Procesos de Fabricación: Fundamentos y Aplicaciones

Procesos de Fabricación

-El flujo de material puede ser dividido en tres tipos principales. Procesos de conservación de masa (dM = 0). La masa inicial del material de tra bajo (materia prima) es igual, o casi igual, a la masa final del material trabajado (producto final) lo cual significa, con referencia a los cambios geométricos, que el material se manipula para cambiar su forma. Ejemplos de este tipo son los procesos de fundición y deformación plástica. Procesos de eliminación de masa (dM Procesos de unión (dM > 0). Consisten en la conformación de la pieza final a partir de la unión de varios componentes. Como ejemplo tenemos los procesos de soldadura y procesos de unión mediante ajuste mecánico. -Maquinabilidad  Las características que influyen en esta propiedad son la duración del filo de la herramienta y la cantidad de energía necesaria para realizar el proceso. Un factor que favorece una mayor duración del filo de la herramienta es que el material tenga una estructura homogénea. Los materiales con estructuras heterogéneas actúan como abrasivos  Factores que favorecen  que el material tenga una resistencia a tensión y dureza moderadas. -Conformabilidad Para que un material sea adecuado para este tipo de procesos debe presentar un comportamiento plástico, capacidad de endurecimiento y una reducida resistencia a tensión y dureza. -Colabilidad una colabilidad aceptable son un reducido punto de fusión, viscosidad y coeficiente de contracción térmica. -Soldabilidad la ausencia de defectos en el proceso y la obtención de unas propiedades mecánicas parecidas a las del metal base y las condiciones de las superficies. 

Metrologıa o ciencia de la medid

a

Por lo tanto, el objetivo de cualquier trabajo metrológico es la determinación de una cierta medida de una magnitud f´ısica con referencia a una unidad, proporcionando siempre el margen de incertidumbre.  Entre los elementos principales que intervienen en la medición de cualquier magnitud física se pueden encontrar los siguientes magnitud a medir o “mensurando”, instrumento de medida, proceso de medición, y personal responsable del proceso.  Los  ámbitos más importantes de la Metrolog´ıa en la actualidad son los siguientes. La metrolog´ıa de precisi´ on, que est´a relacionada directamente con el control de la calidad de los productos. La metrología´ıa legal, que cubre la seguridad de las mediciones domésticas. La organización de la calibración, para el aseguramiento de la trazabilidad en las empresas industriales. La trazabilidad se puede definir del siguiente modo: Cualidad de la medida que permite referir la precisi´ on de la misma a un patrón aceptado o especificado, gracias al conocimiento de las precisiones de los sucesivos escalones de medición a partir de dicho patrón .- Precisión Cualidad de un instrumento o método de medida para proporcionar indicaciones próximas al valor verdadero de una magnitud medida. -Incertidumbre Expresión cuantitativa del grado de agrupamiento de las medidas efectuadas con un determinado instrumento o método de medida. - Repetibilidad Grado de concordancia existente entre los sucesivos resultados obtenidos con el mismo método y mensurando, y bajo las mismas condiciones (mismo operario, mismo aparato, mismo laboratorio y dentro de un intervalo de tiempo lo suficientemente pequeño).-Reproducibilidad Grado de concordancia existente entre los resultados individuales obtenidos con el mismo método y con el mismo mensurando pero bajo condiciones diferentes (diferentes operarios, diferentes aparatos, diferentes laboratorios.

Procesos de Mecanizado

-La conformación de materiales con arranque de material,mecanización, suele partir generalmente de piezas en bruto que han sufrido un proceso previo de conformación sin arranque de material. Estas piezas en bruto se trabajan en las denominadas Máquinas-Herramientas (MH), eliminando material con una herramienta de corte en contacto con la pieza y con movimiento relativo con respecto a esta, para darles su forma geométrica y dimensional definitiva, mediante alguna o varias operaciones de torneado, taladrado, mandrinado, cepillado,etc. El arranque de una delgada capa de material en forma de viruta está provocado por el movimiento relativo de la pieza y la herramienta. Este movimiento relativo se traduce en la aparición de dos trayectorias elementales combinadas. Movimiento Rápido o de corte, llamado movimiento principal en el se produce el corte del material durante una sola pasada,Se produce en la dirección de la fuerza de corte principal, para lo cual la herramienta incide sobre el material a trabajar. Este movimiento puede ser de rotación (torno, taladro o fresadora) o rectilneo alternativo (cepilladora, limadora o mortajadora). Para poder cortar el material de una forma continua se precisa de otro movimiento más lento llamado movimiento secundario o movimiento de avance. Este movimiento permite situar la herramienta en posicion adecuada respecto al material.  Podemos considerar tambien un tercer movimiento que llamaremos de penetracion y que es necesario para poder dar las sucesivas pasadas. Los movimientos principal y de avance pueden aplicarse del siguiente modo. 1. Ambos a la herramienta. 2. Uno a la pieza y otro a la herramienta . a) Si las dos son rectilineas obtenemos superficies planas (limadora o cepilladora) b) Si una es circular y otra rectil´nea en el mismo plano obtenemos superficies planas (refrentado en el torno, fresado, etc.) c) Si una es circular y otra rectilınea en diferentes planos, obtenemos superficies cilındricas, conicas y helicoidales 

