que se usan en la industria, y les siguen las rectificadoras de banco (por lo general con dos piedras en cada extremo del husillo), las cilíndricas y, aunque no sean rectificadoras propiamente dichas, los esmeriles para herramienta y para fresas; las menos comunes son las rectificadoras internas. Las rectificadoras modernas están controladas por computadora y poseen funciones como la carga y descarga automáticas de la pieza y la sujeción, cambio, medición, afilado y conformación de la piedra. Además, las rectificadoras pueden tener sensores y medidores para determinar la posición relativa de las superficies de la piedra y la pieza.

14.11.1.

Rectificado plano

El rectificado plano implica rectificar superficies planas, y es una de la operaciones más comunes. En forma característica, la pieza se asegura en un plato magnético fijo a la mesa de la rectificadora. Los materiales no magnéticos se sujetan, en general, con tornillos de banco, soportes especiales, planos al vacío o con cintas adhesivas de doble cara. Una piedra recta se monta en el husillo horizontal en la rectificadora. Se hace rectificado transversal cuando la mesa va y viene en sentido longitudinal, y avanza lateralmente después de cada viaje. En el rectificado de penetración la piedra avanza radialmente hacia la pieza, como cuando se rectifica una ranura. El tamaño de una rectificadora plana se determina por las dimensiones superficiales que se pueden trabajar en ella. Además de la rectificadora plana, hay otros tipos, con husillos verticales y mesas giratorias (llamadas tipo Blanchard ). Con estas configuraciones se pueden rectificar varias piezas en una sola preparación. En soportes especiales se rectifican los balines de acero para rodamientos

244

14.11. Métodos y máquinas de rectificado

de bolas, para producir grandes cantidades de ellos.

14.11.2.

Rectificado cilíndrico

En el rectificado cilíndrico, llamado también con centros, se rectifican las superficies y escalones cilíndricos externos de la pieza. Entre las aplicaciones características están los muñones de cigüeñales, husillos, pernos, pistas de rodamiento y rodillos para laminadora. La pieza cilíndrica giratoria va y viene a lo largo de su eje. En las rectificadoras para piezas grandes, la pieza es la que va y viene, y se llama rectificadora de rodillos; puede rectificar rodillos hasta de 1,8 m de diámetro para laminadoras. En el rectificado cilíndrico, la pieza se sujeta entre los centros, o con mordazas, o en un plato; también se monta en un plato en el cabezal de la rectificadora. Para las superficies cilíndricas rectas, los ejes de rotación de la piedra y de la pieza son paralelos. Con motores separados se mueven la piedra y la pieza a distintas velocidades. Las piezas largas con dos o más diámetros también se procesan en rectificadoras cilíndricas. Con el rectificado cilíndrico se pueden producir formas (rectificado de forma y rectificado de penetración) en donde la piedra se afila con la forma que se va a rectificar. Las rectificadoras cilíndricas se identifican por el diámetro y la longitud máximos de la pieza que pueden trabajar, en forma parecida a los tornos de motor. En las rectificadoras universales los ejes, tanto de la pieza como de la piedra, se pueden mover e inclinar respecto a un plano horizontal, permitiendo rectificar conos y otras formas. Estas máquinas tienen controles computerizados que reducen la mano de obra y producen partes con exactitud y en forma repetitiva. Con las funciones de control por computadora se pueden rectificar partes no cilíndricas, como levas, girando las piezas. El rectificado de roscas se hace en rectificadoras cilíndricas, con piedras afiladas especialmente, que coinciden con la forma de las roscas, y también con rectificadoras sin centros. Aunque son costosas, las roscas producidas con rectificado son las más exactas de las obtenidas por cualquier proceso de manufactura, y su acabado superficial es muy fino.

14.11.3.

Rectificado interno

En el rectificado interno, se rectifica el interior de la parte con una piedra pequeña, como en el caso de los bujes y pistas de rodamiento. La pieza se sujeta en quijadas rotatorias y la piedra gira a 30000 rpm o más.

14.11.4.

Rectificado sin centros

El rectificado sin centros es un proceso para producción a gran escala, donde se rectifican superficies cilíndricas en forma continua. En este proceso, la pieza

14. Conformación por eliminación de material II

245

no se sostiene entre puntos o centros, ni mediante mordazas, sino mediante una cuchilla o filo. Las partes características que se producen con rectificado sin centros son los rodamientos de rodillos, pernos de pistón, válvulas de motor, levas y componentes parecidos. En este proceso de producción continua no se requiere mucha destreza por parte del operador. Se pueden rectificar partes con diámetros de hasta 0,1 mm. Hoy, las rectificadoras sin centros son capaces de desarrollar velocidades superficiales en las piedras del orden de 10000 m/min, con piedras de nitruro de boro cúbico. En el rectificado de paso completo, la pieza se sostiene en un cuchilla y se rectifica entre dos piedras. La piedra más grande es la que rectifica, mientras que la menor regula el movimiento axial de la pieza. La piedra reguladora, aglo1 de la de merada con hule, está inclinada y funciona a una velocidad de sólo 20 la piedra rectificadora. Con rectificado sin centros se pueden procesar piezas de diámetros variables, como tornillos, buzos de válvula y ejes de distribuidor. El proceso se llama rectificado de penetración o de avance; el proceso se parece al rectificado de penetración o de forma con rectificadora cilíndrica. Las piezas cónicas se rectifican sin centros mediante el rectificado de alimentación extrema. Se pueden alcanzar rectificados de roscas con altas producciones con rectificadoras sin centros, con piedras afiladas especiales. En el rectificado interno sin centros la pieza se sostiene entre tres rodillos y se rectifica internamente. Entre sus aplicaciones normales están la producción de partes en forma de buje o camisa, y de anillos.

14.11.5.

Otras rectificadoras

Hay disponibles otras rectificadoras para fines especiales. Las rectificadoras universales para herramientas y fresas se usan par afilar herramientas y fresas de una o varias puntas, incluyendo brocas. Las rectificadoras de torno, o aditamentos de rectificar son unidades autosuficientes que se suelen fijar a la torreta de herramientas de un torno. Los esmeriles con bastidor pendular se usan en las fundiciones, para rectificar piezas coladas grandes. Al esmerilado burdo de las piezas coladas se le llama desbaste y se suele hacer en esmeriles de piso con piedras de hasta 0,9 m de diámetro. Los esmeriles portátiles se impulsan en forma neumática o eléctrica, o con un chicote (eje flexible) conectado a un motor eléctrico o de gasolina. Se usan en operaciones para esmerilar las gotas de soldadura y en operaciones de tronzado, cizallado o seccionamiento, usando discos abrasivos delgados. Los esmeriles de banco son para afilar a mano las herramientas o esmerilar partes pequeñas. Suelen tener dos piedras montadas en los dos extremos del eje de un motor eléctrico. Una piedra suele ser gruesa, para esmerilado de desbaste, y la otra fina, para el acabado. Los esmeriles de pedestal o de pie se colocan en

246

14.11. Métodos y máquinas de rectificado

el piso y se usan casi como los esmeriles de banco.

14.11.6.

Esmerilado de avance deslizante

Tradicionalmente, se ha asociado el rectificado con pequeñas velocidades de remoción de material y con operaciones de acabado. Sin embargo, el desgaste abrasivo también se puede usar para operaciones de remoción de metal a gran escala (o esmerilado), parecidas al maquinado, brochado y cepillado. En el esmerilado de avance deslizante, desarrollado a fines de la década de 1950, la profundidad de corte d de la piedra es hasta de 6 mm, y la velocidad de la pieza es baja. Las piedras están casi siempre aglomeradas con resina, son de grados suaves y con estructura abierta, para mantener bajas las temperaturas y mejorar el acabado superficial. Su economía general y posición de competencia respecto a otros procesos de remoción de material indican que el esmerilado con avance deslizante puede compararse con otros procesos de maquinado y ser económico en aplicaciones específicas, como por ejemplo esmerilar punzones formados, cuñeros, canales helicoidales de broca, raíces de álabes de turbina y diversas partes complicadas de superaleaciones. Como la piedra se afila en la forma de la pieza que se va a producir, esa pieza no necesita haberse fresado, conformado ni brochado antes.

14.11.7.

Remoción de una gran cantidad de material por rectificado

Si se aumentan los parámetros del proceso, se puede usar el rectificado para remover gran cantidad de material. El proceso puede ser económico en aplicaciones específicas, y competir bien con los procesos maquinado, en especial con el fresado, aunque también con el torneado y con el brochado. En esta operación el acabado de la superficie tiene importancia secundaria, y la piedra (o banda) de esmeril se usa a toda su capacidad para obtener un costo mínimo por pieza. Las tolerancias dimensionales en este proceso son del mismo orden que las que se obtienen con otros procesos de maquinado.

14.11.8.

Traqueteo en el rectificado

El traqueteo tiene importancia especial en el rectificado porque afecta en forma negativa el acabado superficial y el rendimiento de la piedra. Las vibraciones durante el rectificado se pueden deber a cojinetes, husillos y al uso de piedras desbalanceadas, y también a causas externas, como máquinas cercanas. Las variables importantes son la rigidez de la máquina herramienta, la rigidez de los soportes y sujetadores de pieza y el amortiguamiento. Otros factores que son exclusivos del traqueteo en el rectificado son falta de uniformidad en la piedra, desgaste desparejo de la misma y las técnicas de afilado que se empleen.

14. Conformación por eliminación de material II

247

Dado que estas variables causan las marcas de traqueteo características en las superficies rectificadas, con frecuencia, al estudiar esas marcas se puede llegar a la fuente del problema. Se han establecido lineamientos generales para reducir la tendencia al traqueteo en el rectificado, como por ejemplo: usar piedras de grado suave, afilarlas con frecuencia, cambiar las técnicas de afilado, reducir la rapidez de remoción del material y soportar rígidamente la pieza.

14.11.9.

Seguridad en las operaciones de rectificado

Como las piedras de esmeril y de rectificado son frágiles y giran a grandes velocidades, se deben seguir con cuidado ciertos procedimientos para manejarlas, almacenarlas y usarlas. Los daños a una piedra pueden reducir mucho su velocidad de explosión o de desintegración, que se define como la velocidad superficial a la cual se desintegra o explota una piedra en rotación libre. La velocidad de explosión depende del tipo de piedra, su aglomerante, grado y estructura. En las ruedas de diamante y de nitruro de boro cúbico, que trabajan a grandes velocidades superficiales, el tipo de material de núcleo de ellas afecta a la velocidad de explosión; como es lógico, los núcleos metálicos tienen la máxima velocidad de explosión, del orden de unos 250 m/s. Las piedras se deben montar en husillos del tamaño correcto para que no estén forzadas —con lo que se podrían romper en su centro— ni flojas —lo que puede causar desbalanceo—. Las piedras abrasivas se deben usar de acuerdo con sus especificaciones y velocidades máximas de operación, y no se deben dejar caer ni someterlas a condiciones drásticas.

14.12.

Fluidos de rectificado

Las funciones de los fluidos de rectificado son parecidas a las de los fluidos de corte. Aunque el rectificado otros procedimientos de eliminación abrasiva se pueden efectuar en seco, es importante usar un fluido. Éste evita el aumento de temperatura en la pieza y mejora su acabado superficial y exactitud dimensional. También mejoran la eficiencia de la operación porque reducen el desgaste y la carga en la piedra, y bajan el consumo de potencia. Los fluidos de rectificado son normalmente emulsiones acuosas para el rectificado general, y aceites para el rectificado de roscas. Pueden aplicarse como un chorro o como niebla, que es una mezcla de fluido y aire. Por las grandes velocidades superficiales que existen, una corriente o cortina de aire en torno a la periferia de la piedra evita en muchos casos que el fluido llegue a la interfase entre piedra y pieza. La temperatura de los fluidos de rectificado a base de agua puede aumentar mucho al sacar el calor de la zona de trabajo. En consecuencia, la pieza se puede dilatar y hacer difícil el control de las tolerancias dimensionales. El método común para mantener temperaturas uniformes en la pieza es usar sistemas de

248

14.13. Consideraciones de diseño para el rectificado

refrigeración a través de los cuales se hace circular el fluido.

14.13.

Consideraciones de diseño para el rectificado

Las consideraciones de diseño para el rectificado se parecen a las del maquinado. Además, se debe prestar atención a los siguientes puntos: – Las partes a rectificar deben diseñarse en tal forma que se puedan sujetar con firmeza, ya sea entre quijadas, mesas magnéticas o soportes y sujetadores adecuados. Si no es así, las piezas delgadas, rectas o tubulares se pueden flexionar durante la operación. – Si se requiere gran exactitud dimensional, se deben evitar las superficies interrumpidas, como orificios y cuñeros, porque pueden causar vibraciones. – En el rectificado cilíndrico, las partes deben estar balanceadas y se deben evitar los diseños largos y esbeltos, para reducir las flexiones al mínimo. Los biseles y radios de transición deben ser tan grandes como sea posible, o se debe suministrar desahogo antes de maquinarlos. – En el rectificado sin centro se puede dificultar el trabajo exacto con piezas cortas, por falta de soporte en la cuchilla. En el rectificado de paso completo sólo se puede tallar el diámetro máximo. – Se deben simplificar los diseños que requieran rectificado exacto de forma, para evitar afilados frecuentes de piedra. – Se deben evitar los orificios profundos y pequeños, y los orificios ciegos que requieran rectificado interno, o bien deben tener un desahogo.

14.14.

Maquinado ultrasónico

En el maquinado ultrasónico se quita material de una superficie por mirodesportillado y erosión con granos abrasivos finos en un lodo o pulpa. La punta de la herramienta (sonotrodo) vibra a una frecuencia de 20 kHz y baja amplitud. Esta vibración, a su vez, imparte una gran velocidad a los granos abrasivos entre la herramienta y la pieza. La punta de la herramienta, fija a un trasductor mediante el portaherramienta, suele ser de acero suave y sufre desgaste. Se requiere una herramienta especial para cada forma que se va a producir. Los granos son en general de carburo de boro, aunque también se usan de óxido de aluminio o de carburo de silicio. El maquinado ultrasónico se adapta mejor a materiales duros y frágiles, como las cerámicas, carburos, piedras preciosas y aceros endurecidos.

14. Conformación por eliminación de material II

249

Maquinado ultrasónico rotatorio En este proceso el lodo abrasivo se sustituye por una herramienta con abrasivos de diamante aglutinados con metal, impregnada o electrodepositada en la superficie de la herramienta. Esta herramienta se hace girar y vibrar ultrasónicamente, y contra ella se recarga la pieza con una presión constante.

Consideraciones de diseño Los lineamientos de diseño para el maquinado ultrasónico comprenden los siguientes: – Evitar perfiles agudos, esquinas y radios pequeños, porque el lodo abrasivo los erosiona. – Esperar que en los orificios este proceso producirá algo de conicidad. – Para evitar el desportillamiento de materiales frágiles en el lado de salida, al producir orificios pasantes, soportar el fondo de las partes con una placa de respaldo.

14.15.

Operaciones de acabado

14.15.1.

Abrasivos recubiertos

Como ejemplos característicos de los abrasivos recubiertos están los papeles de lija y de esmeril, con granos más puntiagudos que los que tienen las piedras abrasivas. La mayor parte de los abrasivos recubiertos son de óxido de aluminio, y el resto son de carburo de silicio y de circonio y alúmina. Suelen tener una estructura mucho más abierta que los abrasivos en las piedras. Los granos se depositan electrostáticamente sobre los materiales flexibles de respaldo, como papel, algodón, poliéster rayón, polinailon y diversas combinaciones de estos materiales, con sus ejes longitudinales perpendiculares al plano del respaldo. La matriz (recubrimiento) es de resinas. Entre los desarrollos recientes está el empleo de varias capas de abrasivos, en especial para bandas.

Lijado con banda Los abrasivos recubiertos se usan también en forma de bandas para remoción rápida de material con buen acabado superficial. El lijado con banda ha llegado a ser un proceso importante de producción, y en algunos casos sustituye al rectificado convencional. Se usan números de grano del 16 al 1500. Las velocidades de banda están normalmente entre 700 y 1800 m/min. Las máquinas para operaciones con banda abrasiva requieren un respaldo adecuado de la banda y tienen construcción rígida para minimizar las vibraciones. Los abrasivos recubiertos convencionales tienen en su superficie granos en colocación aleatoria. Un desarrollo reciente es la microrréplica, en donde los abrasivos, en forma de diminutas pirámides de óxido de aluminio, se colocan en

14.15. Operaciones de acabado

250

un orden predeterminado sobre la superficie de la banda. Se usan en aceros inoxidables y superaleaciones, su desempeño es más consistente, y las temperaturas que desarrollan son menores.

14.15.2.

Cepillos de alambre

En el proceso de cepillado de alambre, la pieza se recarga contra un cepillo de alambre redondo, que gira a alta velocidad. Las puntas de alambre producen rayaduras longitudinales en la superficie de la pieza. Este proceso es para producir una textura fina en la superficie. En la actualidad, se trata de que el cepillado de alambre sea un proceso de remoción ligera de material.

14.15.3.

Honeado

El honeado o asentado es una operación que se usa principalmente para dar a los orificios un acabado superficial fino. La herramienta de asentar, u hona, consiste en un conjunto de abrasivos aglomerados de óxido de aluminio o carburo de silicio llamados piedras. Están montados en un mandril que gira en el agujero y aplica una fuerza radial con movimiento axial de vaivén. Esta acción produce un rayado cruzado. Las piedras se pueden ajustar radialmente para distintos tamaños de orificios. El asentado también se efectúa en superficies cilíndricas externas o planas, para eliminar filos agudos en las herramientas de corte e insertos. La finura del acabado superficial se puede controlar con el tipo y tamaño de abrasivo usado, la presión aplicada y la velocidad. Las velocidades superficiales van desde unos 45 m/min hasta 90 m/min. Se usa un fluido para eliminar las virutas y mantener bajas las temperaturas. Si no se hace bien, el asentado puede producir orificios que ni son rectos ni cilíndricos, sino que poseen formas abocardadas, onduladas, abarriladas o cónicas. En otro proceso de honeado, llamado superacabado, la presión aplicada es muy poca y el movimiento de la piedra tiene carrera corta.

14.15.4.

Lapeado

El lapeado es una operación de acabado de superficies planas o cilíndricas. La plancha de lapear suele ser de hierro colado, cobre, cuero o tela. Las partículas abrasivas están embebidas en ella, o pueden ser arrastradas por un lodo. Dependiendo de la dureza de la pieza, las presiones de lapeado van de 7 a 140 kPa. Las tolerancias dimensionales son del orden de ±0,0004 mm y se pueden obtener usando abrasivos finos de tamaño de grano de hasta 900. El acabado superficial puede tener una lisura de hasta 0,1 µm. El lapeado de producción en piezas planas o cilíndricas se hace en máquinas específicas. También se hace sobre superficies curvas, como por ejemplo objetos esféricos y lentes de vidrio con planchas de formas especiales. El asentado de los

14. Conformación por eliminación de material II

251

engranajes compañeros se puede hacer por lapeado.

14.15.5.

Pulido

El pulido es un proceso que produce un acabado de superficie liso y lustroso. En este proceso intervienen dos mecanismos básicos: remoción abrasiva a escala fina, y suavizado y extendido de capas superficiales por calentamiento de fricción durante el pulido. La apariencia brillante de las superficies pulidas se debe a la acción de extendido. El pulido se hace con discos o bandas de tela, cuero o fieltro, recubiertos con un polvo fino de óxido de aluminio o diamante.

14.15.6.

Pulido químico mecánico

El pulido químico mecánico es un proceso en el que una superficie químicamente reactiva se pule con lodo de cerámica en una solución de hidróxido de sodio. Una aplicación importante de este proceso es el pulido de obleas de silicio.

14.15.7.

Electropulido

Se pueden obtener superficies especulares en metales por electropulido, proceso inverso a la electrodeposición. Como no hay contacto mecánico con la pieza, esta proceso se adapta en especial para formas irregulares.

14.15.8.

