procesos de manufactura

U n i da d 1 D esar r ol l o de de Productos Manufacturados

1

D i señ o de del Pr odu odu cto ct o y  l a I n gen gen i er ía Concur Con cur r en te 

1.1

DISEÑO DEL PRODUCTO. Con las demandas de reducción en los costos de manufactura, mayor precisión, mejor acabado superficial, tiempo de proceso más corto en la industria y el trabajar las máquinas a altas velocidades, requiere de un diseño de producto que satisfaga esas necesidades y así ser competitivos debido a que cualquier empresa que no realice lo necesario, se verá encaminada a desaparecer. Se deben tomar en cuenta principalmente el volumen de producción y los costos en los  procesos de producción de piezas. Todo lo que requiere una empresa es maximizar la  producción con su correspondiente reducción de costos esto para optimizar el proceso. Para lograr dicho objetivo es necesario considerar todos los costos y el tiempo requerido para fabricar una determinada pieza. Por lo tanto el diseño el diseño de nuevos productos nuevos productos es primordial para la supervivencia de la mayoría de las empresas. las empresas.   Aunque existen algunas que experimentan muy poco cambio poco cambio en sus productos, la mayoría deben revisarlas en forma constante. En las industrias las industrias que cambian con rapidez, la  la  introducción de nuevos productos es una forma de vida y se han desarrollado enfoques muy sofisticados para presentar nuevos productos. Por tanto la manufactura, en su sentido más amplio, es el proceso de convertir la materia prima en productos. Incluye: 1) el diseño del producto, 2) la selección de la materia  prima 3) la secuencia de proceso a través de los cuales será manufacturado el producto. La manufactura es la columna vertebral de cualquier nación industrializada.

F igu ra 1.1 I dea dea de Steve Steve Jobs para para l os autos del del f utu r o.

2

A continuación se describen los pasos necesarios para el desarrollo de un producto.

F igu ra 1.2 Al gori tmo para el di señ o de un producto.

1. Generación de la idea. Las ideas se pueden obtener a partir del mercado o de la tecnología. Las ideas del mercado se generan de las necesidades del consumidor. La identificación de las necesidades del mercado puede llevar entonces al desarrollo de nuevas tecnologías y  productos para satisfacer estas nece sidades, por otro lado las ideas también pueden surgir de la tecnología disponible o nueva. 2. Selección del producto. No todas las ideas nuevas deben desarrollarse para convertirlas en nuevos productos. Las ideas para nuevos productos deben pasar por lo menos tres pruebas: el  potencial del mercado, factibilidad financiera, compatibilidad con operaciones. Antes de colocar la idea de un nuevo producto en el diseño preliminar se le debe someter a los análisis necesarios que se organizan alrededor de estas tres pruebas. El propósito del análisis de selección es identificar cuales son las mejores ideas.

3

3. Diseño preliminar. Esta etapa del diseño de un producto se relaciona con el desarrollo del mejor diseño para la idea del nuevo producto. Cuando se aprueba un diseño preliminar, se  puede construir un prototipo para someterlo a pruebas adicionales y análisis. En el diseño  preliminar se toma en cuenta: c uenta: costo, calidad y rendimiento del de l producto. El resultado debe deb e ser un diseño de producto que resulte competitivo en el mercado y que pueda producirse. 4. Construcción del prototipo.  La construcción del prototipo puede tener varias formas diferentes, se pueden fabricar a mano varios prototipos que se parezcan al producto final o con la tecnología de prototipaje rápido. 5. Pruebas. Las pruebas en los prototipos buscan verificar el desempeño técnico y comercial. Una manera de apreciarlo es construir suficientes prototipos como para apoyar una prueba de mercado. Las pruebas de mercado casi siempre duran entre seis meses y dos años y se limitan a una región geográfica pequeña. El propósito de una prueba de mercado es obtener datos cuantitativos sobre la aceptación que tiene el producto entre los consumidores. 6. Diseño definitivo del producto. Como resultado de las pruebas en los prototipos se pueden incorporar ciertos cambios en el diseño definitivo. Cuando se hacen cambios, el producto  puede someterse a pruebas adicionales para asegurar el desempeño del producto final. La atención se coloca en la terminación de las especificaciones de diseño para que se pueda  proceder con la producción. prod ucción. El área destinada para lograr lo anterior es la de diseño y tiene como función principal desarrollar el producto o diseñar el servicio hasta el nivel de especificaciones técnicas y, al mismo tiempo, proveer servicios técnicos al resto de la empresa. Esta área en ocasiones también se le conoce como: departamento técnico o área técnica, departamento de diseño o área de diseño. Ahora, para mantener un producto vigente se requiere de hacer adaptaciones y/o modificaciones al mismo, para lo cual es necesario tomar en consideración el mapa de la figura 1.3.