Superficie de desprendimiento (cara) Es la superficie sobre la que se apoya la vi ruta que va produciéndose en el corte, debido a la presión que ejerce la herramienta sobre la capa de material a mecanizar. Superficie de incidencia (flanco principal) La superficie de incidencia es la que permite que la herramienta penetre libremente en el material para cizallarlo. Es la superficie que queda enfrentada sobre la parte de la pieza mecanizada. Filo de corte principal Filo de corte secundario Radio de la punta Borde formado por la cara y el flanco principal. Es el responsable de la mayor parte del material cortado por la herramienta. Borde formado por la cara y el flanco secundario. Es responsable de parte del material cortado por la herramienta. Radio formado por la unión entre el filo de corte principal y secundario. En ciertas herramientas, tanto la parte activa como el mango son del mismo material, formando un solo cuerpo. En otros casos, la parte auxiliar y la parte activa no son del mismo material . Cuando esto ocurre, la parte activa suele proporcionarse en forma de plaquita. -material tenga unas caracterısticas :Una elevada resistencia a la abrasión. Una elevada dureza, para poder penetrar con facilidad en el material a mecanizar. Gran resistencia mecánica a la flexión y a la compresi´on,. Gran capacidad para soportar las elevadas temperaturas que se producen, las cuales tienden a disminuir los tres conceptos mencionados anteriormente.

Aceros al carbono  se obtienen rendimientos muy bajos al no resistir temperaturas superiores a 250-300◦C, por lo que no se pueden emplear a altas velocidades de corte Aceros especiales Son aceros al carbono a los que se les ha añadido un cierto contenido de otros elementos. Aceros rápidos Posteriormente apareció el acero rapido que permitıa mecanizar con mayores velocidades de corte que los aceros especiales y por lo tanto permitıan obtener mejores rendimientos, Metales duros o carburos met´alico carburos de tungsteno, titanio y Tántalo Se obtiene por pulvimetalurgia, que consiste en el prensado de sus componentes en forma de polvo a altas presiones y una posterior cocción a temperaturas aproximadas a los 1500 ◦C, Materiales cerámicos  no metálico óxidos, silicatos, carburo de silicio y carburo de boro) . A la tenacidad de los metales se une el alto grado de refractariedad de los productos cerámicos. Óxidos sinterizadas. El más común es el óxido de aluminio, al que se le añaden sustancias metálicas. Entre las caracterısticas de los materiales cerámicos destaca la baja conductividad térmica . Diamantes Al ser el diamante el material más duro que se conoces. Los diamantes para herramientas se clasifican en: diamantes naturales y diamantes sinterizados.El Angulo de desprendimiento es el formado entre la cara y la normal a la superficie de la pieza. Es el angulo que influya en el proceso de formacion de viruta. Para reducir el trabajo de deformacion de la viruta y el consiguiente calentamiento es necesario utilizar un angulo de desprendimiento suficientemente grande . Hay que tener tambien en cuenta que el aumento del angulo de desprendimiento lleva consigo la disminucion del angulo solido de corte y por tanto un debilitamiento mecanico de la herramienta, lo que sera admisible solamente si el material de la pieza es suficientemente blando. Para el caso de materiales muy duros se hace necesario disminuir el valor del angulo de desprendimiento, tomando valores inferiores a 10◦ que pueden incluso llegar a ser negativos.