Procesos de pulido con campos magnéticos

Un desarrollo más reciente en el pulido consiste en usar campos magnéticos para sostener lodos abrasivos en el pulido de bolas de cerámica y de rodillos para rodamientos. El pulido magnético en flotación de bolas de cerámica consiste en lo siguiente: un fluido magnético, que contiene granos abrasivos y partículas ferromagnéticas en un medio extremadamente portante como agua o queroseno, llena una cámara dentro de un anillo de guía. Las bolas de cerámica están entre un eje de impulsión y un flotador. Los granos abrasivos, las bolas de cerámica y el flotador (fabricado con un material no magnético) están suspendidos todos por fuerzas magnéticas. Las bolas se oprimen contra el eje de impulsión magnético, y son pulidas por la acción abrasiva. Las fuerza que aplican las partículas abrasivas sobre las bolas son extremadamente pequeñas y controlables, por lo que la acción de pulido es muy fina. Como los tiempos de pulido son mucho menores que en otros métodos de pulido, el proceso es muy económico y las superficies producidas tienen pocos (si es que los tienen) defectos importantes.

14.16. Desbarbado

252

El pulido asistido con campo magnético de los rodillos de cerámica, por su parte, consiste en lo siguiente: un rodillo de cerámica o de acero (la pieza) se sujeta en un husillo y se hace girar. Los polos magnéticos se hacen oscilar y se introduce un movimiento vibratorio en el conglomerado magnético-abrasivo. Esta acción pule la superficie cilíndrica del rodillo. Con este proceso se han acabado a espejo rodillos de rodamientos de 63 HR en 30 segundos.

14.15.9.

Abrillantado

El abrillantado se parece al pulido, con la excepción de que se usan abrasivos muy finos sobre discos suaves de tela o de piel. El abrasivo se suministra externamente con un lápiz de compuesto abrasivo. Las partes pulidas se pueden lustrar después, para obtener un acabado superficial todavía más fino.

14.16.

Desbarbado

Las rebabas o barbas son montículos delgados, por lo general de perfil triangular, que se forman en los bordes de una pieza debido al maquinado, al cizallado de láminas y en el recorte de forjas y piezas fundidas. Las rebabas pueden interferir con el ensamble de las partes y pueden ocasionar atascamientos de las mismas, desalineamientos y cortocircuitos en componentes eléctricos. Además, las rebabas pueden reducir la vida de los componentes a la fatiga. Como suelen ser filosas, pueden constituir riesgos de seguridad para el personal. Por otra parte, las rebabas en los componentes delgados, taladrados o machuelados, como en las diminutas piezas de los relojes, pueden aumentar su espesor y, en consecuencia, mejorar el par de sujeción de los tornillos. De forma tradicional, las rebabas se han quitado manualmente, proceso que puede ocupar hasta el diez por ciento del costo de manufactura de la parte. Se puede reducir la necesidad del desbarbado o eliminación de rebabas si se agregan biseles a las aristas agudas de las piezas y si se controlan los parámetros de procesamiento. Se dispone de varios procesos de desbarbado: manual, mecánico, cepillado de alambre o con cepillos rotatorios de nailon, por bandas abrasivas, maquinado ultrasónico, electropulido, maquinado electroquímico, acabado abrasivo magnético, acabado vibratorio, chorro o soplado con abrasivos, maquinado con flujo abrasivo y maquinado con energía térmica, como láseres o plasma. Veamos con cierto detenimiento los últimos cuatro: – Los procesos de acabado vibratorio y tamborado son para mejorar el acabado superficial y quitar las rebabas de grandes cantidades de piezas relativamente pequeñas. En esta operación intermitente, se colocan pastillas abrasivas de forma especial en un recipiente, junto con las partes por desbarbar.

14. Conformación por eliminación de material II

253

– En el chorro de abrasivos, las partículas abrasivas, que generalmente son arena, se impulsan con un chorro de aire a alta velocidad, o con una rueda giratoria, sobre la superficie de la pieza. El chorro de abrasivos se usa en especial para desbarbar materiales metálicos y no metálicos y en la eliminación o limpieza de óxidos superficiales. La superficie producida tiene un acabado mate. También se puede hacer pulido y ataque en pequeña escala con este proceso, en unidades de banco (chorro de microabrasivos). – En el maquinado con flujo abrasivo, los granos abrasivos como carburo de silicio o diamante se mezclan con una matriz como de mastique, que a continuación se impulsa en vaivén a través de las aberturas y venas en la pieza. El movimiento de la matriz abrasiva a presión erosiona y quita tanto rebabas como esquinas agudas, y lustra la parte. – El método de energía térmica para desbarbar consiste en colocar la parte en una cámara donde a continuación se inyecta una mezcla de gas natural y oxígeno. Cuando esta mezcla se enciende se produce una onda de calor de temperatura de 3300◦C. Las rebabas se calientan en forma instantánea, se funden y se retiran, mientras que la temperatura de la parte sólo alcanza unos 150◦ C. Desbarbado robotizado El desbarbado y rebabeado de productos terminados se hace cada vez más con robots programables, con un sistema de retroalimentación forzada en el control.

14.17.

Economía de las operaciones de rectificado y acabado

Como es una operación adicional, en el rectificado aumenta bastante el costo del producto. Por otra parte, el esmerilado con avance deslizante ha demostrado ser una alterativa económica de operaciones de maquinado como fresado, aunque el desgaste de la piedra es grande.

Tema 15

Automatización de los procesos de fabricación 15.1.

Introducción

Hasta los primeros años de la década de los cincuenta, la mayor parte de las operaciones de manufactura eran efectuadas con maquinaria tradicional como tornos, fresadoras y prensas, que carecían de flexibilidad y necesitaban de mucha mano de obra especializada. El desarrollo de nuevos productos y de piezas con formas complicadas requería muchas pruebas por parte del operador para establecer los parámetros de procesamiento adecuados en la máquina. Además, por la intervención humana, era difícil y lento fabricar piezas que fueran exactamente iguales. Estas circunstancias indicaban que por lo común los métodos de procesamiento eran ineficientes y que los costos de mano de obra eran una parte importante de los costos generales de producción. ¿Cómo se podía mejorar la productividad? La mecanización de la maquinaria y las operaciones había alcanzado, en forma abrumadora, un pico en la década de 1940. El siguiente paso en la mejora de la eficiencia de las operaciones manufactureras fue la automatización. Se acuñó la palabra automatización a mediados de la década de los cuarenta, en la industria automotriz estadounidense, para indicar el manejo y procesamiento automáticos de las piezas en las máquinas de producción. Durante las cuatro décadas pasadas han ocurrido grandes avances e innovaciones en los tipos y el grado de automatización, que fueron posibles principalmente gracias a los rápidos avances en la capacidad y sofisticación de las computadoras y los sistemas de control.

15.2.

Automatización

Se define la automatización, por lo general, como el proceso de hacer que las máquinas sigan un orden predeterminado de operaciones con poca o ningu-

15.2. Automatización

256

na mano de obra, usando equipo y dispositivos especializados que ejecutan y controlan los procesos de manufactura. La automatización es un proceso evolutivo, más que revolucionario. En las plantas manufactureras, la automatización se ha implantado bien en las siguientes áreas básicas de actividad: – Procesos de manufactura. Las operaciones de maquinado, forjado, extrusión en frío, colado y rectificado son ejemplos característicos de procesos que se han automatizado extensamente. – Manejo de materiales. Los materiales y las piezas en varias etapas de acabado se mueven por la planta mediante equipo controlado por computadora, sin conducción humana. – Inspección. Las piezas son inspeccionadas automáticamente para comprobar su calidad, precisión dimensional y acabado superficial, ya sea cuando se fabrican (inspección en proceso) o después de terminadas (inspección postproceso). – Ensamblaje. Las piezas individuales fabricadas se arman o ensamblan en forma automática para formar subensambles y, por último, el producto. – Empaquetamiento. Los productos se empaquetan de forma automática.

15.2.1.

Evolución de la automatización

Algunos procesos de conformado metálico se inventaron antes del año 4000 a.C. Sin embargo, no fue hasta el inicio de la Revolución Industrial —concretamente, en la década de 1750— cuando comenzó a introducirse la automatización en la producción de mercancías. Las máquinas herramientas, como tornos revólver, máquinas automáticas de tornillo y equipos automáticos de botellas, se desarrollaron a finales de la década de 1890 y a comienzos de la de 1900. En la década de 1920, se desarrollaron las técnicas de producción en masa y las máquinas de transferencia. Estas máquinas tenían mecanismos automáticos fijos y se diseñaban para fabricar productos específicos. Estos desarrollos se plasmaron mejor en la industria automotriz, que fue capaz de producir grandes cantidades de automóviles a bajo coste. Pero el gran avance en la automatización comenzó con el control numérico (cn) de las máquinas herramientas a comienzos de 1950. A partir de este histórico desarrollo se ha avanzado con rapidez en la mayor parte de los aspectos de la manufactura. Estos aspectos implican la introducción de las computadoras en la automatización, el control numérico computerizado (cnc), el control adaptable (ca), los autómatas industriales y los sistemas de manufactura integrados por computadora (mci), que incluyen el diseño, la ingeniería y la manufactura asistidos por computadora (cad, cae y cam).

15. Automatización de los procesos de fabricación

15.2.2.

257

Objetivos de la automatización

La automatización posee como principales objetivos los siguientes: – Integrar diversos aspectos de las operaciones de manufactura para mejorar la calidad y la uniformidad del producto, minimizar los tiempos de ciclo y esfuerzos y, con ello, reducir los costos de mano de obra. – Mejorar la productividad, reduciendo los costos de manufactura a través del mejor control de la producción. Las piezas se cargan, alimentan y descargan de las máquinas con más eficiencia; las máquinas se usan con más eficacia y la producción se organiza con más eficiencia. – Mejorar la calidad, empleando procesos más repetibles. – Reducir la intervención humana, el aburrimiento y la posibilidad de error humano. – Reducir los daños a las piezas, causados por el manejo manual de las partes. – Aumentar el nivel de seguridad para el personal, en especial bajo condiciones de trabajo peligrosas. – Economizar espacio en la planta manufacturera, arreglando de forma más eficiente las máquinas, el movimiento de materiales y el equipo auxiliar. Automatización y cantidad de producción El volumen de producción es crucial para determinar el tipo de maquinaria y el grado requerido de automatización para producir piezas en forma económica. La cantidad total producida se define como el número total de partes por fabricar. Esta cantidad se puede producir en lotes individuales de diversos tamaños de lote. El tamaño de lote influye mucho en la economía de la producción. Se pueden fabricar pequeñas cantidades anuales en los talleres, usando diversas máquinas herramientas estándar, de propósito general (máquinas independientes) o centros de maquinado. Estas operaciones tienen gran variedad en las piezas, i.e., se pueden producir partes distintas en poco tiempo sin muchos cambios de herramienta y de operaciones de producción. Por otro lado, la maquinaria en los talleres requiere, en general, mano de obra especializada, y la rapidez y cantidad de producción son bajas; en consecuencia, el costo por cada parte puede ser muy considerable. La producción de piezas componentes suele implicar cantidades muy pequeñas y es adecuada en los talleres. La mayor parte de la producción de pieza y parte es en tamaños de lote de cincuenta o menos. En la producción en lotes pequeños, las cantidades suelen ser de entre diez y cien, y en ella se usan máquinas y centros de maquinado de propósito general, con diversos controles computerizados. La producción en lotes suele conllevar tamaños de lote entre 100 y 5000, usa maquinaria parecida a la de la producción en lotes pequeños, pero con soportes de diseño especial para obtener una mayor velocidad de producción.

15.2. Automatización

258

La producción en masa implica cantidades que con frecuencia son mayores que 100000; requiere maquinaria de propósito especial (máquinas dedicadas o especializadas) y equipo automatizado para transferir materiales y partes. Aunque la maquinaria, equipo y herramientas especializadas son costosos, la destreza y los costos requeridos en la mano de obra suelen ser relativamente bajos, por el alto nivel de automatización. Sin embargo, esos sistemas de producción se organizan para una clase específica de productos, por lo que carecen de flexibilidad.

15.2.3.

Aplicaciones de la automatización

Se puede aplicar la automatización a la manufactura de todo tipo de bienes, desde materias primas hasta productos terminados y en todos los tipos de producción, desde talleres hasta grandes instalaciones manufactureras. Debido a que la automatización suele implicar altos costos iniciales de equipo y requiere un conocimiento de los principios de operación y mantenimiento, la decisión de implementar aun bajos niveles de automatización debe implicar un análisis cuidadoso de las necesidades reales de una organización. En muchos casos es conveniente la automatización selectiva, y no la automatización total de una instalación. En general, mientras mayor sea el nivel de mano de obra disponible, la necesidad de automatización se reduce, siempre y cuando los costos de mano de obra se justifiquen y haya disponibles trabajadores suficientes.

15.2.4.

Automatización rígida

En la automatización rígida (hard automation), o automatización de posición fija, se diseñan las máquinas para producir un artículo normalizado, como por ejemplo un monoblock, una válvula, un engranaje o un husillo. Aunque el tamaño del producto y los parámetros de procesamiento (como velocidad, avance y profundidad del corte) se pueden cambiar, esas máquinas son especializadas y carecen de flexibilidad. No se pueden modificar en grado apreciable para procesar productos que tengan distintas formas y dimensiones. Como esas máquinas son de diseño y construcción costosos, para usarlas en forma económica se necesita producir en muy grandes cantidades. Las máquinas que se usan en aplicaciones de automatización dura se suelen construir con el principio modular o de bloque constructivo. Se llaman en general máquinas de transferencia y consisten en dos partes principales: unidades de producción de cabezal motorizado y mecanismos de transferencia. Unidades de producción de cabezal motorizado Consisten en un bastidor o bancada, motores, cajas de engranajes y husillos para herramienta, y son autocontenidas. Sus componentes se consiguen en el mercado en diversos tamaños y capacidades normalizadas; por su modularidad inherente se pueden reagrupar con facilidad para producir partes diferentes, por lo que tienen cierta adaptabilidad y flexibilidad.

15. Automatización de los procesos de fabricación

259

Las máquinas de transferencia formadas por dos o más unidades de cabezal motorizado se pueden arreglar en modelos de línea recta, circular o en U, sobre el piso del taller. El peso y la forma de las piezas influye sobre el arreglo que se seleccione. Este arreglo también es importante para tener continuidad de la operación en caso de que falle una herramienta o una máquina, en una o más de las unidades. En estas máquinas se incorporan funciones de colchón (buffer ) de almacenamiento para permitir la operación continua cuando se presentan estos casos.

Mecanismos de transferencia y líneas de transferencia Las piezas se transfieren con diversos métodos: rieles sobre los que se empujan o jalan las piezas, comúnmente sobre palés, mediante diversos mecanismos; mesas rotatorias indexadas, y transportadores aéreos. La transferencia de piezas de una estación a otra se suele controlar con sensores y otros dispositivos. Las herramientas, en las máquinas de transferencia, se pueden cambiar con facilidad, en portaherramientas con funciones de cambio rápido, y se puede equipar a esas máquinas con diversos sistemas de medición e inspección.

15.2.5.

Automatización flexible o programable

Hemos visto que la automatización no flexible (hard automation) suele implicar máquinas de producción en masa que carecen de flexibilidad. En la soft automation (automatización flexible o programable) se alcanza más flexibilidad por el uso de control computerizado de la máquina y de sus funciones, con diversos programas. La automatización flexible es un desarrollo importante, porque la máquina se puede programar con facilidad y rapidez para que produzca una pieza con forma o dimensiones distintas de las que acaba de producir. Por esta característica, la automatización programable o flexible puede producir piezas con formas complicadas. Entre otros avances de la automatización flexible están el uso extenso de computadoras modernas, que condujo al desarrollo de sistemas flexibles de manufactura o de manufactura flexible, con elevadas eficiencias y productividades.

15.2.6.

Controladores programables

El control de un proceso de manufactura en la secuencia adecuada, en especial uno que comprenda grupos de máquinas y de equipo de manejo de materiales, se ha efectuado de forma tradicional con temporizadores, interruptores, relevadores, contadores y componentes parecidos, de conexión permanente, basados en principios mecánicos, electromecánicos y neumáticos. A partir de 1968 se introdujeron los controladores lógicos programables (plc, programmable logic controller ), o controladores de lógica programable.

15.3. Control numérico

260

Un controlador lógico programable es un aparato electrónico digital que usa una memoria programable para almacenar internamente instrucciones para implementar funciones específicas, como lógica, secuencia, sincronización, conteo y operaciones aritméticas para controlar, a través de módulos digitales o analógicos de entrada y salida, diversas clases de máquinas o procesos. Como los controladores lógicos programables eliminan la necesidad de usar tableros de control con relevadores, y como se pueden programar usan menos espacio, se han adoptado ampliamente en los sistemas y operaciones de manufactura. Sus funciones básicas son encender y apagar, movimiento, operaciones secuenciales y control con retroalimentación. También se usan para controlar sistemas, con funciones de procesamiento digital en alta velocidad y en comunicaciones. Actualmente los controladores lógicos programables, en cualquier caso, se emplean cada vez menos en las instalaciones nuevas, debido al progreso en las máquinas de control numérico, pero siguen representando una base muy grande de instalaciones. Hoy existe una tendencia creciente hacia el uso de microcomputadoras en lugar de controladores lógicos programables, porque éstas son menos costosas, más fáciles de programar y más fáciles de conectar.

15.2.7.

Mantenimiento total productivo

La administración y el mantenimiento de una gran variedad de máquinas, equipos y sistemas son de los aspectos más importantes que afectan a la productividad de una organización manufacturera. Los conceptos de mantenimiento total productivo y de administración total de equipo productivo se están desarrollando actualmente. Estos conceptos incluyen el análisis continuo de factores tales como: problemas del equipo, vigilancia y mejora de su productividad, implementación de mantenimiento preventivo y predictivo, reducción del tiempo de preparación, del tiempo muerto y del tiempo de ciclo; uso total de la maquinaria y el equipo y mejora de su eficacia, así como la reducción de los defectos del producto. Por ejemplo, el trabajo en equipo, implementado por grupos de acciones de mejora continua, es un componente importante de la actividad e implica la cooperación total de los operadores de máquina, el personal de mantenimiento, los ingenieros y la administración de la empresa.

15.3.

Control numérico

El control numérico es un método para controlar los movimientos de las partes de las máquinas, insertando en forma directa al sistema instrucciones codificadas. El sistema interpreta de forma automática esos datos y los convierte en señales de salida. A su vez, esas señales controlan varios componentes de la máquina.

15. Automatización de los procesos de fabricación

261

En operaciones efectuadas por control numérico, los datos relacionados con todos los aspectos de la operación de maquinado, como ubicaciones, velocidades, avances y fluidos de corte se pueden guardar en medios magnéticos y cambiarlos de cintas a discos duros. El concepto del control numérico es que se pueda enviar información específica desde estos dispositivos de almacenamiento al tablero de control de la máquina herramienta. El control numérico tuvo un gran impacto en todos los aspectos de las operaciones manufactureras. Hoy se usan mucho las máquinas de control numérico en producciones de pequeñas a medianas de una gran variedad de partes, tanto en talleres pequeños como en grandes instalaciones manufactureras. La maquinaria vieja u obsoleta puede ser adaptada para trabajar con control numérico.

15.3.1.

Antecedentes históricos

El concepto básico del control numérico fue implementado a comienzos del siglo xix, cuando se usaban tarjetas perforadoras de lámina metálica para controlar en forma automática los movimientos de las máquinas tejedoras. Las agujas se activaban al sentir la presencia o ausencia de la perforación en la tarjeta. A este invento siguió el del piano automático, en el que las teclas se activaban con aire que pasa por orificios perforados en un rollo de papel. El principio para controlar numéricamente los movimientos de las máquinas herramientas lo concibió J. Parsons por primera vez en la década de 1940, al tratar de maquinar piezas complicadas para helicópteros. El primer prototipo de máquina con control numérico se construyó en 1952, en el mit. Era una fresadora copiadora en dos ejes con husillo vertical, adaptada con servomotores; las operaciones que hacía eran de fresado lateral y de careado en una placa gruesa de aluminio. Los datos numéricos que serían perforados en las cintas de papel se generaban con una computadora digital, otro invento que se desarrollaba al mismo tiempo en el mit. En los experimentos, se maquinaron bien, con precisión y repetibilidad las piezas, sin intervención de un operador. Sobre la base de este éxito, la industria de las máquinas herramientas comenzó a diseñar, construir y vender máquinas con control numérico. Después, estas máquinas se equiparon con controles numéricos por computadora, alcanzando una mayor flexibilidad, precisión, versatilidad y facilidad de operación.