Torno convencional  es una maquina-herramienta de corte circular continuo en la que el movimiento de corte lo lleva la pieza y el movimiento de avance lo lleva la herramienta. La herramienta utilizada es monofilo. Esta constituido por una bancada sobre la que se desliza un carro longitudinal. Sobre este carro hay colocado un carro transversal y sobre el un carro porta-herramientas. Tanto el carro longitudinal como el transversal pueden ser accionados manual o automaticamente. El carro porta-herramientas s´ lo puede ser accionado manualmente y es orientable de forma que puede desplazarse formando cualquier angulo respecto al eje de la m´aquina. El torno en su extremo izquierdo y en su parte superior lleva un cabezal fijo en el que van alojados el eje principal de la maquina, en cuyo extremo se fija el plato de sujecion de la pieza a mecanizar y todos los mecanismos necesarios para obtener las distintas velocidades de corte (movimiento principal). Bajo este cabezal esta situada la caja de avances que contiene los mecanismos necesarios para obtener los avances. A lo largo de la bancada se desliza un cabezal movil (contrapunto) que puede ser f ijado en cualquier posici´ on de su recorrido. Dicho cabezal permite ser desplazado sobre su base en direccion perpendicular al eje de la maquina. El cabezal movil se utiliza para sujetar las piezas por el extremo opuesto al plato cuando estas son demasiado largas. A lo largo de la bancada y en su parte inferior frontal lleva la barra de cilindrar para producir, por medio de la cadena cinematica, el movimiento de corte en el cilindrado y el refrentado.

Torno vertical Las piezas de gran peso y dimensiones no pueden ser sujetas en tornos convencio nales de husillo horizontal. Para este tipo de piezas existen los tornos verticales en los que el husillo principal presenta un eje de giro vertical y dispone de una superficie de sujeccion giratoria de grandes dimensiones con ranuras para fijar la pieza. El carro porta herramientas esta dispuesto en un carro tipo portico. Mandrinadora 24 (b) La mandrinadora, al igual que el resto de maquinas-herramientas descritas anteriormente, utilizan movimiento de corte principal circular y herramientas de corte monofilo. Estas maquinas se emplean generalmente para piezas grandes y geometrıas exteriores no cilındricas que deben permanecer fijas durante el proceso de corte de superficies cilındricas interiores. En la mandrinadora, el husillo principal de la maquina suele ser horizontal. La pieza permanece estacionaria durante todo el proceso de mecanizado y es la herramienta de corte la que realiza todos los movimientos necesarios, Las ecuaciones desarrolladas anteriormente para el cilindrado y el refrentado son igualmente aplicables en la mandrinadora. Limadora 26 Es una maquina-herramienta destinada a obtener superficies planas horizontales, verticales o inclinadas. La m´aquina est´a constituida por un armazón o columna sobre la que se desliza un carro (carnero) con movimiento rectilıneo alternativo, sobre el que va montado el cabezal porta-herramientas, el cual puede estar inclinado. Taladradora el movimiento de corte principal es circular y continuo, y el movimiento de avance es rectilneo en la direccion del eje de giro del husillo principal. La herramienta utilizada suele denominarse como broca la cual suele llevar dos filos de corte. Ente las operaciones mas destacadas que pueden realizarse con la taladradora se pueden citar el taladrado, propiamente dicho, el avellanado, refrentado, roscado y escariado. 

La fresadora es una maquina herramienta de corte circular intermitente en la que el movimiento de corte lo tiene la herramienta y el de avance lo tiene la pieza. La herramienta utilizada suele denominarse fresa y presenta multiples filos de corte. La fresadora esta constituida por un armazon o columna que contiene el eje principal de la misma y los mecanismos necesarios para obtener las diferentes velocidades de corte. Sobre armazon se desliza un carro vertical o consola con los mecanismos para producir el movimientode avance. Por la forma de trabajo del eje principal, la fresadora puede ser horizontal, vertical o universal. La fresadora universal permite que el eje de la herramienta pueda formar cualquier ´ angulo con la mesa de trabajo y adem´as que esta mesa permita el giro horizontal sobre si misma.  Fresado en contra del avance. Es el mas corriente en el fresado cilındrico. La pieza avanza en sentido opuesto al giro de la herramienta y la viruta en forma de cuña se empieza a arrancar por la zona de menor espesor. Esto puede provocar un deslizamiento de la herramienta sobre la superficie de trabajo con lo que se produce un fuerte rozamiento y calentamiento de la herramienta. La componente vertical de la fuerza de corte es hacia arriba por lo que tiende a levantar la pieza de la mesa de trabajo. Fresado en favor del avance. En este tipo de fresado la pieza avanza en el mismo sentido de giro de la herramienta. Cada filo de corte empieza a cortar chocando contra el material en la zona donde el espesor de la viruta es maximo. La duracion de la herramienta suele ser menor que en el fresado en contra del avance. La componente vertical de la fuerza de corte se dirige hacia la mesa, por lo que tiende a fijar la pieza sobre la misma y reducir las vibraciones durante el corte. Por otro lado, al no sufrir el rozamiento inicial y disminuir considerablemente las vibraciones, se puede trabajar con mayores avances obteni´ endose mayores rendimientos. 

Rectificadora estas operaciones se utilizan materiales abrasivos para eliminar el material de la pieza. A estos materiales abrasivos, muelas,. Las muelas son cuerpos compactos formados por partıculas abrasivas de tamano y dureza apropiados a cada caso aglomeradas con un material aglutinante.  Los materiales abrasivos que forman estas herramientos presentan durezas muy elevadas capaces de mecanizar piezas produciendo virutas muy pequeñas (con un filo de corte convencional, en las mejores condiciones de corte no se puede conseguir arrancar virutas de espesor inferior a 0,05 mm, mientras que con materiales abrasivos se pueden producir virutas con espesores más bajos. El mecanizado mediante abrasivos se puede emplear, por un lado, para mecanizar piezas que por su elevada dureza son imposibles de mecanizar por cualquier otro procedimiento con arranque de viruta y para corregir las irregularidades geométricas producidas durante su elaboración o tratamientos térmicos.  Tipos básicos de procesos de fundición  La fundición de lingotes industria siderúrgica primaria y se emplea para  referirse piezas de formas simple, destinadas servir como materia prima para otros procesos de fabricación. La fundición de formas  para la obtención directa de productos finales sin necesidad de aplicar otros procesos posteriores, salvo operaciones de acabado cuando sean requeridas. Debido a la complejidad geométrica y precisión dimensional de las piezas, estos procesos de fundición han de cumplir unos requisitos más severos.  Etapas de la fundición : fase de diseño, selección del proceso, fase de moldeo, fase de fusión, fase de colada, fase de solidificación, fase de desmoldeo,  limpieza.

Los procesos de fundición en molde desechable emplean moldes que se utilizan para fabricar una única pieza. Estos moldes se destruyen durante la fase de desmoldeo. Normalmente están constituidos por arena, a la que se añade una serie de compuestos, y se compacta para obtener un molde con la rigidez necesaria. También pueden ser construidos con madera, yeso o materiales cerámicos. El coste de fabricación de estos moldes es relativamente bajo y permiten la fabricación de piezas de geometría complicada, debido a que no es necesario que el molde se pueda abrir para extraer la pieza y por lo tanto es posible representar un mayor número de detalles geométricos. Estos moldes presentan una buena resistencia a altas temperaturas y en general son adecuados para la fundición de metales de alto punto de fusión como el hierro fundido y el acero. En general, las piezas fabricadas por estos procedimientos presentan una menor porosidad. Los moldes permanentes se pueden utilizar repetidas veces para fabricar un gran número de piezas, permitiendo por tanto obtener una mayor productividad que con los moldes desechables. Normalmente están constituidos por materiales metálicos o grafito. El coste de fabricación de estos moldes es relativamente alto, ya que es necesario emplear procesos de mecanizado para su construcción. Estos moldes están divididos en dos semi moldes, siendo necesario abrirlos para extraer la pieza una vez solidificada y de este modo poder utilizarlos nuevamente. Estos moldes permiten alcanzar una mejor precisión dimensional y acabado superficial que los moldes desechables, pero sin embargo, las piezas obtenidas suelen presentar una mayor porosidad. Habitualmente estos procesos no son adecuados para la fabricación de piezas de geometría complicadas. Molde semipermanente. El molde es permanente pero se emplean machos desechables.

Fusión, En la fase de fusión se calienta el metal de trabajo hasta alcanzar la temperatura de colada deseada. Las condiciones que se le exigen al metal líquido antes de la colada son:- Composición química adecuada.- Que posea buena fluidez o colabilidad.- Temperatura adecuada, superior a la de fusión. el metal fundido presenta una gran tendencia a oxidarse. La temperatura del metal fundido vertido en el molde se denomina temperatura de colada. Esta temperatura debe ser superior al punto de fusión para impedir que el metal fundido empiece a solidificar nada más ser introducido en la cavidad del molde, impidiendo la entrada y flujo del resto de metal fundido hasta completar el llenado de la cavidad principal, y para compensar las pérdidas de calor que se producen desde que el metal fundido abandona el horno de fusión hasta que es introducido en el molde. Se define el sobrecalentamiento como la diferencia existente entre la temperatura de colada y la temperatura de fusión,no es conveniente un sobrecalentamiento excesivo. aumento excesivo de la temperatura de colada serían la presencia de contaminantes sólidos, reacción química con el material del revestimiento del horno, reacción química con el molde y disminución de la resistencia del molde. Como contrapartida el aumento de la temperatura de colada, permite la obtención de piezas con una mayor complejidad geométrica y espesores más reducidos. Solidificación, Durante la solidificación de las aleaciones, Distinguimos entre dos tipos de segregación: microscópica y macroscópica. La dendrita crece a expensas del metal líquido que la rodea. El último metal que solidifica en cada grano es el que quedó atrapado en las ramas de las dendritas. El resultado es una variación en composición química dentro de cada grano de la fundición. Por otro lado, también se observa una segregación macroscópica que consiste en la variación de la composición química a través de toda la pieza. 