15.3.2.

Control numérico computerizado

En el siguiente paso del desarrollo del control numérico, los componentes de control se convirtieron en control local computerizado mediante programas. Se desarrollaron dos clases de sistemas computerizados: los de control numérico directo y los de control numérico por computadora. En el control numérico directo (dnc, direct numerical control ), tal como se concibió y desarrolló originalmente en la década de 1960, se controlan varias

15.3. Control numérico

262

máquinas en forma directa, paso a paso, mediante una computadora central. En este sistema, el operador tiene acceso a la computadora central a través de una terminal remota. De esta forma se eliminan el manejo de cintas y la necesidad de tener una computadora en cada máquina. Con el control puede vigilarse el estado de todas las máquinas en una instalación manufacturera, y se puede evaluar en la computadora central. Sin embargo, tiene una desventaja fundamental: si la computadora se apaga, todas las máquinas quedan inoperables. Una definición más reciente del control numérico directo ha sido el control numérico distribuido (dnc, distributed numerical control ); este consiste en usar una computadora central como sistema de control que gobierna varias máquinas de control numérico computerizado que tienen sus propias microcomputadoras. Este sistema permite contar con gran memoria y capacidad de cómputo, y ofrece flexibilidad mientras que supera la desventaja del control numérico directo. El control numérico computerizado es un sistema en el que una microcomputadora de control es parte integral de la máquina o de un equipo (con computadora o controlador industrial integrado). El programador puede preparar el programa para una pieza en un lugar o espacio remoto, y puede incorporar información obtenida de programas de dibujo técnico y de simulaciones de maquinado, para asegurar que no haya errores. Debido a la disponibilidad de computadoras pequeñas con gran memoria, microprocesadores y funciones de edición de programa, los sistemas de control numérico computerizado se usan mucho en la actualidad. Algunas ventajas del control numérico computerizado sobre el convencional son las siguientes: – Mayor flexibilidad : la máquina puede producir una pieza específica, y después otras piezas con distintas formas, a un coste reducido. – Mayor precisión: las computadoras tienen mayor velocidad de muestreo y funcionan más rápidamente. – Mayor versatilidad es más sencillo editar y corregir programas, reprogramar, graficar e imprimir la forma de la pieza.

15.3.3.

Principios de las máquinas con control numérico

Los elementos funcionales en el cn y sus componentes son: – Entrada de datos: la información numérica se lee y se guarda en un lector de cinta o en la memoria de la computadora. – Procesamiento de datos: los programas pasan a la unidad de control de la máquina para su procesamiento. – Salida de datos: esta información se traduce en comandos —en forma característica, comandos de impulso— al servomotor. A continuación, éste

15. Automatización de los procesos de fabricación

263

mueve la mesa hasta posiciones específicas mediante movimientos lineales o rotatorios, por medio de motores de pasos, tornillos de avance y diversos dispositivos. Tipos de circuitos de control Una máquina de control numérico se puede controlar mediante dos tipos de circuitos: de lazo abierto y de lazo cerrado. En el sistema de lazo abierto, el controlador manda señales al servomotor, pero no se comprueba la precisión de los movimientos y las posiciones finales de la mesa. En sistema de lazo cerrado tiene varios trasductores, sensores y contadores que miden con precisión la posición de la mesa. Mediante el control con retroalimentación, se compara la posición de la mesa con la señal. La medición de posición en máquinas con control numérico puede realizarse a través de métodos directos o indirectos. En los sistemas de medición directa, un dispositivo sensor lee una escala graduada en la mesa de la máquina o corredera para movimiento lineal. Este sistema es el más exacto porque la escala está construida en la máquina misma, y el retroceso —el juego entre dos dientes de engranaje adyacentes o acoplados— en los mecanismos no es importante. En sistemas de medición indirecta unos codificadores o encoders rotatorios convierten movimientos rotatorios a movimientos de traslación. En este sistema el juego entre las partes de la máquina puede afectar mucho la posición de medida. Los mecanismos de retroalimentación de posición usan varios sensores que se basan, principalmente, en principios magnéticos y fotoeléctricos.

15.3.4.

Tipos de sistemas de control

Hay dos tipos básicos de sistemas de control numérico: – En un sistema de punto a punto, también denominado de posicionamiento, cada eje de la máquina se impulsa por separado con sinfines y, dependiendo del tipo de operación, a diferentes velocidades. La máquina se mueve al principio con velocidad máxima, para reducir el tiempo improductivo, pero se desacelera cuando la herramienta se acerca a su posición definida numéricamente. Así, en una operación como el taladrado, el posicionamiento y el corte se hacen en forma secuencial. Después de perforar o punzonar el orificio, la herramienta se retrae hacia arriba y se mueve con rapidez a otra posición, y la operación se repite. La trayectoria de una posición a otra sólo es importante desde un punto de vista: se debe elegir para minimizar el tiempo de recorrido, con el fin de aumentar la eficiencia. Los sistemas punto a punto son usados principalmente en el taladrado, punzonado y operaciones de fresado recto. – En un sistema de contorno —también denominado sistema de trayectoria continua, el posicionamiento y las operaciones son realizadas a lo largo de trayectorias controladas, pero a distintas velocidades. Como la herramienta funciona al mismo tiempo que se desplaza a lo largo de una trayectoria

15.3. Control numérico

264

predefinida, son importantes el control exacto y la sincronización de las velocidades y los movimientos. El sistema de contorno es típicamente usado en tornos, fresadoras, rectificadoras, soldadoras y centros de maquinado. Interpolación El movimiento a lo largo de la trayectoria (interpolación) se hace en forma incremental mediante alguno de los diversos métodos básicos. En toda interpolación, la trayectoria que se controla es la del centro de rotación de la herramienta. En el programa de control numérico es posible compensar los distintos tipos de herramienta, sus distintos diámetros o su desgaste durante el maquinado. – En la interpolación lineal, la herramienta se mueve en línea recta de principio a fin en dos o tres ejes. Teóricamente, con este método puede producirse todo tipo de perfiles, haciendo pequeños los incrementos entre los puntos. Sin embargo, para hacerlo es necesario procesar una gran cantidad de datos. – En la interpolación circular, los datos iniciales necesarios para la trayectoria son las coordenadas de los puntos extremos, las del centro del círculo y la dirección de la herramienta a lo largo de un arco. – En la interpolación parabólica y en la interpolación cúbica, la trayectoria es aproximada mediante curvas con ecuaciones matemáticas de orden superior. Este método es eficaz en máquinas con cinco ejes y es muy útil en operaciones de broquelado profundo, para conformado de láminas de carrocerías de automóvil. Estas interpolaciones se usan también para los movimientos de los robots industriales.

15.3.5.

Precisión en el control numérico

La precisión de posicionamiento en las máquinas de control numérico se define con la precisión con la que la máquina puede ser ubicada en cierto sistema de coordenadas. Una máquina de control numérico suele tener una precisión mínima en el posicionamiento de ±3 µm. La repetibilidad (el grado de concordancia de movimientos de posición repetidos bajo las mismas condiciones de funcionamiento de la máquina) suele estar aproximadamente en ±8 µm. La resolución, que es el incremento mínimo de movimiento en los componentes de la máquina, es de unos 2,5 µm. La rigidez de la máquina herramienta y el juego entre sus engranajes y tornillos sin fin de avance son importantes en la precisión dimensional. Aunque en máquinas antiguas se eliminaba el juego entre engranajes mediante circuitos de absorción de juego (en los que la herramienta siempre llega a una posición determinada en la pieza desde la misma dirección), el juego de las máquinas modernas se elimina usando tornillos sin fin de bolas precargados. Además, una respuesta rápida a las señales de comando requiere minimizar la fricción y la inercia, por ejemplo reduciendo la masa de los componentes que se mueven en la máquina.

15. Automatización de los procesos de fabricación

15.3.6.

265

Ventajas y limitaciones del control numérico

El control numérico tiene las siguientes ventajas sobre los métodos convencionales de control de máquinas herramientas: – Mejora la flexibilidad de operación, así como la capacidad de producir formas complicadas con buena precisión dimensional, repetibilidad, menor pérdida por defectos, grandes tasas de producción, alta productividad y alta calidad de los productos. – Se reducen los costos de herramientas, porque no se requieren plantillas ni diversos soportes. – Son fáciles de hacer los ajustes de la máquina, con microcomputadoras e instalaciones digitales. – Es posible efectuar más operaciones con cada preparación, y el tiempo de inicio para preparación y maquinado es menor, en comparación con los métodos convencionales. Además, se facilitan los cambios de diseño y se reduce el inventario. – Los programas pueden ser preparados rápidamente, y pueden ser llamados en cualquier momento por los microprocesadores. Todo ello conlleva una menor cantidad de trabajo en papel. – Es posible realizar una producción más rápida de prototipos. – Se requiere menor capacitación en el operador que la de un mecánico especializado, y el operador tiene más tiempo para atender otras tareas en su área de trabajo. Las principales limitaciones del control numérico son el costo inicial del equipo, que es relativamente alto, la necesidad y el costo de programación, así como el tiempo de computadora, y el mantenimiento especial que requiere de personal capacitado.

15.4.

Programación del control numérico

Un programa de control numérico consiste en una secuencia de instrucciones que hace que una máquina de control numérico efectúe cierta operación; el proceso más común es el de maquinado. La programación del control numérico se puede hacer en un departamento interno de programación, en el taller, o se puede comprar al exterior. El programa contiene instrucciones y comandos. Las instrucciones geométricas se refieren a movimientos relativos entre la herramienta y la pieza. Las instrucciones de procesamiento se refieren a velocidades de husillo, avances, herramientas de corte, fluidos de corte, etcétera. Las instrucciones de recorrido

266

15.4. Programación del control numérico

se refieren al tipo de interpolación y la velocidad del movimiento de la herramienta o la mesa. Las instrucciones de conmutación se refieren a la posición de encendido o apagado para el flujo de enfriador, la dirección o la suspensión de la rotación del husillo, los cambios de herramienta, el avance de la pieza, la sujeción, etcétera. La programación manual de la pieza consiste en calcular primero las relaciones dimensionales de la herramienta, la pieza y la mesa, sobre la base de los planos técnicos de la parte (incluyendo el cad), las operaciones de manufactura que se harán y su orden. Se prepara entonces una hoja de programa, en la que se detalla la información necesaria para efectuar la operación particular. A continuación se prepara el programa de la pieza, basándose en esta información. La programación manual puede ser realizada por personal diverso, incluidos los mecánicos especializados. Sin embargo, el trabajo que hay que realizar suele ser muy tedioso, lento y no económico; en consecuencia, la programación manual se usa principalmente en algunas aplicaciones de punto a punto. La programación de pieza asistida por computadora implica usar lenguajes de programación simbólicos, que determinan las coordenadas de puntos como esquinas, bordes y superficies de la pieza. Existen varios lenguajes disponibles en el mercado; poseen diversas propiedades y aplicaciones. El primero que usó declaraciones parecidas al inglés (denominado apt, Automatically Programmed Tools) se desarrolló a finales de la década de 1950. Este lenguaje, en sus diversas formas ampliadas, sigue siendo el más usado para la programación punto a punto y de trayectoria continua. Hoy, las piezas complicadas se maquinan con programas de maquinado basados en gráficas y asistidos por computadora. Se crea una trayectoria de herramienta en un ambiente principalmente gráfico, parecido a un programa cad. En programa o código de la máquina (código G) se crea en forma automática. La programación de piezas asistida por computadora tiene las siguientes ventajas sobre los métodos manuales: uso de lenguaje simbólico; menor tiempo de programación; menor posibilidad de error humano; capacidad de visualizar en pantalla una secuencia de máquina; capacidad de realizar cambios sencillos —ya sea en una secuencia de maquinado o de una máquina a otra—; menor costo, porque se requiere menos tiempo para programar. El uso de los lenguajes de programación (compiladores) no sólo produce mejor calidad de las partes, sino que también permite un desarrollo más rápido de las instrucciones de maquinado. Además, se pueden hacer simulaciones en terminales de cómputo remotas para asegurar que el programa funciona como se necesita. Este método evita la ocupación innecesaria de máquinas costosas en los procesos de corrección de errores. La selección de determinado lenguaje de programación para control numérico depende principalmente de los factores siguientes: nivel de conocimientos del personal en la instalación manufacturera; complejidad de la pieza; tipo de equipos y computadoras disponibles; tiempo y costes en los que incurre la programación.

15. Automatización de los procesos de fabricación

15.5.

267

Control adaptable

En el control adaptable, los parámetros de operación se ajustan de forma automática a sí mismos para trabajar bajo nuevas circunstancias, como por ejemplo cambios en la dinámica de los procesos particulares y perturbaciones que se puedan presentar. Se trata, obviamente, de un método de retroalimentación. Se puede diferenciar el control dinámico con retroalimentación y el control adaptable como sigue: el control dinámico con retroalimentación posee un mecanismo controlador fijo, que se adapta o ajusta sus señales como respuesta a cambios medidos en el comportamiento del sistema. Un controlador de ganancia constante es un caso especial del control dinámico con retroalimentación. El control adaptable no sólo ajusta las señales del controlador, sino el mecanismo del propio controlador. La investigación sobre el control adaptable comenzó a principios de la década de 1950, y se ocupaba con el diseño de pilotos automáticos para aviones de alto rendimiento, que funcionan dentro de amplios límites de altitudes y velocidades. Se observó, durante las pruebas, que los sistemas de control con ganancia constante y retroalimentación trabajan bien bajo ciertas condiciones de operación, pero no con otras. La ganancia de seguimiento es quizá la forma más simple de lo que hoy se llama control adaptable. En esta programación de ganancia se selecciona una ganancia distinta de la retroalimentación, que depende de las condiciones medidas de operación. A cada región del espacio de operación del sistema se le asigna una ganancia distinta. Con los controles adaptables avanzados, la ganancia puede variar en forma continua con los cambios en las condiciones de operación. Hoy se producen varios sistemas de control adaptable, para aplicaciones como pilotaje de barcos, control de reactores químicos, laminadoras y tecnología médica. En la ingeniería de manufactura, en especial, los objetivos del control adaptable son los siguientes: optimizar la tasa de producción, optimizar la calidad del producto y minimizar el costo. Aunque el control adaptable se ha usado mucho durante algún tiempo en los procesos continuos de la industria química y las refinerías de petróleo, el éxito de su aplicación al maquinado, rectificado, conformado y otros procesos de manufactura es relativamente reciente. La aplicación del ca en manufactura tiene importancia especial en casos donde las dimensiones y la calidad de la pieza no son uniformes —como, por ejemplo, una fundición deficiente o una pieza con tratamiento térmico inapropiado—.

15.5.1.

Principios y aplicaciones del control adaptable

Las funciones básicas de los sistemas de control adaptable son las siguientes: – Determinar las condiciones de operación del proceso, incluyendo las medidas de la eficiencia. Esto se suele lograr mediante sensores, que miden

15.6. Manejo y movimiento de materiales

268

los parámetros del proceso tales como fuerza, momento, vibración y temperatura. – Configurar el control del proceso como respuesta a las condiciones de operación. Unos cambios grandes en las condiciones de operación pueden provocar la decisión de hacer un cambio grande en la estrategia de control. Las alteraciones más modestas pueden ser la modificación de los parámetros del proceso, como por ejemplo cambiar la velocidad de operación o el avance. – Continuar con la vigilancia del proceso, haciendo más cambios en el controlador como y cuando se necesiten. Aquellos sistemas que imponen una restricción sobre una variable de proceso (como fuerzas, momento o temperatura) se denominan sistemas de control adaptable con restricción. Así, si la fuerza de empuje y la de corte —por consiguiente, el momento— aumentan demasiado (por ejemplo, por la presencia de una región dura en una pieza de fundición—, el sistema de control adaptable cambia la velocidad o el avance para bajar la fuerza de corte hasta un valor aceptable. Los sistemas que optimizan una operación se llaman sistemas de control adaptable con optimización. La optimización puede implicar el maximizar la velocidad de remoción de material entre cambios (o afilados) de la herramienta, o mejorar el acabado superficial. En la actualidad, la mayor parte de los sistemas se basan en el control adaptable con restricción, porque es complicado el desarrollo y la implementación correcta del sistema de optimización. El tiempo de respuesta debe ser corto para que el control adaptable sea eficaz, en especial en operaciones de alta velocidad. Para que el control adaptable sea eficaz en las operaciones de manufactura, se deben establecer y guardar relaciones cuantitativas en el programa de cómputo, en forma de modelos matemáticos. Por ejemplo, si la velocidad de desgaste de la herramienta en una operación de maquinado es excesiva, la computadora debe ser capaz de poder decidir cuánta debe ser la variación necesaria en la velocidad o en el avance, para reducir la velocidad de desgaste hasta un nivel aceptable. El sistema también debe ser capaz de compensar cambios dimensionales de la pieza debidos a causas como el desgaste de la herramienta y el aumento de la temperatura.

15.6.

Manejo y movimiento de materiales

Los materiales se deben mover, ya sea en forma manual o con medios mecánicos, y se requiere tiempo para transportarlos de un lugar a otro. El manejo de materiales se puede definir como las funciones y sistemas asociados con el transporte, almacenamiento y control de materiales y piezas en el ciclo total de manufactura de un producto. El tiempo total necesario para la manufactura depende en cierta medida del tamaño y la forma, y del conjunto de operaciones requeridas. El tiempo inactivo y el necesario para transportar materiales pueden formar la mayor parte del tiempo consumido.

15. Automatización de los procesos de fabricación

269

La distribución de la planta es un aspecto importante del flujo ordenado de materiales y componentes a través del ciclo de manufactura. El tiempo y las distancias necesarias para mover las materias primas y las partes se deben minimizar, y las áreas de almacenamiento y los centros de servicio se deben organizar con ese fin. Para partes que requieran varias operaciones, el equipo se debe agrupar en torno al operador o al robot industrial. Por todo lo anterior, el manejo de materiales debe ser parte integral de la planificación, implementación y control de las operaciones manufactureras. Además, el manejo de materiales debe ser repetible y predecible.

15.6.1.

Métodos de manejo de materiales

Para operaciones pequeñas de manufactura en lotes, las materias primas y las piezas se pueden manejar y transportar a mano, pero en general este método es costoso. Además, como implica a personas, dicha práctica puede ser impredecible y poco fiable; hasta puede ser insegura para el operador, debido al peso y a la forma de las partes por mover, y debido a factores ambientales (como el calor y el humo en las fundidoras y las plantas de forjado). En las plantas automatizadas de manufactura, se está implantando con rapidez el flujo de material y partes controlado por computadora. Estos cambios han tenido como consecuencia mayor repetibilidad y menores costos de mano de obra.

15.6.2.

Equipo

Para mover materiales se usan diversas clases de equipo, como transportadores, rodillos, monoraíles automáticos, carritos, montacargas y diversos dispositivos y manipuladores mecánicos, eléctricos, magnéticos, neumáticos e hidráulicos. Los manipuladores se pueden diseñar para que el operador los controle en forma directa, o se pueden automatizar para hacer las operaciones repetitivas, como, por ejemplo, cargar y descargar piezas en máquinas herramientas, prensas y hornos. Las combinaciones de máquinas que tienen la posibilidad de transportar partes sin usar aparatos adicionales de manejo de materiales se denominan dispositivos integrales de transferencia. El manejo y el movimiento flexible de materiales, con control en tiempo real, han llegado a ser una parte integral de la manufactura moderna. Se usan robots industriales, palés de diseño especial y vehículos guiados automáticamente en los sistemas de manufactura flexible, para mover piezas y guiarlas según sea necesario. Los vehículos guiados automáticamente, que son el último desarrollo en el movimiento de materiales en las plantas, trabajan en forma automática a lo largo de rutas con cableado en el piso —o con cintas, para reconocimiento óptico— sin intervención del operador. Este sistema de transporte posee gran flexibilidad y es capaz de hacer entregas aleatorias a distintas estaciones de trabajo. Optimiza el movimiento de materiales y partes en casos de congestionamiento en torno a las estaciones de trabajo, o inactividad de máquinas debido a fallos, o cuando

15.7. Robots industriales

270 falla toda una sección del sistema.

Los movimientos de los vehículos guiados automáticamente se planean de tal modo que se interconecten con sistemas automatizados de almacenamiento y recuperación para utilizar en forma eficiente el espacio del almacén y reducir los costos de mano de obra. Sin embargo, estos sistemas se consideran hoy como desfavorables porque el enfoque actual es hacia inventarios mínimos y hacia métodos de producción just in time. Se han desarrollado sistemas de codificación para localizar e identificar piezas en todo el sistema de manufactura y transferirlas a sus estaciones adecuadas: – Código de barras: es el sistema de uso más extendido y el menos costoso. Las claves se imprimen en etiquetas, que se fijan a las piezas o partes y se leen con aparatos portátiles que usan lápices luminosos. – Bandas magnéticas: son el segundo sistema más común de codificación. – El tercero de los equipos más populares usa etiquetas de radiofrecuencia. Aunque son caras, no necesitan la banda visual libre de los dos sistemas anteriores, poseen gran alcance y se puede reescribir en ellas. Existen también otros sistemas de identificación, basados en ondas acústicas, reconocimiento óptico de caracteres y sistemas de visión.

15.7.

Robots industriales

La palabra robot fue sugerida en 1920 por K. Capek, autor checo, en su obra R.U.R. (Robots Industriales de Rossum); se deriva de la palabra checa robota, que significa «trabajador». Un robot o autómata industrial se ha definido como un manipulador multifuncional reprogramable, diseñado para mover materiales, piezas, herramientas u otros dispositivos mediante movimientos programados variables, y para ejecutar tareas diversas. En un contexto más amplio, el término robot también incluye a los manipuladores que un operador activa en forma directa. Por lo general, un robot industrial lo define la organización iso de la siguiente forma: «una máquina formada por un mecanismo que incluye varios grados de libertad, que frecuentemente tiene el aspecto de uno o varios brazos terminados en una muñeca, capaces de sujetar una herramienta, pieza o dispositivo de inspección. En particular, su unidad de control debe usar un dispositivo de memoria y a veces puede usar aditamentos sensores o de adaptación para tener en cuenta el ambiente y las circunstancias. Estas máquinas de propósito general se suelen diseñar para ejecutar una operación repetitiva, y se pueden adaptar a otras operaciones. Se comenzaron a usar en la década de 1960; los primeros se usaron en operaciones peligrosas, como por ejemplo el manejo de materiales tóxicos y radiactivos, cargar y descargar piezas calientes en hornos y fundidoras. Algunas

15. Automatización de los procesos de fabricación

271

aplicaciones sencillas de los robots son las llamadas «tres D» (dark, dangerous y dirty), incluyendo tareas indeseables pero necesarias, y también las «tres H» (hot, heavy y hazardous). Desde sus primeros usos para protección del trabajador y para seguridad en las plantas manufactureras, los robots industriales han evolucionado, llegando a ser componentes importantes en los procesos y sistemas de manufactura. Han ayudado a mejorar la productividad y la calidad de los productos, así como a reducir los costos de mano de obra. Los robots controlados por computadora se comercializaron a principios de la década de 1970; el primer autómata controlado por microcomputadora apareció en 1974.

15.7.1.

Componentes de los robots

Manipulador También se llama brazo y muñeca. El manipulador es una unidad mecánica que permite movimientos (trayectorias) parecidos a los de un brazo y una mano humanas. El extremo de la muñeca puede llegar a un punto en el espacio que tenga un conjunto específico de coordenadas, en una orientación específica. La mayor parte de los robots tienen seis articulaciones. También hay robots con cuatro grados de libertad y otros con cinco; pero, por definición, estas clases no son muy diestras, porque para serlo se necesitan seis grados de libertad. También se consiguen robots con siete grados de libertad —también denominados «redundantes»—. Existen robots con articulaciones de movimiento lineal, pero cada vez son más raros. La manipulación se efectúa con dispositivos mecánicos, como varillas, engranajes y varias articulaciones.

Efector final El extremo de la muñeca de un robot tiene un efector final, llamado también herramienta de extremo de brazo. Según el tipo de operación, los efectores finales pueden estar equipados con lo siguiente: sujetadores, ganchos, palas, electroimanes campanas de vacío y dedos adhesivos, para manejar materiales; pistolas de aspersión para pintar; accesorios para soldar por puntos y con arco, y para soporte con arco; herramientas motorizadas, como taladros, llaves de tuerca y desbarbadores; instrumentos de medición, como indicadores de carátula. Los efectores finales dóciles se usan para el manejo de materiales frágiles, o para facilitar el ensamblaje. Estos efectores pueden usar mecanismos elásticos para limitar la fuerza que aplican a la pieza, o se pueden diseñar con una rigidez especial. Este tipo de arreglos evita daños a las piezas en aquellas operaciones de ensamblaje en las que puedan presentarse ligeros desalineamientos.

Fuente de alimentación Cada movimiento del manipulador, en los ejes lineales y de rotación, se controla mediante actuadores independientes que usan una fuente de alimentación eléctrica, neumática o hidráulica. Cada fuente de energía y cada tipo de motor tiene sus propias características, ventajas y limitaciones.

15.7. Robots industriales

272

Sistema de control Conocido también como controlador, el sistema de control es el sistema de comunicaciones y de procesamiento de información que emite los comandos de movimiento del robot. Es el cerebro del robot; almacena datos para iniciar y finalizar los movimientos del manipulador. También son los nervios del robot; se interconecta con computadoras y otros equipos, como celdas de manufactura o sistemas de ensamblaje. Los manipuladores y los efectores son los brazos y las manos del robot. Los dispositivos de retroalimentación, como los trasductores, son parte importante del sistema de control. Los robots con un conjunto fijo de movimientos tienen control de lazo abierto. En este sistema, se dan los comandos y el brazo del robot hace sus movimientos; a diferencia de la retroalimentación en los sistemas de lazo cerrado, no comprueba la precisión de los movimientos. En consecuencia, el circuito abierto no tiene capacidad de autocorregirse. Como en las máquinas de control numérico, los tipos de control en los robots industriales son de punto a punto y de trayectoria continua. Dependiendo de una tarea en particular, la repetibilidad de posicionamiento necesaria puede ser sólo de 0,050 mm, como en las operaciones de ensamblaje de circuitos electrónicos impresos. Los robots especializados pueden alcanzar tal precisión, aunque la mayor parte no lo hacen. La precisión y la repetibilidad varían mucho con la carga y la posición dentro de la envolvente de trabajo, y en consecuencia son muy difíciles de cuantificar en la mayor parte de los robots.

15.7.2.

Clasificación de los robots

Se pueden clasificar los robots por sus tipos básicos: cartesianos o rectilíneos, cilíndricos, esféricos o polares, y articulados, de revolución, con uniones o antropomorfos. Se pueden fijar al piso en forma permanente, en una planta manufacturera, o pueden moverse sobre raíles (robots gantry), o pueden tener ruedas para moverse por el piso de la fábrica (robots móviles). Sin embargo, hay una clasificación más amplia de los robots que hoy se usan, que se describe a continuación.

Robots de secuencia fija y variable El robot se secuencia fija —también denominado de tomar-y-poner — está programado con una secuencia específica de operaciones. Sus movimientos son de punto a punto y el ciclo se repite en forma continua. Estos robots son sencillos y relativamente poco costosos. El robot de secuencia variable se puede programar con una secuencia específica de operaciones, pero se puede reprogramar para efectuar otra secuencia.

Robot reproductor de movimientos Un operador conduce o hace caminar al robot reproductor de movimientos con su efector final a través de la ruta deseada; en otras palabras, el operador «enseña» al robot qué debe hacer. Éste memoriza y registra la trayectoria y la secuencia de operaciones, y después puede repetir en forma continua, sin acción alguna o guía del operador.

15. Automatización de los procesos de fabricación

273

Otro tipo es el de teach pendant o control remoto, que usa botoneras manuales conectadas al tablero de control. Los botones se usan para controlar y guiar al robot con sus herramientas hacia el trabajo a efectuar. Esos movimientos quedan registrados en la memoria del controlador y el robot los reproduce en forma automática cuando sea necesario. Robot de control numérico Este robot se programa y se opera en forma muy parecida a una máquina de control numérico. Está servocontrolado por datos digitales, y se puede cambiar con relativa facilidad su secuencia de movimientos. Como en las máquinas de control numérico, hay dos tipos básicos de controladores: los de punto a punto y los de trayectoria continua. Los robots de punto a punto son fáciles de programar y tienen mayor capacidad de carga y mayor envolvente o volumen de trabajo, que se define como la extensión o el alcance máximo de la mano o de la herramienta de trabajo del robot en todas direcciones. Robot inteligente (sensorial) El robot inteligente es capaz de efectuar algunas de las funciones y tareas que hacen los humanos. Tiene una diversidad de sensores con posibilidades visuales (visión computerizada) y táctiles. El robot observa y evalúa el entorno próximo y su proximidad a otros objetos, en especial la maquinaria, mediante percepción y reconocimiento de figuras. A continuación toma las decisiones adecuadas para el siguiente movimiento y procede en consecuencia. Como su funcionamiento es muy complejo, se requieren computadoras muy potentes para controlar este tipo de robots. En los robots inteligentes hay desarrollos importantes para que puedan: comportarse más y más como los humanos —efectuando tareas tales como moverse entre varias máquinas y equipo en el taller, evitando choques—; reconocer, seleccionar y asir en forma correcta el material o la pieza adecuados; transportar la parte a una máquina para su procesamiento o inspección; armar los componentes formando subensambles o el producto final.

15.7.3.

Aplicaciones y selección de los robots

Las principales aplicaciones de los robots industriales incluyen las siguientes: – Manejo de material, que consiste en la carga, descarga y transferencia de las piezas en las instalaciones manufactureras. Estas operaciones las pueden hacer los robots de forma confiable y repetible, mejorando así la calidad y reduciendo las pérdidas por desperdicio. Algunos ejemplos son: operaciones de fundición y moldeo en las que se maneja metal fundido, materias primas, lubricantes y partes en varias etapas de terminación, sin interferencia con el operador; tratamiento térmico, cuando las piezas se cargan y descargan de hornos y baños de temple; operaciones de conformado, en las que se cargan y descargan las partes en las prensas y en otros tipos de maquinaria de trabajo de metales.

15.8. Tecnología de sensores

274

– Soldadura por puntos de carrocerías unitizadas de automóvil y camión, produciendo soldaduras de buena calidad. También los robots ejecutan otras operaciones parecidas, como soldadura con arco, corte con arco y remachado. – Operaciones como desbarbado, rectificado y pulido, con las herramientas adecuadas fijas a los efectores finales. – Aplicación de adhesivos y selladores; poseen gran utilidad, por ejemplo en la carrocería de automóviles. – Pintura por aspersión (en especial de formas complejas) y operaciones de limpieza. Son aplicaciones frecuentes, porque las operaciones en una pieza se repiten con mucha precisión en la siguiente. – Ensamblaje automático, que también es muy repetitivo. – Inspección y calibración en diversas etapas de manufactura; permiten tener velocidades mucho mayores que las que pueden alcanzar los humanos.

Selección de los robots Los factores que influyen sobre la selección de los robots en la manufactura son los siguientes: capacidad de carga, velocidad del movimiento, fiabilidad, repetibilidad, configuración del brazo, grados de libertad, sistema de control, memoria de programa y envolvente o volumen de trabajo.

Economía Además de los factores técnicos, las consideraciones de costos y beneficios también son aspectos importantes en la selección y uso de los robots. La disponibilidad y la fiabilidad cada vez mayores, y los costos reducidos de los robots inteligentes complicados, están teniendo un gran impacto económico sobre las operaciones de manufactura, y esos robots están desplazando en forma gradual a la mano de obra humana.

Seguridad en los robots Según el tamaño de la envolvente de trabajo de un robot, su velocidad y su proximidad a los humanos, las consideraciones de seguridad en un ambiente con robots pueden ser importantes, en especial para programadores y personal de mantenimiento, quienes interactúan en forma directa con el robot.

15.8.

Tecnología de sensores

Un sensor es un dispositivo que produce una señal en respuesta a su detección o medida de una propiedad, como posición, fuerza, momento, presión, temperatura, humedad, velocidad, aceleración o vibración. En forma tradicional, los sensores, los actuadores y los interruptores se han venido usando para establecer límites de funcionamiento de las máquinas.

15. Automatización de los procesos de fabricación

275

Entre los ejemplos comunes de los sensores están los topes de las máquinas herramientas, pera restringir los movimientos de la mesa; termómetros y manómetros con funciones de desconexión automática, y gobernadores en los motores para evitar demasiada rapidez de operación. La tecnología de los sensores ha llegado a ser un aspecto importante de los procesos y sistemas de manufactura; es esencial para la adquisición correcta de datos y para vigilar, comunicar y controlar las máquinas y los sistemas con computadora. Como convierten una cantidad en otra, también se les llama trasductores. Los sensores analógicos producen una señal, como tensión, proporcional a la cantidad medida. Los sensores digitales poseen salidas numéricas o digitales, que se pueden transferir en forma directa a las computadoras. Los convertidores de analógico a digital se usan para interconectar sensores analógicos con computadoras.

15.8.1.

Clasificación de los sensores

Los sensores de interés para la manufactura se pueden clasificar, en general, como sigue: – Sensores mecánicos, para medir cantidades como posición, forma, velocidad, fuerza, momento, presión, vibración, deformación y masa. – Sensores eléctricos, para medir tensión, corriente, carga y conductividad. – Sensores magnéticos, para medir campo, flujo y permeabilidad magnética. – Otros tipos, como acústicos, ultrasónicos, químicos, ópticos, de radiación, láser y de fibra óptica. De acuerdo con su aplicación, un sensor puede estar formado por materiales metálicos, no metálicos, orgánicos o inorgánicos, y por fluidos, gases, plasmas o semiconductores. Al usar características especiales de esos materiales, los sensores convierten la cantidad o propiedad medida en una salida analógica o digital. De igual manera, una parte de la máquina, o una obstrucción o barrera física en el espacio se pueden detectar interrumpiendo el rayo de luz que capta una celda fotoeléctrica. Un sensor de proximidad, que siente y mide la distancia entre él y un objeto o una parte móvil de una máquina, se puede basar en fenómenos acústicos, magnéticos, de impedancia u ópticos. Detección por contacto La detección por contacto consiste en la detección continua de fuerzas de contacto variables, normalmente mediante una serie de sensores. Este sistema es capaz de funcionar dentro de un espacio tridimensional arbitrario. Las piezas frágiles —como botellas de vidrio y dispositivos electrónicos— se pueden manejar mediante robots con efectores finales dóciles. La fuerza detectada se vigila y controla mediante dispositivos de circuito cerrado con retroalimentación. Sin embargo, los sujetadores dóciles con retroalimentación de fuerza y percepción sensorial pueden ser complicados y requerir

276

15.8. Tecnología de sensores

poderosas computadoras; por consiguiente pueden ser costosos. Los efectores finales antropomorfos se están diseñando para simular la mano y los dedos humanos, y para tener la posibilidad de sentir el toque, la fuerza, el movimiento y la textura. En sensor táctil ideal también debe sentir el deslizamiento; éste puede ser muy importante en el uso de los robots.

Detección visual En la detección visual, unas cámaras detectan, ópticamente, la presencia y la forma del objeto. A continuación un microprocesador procesa la imagen —por lo general, en menos de un segundo—, la mide y se digitalizan las mediciones (reconocimiento de imagen). Existen dos procedimientos básicos del sistema de visión de máquina: arreglo lineal y arreglo matricial. En el arreglo lineal sólo se detecta una dimensión, como por ejemplo la presencia de un objeto o alguna particularidad en su superficie. Los arreglos matriciales sienten dos o hasta tres dimensiones, y son capaces de detectar, por ejemplo, un componente bien insertado en un circuito impreso, o una unión soldada bien hecha (verificación de ensamblaje). Cuando se usan en sistemas automatizados de inspección, estos sensores también pueden detectar grietas e imperfecciones. El sistema de visión de máquina se adapta en especial para piezas inaccesibles, en ambientes hostiles de manufactura, para medir gran cantidad de características pequeñas y en casos en los que el contacto físico con la pieza la pueda dañar. Entre las aplicaciones de los sistemas de visión de máquina están: la inspección en línea y en tiempo real de líneas de estampado de láminas, y los sensores para máquinas herramientas que puedan detectar desplazamientos y roturas de la herramienta, verificar la colocación y el soporte de las piezas y vigilar el acabado superficial. La selección de un sensor para determinada aplicación depende de factores como: la cantidad que se debe medir o detectar; la interacción del sensor con otros componentes del sistema; su duración o vida esperada; su nivel requerido de complicación; las dificultades relacionadas con su uso; su fuente de energía, y su costo. Otra consideración importante en la selección del sensor es el ambiente en el que se va a usar. Se han desarrollado sensores robustos para resistir temperatura, choque y vibración, humedad, corrosión, polvo y diversos contaminantes, fluidos, radiación electromagnética y otras interferencias en condiciones extremas.

Sensores inteligentes Entre los desarrollos más recientes están los sensores inteligentes, que tienen capacidad para efectuar una función lógica, conducir comunicaciones en ambos sentidos y tomar decisiones y acciones adecuadas. Los datos necesarios y los conocimientos requeridos para tomar una decisión se pueden incorporar a un sensor inteligente. Por ejemplo, se puede programar un chip de cómputo con sensores para apagar una máquina herramienta cuando falla una herramienta de corte. De igual manera, un sensor inteligente puede parar a un brazo robot móvil para que no llegue a tocar un objeto (o persona) por accidente, detectando cantidades como distancia, calor y ruido.

15. Automatización de los procesos de fabricación

15.8.2.

277

Fusión de sensores

Aunque no hay definición clara del término fusión de sensores, se entiende por lo general que implica básicamente la integración de varios sensores en forma tal que se combinan los datos individuales de cada uno para proporcionar un nivel más alto de información y de fiabilidad. Las primeras aplicaciones de la fusión de sensores fueron en el control del movimiento del robot y en aplicaciones de rastreo de vuelos y otras parecidas. Otro ejemplo de fusión de sensores es una operación de maquinado en la que un conjunto de sensores distintos, pero integrados, vigila: las dimensiones y el acabado superficial de la pieza; las fuerzas, vibraciones y desgaste de la herramienta de corte; la temperatura en diversas regiones del sistema herramienta-pieza, y la potencia en el husillo. Un aspecto importante en la fusión de sensores es la validación del sensor : el fallo de un sensor en particular es detectado con el fin de que el sistema retenga la información con gran fiabilidad.

15.9.

Soportes flexibles

En las operaciones de manufactura se suelen usar con frecuencia, y en forma indistinta —y a veces, por pares—, las palabras prensa, plantilla y soporte. Las prensas son dispositivos sencillos y multifuncionales; los soportes o sujetadores se diseñan en general para fines específicos; las plantillas tienen varias superficies y puntos de referencia para alineamiento exacto de partes y herramientas, y se usan mucho en la producción en masa. La emergencia de los sistemas flexibles de manufactura ha necesitado el diseño y uso de dispositivos sujetadores que tengan flexibilidad propia. Estos dispositivos (soportes flexibles) son capaces de acomodar con rapidez una gama de formas y dimensiones de piezas o partes sin necesidad de cambiarlos o ajustarlos mucho, o de requerir intervención del operador.

15.9.1.