Fundición en arena, Este proceso es apropiado para cualquier material metálico, de hecho es uno de los pocos procesos que pueden usarse para metales con altas temperaturas de fusión, como son el acero, níquel y titanio. Tiene una gran versatilidad, permite fundir desde piezas muy pequeñas hasta piezas de grandes dimensiones y en lotes de producción que van de una única pieza hasta millones de ellas. La fundición en arena no permite obtener piezas con una reducida tolerancia dimensional (en torno a 1,5 mm) y rugosidad super cial (en torno a 15 m). Sin embargo, con este proceso se pueden fundir formas complicadas, como los bloques de los grandes motores empleados en barcos y cogeneración o hélices muy grandes para los trasatláticos. Estos procesos presentan un bajo coste de fabricación en comparación con procesos con molde permanente.Propiedades de la arena de moldeo El material del molde se denomina arena de moldeo puesto que está constituido mayoritariamente por arena (en torno a un 90%). Para la fabricación de una pieza se necesita el empleo de 4 o 5 veces su peso en arena,. La arena recibe un tratamiento muy esmerado y es inspeccionada para controlar todas sus propiedades, tales como tamaño, forma de grano y distribución de los distintos tipos de grano. Las propiedades  Refractariedad , Plasticidad,Cohesión, Permeabilidad,Compresibilidad,Granulometría. Los elementos que constituyen las arenas de moldeo son la arena, aglomerantes, aditivos y agua. La arena es el componente mayoritario y proporciona resistencia a alta temperatura y permeabilidad. Los aglomerantes permiten aumentar la rigidez de la arena de modo que sea capaz de mantener su forma durante el proceso de colada, sometida a los esfuerzos que le provoca el metal fundido. Los aditivos se emplean para mejorar algunas de las propiedades de las arenas de moldeo, tales como la compresibilidad, permeabilibdad y rugosidad superficial. Tipos de moldes, arena verde, arena seca,modles de capa seca.

Fundición a alta presión,se basa en la introducción del metal fundido en la cavi dad del molde por medio de la acción de un pistón que lo somete a una elevada presión (de 7 a 350 MPa), permitiendo así la obtención de mejores tolerancias dimensionales y acabado super cial. En la mayoría de los casos es innecesario el empleo de procesos de mecanizado para mejorar el acabado superficial.Fundición centrífuga auténtica Este proceso se emplea para la obtención de grandes piezas tubulares mediante la introducción de cierta cantidad de metal en un molde dotado de una velocidad de rotación. El metal fundido es sometido a una fuerza centrífuga que lo mantiene adherido a las paredes del molde y le hace adquirir su forma. Debido a la simetría radial de las fuerzas puestas en juego, la super cie interior de las piezas es circular. La super cie externa está limitada a geometrías sencillas como secciones cir culares, octogonales y hexagonales.  Los procesos de fundición semicentrífuga permiten concentrar una mayor densidad de material en las zonas de la periferia de la pieza sometiendo el molde a una velocidad de giro determinada . En este caso no se requiere una velocidad de rotación tan elevada como en la fundición centrífuga. El material de la zona central de la pieza va a tener una menor densidad y va a concentrar una mayor proporción de residuos y poros, pero para este tipo de piezas esta zona no es importante y suele eliminarse por mecanizado para acoplar la pieza. Este proceso se emplea para piezas como poleas o volantes Fundición centrifugada Este proceso se emplea para facilitar el flujo del metal en piezas pequeñas de secciones reducidas. El molde se diseña con cavidades localizadas lejos del eje de rotación, de manera que la fuerza centrífuga distribuya el metal fundido entre estas cavidades. El proceso se usa para componentes pequeños y no es necesario que presente simetría radial,