Consideraciones de diseño para el soporte flexible

El diseño y la construcción adecuados de los sujetadores y soportes flexibles es esencial en la operación de los sistemas avanzados de manufactura. Estos dispositivos se deben ubicar en forma automática y precisa a la pieza, y deben mantenerse en su lugar con precisión y fuerza suficiente de sujeción durante la operación de manufactura. Los soportes deben acomodar las partes en forma repetitiva en la misma posición y deben tener la rigidez suficiente para resistir los esfuerzos normales y cortantes que se desarrollan en las interfases entre pieza y soporte. Los soportes y las prensas deben tener bajos perfiles para evitar choques con las herramientas de corte y las matrices o dados. Un soporte flexible debe sujetar partes hechas mediante diversos procesos,

278

15.10. Diseño para ensamblar, desarmar y dar servicio

como fundición, conformado o metalurgia de polvos, en las que las dimensiones y las características superficiales varíen de una parte a otra. La fuerza de sujeción, a su vez, se debe estimar y aplicar en forma adecuada. Estas consideraciones tienen todavía más importancia cuando la pieza es frágil o está hecha con material frágil, cuando tiene un recubrimiento relativamente suave sobre sus superficies o cuando es de plástico. Los plásticos suelen tener baja dureza y bajo módulo de elasticidad, y, en consecuencia, son muy flexibles.

15.10.

Diseño para ensamblar, desarmar y dar servicio

Las piezas y componentes individuales hechos con distintos procesos de manufactura se ensamblan para formar productos terminados, con varios métodos. Algunos productos son sencillos y sólo tienen dos o tres componentes que se ensamblan; esta operación se puede hacer con relativa facilidad. Sin embargo, la mayor parte de los productos consisten en muchas piezas, y para ensamblarlas se requiere mucho cuidado y planificación. Tradicionalmente, el ensamblaje ha implicado mucho trabajo manual, por lo que ha constituido una parte importante del coste del producto. La operación total del ensamblaje se suele descomponer en operaciones individuales (subensambles), con un operador asignado para cada paso. Los costos de ensamblaje son característicamente entre el 25 y el 50 por ciento del costo total de la manufactura, y el porcentaje de trabajadores que intervienen en las operaciones de ensamblaje oscila entre el 20 y el 60 por ciento. En las industrias electrónicas se paga entre el 40 y el 60 por ciento de los sueldos totales a trabajadores de ensamblaje. Al aumentar los costos y las cantidades de producción de los artículos que se van a armar, se vuelve obvia la necesidad de tener ensamblaje automático. Los métodos de ensamblaje, que comenzaron con el armado manual de mosquetes a finales del siglo xvii —y a principios del siglo xix con las piezas intercambiables— los métodos de ensamblaje han mejorado mucho con el paso del tiempo. La primera aplicación del ensamblaje moderno en gran escala fue armar imanes de volante para el Ford T. Como hemos visto, las piezas se fabrican con ciertos intervalos de tolerancia. Hay dos métodos para ensamblar tales productos de gran volumen: el ensamblaje aleatorio y el ensamblaje selectivo. En el ensamblaje aleatorio, las piezas se arman seleccionándolas al azar en los lotes producidos. En el ensamblaje selectivo, los rodillos y las pistas se separan por grupos de tamaños. A continuación se seleccionan las piezas para que encajen en forma adecuada.

15.10.1.

Sistemas de ensamblaje

Existen tres métodos básicos de ensamblaje: manual, automático, de alta velocidad y robótico. Estos métodos se pueden usar de forma individual o, como

15. Automatización de los procesos de fabricación

279

es el caso de la mayor parte de aplicaciones en la práctica, en combinación. Primero se debe hacer un análisis del diseño del producto respecto al método adecuado y económico de armado. – En el ensamblaje manual se emplean herramientas relativamente sencillas; resulta un método económico para lotes pequeños. Por la destreza de la mano y los dedos humanos y su capacidad de retroalimentación con varios sentidos, los trabajadores pueden armar en forma manual hasta partes complicadas sin gran dificultad. Por ejemplo, a pesar del uso de mecanismos complicados, robots y controles automatizados, la alineación y colocación de un simple clavo cuadrado en un agujero cuadrado, con poca tolerancia, puede ser difícil en un ensamblaje automatizado; sin embargo, la mano humana puede hacer esta operación con relativa facilidad. – En el ensamblaje automatizado de alta velocidad, se emplean mecanismos de transferencia diseñados especialmente para la operación. En el ensamble robotizado, en una estación de trabajo operan uno o dos robots de propósito general, o bien los robots trabajan en un sistema de ensamblaje de varias estaciones. Existen tres tipos básicos de sistemas de ensamblaje: síncronos, asíncronos y continuos. – En los sistemas síncronos —también denominados indexados—, las piezas y los componentes individuales se suministran y ensamblan con velocidad suficiente en estaciones individuales fijas. La rapidez de movimientos se basa en la estación que tarde más en terminar su parte del ensamblaje. Este sistema se usa principalmente para ensamblar productos pequeños en gran cantidad y con gran velocidad. Los sistemas de transferencia mueven los ensamblajes parciales de una a otra estación de trabajo, con diversos métodos mecánicos. Dos sistemas característicos son los de indexación rotatoria e indexación en línea. Estos sistemas pueden trabajar en modo totalmente automático o en semiautomático. Sin embargo, el fallo en una estación frena toda la operación de armado. Los alimentadores de piezas las suministran y las colocan sobre otros componentes, que son sujetados en transportadores o soportes de piezas. Los alimentadores mueven las piezas individuales (por vibración u otros medios) a través de tolvas de entrega y aseguran su correcta orientación mediante diversos medios. – En los sistemas asíncronos, cada estación trabaja en forma independiente y cualquier desequilibrio se gestiona en el almacén (buffer ) entre estaciones. La estación continúa trabajando hasta que se llena el siguiente buffer o se vacía el anterior. Además, si una estación no trabaja por alguna razón, la línea de ensamble sigue trabajando hasta que se hayan usado todas las piezas en el buffer. Estos sistemas asíncronos son adecuados para grandes ensamblajes, con muchas piezas por armar. Para tipos de ensambles en los que los tiempos requeridos para las operaciones individuales varían mucho, la producción quedará determinada por la estación más lenta.

15.10. Diseño para ensamblar, desarmar y dar servicio

280

– En los sistemas continuos, el producto se arma mientras se mueve a velocidad constante sobre palés o portadores de piezas. Las piezas a ensamblar llegan al producto a través de varios cabezales y sus movimientos se sincronizan con el movimiento continuo del producto. Entre las aplicaciones características de este sistema están las empaquetadoras y las embotelladoras, aunque también se ha usado el método en líneas de producción para automóviles y electrodomésticos. Los sistemas de ensamblaje se preparan en general para cierta línea de productos; sin embargo, se pueden modificar para tener mayor flexibilidad y armar líneas que tengan varios modelos. Estos sistemas flexibles de ensamblaje usan controles computerizados, cabezales y alimentadores intercambiables y programables, palés codificados y dispositivos automáticos de guía.

15.10.2.

Lineamientos para diseño de ensamblaje, desarmado y servicio

Aunque las funciones de un producto y su diseño para la manufactura han sido asuntos de gran importancia durante algún tiempo, sólo recientemente ha comenzado a prestarse atención al diseño para ensamblaje, en especial para el ensamblaje automatizado, por la necesidad de reducir costos de mano de obra en las operaciones de ensamblaje. Se han establecido diversos lineamientos como elementos auxiliares para el diseño de piezas y la facilidad de su ensamblaje. Los lineamientos generales para el diseño manual se resumen así: – Reducir la cantidad y los tipos de piezas de un producto para que se requieran menos pasos y soportes. Con este método se reducen los costos de ensamblaje. – Las piezas a ensamblar deben tener un alto grado de simetría (redondas o cuadradas) o asimetría (ovaladas o rectangulares). Deben diseñarse de forma que no se puedan instalar mal, o de forma que no necesiten ubicarse, alinearse o ajustarse. – Los diseños deben permitir ensamblar las piezas sin obstrucciones ni la carencia de una visual adecuada. Los lineamientos de diseño para el ensamblaje automatizado de alta velocidad incluyen, además de algunos para el ensamblaje manual, el hecho de que las piezas deben ser manejadas no en forma manual, sino automática, usando diversos dispositivos. El manejo automático requiere que las partes estén separadas de las demás y sean transportadas con tolvas o alimentadores vibratorios en la orientación correcta para su ensamblaje. En consecuencia, algunos lineamientos al respecto son: – Los diseños de piezas deben tener en cuenta factores tales como tamaño, forma, peso, flexibilidad, abrasión y adherencia con otras partes.

15. Automatización de los procesos de fabricación

281

– Se deben diseñar las partes de modo que se puedan insertar desde una sola dirección (vertical, preferentemente, para aprovechar la gravedad); el ensamblaje desde dos o más direcciones puede presentar problemas. – Los productos se deben diseñar —o rediseñar los productos existentes— para que no haya obstrucciones físicas al movimiento libre de sus partes durante el ensamblaje; se deben reemplazar las esquinas agudas, externas e internas, con biseles, lados inclinados o radios. Los lineamientos de diseño para el ensamblado robótico son reglas parecidas a las del ensamblaje manual y el automatizado de alta velocidad, aunque las investigaciones recientes en efectores finales dóciles y manipuladores diestros han relajado algo la inflexibilidad de los robots. Diseño para desarmado La manera y la facilidad con las que un producto se puede sacar para su mantenimiento o la reposición de sus partes es otra consideración importante en el diseño de los productos. En consecuencia, el diseño para el desarmado se ha convertido un factor importante en el proceso general de diseño. Diseño para el servicio La última tendencia en el diseño para el ensamblaje y el desarmado incluye también tener en cuenta la facilidad con la que se puede reparar un producto. Se denomina diseño para el servicio, y este método se basa en el concepto de que los elementos que necesitarán servicio con mayor probabilidad se sitúen en las capas más externas del producto. De esta forma, es más fácil llegar y dar servicio a las partes individuales sin tener que quitar otras más.

Tema 16

Sistemas integrados de fabricación 16.1.

Introducción

Este capítulo centra su atención en la integración de las actividades en manufactura. Integración quiere decir que los procesos y operaciones de manufactura, y su administración, se consideren como un sistema que haga posible el control total de la instalación manufacturera para, con ello, aumentar la productividad, la calidad y la fiabilidad del producto, y reduzca los costos de manufactura. En la manufactura integrada por computadora (cim, Computer-Integrated Manufacturing), las funciones —tradicionalmente separadas— de investigación y desarrollo, diseño, producción, armado, inspección y control de calidad se relacionan entre sí. En consecuencia, la integración requiere comprender bien las relaciones cuantitativas entre el diseño del producto, sus materiales, el proceso de manufactura y las posibilidades del equipo, así como las actividades relacionadas. De esta forma, se pueden adaptar cambios —por ejemplo, en requerimientos de material—, tipos de producto o demanda del mercado. Además, es mucho más factible lograr la alta calidad a través de la integración del diseño y la manufactura. Las máquinas, herramientas y operaciones de manufactura deben poseer cierta flexibilidad incorporada, para poder responder a los cambios y asegurar la entrega a tiempo al cliente.

16.2.

Sistemas de manufactura

La palabra sistema se deriva del griego systema, que quiere decir combinar. Hoy significa un arreglo de entidades físicas, que se caracteriza por sus parámetros identificables y cuantificables de interacción. La manufactura implica una gran cantidad de actividades independientes, formadas por distintas entidades —como materiales, herramientas, máquinas, energía y personas—.

284

16.3. Manufactura integrada por computadora

En el caso ideal, deberíamos poder representar un sistema mediante modelos matemáticos y físicos que puedan indicar la naturaleza y el grado de independencia de las variables que intervienen. En un sistema de manufactura, un cambio o perturbación en cualquier lugar del mismo requiere que se ajuste a sí mismo, a nivel sistema, para continuar funcionando en forma eficiente. Puede ser difícil modelar un sistema complejo, por la falta de datos detallados o fiables sobre muchas de las variables que intervienen. Además, no siempre es fácil pronosticar ni controlar en forma correcta algunas de esas variables.

16.3.

Manufactura integrada por computadora

Se han ampliado los diversos niveles de automatización en las operaciones de manufactura, incluyendo funciones de procesamiento de información y usando una extensa red de computadoras interactivas. El resultado es la manufactura integrada por computadora, término amplio que describe la integración computerizada de todos los aspectos de diseño, planificación, manufactura, distribución y administración. Ya que (en el caso ideal) la cim debe implicar la operación total de una empresa; debe tener, sin embargo, una extensa base de datos acerca de aspectos técnicos y comerciales de la operación. Así, si todo se implementa de una vez, la manufactura integrada por computadora puede ser excesivamente cara, en especial para las empresas pequeñas y medianas. Los subsistemas de manufactura integrada por computadora consisten en subsistemas que se integran en un todo. Estos subsistemas son los siguientes: planificación y respaldo comercial; diseño del producto; planificación del proceso de manufactura; control del proceso; sistemas de monitorización del taller; automatización del proceso. Los subsistemas se diseñan, desarrollan y aplican de tal manera que la salida de uno sea la entrada del otro. En sentido organizacional, estos subsistemas se suelen dividir en funciones de planificación comercial y ejecución comercial. Las funciones de planificación comercial incluyen actividades como pronóstico, calendarización, planificación de necesidades de material, facturación y contabilidad. Las funciones de ejecución comercial incluyen la producción y el control del proceso, el manejo de materiales, las pruebas y la inspección. La eficacia de la manufactura integrada por computadora depende mucho de la presencia de un sistema integrado de comunicaciones formado por computadoras, máquinas y sus controles. En los últimos tiempos, así, ha habido una fuerte tendencia hacia la normalización, para hacer que los equipos de comunicaciones sean compatibles. Los beneficios que engloba la manufactura integrada por computadora son los siguientes: – Su capacidad de respuesta a ciclos más cortos de vida del producto, demandas cambiantes de mercado y competitividad global.

16. Sistemas integrados de fabricación

285

– Su énfasis hacia la calidad y uniformidad del producto, implementada mediante mejor control del proceso. – El mejor uso de materiales, maquinaria y personal, y la reducción del inventario de trabajo en proceso (wip, Work In Progress); todo ello mejora la productividad y reduce el costo del producto. – Mejor control de la producción, calendarización y administración de la operación total de manufactura, lo que da como resultado un menor costo del producto.

16.3.1.

Base de datos

Un sistema eficiente de manufactura integrada por computadora requiere de una sola base de datos, compartida por toda la organización manufacturera. Las bases de datos consisten en la actualización de datos detallados y exactos acerca de productos, diseños, máquinas, procesos, materiales, producción, finanzas, compras, ventas, mercadotecnia e inventario. En general, una base de datos consiste en los siguientes elementos, algunos de los cuales se clasifican como técnicos y otros como no técnicos: – Datos del producto, como forma, dimensiones y especificaciones de la pieza. – Atributos de administración de datos, como propietario, nivel de revisión y número de pieza. – Datos de operación, como calendarización, tamaños de lote y requisitos de ensamblaje. – Datos de los recursos, como capital, equipo, herramientas y personal, así como sus posibilidades. Las bases de datos las elaboran individuos y diversos sensores en la maquinaria y el equipo que se emplean en la producción. Los datos de estos últimos se compilan en forma directa con un sistema de adquisición de datos que puede informar, por ejemplo, de la cantidad de piezas que se están produciendo por unidad de tiempo, de su precisión dimensional, acabado superficial, peso, etc., a frecuencias especificadas de muestreo. Los componentes del sistema de adquisición de datos incluyen microprocesadores, trasductores y conversores de analógico a digital.

16.4.

Diseño e ingeniería asistidos por computadora

El diseño asistido por computadora implica el uso de computadoras para crear dibujos y modelos de producto. El diseño asistido por computadora suele asociarse con gráficas interactivas en computadora, y se conoce como sistema cad (Computer-Aided Design). Estos sistemas son medios poderosos que se usan en el diseño mecánico y el modelado geométrico de productos y componentes.

286

16.4. Diseño e ingeniería asistidos por computadora

La ingeniería asistida por computadora (cae) implica la creación de la base de datos, al permitir que diversas aplicaciones compartan la información de dicha base. Entre estas aplicaciones están, por ejemplo: el análisis de elementos finitos para esfuerzos, deformaciones, deflexiones y distribución de temperatura en estructuras y miembros de carga mediante rodamientos; la generación, almacenamiento y recuperación de datos de control numérico; y el diseño de circuitos integrados y otros dispositivos electrónicos. Al usar un sistema cad el diseñador puede conceptualizar el objeto a diseñar, con más facilidad, en la pantalla gráfica, y puede considerar diseños alternativos, o modificar con rapidez determinado diseño para cumplir con los requisitos o cambios necesarios. Después puede someter el diseño a una variedad de análisis técnicos e identificar problemas potenciales, como por ejemplo demasiada carga o flexión. La velocidad y la precisión de dichos análisis superan en gran medida lo que se puede lograr con los métodos tradicionales. El sistema cad produce en forma rápida y exacta los modelos de definición para productos y sus componentes. Uno de los resultados de este sistema es la generación de planos para fabricación, que en general tienen más alta calidad y mejor consistencia que los producidos con el dibujo manual tradicional. Los dibujos se pueden reproducir cualquier cantidad de veces, y a distintos niveles de reducción y ampliación.

16.4.1.

Especificaciones de intercambio

Como se consigue una gran variedad de sistemas cad con distintas características, suministrados por diversos proveedores, ha surgido el problema de la comunicación e intercambio correcto de datos entre esos sistemas. En la actualidad, la especificación de intercambio de gráficas iniciales (iges) cumple la necesidad de un solo formato neutral, para tener mejor compatibilidad. Los proveedores sólo deben proporcionar traductores para sus propios sistemas, reprocesar los datos en el formato neutral, y postprocesarlos del formato neutral a su propio sistema. La iges se usa para traducir en dos direcciones —entrada y salida de un sistema— y también se usa mucho para traducción de datos de líneas en tres dimensiones y de superficie. Un desarrollo más reciente es una norma basada en un modelo de cuerpo, llamada especificación de intercambio de datos de producto (pdes), que se basa en la iges. Aunque la iges es adecuada para la mayor parte de las necesidades, la pdes necesita menor tamaño de memoria y menor tiempo de ejecución, y es menos propensa a errores. En la actualidad, se usan distintas normas en distintos países, pero se espera que pronto se conjuguen en una norma internacional, que se denominará norma para el intercambio de datos de modelo de producto (step).

16.4.2.

Elementos de los sistemas CAD

Modelado geométrico En el modelado geométrico se describe en forma matemática o analítica un objeto físico, o cualquiera de sus piezas. Los modelos se pueden presentar en tres formas distintas:

16. Sistemas integrados de fabricación

287

– En la representación de línea, todas las aristas del modelo se muestran como líneas llenas. Esta imagen puede ser ambigua, en especial cuando las formas son complicadas, por lo que se usan en general distintos colores en las diferentes piezas del objeto, para que se pueda visualizar mejor. Los tres tipos de representación en estructura de alambre son de 2, 2 21 y 3 dimensiones. Una imagen en 2 dimensiones muestra el perfil del objeto. Se puede obtener una imagen de 2 21 dimensiones mediante una transformación de extrusión (translational sweept), i.e., moviendo el objeto de 2D a lo largo del eje z. Para objetos redondos, se puede generar un modelo en 2 21 D girando un modelo de 2D en torno a su eje. – En el modelo de superficie se muestran todas las superficies visibles en el modelo. – En el modelo del sólido se muestran todas las superficies, pero los datos describen el volumen interior. Los modelos de sólidos pueden construirse a partir de «sólidos primitivos» o con otras técnicas. En la representación de contornos (B-rep., de Boundary Representation) se combinan las superficies para desarrollar un modelo de cuerpo. En la geometría constructiva del sólido (csg) se combinan formas sencillas, como esferas, cubos, bloques, cilindros y conos (sólidos primitivos) para obtener un modelo de sólido. Existen programas disponibles en los que el usuario selecciona cualquier combinación y tamaño de esos sólidos primitivos y los combina para formar el modelo de sólido que desea. Aunque los modelos de sólido tienen ciertas ventajas, requieren más memoria de cálculo y tiempo de procesamiento que los modelos de estructura de alambre y de superficie. La representación octree —representación de formas tridimensionales a través de pixeles en una pantalla de computadora— de un objeto macizo es un análogo tridimensional a los pixeles de la pantalla de un televisor. Así como cualquier área se puede descomponer en cuadrantes, todos los volúmenes se pueden descomponer en octantes, que a continuación se identifican como sólidos, huecos o parcialmente llenos. Los voxeles (pixeles de volumen) parcialmente llenos se descomponen en octantes menores y se reclasifican. Al aumentar la resolución se alcanza un detalle excepcional de la pieza.

Análisis y optimización del diseño Después de haber determinado las propiedades geométricas de determinado diseño, el resultado se somete a un análisis de ingeniería. Esta fase puede consistir en analizar, por ejemplo, los esfuerzos, deformaciones, deflexiones, vibraciones, transferencia de calor, distribución de temperatura o tolerancias dimensionales. Se dispone de diversos y complejos paquetes de calendarización, con la capacidad de computar con exactitud y rapidez esas cantidades.

Revisión y evaluación del diseño Una etapa importante en el diseño es la revisión y la evaluación, para comprobar si existe alguna interferencia entre los diversos componentes. Esta etapa se hace para evitar dificultades durante el

288

16.5. Manufactura asistida por computadora

ensamblaje y el uso de la pieza, y para determinar si las piezas móviles —como, por ejemplo, las articulaciones— van a operar como se pretende. Existen programas que poseen funciones de animación, para identificar los problemas potenciales con elementos móviles y otras situaciones dinámicas. Durante la etapa de revisión y evaluación del diseño, la pieza es dimensionada con precisión y se establecen tolerancias, con todos los requisitos necesarios para su manufactura.

Documentación y dibujo Después de terminar con las etapas anteriores, el diseño se reproduce mediante máquinas automatizadas de dibujo, para su documentación y referencia. En esta etapa también se desarrollan e imprimen los planos de detalle y de trabajo. El sistema cad también es capaz de producir dibujos en diferentes vistas de la pieza, manejar escalas en los dibujos y efectuar transformaciones para presentar diversas perspectivas de la pieza. Aunque gran parte del proceso de diseño en los sistemas cad se hacía antes en estaciones de trabajo conectadas a una computadora central, ha cambiado con rapidez la tendencia hacia estaciones de trabajo independientes, poderosas, de alto rendimiento y mucho menos costosas, de 32 y de 64 bits.

16.5.

Manufactura asistida por computadora

La manufactura asistida por computadora (cam) implica el uso de computadoras y de tecnología de cómputo para ayudar en todas las fases de la manufactura de un producto, incluyendo la planificación del proceso y la producción, maquinado, calendarización, administración y control de calidad. El sistema cam abarca muchas de las tecnologías de automatización y de informatización. Debido a sus ventajas, se suelen combinar el diseño y la manufactura asistidos por computadora en los sistemas cad/cam. Esta combinación permite la transferencia de información dentro de la etapa de diseño a la etapa de planificación para la manufactura de un producto, sin necesidad de volver a capturar en forma manual los datos sobre la geometría de la pieza. La base de datos que se desarrolla durante el cad se almacena; posteriormente, ésta es procesada por el cam, para obtener los datos y loas instrucciones necesarias para operar y controlar la maquinaria de producción, el equipo de manejo de materiales y las pruebas e inspecciones automatizadas para establecer la calidad del producto. Una función de cad/cam importante en operaciones de maquinado es la posibilidad de describir la trayectoria de la herramienta para diversas operaciones, como por ejemplo torneado, fresado y taladrado con control numérico. El surgimiento del cad/cam ha tenido un gran impacto en la manufactura al normalizar el desarrollo de los productos y reducir los esfuerzos en el diseño, pruebas y trabajo con prototipos; ha hecho posible reducir los costos en forma importante, y mejorar la productividad.

16. Sistemas integrados de fabricación

289

Algunas aplicaciones características del cad/cam son las siguientes: – Calendarización para control numérico, control numérico computerizado y robots industriales. – Diseño de dados y moldes para fundición en los que, por ejemplo, se programan tolerancias de contracción. – Dados para operaciones de trabajo de metales; por ejemplo, dados complicados para formado de láminas y dados progresivos para estampado. – Diseño de herramientas y soportes, y electrodos para electroerosión. – Control de calidad e inspección; por ejemplo, máquinas de medición por coordenadas programadas en una estación de trabajo cad/cam. – Planificación y calendarización de proceso. – Distribución de planta.

16.6.

Planificación de proceso asistido por computadora (CAPP)

La planificación de proceso se ocupa de la selección de métodos de producción: herramientas, soportes, maquinarias, secuencia de operaciones y ensamblaje. La secuencia de los procesos y las operaciones que serán desarrollados, las máquinas que serán usadas, el tiempo establecido para cada operación y demás información similar se documentan en una hoja de ruta. Cuando se hace en forma manual, esta tarea requiere una labor muy intensa y un gran consumo de tiempo, y además se basa mucho en la experiencia del planificador del proceso. Una tendencia actual en las hojas de ruta es guardar los datos importantes en computadoras y asignar un código de barras u otra identificación a la pieza. Después se pueden revisar los datos de producción por medio de una estación de monitores. La planificación de proceso asistida por computadora logra esta compleja tarea de planificación al considerar toda la operación como un sistema integrado, de tal modo que las operaciones y pasos individuales que intervienen en la fabricación de cada pieza se coordinan con otras y se efectúan en forma eficiente y fiable. Así, la planificación de proceso asistida por computadora es un apéndice importante al cad/cam.

16.6.1.

Elementos de los sistemas CAPP

Hay dos tipos de sistemas de planificación de proceso asistidos por computadora: planificación de procesos variante y regenerativa.

16.6. Planificación de proceso asistido por computadora (CAPP)

290

– En el sistema variante —denominado también sistema derivativo—, los ficheros de cómputo contienen un plan patrón de proceso para la pieza que se va a fabricar. Con el número de clave de la pieza se hace la búsqueda de un plan regular; el plan se basa en su forma y sus características de manufactura. El plan regular se llama, se presenta para su revisión y se imprime en forma de hoja de ruta. En el plan de proceso se incluye información como tipos de herramientas y máquinas que se van a usar, secuencia de operaciones de manufactura que se desarrollarán, velocidades, avances, tiempo requerido para cada secuencia, etcétera. También se pueden hacer modificaciones pequeñas a un plan de proceso existente. – En el sistema generativo se genera en forma automática un plan de proceso, con base en los mismos procedimientos lógicos que seguiría un planeador tradicional para fabricar determinada pieza. Sin embargo, este sistema es complicado porque debe contener conocimientos claros y detallados de la forma y las dimensiones de la pieza, las posibilidades del proceso, la selección de métodos, maquinaria y herramientas de manufactura, y el orden de las operaciones que se desarrollarán. Las posibilidades de planificación del proceso por pieza de las computadoras se pueden integrar en la planificación y el control de los sistemas de producción. Se pueden efectuar varias funciones, como la planificación de capacidad, para que las plantas cumplan con los programas de producción, el control de inventarios, compras y la calendarización de la producción.

16.6.2.

Ventajas de los sistemas CAPP

Las principales ventajas de los sistemas capp sobre los métodos tradicionales de planificación de proceso son las siguientes: – La normalización de los planes de proceso mejora la productividad de los planificadores,reduce los tiempos de retraso y los costos de planificación, y mejora la consistencia en la calidad y fiabilidad del producto. – Se pueden preparar planes de proceso para piezas con formas y características parecidas, y se pueden llamar con facilidad para producir nuevas piezas. – Se pueden modificar los planes de proceso para adaptarse a necesidades específicas. – Las hojas de ruta se pueden preparar más rápidamente. En comparación con las hojas de ruta tradicionales, escritas a mano, la preparación impresa por computadora es más limpia y legible. – Otras funciones, tales como estimaciones de costo y normas de trabajo, pueden ser incorporadas al capp.

16. Sistemas integrados de fabricación

16.6.3.

291

Planificación de los requisitos de materiales y planificación de recursos de manufactura

Los sistemas computerizados para administrar inventarios y fechas de entrega de materias primas y herramientas se denominan planificación de requisitos de materiales (mrp-i). Esta actividad, que a veces es considerada como un método de control de inventarios, implica mantener registros completos de inventarios de materiales, suministros, piezas en diversas etapas de producción (trabajo en proceso), pedidos, compras y calendarización. En un programa maestro de producción suelen intervenir varios ficheros de datos. Estos ficheros pertenecen a las materias primas necesarias (lista de materiales), niveles de estructura del producto —artículos individuales que forman un producto, como piezas, subensambles y ensambles— y calendarización. Un desarrollo más es la planificación de recursos de manufactura (mrp-ii) que, mediante retroalimentación, controla todos los aspectos de planificación de manufactura. Aunque el sistema es complejo, el mrp-ii es capaz de hacer la calendarización final de la producción, de vigilar los resultados reales en términos de eficiencia y producción, y de comparar esos resultados con el programa maestro de producción. Un logro más reciente es la planificación de recursos de la empresa (erp) que implica también las cuestiones de marketing y de comercio en el programa y la base de datos. El programa erp ya se puede conseguir, pero aún se encuentra en evolución.

16.7.

Simulación de los procesos y sistemas de manufactura por computadora

Con el creciente desarrollo de los componentes y programas de cómputo, un área que ha crecido con rapidez es la simulación por computadora de los procesos y de los sistemas de manufactura. La simulación del proceso toma dos formas básicas: por una parte, es un modelo de operación específica que pretende determinar la viabilidad de un proceso o de optimizar o mejorar su rendimiento; por otra, modela varios procesos y sus interacciones, y ayuda a los planificadores de proceso y a los diseñadores de planta a distribuir maquinaria e instalaciones. Se han modelado procesos individuales usando diversos esquemas matemáticos. Siempre se ha aplicado el análisis de elementos finitos en paquetes de programas (simulación del proceso) asequibles en el mercado y poco costosos. Entre los problemas característicos que se plantean están la viabilidad del proceso y su optimización. La simulación de todo un sistema de manufactura que implique varios procesos y equipos ayuda a los ingenieros de planta a organizar la maquinaria e identificar elementos críticos de ella. Además, estos modelos pueden ayudar a los ingenieros de manufactura, con la calendarización y determinación de rutas

16.8. Tecnología de grupos

292

mediante simulación de eventos discretos. Los paquetes comerciales de programa se usan con frecuencia para estas simulaciones, pero no es raro tener paquetes dedicados de programas escritos para una determinada empresa.

16.8.

Tecnología de grupos

Hemos visto que muchas de las piezas producidas tienen ciertas semejanzas en su forma y en su método de manufactura. En forma tradicional, se ha considerado a cada pieza como una entidad separada y se ha producido en lotes individuales. La tecnología de grupos es un concepto que pretende aprovechar las semejanzas en diseño y procesamiento entre las piezas que se producirán. Este concepto, desarrollado primero en Europa a comienzos de la década de 1960, se inicia clasificando las piezas y registrándolas (en aquella época, en forma manual, en archivos de tarjetas o en catálogos). Entonces se recuperaban los diseños en forma manual, conforme se necesitaban. Este concepto comenzó a evolucionar más en la década de 1950 y se usó el término de tecnología de grupos por primera vez en 1959. Sin embargo, el uso de la tecnología de grupos creció en forma apreciable hasta que se extendió el uso de computadoras interactivas, en la década de 1970. La semejanza en las características de piezas similares parece indicar que se pueden alcanzar beneficios importantes mediante la clasificación y codificación de dichas piezas en familias. Con encuestas en plantas manufactureras se ha demostrado en forma repetida lo común de la semejanza en las piezas. Esas encuestas consisten en separar cada producto en sus componentes, y después identificar las piezas similares. Este método se hace especialmente atractivo cuando se considera la demanda del consumidor de una variedad grande de productos, cada uno en pequeñas cantidades. Bajo esas condiciones, es difícil mantener alta eficiencia en operaciones intermitentes. La eficiencia general de la manufactura queda afectada en forma negativa, porque casi las tres cuartas partes de la manufactura actual es por lotes. En la distribución tradicional del producto en una operación manufacturera (distribución funcional ) suele haber mucho movimiento aleatorio. Ese arreglo no es eficiente, porque hace perder tiempo y esfuerzos. Las máquinas en la manufactura celular se arreglan en una línea de flujo más eficiente (distribución en grupo).

16.8.1.

Ventajas de la tecnología de grupos

Las principales ventajas de la tecnología de grupos son las siguientes: – Hace posible la normalización del diseño de la pieza y la minimización de duplicidades de diseño. Los nuevos diseños de la pieza se pueden desarrollar

16. Sistemas integrados de fabricación

293

usando diseños semejantes, pero anteriores, para esa forma, ahorrar una porción importante de tiempo y esfuerzos. El diseñador de producto puede determinar con rapidez si ya existen datos acerca de determinada pieza en los ficheros de computadora. – Los datos que reflejan la experiencia del diseñador y del planificador del proceso de manufactura se guardan en la base de datos. Así, un ingeniero nuevo y con menos experiencia se puede beneficiar con rapidez de dicha experiencia, llamando a cualquiera de los diseños y planes de proceso anteriores. – Se pueden estimar con más facilidad los costos de manufactura, y se pueden obtener con más facilidad las estadísticas sobre materiales, procesos, cantidad de piezas producidas y demás factores. – Se normalizan y programan los planes de proceso con más eficiencia, se agrupan los pedidos para tener una producción más eficiente y se mejora la utilización de las máquinas. Los tiempos de preparación se reducen y se producen las piezas con más eficiencia y con mejor calidad de producto. Se planifican herramientas, soportes y maquinaria semejantes en la producción de una familia de piezas. La calendarización para el control numérico aumenta su grado de automatización. – Con la implementación de cad/cam, manufactura celular y manufactura integrada por computadora, la tecnología de grupo es capaz de mejorar la productividad y reducir los costos de producción en lotes pequeños hasta tal grado que se aproximen a los de la producción en masa. Dependiendo del nivel de implementación, los ahorros potenciales en cada una de las diversas fases de diseño y manufactura pueden ir del 5 al 75 por ciento.

16.8.2.

Clasificación y codificación de las piezas

En la tecnología de grupos, las piezas son identificadas y agrupadas en familias mediante sistemas de clasificación y codificación. Este proceso es un primer paso, crítico y complicado, en la tecnología de grupos. Se hace de acuerdo con los atributos de diseño y de manufactura de la pieza. Los atributos de diseño pertenecen a semejanzas en características geométricas y consisten en los siguientes: formas y dimensiones internas y externas; relaciones de aspecto; tolerancias dimensionales; acabados superficiales; funciones de las piezas. Los atributos de manufactura incluyen las semejanzas en los métodos y la secuencia de las operaciones de manufactura que se ejecutan en la pieza. Como hemos visto, la selección de uno o varios procesos de manufactura depende de muchos factores, entre los cuales están la forma, dimensiones y otras propiedades geométricas de la pieza. En consecuencia, se interrelacionan los atributos de manufactura y de diseño. Los atributos de manufactura de una pieza consisten en lo siguiente: los procesos primarios empleados; los procesos secundarios y de acabado usados; las tolerancias dimensionales y el acabado superficial; la

16.8. Tecnología de grupos

294

secuencia de operaciones que se efectúa; las herramientas, dados, soportes y maquinaria que se usa; la cantidad y la rapidez de la producción. En su forma más simple, se puede hacer la codificación considerando las formas de las piezas en forma genérica, para después clasificarlas en consecuencia —por ejemplo, las piezas que tienen simetría axial, las que tienen forma rectilínea y las que poseen grandes relaciones entre superficie y grosor—. También se pueden clasificar las piezas estudiando su flujo de producción durante el ciclo de manufactura; a este método se le denomina análisis de flujo de producción. Las hojas de ruta muestran con claridad los planes del proceso y las operaciones que se van a ejecutar. Sin embargo, una desventaja del análisis del flujo de producción es que determinada hoja de ruta no necesariamente indica que esté optimizada la operación manufacturera en su totalidad.

16.8.3.

Codificación

Debido a la amplia variedad existente en los sistemas de clasificación y codificación de producto, y a las necesidades de la organización, no se ha adoptado en forma universal ninguno de los sistemas de clasificación y codificación. Ya sea que se desarrolle en la empresa o se compre, el sistema debe ser compatible con los demás sistemas de la empresa. En los sistemas de codificación, a cada componente específico de un producto se le asigna una clave o código. Este código puede implicar sólo a los atributos de diseño (en general, menos de doce dígitos) o sólo a los atributos de manufactura; sin embargo, los sistemas más avanzados incluyen a ambos, y usan hasta treinta dígitos. Se tienen tres niveles de codificación básicos, que varían en complejidad: – Codificación jerárquica. En este código (también denominado monocódigo), la interpretación de cada dígito depende del valor del anterior. Cada símbolo amplía la información contenida en el anterior. La ventaja de este sistema es que una clave corta puede contener una gran cantidad de información. Sin embargo, este método es difícil de aplicar en un sistema computerizado. – Policódigos. En este código (denominado también tipo cadena), cada dígito tiene su propia interpretación, que no depende del precedente. Esta estructura tiende a ser relativamente larga, pero permite identificar los atributos de determinada pieza y se presta bien a su implementación en la computadora. – Codificación en forma de árbol de decisiones. Este sistema (denominado también códigos híbridos) es el más avanzado y combina los atributos de diseño y de manufactura.

16. Sistemas integrados de fabricación

16.8.4.

295

Sistemas de codificación

– El sistema Opitz fue desarrollado por H. Opitz en Alemania en la década de 1960 y fue el primer sistema de codificación detallado en presentarse. El código básico consiste en nueve dígitos (123456789) que representan los datos de diseño y de manufactura. Para identificar el tipo y la secuencia de operaciones de producción se pueden usar cuatro códigos adicionales (ABCD). Este sistema posee dos inconvenientes: es posible tener códigos distintos para piezas que poseen atributos de manufactura semejantes; y varias piezas con formas diferentes pueden tener el mismo código. – El sistema MultiClass fue desarrollado originalmente con el nombre Milclass (Metal Institute Clasification System) por la Organización Holandesa de Investigación Científica, y fue vendido en Estados Unidos por la Organización para la Investigación Industrial. Este sistema fue desarrollado para ayudar a automatizar y normalizar diversas funciones de diseño, producción y administración. Multiclass implica 30 dígitos; se usa en forma interactiva con una computadora que hace varias preguntas al usuario. De acuerdo con las respuestas, la computadora asigna un número de código a la pieza. Los programas están disponibles en módulos que se pueden interrelacionar. Cuestan entre cincuenta mil y quinientos mil dólares, dependiendo de sus posibilidades. – El sistema K-3 es de propósito general, para clasificación y codificación de piezas que se van a maquinar o a rectificar. Fue desarrollado por la Sociedad Japonesa para la Promoción de la Industria de Máquinas a finales de 1970, y usa un sistema decimal de 21 dígitos.

16.9.

Manufactura celular

Se puede implementar bien el concepto de tecnología de grupo en la manufactura celular, que consiste en una o más celdas de manufactura. Una celda de manufactura es una unidad pequeña, con una o varias estaciones de trabajo, dentro de un sistema de manufactura. Una estación de trabajo suele contener una máquina (celda de una máquina) o varias (celda de grupo de máquinas), efectuando cada máquina una operación diferente en la pieza. Se ha utilizado la manufactura celular principalmente en operaciones de maquinado y de conformado de lámina metálica. Las máquina herramientas que se usan con frecuencia en las celdas de manufactura son tornos, fresadoras, taladros, rectificadoras, electroerosionadoras, punzonadoras, dobladoras y centros de maquinado. Este equipo también puede estar reforzado por máquinas de propósito especial o de máquinas con control numérico computerizado. La manufactura celular tiene cierto grado de control automático para las siguientes operaciones: carga y descarga de materias primas y piezas en las estaciones de trabajo; cambio de herramientas; transferencia de piezas y herramientas entre estaciones; calendarización y control de la operación total en la celda.

296

16.10. Sistemas flexibles de manufactura

Las características importantes de la manufactura celular son la economía de tener menos trabajo en proceso y el hecho de que se detectan en forma inmediata los problemas de calidad, para alcanzar mejor productividad. Además, por la diversidad de máquinas y procesos que intervienen, el operador se hace multifuncional, y no está sujeto al tedio como cuando siempre trabaja en la misma máquina. Diseño de celdas de manufactura Debido a las particularidades exclusivas de las celdas de manufactura, su diseño e implementación en las plantas tradicionales requieren la reorganización de la planta y el rearreglo de las líneas de flujo de producto existentes. Las máquinas pueden ser arregladas en una línea, en una U o una L, o bien en un circuito. Para una celda de grupo de máquinas, el arreglo en U es adecuado y eficiente, porque el operador puede alcanzar diversas máquinas con facilidad. Con el manejo mecanizado de materiales, el arreglo lineal y en circuito son más eficientes.

16.9.1.

Celdas de manufactura flexible

En vista de los rápidos cambios en la demanda del mercado y de la necesidad de más variedad de productos en menores cantidades, es muy conveniente la flexibilidad de operaciones de manufactura. Las celdas de manufactura pueden volverse flexibles al incorporar máquinas y centros de maquinado con control numérico computerizado, y mediante robots industriales u otros sistemas mecanizados de manejo de materiales. En general, las celdas de manufactura flexible no están atendidas por humanos, por lo que su diseño y operación deben ser más precisos que los de otras celdas. Son importantes la selección de máquinas y robots, incluyendo los tipos y capacidades de efectores finales y de sus sistemas de control, para tener un funcionamiento correcto de la celda de manufactura flexible. Al igual que ocurre con otros sistemas de manufactura, el costo de las celdas flexibles es alto. La manufactura celular suele requerir más máquinas herramientas y por consiguiente aumenta el costo de manufactura. Sin embargo, esta desventaja queda más que compensada al incrementar la velocidad, flexibilidad y facilidad de control de la manufactura. El mantenimiento adecuado de las herramientas y de la maquinaria es esencial, al igual que la implementación de funcionamiento de las celdas en dos o en tres turnos.

16.10.

Sistemas flexibles de manufactura

Un sistema flexible de manufactura, o sistema de manufactura flexible (fms) integra todos los elementos principales de la manufactura en forma de un sistema muy automatizado. Estos sistemas comenzaron a usarse a finales de la década de 1960, y consisten en varias celdas de manufactura, cada una con un robot industrial que da servicio a varias máquinas de control numérico com-

16. Sistemas integrados de fabricación

297

puterizado, y en un sistema automatizado de manejo de materiales, todos ellos interrelacionados mediante una computadora central. Se pueden emitir distintas instrucciones desde la computadora para el proceso de manufactura, sobre cada pieza constitutiva que pasa por la estación de trabajo. Este sistema está altamente automatizado y es capaz de optimizar cada paso de la operación total de manufactura. Estos pasos pueden implicar uno o más procesos y operaciones (como maquinado, rectificado, corte, conformado, pulvimetalurgia, tratamiento térmico y acabado), así como el manejo, inspección y ensamblaje de las materias primas. Los sistemas flexibles de manufactura representan el máximo nivel de eficiencia, complejidad y productividad que se ha alcanzado en las plantas manufactureras. La flexibilidad de estos sistemas es tal que se pueden manejar diversas configuraciones de piezas y ponerlas en cualquier orden. Se puede considerar que un sistema flexible de manufactura es aquel que combina las ventajas de otros dos sistemas: las líneas de transferencia y la producción de trabajo de taller. Uno de los atributos principales de la fms es la respuesta rápida a variaciones de producto y demandas de mercado.

16.10.1.

Elementos de sistemas flexibles de manufactura

Los elementos básicos de un sistema flexible de manufactura son: estaciones de trabajo, manejo y transporte automatizados de materiales y piezas, y sistemas de control. Las estaciones de trabajo se arreglan para alcanzar la máxima eficiencia en la producción, con un flujo ordenado de materiales, piezas y productos por sistema. Para tener flexibilidad en los sistemas flexibles de manufactura, son importantes los sistemas de manejo de materiales, almacenamiento y recuperación. El manejo de materiales se controla con una computadora central y se hace mediante vehículos de guiado automático, transportadores y diversos mecanismos de transferencia. El sistema es capaz de transportar materias primas, piezas brutas y piezas en diversas etapas de terminación hasta cualquier máquina (en orden aleatorio) y en cualquier momento. Las piezas prismáticas se suelen mover en palés de diseño especial. Las piezas con simetría axial —como, por ejemplo, las que van a operaciones de torneado— se suelen mover con dispositivos mecánicos y con robots.

16.10.2.

Calendarización

Como un sistema flexible de manufactura implica una gran inversión de capital, es esencial la utilización eficiente de las máquinas; éstas no deben estar ociosas. En consecuencia, son fundamentales una calendarización y una planificación de proceso adecuadas. La calendarización para el sistema flexible de manufactura es dinámica, a diferencia de la que se usa en los talleres, donde uno se apega a un programa

298

16.10. Sistemas flexibles de manufactura

relativamente rígido para efectuar un conjunto de operaciones. El sistema de calendarización para la manufactura flexible especifica los tipos de operaciones que se deben ejecutar sobre cada pieza e identifica las máquinas o las celdas de manufactura que se deben usar. La calendarización dinámica puede responder a cambios repentinos del tipo de producto, por lo que puede responder a decisiones en tiempo real. Por la flexibilidad en un sistema flexible de manufactura, no se desperdicia tiempo de preparación al cambiar entre operaciones de manufactura; el sistema es capaz de efectuar operaciones varias en distintos órdenes y en máquinas diferentes. Sin embargo, se deben comprobar las características, eficiencia y fiabilidad de cada unidad del sistema, para asegurar que las piezas que pasan de una estación de trabajo a otra sean de calidad y precisión dimensional aceptables.

16.10.3.

Justificación económica de los sistemas flexibles de manufactura

Debe efectuarse un análisis detallado de costes y beneficios antes de tomar una decisión acerca de la implantación de esta clase de sistemas. Dicho análisis debe incluir factores tales como el costo del capital, de la energía, materiales y mano de obra, los mercados esperados de los productos que se van a fabricar y todas las fluctuaciones previstas en la demanda del mercado y el tipo de producto. Un factor adicional es el tiempo y actividades requeridos para instalar y revisar el sistema. En forma característica, un sistema flexible de manufactura puede requerir entre dos y cinco años para la instalación, y un mínimo de seis meses para arreglar los errores. Aunque requiere pocos operadores de máquina, si es que los necesita, el personal a cargo de toda la operación debe estar muy capacitado. Las aplicaciones más eficaces de los sistemas flexibles de manufactura han residido en la producción intermitente de volumen medio. Cuando se va a producir una diversidad de piezas, estos sistemas son adecuados para volúmenes de producción de 15000 a 35000 piezas agregadas por año. Para piezas individuales de la misma configuración, la producción puede llegar a 100000 unidades anuales. En contraste, la producción de piezas de alto volumen y poca variedad, se obtiene mejor con máquinas de transferencia (equipo dedicado). Por último, la producción de piezas de bajo volumen y con gran variedad, se puede hacer en maquinaria convencional (con o sin control numérico) o en centros de maquinado. En comparación con los sistemas convencionales de manufactura, algunas de las ventajas de los sistemas flexibles son las siguientes: – Las piezas pueden ser producidas en forma aleatoria, en tamaños de lote desde una pieza y a menor costo unitario. – Se reduce la mano de obra directa y los inventarios, y se obtienen grandes ahorros con respecto a los sistemas convencionales.

16. Sistemas integrados de fabricación

299

– Los tiempos de inicio necesarios para cambios de producto son más cortos. – La producción es más fiable, porque el sistema se autocorrige, por lo que la calidad del producto es uniforme. – Se reducen los inventarios de trabajo en proceso.

16.11.

Producción justo a tiempo

El concepto de producción justo a tiempo (jit) fue implementado en Japón para eliminar el desperdicio de materiales, máquinas, capital, mano de obra e inventario de todo el sistema de manufactura. El jit posee los siguientes objetivos: recibir los suministros justo en el momento en que se emplearán; producir piezas justo a tiempo para armarlas en subensambles; tener estos preparados justo a tiempo para armarlos y obtener los productos terminados, y producir y entregar los productos terminados justo a tiempo para venderlos. En la manufactura tradicional, las piezas se fabrican en lotes, se llevan a un almacén y se usan cuando sea necesario. Este sistema se conoce como sistema de empuje, para indicar que se fabrican las piezas según un calendario y se encuentran en inventario para ser usadas si y cuando se necesiten. Por el contrario, el sistema justo a tiempo es un sistema de tracción, cuando las piezas se producen sobre pedido, y la producción se hace coincidir con la demanda de los ensambles o productos terminados. No hay material acumulado, y la cantidad ideal de producción es uno (cero inventarios, producción sin existencias, calendarización de la demanda). Además, las piezas son inspeccionadas por el trabajador a medida que se manufacturan, y se usan tras un breve lapso. De este modo, el trabajador posee un control continuo sobre la producción e identifica de inmediato las piezas defectuosas; además, reduce la variación del proceso necesaria para producir piezas de alta calidad. Además, se eliminan los movimientos adicionales para acumular las piezas, primero, y después sacarlas del almacenamiento. Los altos niveles de inventario pueden enmascarar los problemas de calidad y de producción con piezas que ya estén almacenadas. El concepto jit incluye, dándole la máxima importancia, la entrega a tiempo de suministros y piezas de los proveedores externos y de otras divisiones de una empresa, y por lo mismo reduce el inventario en planta. En consecuencia, se han producido grandes reducciones en las instalaciones de almacenamiento, y el espacio destinado a este fin se ha dedicado a fines productivos. De hecho, el concepto de construir grandes almacenes de piezas ha quedado obsoleto. Se espera que los proveedores entreguen sus artículos, preinspeccionados diariamente, o cuando se necesiten en la producción. Este método requiere proveedores fiables, una colaboración y confianza estrecha entre la empresa y sus proveedores y un sistema fiable de transporte. Asimismo, es importante, para una producción uniforme, la reducción del número de proveedores.

16.12. Redes de comunicaciones en la manufactura

300

16.11.1.

Kanban

Aunque el concepto básico del jit se desarrolló hace varias décadas en Estados Unidos, fue demostrado por primera vez a gran escala en la Toyota Motor Company, bajo el nombre de kanban, que quiere decir registro visible. Estos registros suelen consistir en dos tipos de tarjetas (kanbans): la tarjeta de producción, que autoriza la producción de un recipiente o carrito de piezas idénticas y especificadas en una estación de trabajo, y tarjeta de transmisión o de movimiento, que autoriza la transferencia de un recipiente o carrito de piezas de determinada estación de trabajo a la estación donde se usarán las piezas.

16.11.2.

Ventajas del sistema JIT

Las ventajas del jit son las siguientes: bajos costes de inventario; detección rápida de defectos en la producción o en la entrega de suministros y, en consecuencia, bajas pérdidas por desperdicios; menor inspección y reprocesamiento de piezas; producción de piezas de gran calidad y bajo coste. Aunque puede haber variaciones importantes, la implementación de la producción justo a tiempo ha resultado en reducciones: entre el 20 y el 40 por ciento del coste del producto, entre el 60 y el 80 por ciento de los inventarios y hasta en el 90 por ciento de los rechazos; de 90 por ciento en los tiempos de inicio y de 50 por ciento en gastos de desecho, reprocesamiento y garantías. Además, se dan aumentos de entre el 30 y el 50 por ciento en productividad de mano de obra directa y de 60 por ciento en productividad de mano de obra indirecta.

16.12.

Redes de comunicaciones en la manufactura

Para mantener un alto grado de coordinación y eficiencia de operación en la manufactura integrada, se requiere de una extensa red de comunicaciones, de alta velocidad e interactiva. Un gran avance en la tecnología de comunicaciones es la red de área local (lan). Una red de área local puede ser muy grande y complicada, enlazando cientos o hasta miles de máquinas y dispositivos en varios edificios. Se usan diversas distribuciones de red de cables de fibra óptica o de cobre a distancias desde algunos metros hasta 32 km. Para mayores distancias se usan las redes de área extensa (wan). Se pueden enlazar (o integrar) distintos tipos de redes mediante puertas y puentes. El control de acceso a la red es importante, porque de otro modo puede haber colisiones cuando varias estaciones de trabajo transmiten de forma simultánea. Es esencial el examen o barrido continuo del medio transmisor. En la década de 1970 se desarrolló e implementó como Ethernet un sistema sensor de múltiple acceso con detección de colisiones (csma/cd). Hoy lo usa la mayor parte de las estaciones de trabajo y minicomputadoras. Ethernet se

16. Sistemas integrados de fabricación

301

ha vuelto la norma en la industria. Otros métodos de control de acceso son las topologías de anillo (token ring) y bus (token bus), donde un token, o mensaje especial, pasa de uno a otro dispositivo. Sólo se permite transmitir al que tiene el mensaje especial, mientras que todos los demás sólo lo reciben.

16.12.1.

Normas o estándares de comunicación

Las computadoras de cada celda poseen sus propias especificaciones y normas patentadas y no se pueden comunicar con otras en el exterior de la celda a menos que posean unos adecuados interfaces. Esta situación creó «islas de automatización», y en algunos casos hasta el 50 por ciento del costo de la automatización se dedicaba a superar las dificultades en las comunicaciones entre las celdas individuales de manufactura y otras piezas de la organización. La existencia de celdas automatizadas que sólo pueden funcionar en forma independiente entre sí, y sin una base común de transferencia de información, condujo a la necesidad de una norma de comunicaciones para mejorar las comunicaciones y la eficiencia de la manufactura integrada por computadora. El primer paso hacia la normalización se dio en 1980. Después de bastantes esfuerzos y con base en las normas existentes, nacionales e internacionales, se desarrolló un conjunto de normas de comunicación llamado protocolo de automatización de la manufactura (map). A nivel mundial, se aceptó el modelo de referencia Interconexión de Sistema Abierto (osi) de la iso. El modelo iso/osi posee una estructura jerárquica, en la que la comunicación entre dos usuarios está dividida en siete capas. Cada capa posee un cometido especial: medios mecánicos y electrónicos de transmisión de datos; detección y corrección de errores; transmisión correcta del mensaje; control del diálogo entre usuarios; traducción del mensaje en una sintaxis común; verificación de que los datos transferidos se han comprendido. Una importante tendencia actual es hacia el uso de herramientas de Internet —componentes, programas y protocolos— dentro de una empresa, para enlazar a todos los departamentos y funciones en una Intranet autocontenida y totalmente compatible. Se venden en el comercio varias herramientas para implementar este enlace; son poco costosos y fáciles de instalar, integrar y usar.

16.13.

Inteligencia artificial

La inteligencia artificial es la pieza de la ciencia computacional que se ocupa de sistemas que presentan algunas de las características que se suelen asociar a la inteligencia en el comportamiento humano (como aprendizaje, razonamiento, solución de problemas y comprensión del lenguaje). El objetivo de la ia es simular esos comportamientos humanos en la computadora. El arte de trasladar los principios y herramientas relevantes de la ia a la solución de problemas de difícil aplicación se denomina ingeniería del conocimiento.

16.13. Inteligencia artificial

302

La inteligencia artificial está influyendo mucho sobre el diseño, la automatización y la economía general de las operaciones de manufactura, en gran parte debido a los avances en aumento de memoria en las computadoras —vlsi— y sus costos decrecientes. Elementos de inteligencia artificial En general, las aplicaciones de la inteligencia artificial en la manufactura abarcan las siguientes actividades: sistemas expertos, lenguaje natural, visión de máquina, redes neuronales y lógica difusa.

16.13.1.

Sistemas expertos

Un sistema experto —denominado también sistema basado en el conocimiento— se define en general como un programa inteligente de cómputo que posee la capacidad de resolver problemas difíciles de la vida real mediante el uso de procedimientos de base de conocimientos y de inferencia. La meta que persigue un sistema experto es la capacidad de efectuar una tarea intelectualmente difícil como lo haría un ser humano experto. El campo de conocimiento requerido para efectuar esta tarea se llama dominio del sistema experto. Los sistemas expertos usan una base de conocimiento que contiene hechos, datos, definiciones e hipótesis. También poseen la capacidad de seguir un método heurístico, i.e., de hacer buenos juicios con base en descubrimientos y revelaciones, y hacer proposiciones de gran probabilidad, como lo haría una persona experta. La base de conocimientos se expresa en programas de cómputo (por lo general en forma de reglas if-then) y puede generar una serie de preguntas. Los mecanismos de aplicación de esas reglas para resolver problemas se denominan motores de inferencia. Los sistemas expertos también se pueden comunicar con otros paquetes de programas de cómputo. Los sistemas expertos funcionan en tiempo real, y su reacción en tiempos cortos permite dar respuestas rápidas a los problemas. Los lenguajes de calendarización que más se usan para esta aplicación son C++, LISP y PROLOG; también se pueden usar otros lenguajes. Un desarrollo importante son los controladores núcleos o ambientes de sistemas expertos —también denominados sistemas de estructuras—. Estos paquetes de calendarización son en esencia esquemas de sistema experto que permiten a una persona escribir aplicaciones espefícias que se adapten a necesidades especiales. Para escribir estos programas se requiere mucha experiencia y tiempo. Desde la década de 1970 se han desarrollado y empleado varios sistemas expertos, que usan computadoras de diversas capacidades, para aplicaciones especializadas como las siguientes: – Diagnóstico de problemas en varios tipos de máquinas y equipo, y determinación de acciones correctivas. – Modelado y simulación de instalaciones de producción.

16. Sistemas integrados de fabricación

303

– Diseño, planificación de procesos y calendarización de producción asistidos por computadora. – Administración de la estrategia de manufactura de una empresa.

16.13.2.

Procesamiento de lenguaje natural

La forma tradicional de obtener información de una base de datos en la memoria de una computadora es usar programadores para que traduzcan las preguntas, hechas en lenguaje natural, a «consultas» en algún lenguaje de máquina. Las interfaces entre el lenguaje natural y los sistemas de bases de datos están desarrollándose en diversas etapas. Estos sistemas permiten que un usuario obtenga información tecleando comandos, por ejemplo en inglés, en forma de preguntas sencillas. Se dispone de paquetes de calendarización y se usan en aplicaciones como calendarización del flujo de material en manufactura y en el análisis de bases de datos de información. Se están haciendo importantes progresos en programas de cómputo que tengan síntesis y reconocimiento del habla (reconocimiento de voz ) par eliminar la necesidad de teclear los comandos.

16.13.3.

Sistemas de visión

Las computadoras y los programas que implementan la inteligencia artificial se complementan con cámaras y demás sensores ópticos. A continuación, esos sistemas inteligentes ejecutan operaciones tales como inspección, identificación, clasificación de piezas y guiado de robots (robots inteligentes), operaciones que de otra manera requerirían la intervención humana.

16.13.4.

Redes neuronales artificiales

Aunque las computadoras son mucho más rápidas que el cerebro humano para hacer tareas secuenciales, los humanos son mucho mejores en tareas basadas en modelos o patrones, que se pueden resolver con procesamiento en paralelo, como por ejemplo en el reconocimiento de propiedades, en evaluación rápida de situaciones y en ajustarse a condiciones dinámicas nuevas. Esas ventajas también se deben en parte a la capacidad de los humanos para usar varios sentidos en forma simultánea y en tiempo real. La rama de la inteligencia artificial denominada redes neuronales artificiales trata de adquirir algunas de estas capacidades a través de imitación, con computadora, de la forma en que los datos son procesados por le cerebro humano. El cerebro humano tiene unas cien mil millones de neuronas interconectadas, y más de mil veces esa cifra de conexiones. Cada neurona sólo ejecuta una única y sencilla tarea: recibe señales de entrada desde un conjunto fijo de neuronas; cuando se relacionan esas señales de entrada en determinada forma (específica para cada neurona particular), genera una señal electroquímica de salida que va

16.13. Inteligencia artificial

304

a un conjunto fijo de neuronas. Hoy se cree que el aprendizaje humano se logra mediante cambios en la intensidad de las conexiones de señal entre neuronas. Una red de alimentación positiva, totalmente desarrollada, es el tipo más común de red neuronal artificial, y se construye siguiendo ese principio, a través de varias capas de elementos de procesamiento que simulan las neuronas. Los elementos en la primera capa (entrada) se alimentan con datos, por ejemplo de fuerzas, velocidades y tensiones. Cada elemento suma todas sus entradas: una por elemento en la capa de entrada, muchas por elemento en las capas siguientes. Cada elemento en una capa transfiere entonces los datos —de acuerdo con una función de transferencia— a todos los elementos de la siguiente capa. Cada elemento de esa capa recibe, sin embargo, una señal distinta, a causa de los distintos factores de ponderación o pesos de conexión entre los elementos. La última capa es la de salida, dentro de la cual cada elemento se compara con la salida deseada: la el proceso que es simulado. La diferencia entre la salida deseada y la calculada (el error) se realimenta a la red, cambiando los pesos de las conexiones en una forma tal que se reduce el error. Después de haber repetido varias veces ese procedimiento, la red se ha adiestrado y ya se puede usar con datos de entrada que no se habían presentado antes a este sistema. La propiedad común de esas redes neuronales es que se deben adiestrar con ejemplos concretos. En consecuencia, es muy difícil formular en forma matemática relaciones entre entrada y salida y predecir el comportamiento de una red neuronal artificial cuando las entradas no se han adiestrado. Las redes neuronales artificiales se están usando en aplicaciones tales como reducción de ruido en los teléfonos, reconocimiento de voz y control de procesos. Por ejemplo, se pueden usar para predecir el acabado superficial de una pieza obtenida con fresado lateral, sobre la base de parámetros de entrada como fuerza de corte, par de torsión, emisión acústica y aceleración del husillo. Aunque todavía es fruto de controversias, la opinión de muchos es que la inteligencia artificial real va a evolucionar sólo a través de progresos en las redes neuronales.

16.13.5.

Lógica difusa

Un elemento de la inteligencia artificial que tiene aplicaciones importantes en los sistemas de control y de reconocimiento de pautas es la lógica difusa (modelos difusos). Ésta se introdujo en 1965, y se basa en la observación de que las personas pueden tomar buenas decisiones basándose en información imprecisa: de ahí el término «difuso». Estos modelos poseen la capacidad de reconocer, representar, manipular, interpretar y utilizar datos e información que son vagos o que carecen de precisión. Estos métodos se ocupan del razonamiento y la toma de decisiones a un nivel más alto que el de las redes neuronales. Las tecnologías y dispositivos difusos han sido desarrollados (y aplicados con éxito) en áreas como la robótica y el control del movimiento, el procesamiento de imágenes y la visión de máquina, el aprendizaje de máquina y el diseño de

16. Sistemas integrados de fabricación

305

sistemas inteligentes.

16.14.

La fábrica del futuro

Con base en los progresos en todos los aspectos de la tecnología de manufactura y de la integración mediante computadoras, podemos imaginar que la fábrica del futuro será una instalación totalmente automatizada, en la que los seres humanos no intervendrán en forma directa con la producción en el taller (de ahí el nombre de fábricas no atendidas). Toda la manufactura, manejo de materiales, ensamblaje e inspección se harán con maquinaria y equipos controlados por computadora. Algunos negocios de la industria alimentaria, del petróleo y la química funcionan ya en forma automática con poca intervención humana. Esas industrias poseen procesos continuos que son más fáciles de automatizar en forma directa en comparación con la manufactura de piezas y partes.

Tema 17

Aspectos competitivos de los sistemas de fabricación 17.1.

Selección de materiales

Para seleccionar los materiales de un producto, debemos tener una idea clara de los requerimientos funcionales de cada uno de sus componentes.

17.1.1.

Propiedades mecánicas, físicas y químicas

Entre las propiedades mecánicas están la resistencia, tenacidad, ductilidad, rigidez, dureza y resistencia a la fatiga, a la fluencia y al impacto. Las propiedades físicas incluyen densidad, punto de fusión, calor específico, conductividad y eléctrica, expansión térmica y eléctrica, expansión térmica y propiedades magnéticas. Las propiedades químicas de primera importancia en la manufactura son la susceptibilidad a la oxidación y a la corrosión. Hoy es más fácil y rápida la selección de materiales, por la disponibilidad de extensas bases de datos computerizadas que permiten mayor accesibilidad. Sin embargo, para facilitar la selección de materiales y otros parámetros que se describirán con posterioridad, se han desarrollado programas de sistemas expertos (bases de datos inteligentes). Con datos adecuados de diseño del producto y requerimientos funcionales, esos sistemas son capaces de identificar los materiales apropiados, de igual manera como lo haría un experto o un grupo de expertos.

17.1.2.

Formas de materiales disponibles en el mercado

Una consideración importante es la compra de materiales en sus formas que requieran un mínimo de procesamiento adicional. Sin embargo, también se deben tener en cuenta características como la calidad superficial, tolerancias dimensionales y rectitud de esas materias primas.

308

17.1.3.

17.2. Diseño del producto y cantidad de materiales

Propiedades de manufactura

La propiedades de manufactura de los materiales abarcan, en forma característica, la facilidad para fundir el metal, el trabajo mecánico, para conformar, soldar y endurecer por tratamiento térmico. Como las materias primas se deben moldear, formar, maquinar, rectificar, fabricar o tratar térmicamente para formar componentes individuales que tengan formas y dimensiones específicas, esas propiedades son fundamentales para hacer una buena selección de los materiales.

17.1.4.

Costo de los materiales y del procesamiento

A causa de su historia de procesamiento, el costo unitario de una materia prima no sólo depende del material mismo, sino de su forma, tamaño y condición. Por ejemplo, como se necesitan más operaciones para producir alambre delgado que barra redonda, el costo unitario del alambre es mayor. De la misma manera, los polvos metálicos son más costosos que los metales sólidos. Además, en general el costo de los materiales disminuye a medida que aumenta el volumen de compra. El costo de determinado material está sujeto a fluctuaciones causadas por factores tan simples como la oferta y la demanda, o tan complejos como la geopolítica. Si ya un producto no compite en costo, se pueden seleccionar materiales alternativos y menos costosos. Por ejemplo, la escasez de cobre en la década de 1940 forzó al gobierno estadounidense a acuñar monedas de acero galvanizado. De manera parecida, cuando aumentó bastante el precio del cobre durante la década de 1960, el cableado eléctrico que se instalaba en los hogares fue, durante algún tiempo, de aluminio. Cuando se produce chatarra o desperdicio durante la manufactura (como en la fabricación de metal laminado, en el forjado y en el maquinado), el valor de la chatarra se resta del costo del material para obtener el costo neto del material. Como es de esperar, el valor de la chatarra depende del tipo de metal y de su demanda; habitualmente oscila entre el diez y el cuarenta por ciento del costo original. Nótese que en el maquinado, el desperdicio puede ser muy alto, mientras que en el laminado, laminado de anillo y metalurgia de polvos —todos ellos son procesos de forma neta o casi neta— se produce un mínimo de chatarra.

17.2.

Diseño del producto y cantidad de materiales

Aunque el costo de los materiales no puede ser reducido por debajo del valor que se encuentra en el mercado, se pueden obtener reducciones en la cantidad de material empleado para aquellos componentes que se van a producir en masa. Como la forma general de la pieza se suele optimizar durante las etapas del

17. Aspectos competitivos de los sistemas de fabricación

309

diseño y del prototipo, las reducciones posteriores en la cantidad de material empleado sólo se pueden lograr reduciendo el espesor del componente. En este método se requiere seleccionar materiales con grandes relaciones de resistencia a peso o de rigidez a peso. También pueden obtenerse relaciones más altas mejorando el diseño del producto, y seleccionando mejores secciones transversales, como por ejemplo los que tengan un momento de inercia alto (vigas en I), o usando componentes tubulares o huecos, en lugar de sólidos. Las técnicas como análisis de elementos finitos, diseño con peso mínimo, optimización de diseño, el uso de materiales y la optimización son de uso común. Sin embargo, la implementación de cambios de diseño y minimización de la cantidad de materiales utilizados pueden causar apreciables problemas en la manufactura, como los que se describen en los siguientes ejemplos: – Para forjar partes delgadas se requieren grandes fuerzas, debidas a causas como fricción y endurecimiento de las secciones delgadas. – El soldar láminas o estructuras delgadas puede causar distorsiones debidas a gradientes térmicos. – La fundición de secciones delgadas puede causar dificultades en el llenado de cavidades de molde (por la solidificación) y en el mantenimiento de la precisión dimensional y el buen acabado superficial. – La facilidad de formado de lámina se puede reducir al disminuir el espesor de ésta y esa reducción puede causar pandeo (durante el moldeado) debido a esfuerzos de compresión en el plano de la lámina.

17.3.

Sustitución de materiales

En la actualidad, casi no hay producto en el mercado para el que la sustitución de materiales no haya desempeñado un papel principal para que las empresas puedan mantener sus posiciones competitivas. Existen varias razones para sustituir los materiales en los productos actuales: – Reducir los costos de materiales y de procesamiento. – Mejorar la manufactura y el ensamblaje, la instalación y la conversión a ensamblaje automatizado. – Mejorar el desempeño de los productos, por ejemplo reduciendo el peso y mejorando su resistencia al desgaste, la fatiga y la corrosión. – Aumentar las relaciones de rigidez a peso y resistencia a peso. – Reducir la necesidad de mantenimiento y reparaciones.

310

17.4. Selección de los procesos de manufactura

– Reducir la vulnerabilidad por poca fiabilidad del abastecimiento de materiales, tanto locales como de importación. – Mejorar el cumplimiento de la legislación y los reglamentos que prohíban el uso de ciertos materiales por razones ambientales. – Reducir las variaciones de eficiencia o la sensibilidad ambiental en el producto, i.e., mejorar su robustez.

Sustitución de materiales en la industria automotriz El automóvil es un buen ejemplo de la eficaz sustitución de materiales con objeto de alcanzar uno o más de los objetivos mencionados arriba. Algunos ejemplos son los siguientes: – Ciertas piezas de la carrocería metálica se han sustituido por otras de plástico o plástico reforzado. – Las defensas, engranajes, bombas, tanques de combustible, cajas, cubiertas, broches y diversos componentes metálicos se han reemplazado por sustitutos de plástico. – Se han cambiado componentes del motor por otros de cerámica y plástico reforzado. – Los ejes de tracción, completamente metálicos, se han reemplazado por otros de materiales compuestos. – Los «monoblocks» de vehículos, fabricados con fundición gris, se han sustituido por otros de fundición de aluminio; los cigüeñales forjados por otros fundidos, y las bielas forjadas por bielas fundidas, o de pulvimetalurgia, o de materiales compuestos. Como la industria automotriz es uno de los principales consumidores de materiales metálicos y no metálicos, hay una competencia constante entre los proveedores, en especial entre las industrias del acero, aluminio y plástico.

17.4.

Selección de los procesos de manufactura

La elección de un proceso de manufactura queda determinada por diversas consideraciones. Algunas de éstas son: las características y propiedades del material de la pieza; la forma, tamaño y espesor de la parte; los requerimientos en la tolerancia dimensional y el acabado superficial; los requerimientos de funcionamiento de la pieza; el volumen (cantidad) de producción; el nivel de automatización requerido para cumplir con el volumen y la rapidez de producción; los costos en los que se incurre en los aspectos individuales y combinados del proceso de manufactura.

17. Aspectos competitivos de los sistemas de fabricación

17.5.

311

Posibilidades del proceso

Cada proceso de manufactura posee ventajas y limitaciones. Por ejemplo, la fundición y el moldeo por inyección pueden producir, en general, formas más complejas que el forjado y la metalurgia de polvos, porque el metal o el plástico fundidos pueden llenar cavidades complicadas de matrices o moldes. Por otro lado, las piezas forjadas se pueden fabricar con formas complejas, en general con operaciones posteriores de maquinado y acabado, y tienen una tenacidad que suele ser mejor que las de las piezas fundidas o de pulvimetalurgia. Recuérdese que la forma de un producto puede ser tal que lo mejor sea fabricarlo a partir de varias piezas, uniéndolas con sujetadores o con técnicas como latonado, soldado y pegado. Lo inverso puede ser lo válido para otros productos: fabricarlo de una pieza puede ser más económico, por los grandes costos de armado que habría. Otros factores que se deben considerar en la selección del proceso son el tamaño y dimensiones mínimos de sección que se pueden producir en forma satisfactoria. Por ejemplo, con laminado en frío se pueden producir secciones muy delgadas, pero con los procesos como la fundición en arena o forjado no se pueden obtener secciones delgadas.

Tolerancia dimensional y acabado superficial Cuanto más cerrada sea la tolerancia dimensional requerida, el costo de la manufactura será mayor; además, mientras más fino sea el acabado superficial requerido, el tiempo de manufactura será mayor, y también lo será el costo del producto. Por ejemplo, para maquinar miembros estructurales de aleaciones de titanio para aviones, se gasta hasta el sesenta por ciento del costo de maquinado de la pieza en la pasada final para mantener las tolerancias dimensionales y el acabado superficial correctos. A menos que se requiera específicamente de otra forma por medio de una justificación técnica y económica adecuada, las piezas deben hacerse con un acabado superficial áspero y en una tolerancia amplia que resulte funcional y estéticamente aceptable.

Volumen de producción La cantidad de producción desempeña un papel importante en la selección del proceso y del equipo. De hecho, se dedica todo un campo de la manufactura a determinar en forma matemática la cantidad óptima de producción: se trata de la cantidad económica de pedido.

Tasa de producción Un factor importante para seleccionar el proceso de manufactura es la tasa de producción; ésta se define como la cantidad de piezas que se deben producir por unidad de tiempo. Los procesos como la metalurgia de polvos, fundición en dados, embutido profundo, estirado y laminado son operaciones de gran tasa de producción. Por el contrario, la fundición en arena, el maquinado convencional y electroquímico, el rechazado, el conformado superplástico y el pegado adhesivo y por difusión, así como el procesamiento de plásticos reforzados, son operaciones relativamente lentas.

17.6. Costos de manufactura

312

Tiempo de inicio La selección de un proceso de manufactura está muy influida por el tiempo necesario para iniciar la producción, que se denomina tiempo de inicio. Procesos como la forja, fundición, laminado y moldeo de lámina suelen requerir muchos y costosos dados y herramientas. Por el contrario, los procesos de maquinado y rectificado tienen, en general, una mayor flexibilidad incorporada y usan herramientas que se pueden adaptar a la mayor parte de los requerimientos en un tiempo relativamente corto.

17.6.

Costos de manufactura

Existen varios métodos de contabilidad de costos que se emplean hoy en las organizaciones manufactureras. Las metodologías de varios procedimientos contables pueden ser muy complicadas —y objeto de controversias— y su selección depende de la empresa en particular y de su tipo de operaciones. Además, por los factores técnicos y operativos que intervienen, el cálculo de los factores individuales de costo es difícil, lento y no siempre exacto ni viable. Las tendencias recientes en los sistemas de costeo (justificación de costo) incluyen las siguientes consideraciones: beneficios intangibles de mejora de calidad y reducción de inventarios, costos de ciclo de vida, uso de máquinas, costo de compra en comparación con el de alquiler de la maquinaria, los riesgos financieros de implementar la automatización y las nuevas tecnologías disponibles. Se debe tener en cuenta todo lo anterior y mucho más. Los costos que son directamente atribuibles a la responsabilidad por el producto y a la defensa contra demandas han sido temas de gran preocupación y discusión entre las partes involucradas. Además de los costes de materiales y los costes de herramientas, se cuentan: los costos fijos y los costos de capital. Los costos fijos incluyen los de la energía eléctrica, combustibles, impuestos sobre la propiedad, rentas, seguros y capital (incluyendo depreciación e interés). La empresa debe solventar todos esos costos, independientemente de si hace determinado producto o no. Los costos de capital, por su parte, representan la inversión en edificios, terrenos, maquinaria, herramientas y equipos; son los principales gastos en la mayor parte de las instalaciones manufactureras. Se pueden lograr menores costos unitarios con producción continua, todo el día, pero sólo mientras la demanda lo garantice. Es esencial el mantenimiento adecuado del equipo para asegurar una alta productividad. Todo desperfecto en la maquinaria que cause tiempo muerto puede ser muy costoso, entre cientos y miles de dólares por hora. Los costos de mano de obra se dividen en general en mano de obra directa e indirecta. El costo de mano de obra directa es para el personal que interviene en forma directa en la manufactura de la parte (mano de obra productiva). En este costo se incluye toda la mano de obra desde que se manejan por primera

17. Aspectos competitivos de los sistemas de fabricación

313

vez las materias primas hasta cuando se termina el producto. A este período se le suele llamar tiempo de piso a piso. Los costos de mano de obra indirecta son los que se generan para dar servicio a la operación total de manufactura. El total está formado por actividades como supervisión, reparación, mantenimiento, control de calidad, ingeniería, investigación y ventas; también incluye el costo del personal de oficina. Como no contribuyen en forma directa a la producción de piezas, o sus gastos no se pueden cargar a un producto específico, a estos costos se les llama generales y se cargan en forma proporcional a todos los productos. El personal que interviene en estas actividades se considera como mano de obra no productiva.

17.7.

Costos de manufactura y volumen de producción

Uno de los factores más importantes de los costos de manufactura es el volumen de producción. Un gran volumen de producción requiere grandes tasas de producción. A su vez, las grandes tasas de producción requieren el empleo de técnicas de producción en masa, que implican maquinaria especial (maquinaria dedicada) y emplean una menor proporción de mano de obra directa, así como plantas que trabajan a dos o tres turnos. La producción en lotes pequeños se efectúa normalmente en máquinas de propósito general tales como tornos, fresadoras y prensas hidráulicas. Para mayores cantidades (producción en lotes medianos) se pueden equipar las mismas máquinas de propósito general con diversos soportes y sujetadores, o tener control computerizado. La reducción de costes se plantea en la forma de cómo se relacionan los costos que se describieron más arriba, y los costos relativos dependen de muchos factores. En consecuencia, el costo unitario del producto puede variar mucho. Por ejemplo, algunas partes se pueden hacer con materiales costosos, pero que requieran muy poco procesamiento (como las monedas de oro acuñadas). En este caso, el costo de materiales en relación con la mano de obra directa es alto. Una clasificación aproximada (pero característica) de costos de manufactura en la actualidad es la siguiente: 5 por ciento de diseño, 50 por ciento de materiales, 15 por ciento de mano de obra directa y 30 por ciento de costos indirectos. Es interesante notar la pequeña contribución de la fase de diseño; no obstante, en el sentido detallado de diseño para manufactura y ensamble, incluyendo la ingeniería concurrente, la fase de diseño posee, en general, la máxima influencia sobre la calidad y el éxito de un producto en el mercado. Algunas oportunidades para reducir costos son las siguientes: simplificar el diseño de piezas y la cantidad de subensambles necesarios; especificar mayores tolerancias dimensionales y permitir un acabado superficial más burdo; usar materiales menos costosos; investigar métodos alternativos de manufactura, y usar máquinas y equipo más eficientes.

17.8. Ingeniería de valores o del valor intrínseco

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17.8.

Ingeniería de valores o del valor intrínseco

La ingeniería de valores es un sistema que evalúa cada paso en el diseño, materiales, procesos y operaciones en la manufactura de un producto que cumple todas las funciones que se pretenden, y lo hace al mínimo coste posible. Se establece un valor monetario para cada uno de lo siguientes atributos del producto: valor de uso, que refleja las funciones del producto, y valor de estima o de prestigio, que refleja lo atractivo del producto que hace deseable el poseerlo. En general, el análisis de valores consiste en las tres fases siguientes: – La fase de información, para reunir datos y determinar costos. – La fase de análisis, para definir las funciones e identificar las áreas problemáticas y las oportunidades. – La fase de creatividad, para buscar ideas que respondan a los problemas y las oportunidades, sin juzgar el valor de cada idea. – La fase de evaluación, para seleccionar las ideas a desarrollar, y para identificar los costos en los que se incurre. – La fase de implementación, para presentar hechos, costos y valores a la administración de la empresa; para desarrollar un plan y para motivar una acción positiva, todo ello para obtener un compromiso de los recursos necesarios para lograr la tarea. – La revisión de todo el proceso de análisis de valores y de los ajustes que se puedan necesitar.