4

F igur a 1.3 mapa para el des desarrol lo de un producto. producto.

Las actividades del área técnica que se desarrollan son:

1. Investigación.  Se cumple, por lo general, sólo en las grandes empresas. Existen dos tipos de investigación: la investigación básica (pura) o investigación aplicada (práctica). Las empresas realizan especialmente investigación aplicada, es decir, la que  pretende encontrar soluciones a problemas de productos/servicios. La investigación  básica se desarrolla, fundamentalmente, en las universidades universida des y centros privados. 2. Invención o adaptación. La invención es un producto de la creatividad e innovación del hombre, relacionado con la aplicación técnica de principios científicos. Tiene estrecha relación con la generación de ideas y con los conocimientos de ingeniería. Es una actividad que le compete a ingeniería del producto. La adaptación es el aprovechamiento de invenciones producidas fuera del ámbito de la empresa. Cuando el invento (interno o externo) se incorpora realmente a la empresa (nuevo  producto, nueva maquinaria o equipo), se dice que se ha producido una innovación (tecnológica). Cuando se trate de maquinarias, equipos y procesos, le corresponderá a Ingeniería Industrial.

3. Desarrollo del producto (concretar la idea).  Es la función principal de esta sub  –  área. La idea generada en Planeamiento del Producto debe convertirse en  producto/servicio. Se lleva a cabo mediante dos conjuntos de actividades: Se obtiene como resultado el denominado modelo o prototipo, 5

Con el prototipo, el desarrollo continúa con estudios de comercialización, hasta lograr definirlo, es decir, hasta lograr el listado definitivo de las especificaciones técnicas:

1. Definición de las Especificaciones Técnicas del producto/servicio. Son el conjunto de características físicas distintivas del producto. Para el caso de servicios, constituyen las modalidades distintivas de los mismos. Las dimensiones físicas, las características físicas de textura, color, olor… (organolépticas) y cualquier otro detalle de ingeniería que identifique al producto son las denominadas especificaciones técnicas. Las mismas se detallan en listados de  piezas, partes o componentes y, también, en los planos de los productos. En el caso de servicios, se detallan con precisión en documentos escritos que sirven para instruir al  personal sobre procedimientos a seguir para prestar el servicio. Al efectuar el listado de especificaciones del producto, se está en condiciones de conocer las herramientas y/o equipos especiales que serán necesarios para la elaboración. Ingeniería del Producto debe trabajar coordinando su propia gestión con la llevada a cabo en la sub –  área Ingeniería Industrial. Ingeniería del Producto/Servicio debe diseñar el producto/servicio de tal manera que el mismo logre el máximo valor para el consumidor final. Este valor es la importancia que el consumidor le asigna al producto/servicio y hace que lo compre/use. El valor está relacionado con el precio del producto y con la función que cumple. Dada una función, cuanto más reducido sea el precio de venta, mayor será el valor asignado por el consumidor para el producto/servicio. La técnica Análisis del Valor  permite lograr diseños a costos más bajos. Lo que incrementa el valor de los bienes/servicios. Los sistemas CAD/CAM agilizan y potencian la capacidad humana, en aras de lograr diseños con diferentes materiales que abaraten costos y aumenten valor.

2. Evaluación económica del proyecto. Una vez desarrollado el producto (servicio), se  puede efectuar un estudio más profundo de las posibilidades económicas futuras. Este estudio se realiza en el ámbito del área Finanzas de empresas, con datos e información provistos por Ingeniería del Producto (servicio), Ingeniería Industrial, Compras, Mantenimiento y Seguridad e Higiene Industrial.

3. Servicios de ingeniería del producto / Diseño del servicio. Cuando el producto tiene una cierta complejidad de diseño, la sub  –   área Ingeniería del Producto / Diseño del Servicio asesora a otras sub  –   áreas y área de la empresa: Ingeniería Industrial, Fabricación, Compras, Control de Calidad y a Comercialización. Se debe tener en cuenta que en el diseño de un producto existen errores los cuales afectan directamente con lo planeado originalmente. 6

Éste es un problema a resolver por la propia sub  – área Ingeniería, y también por la gerencia general, en tanto es responsable de la incorporación de nuevos productos o modificación de los diseños actuales. Los errores que se pueden cometer al diseñar un producto o servicio pueden deberse a:

1. Error de dirección.  Se comete cuando la dirección responsable del nuevo  producto/servicio o de la modificación del actual no transmite con precisión la idea generada a los encargados del diseño. En ocasiones, éste es un verdadero error de intención, es decir, no se estipula claramente para qué se va a usar el producto/servicio. Se origina en el área Planeamiento del producto/servicio. 2. Error en la consideración de la fisiología humana. Se comete cuando el diseño no tiene en cuenta la anatomía y fisiología del ser humano. 3. Error de geometría. Es un error de dimensión o forma del bien. 4. Error de estructura.  Se produce cuando el producto se diseña con una forma inadecuada para lograr la resistencia que debe tener. 5. Error de materiales.  Se comete cuando se utilizan materiales más costosos que los estrictamente necesarios, según el diseño y la función a cumplir por el producto. También se comete cuando se utilizan materiales cuya resistencia es inferior a la requerida. También se lo conoce como error de eficiencia. 6. Error de estética.  Se comete cuando la apariencia del producto es desagradable, o cuando algunas características lo son. 7. Error por falta de consideración de factores psicosociales.  Cuando se diseña sin tener en cuenta las pautas culturales: tradición, costumbres, religión, creencias, valores sociales … 8. Error de ajuste a la empresa.  Se diseña sin tener en cuenta las posibilidades de fabricar en serie, de proveer el servicio, de mantener maquinarias y equipos en buen estado de conservación … 9. Error por no considerar disposiciones legales. Cuando no se investiga el listado de  patentes existentes en el país y en el extranjero.

INGENIERÍA CONCURRENTE (IC). La IC persigue como objetivo principal, reducir el tiempo de introducción al mercado, a través de la integración de todas las actividades a desarrollar dentro del ciclo de vida de un  producto, desde su fase de definición hasta su reciclado o reutilización. La IC, también llamada por muchos autores ingeniería simultánea, es un fenómeno que aparece a principios de la década de los ochenta en el Japón y que llega a Europa a través de 7

América, fundamentalmente Estados Unidos, a finales de esa misma década. La ingeniería concurrente, o el diseño concurrente como transcripción real, está basada en la idea de la convergencia, simultaneidad o concurrencia, valga la redundancia, de la información tecnológica relativa al ciclo de vida de un producto en el diseño del mismo. Pero realmente, el diseño de un producto se ve afectado lógicamente por su ciclo de vida, y no sólo por él, sino  por factores funcionales, estéticos, económicos o de seguridad por lo que, aparentemente, esta tendencia no aporta nada nuevo. Esta filosofía de trabajo involucra, dentro de una compañía, a todas las personas que participan de cualquier manera en el ciclo de vida de un producto en la responsabilidad del diseño del mismo, involucra a los departamentos que se muestran en la siguiente figura.

F igu ra 1.4. Fi losofía de I ngeni ería Concu rrente

La IC (CE en inglés) es un enfoque para la manufactura que permite el diseño y desarrollo simultáneo de productos, procesos y actividades de apoyo. Aunque éste no es un concepto nuevo, como se mencionó, ha recibido recientemente cierto empuje de tecnologías de la información como el Internet o algunas técnicas de Inteligencia Artificial. Específicamente, el uso de software especializado y lenguajes para el manejo de conocimiento que pueden aportar una base confiable y flexible para el desarrollo de  plataformas de ingeniería concurrente (CAD/CAM/CAE). El proceso de diseño para un producto requiere primero de la comprensión clara de las funciones y del rendimiento esperado del producto, el cual puede ser nuevo o una versión revisada de un producto ya existente. Todos hemos observado, por ejemplo, cómo ha cambiado el diseño y el estilo de los automóviles, radios, tostadores, relojes y lavadoras (ver fig 1.5).

8

F igur a 1.5. E volu ción en el cambi o de diseñ o de un vw beetl e 1956 (a) y la n ueva versión el vw new beetl e ) 2012 (b 

Con la ayuda del personal de ventas, de los analistas del mercado y otros dentro de la organización, el mercado de un producto y sus usos anticipados deben ser definidos con claridad. El diseño del producto es una actividad crítica porque se ha estimado que de 70 a 80%, del costo de desarrollo del producto y su manufactura, queda determinado a las decisiones tornadas en las etapas iniciales del diseño, con las nuevas tecnologías de desarrollo de software se ha disminuido considerablemente la etapa de diseño de un producto, anteriormente se destinaba el 60% a la etapa de diseño y un 40% a modificaciones y ensamble, ahora se invirtieron esos porcentajes y con esto a mejorar los productos, simularlos antes de fabricarlos y así disminuir los costos de producción. En teoría, un producto puede fluir en una organización de un departamento a otro de ahí directamente al mercado, pero en la práctica, comúnmente se presentan dificultades. Por ejemplo, un ingeniero de manufactura desearía poner alguna inclinación en la brida de alguna  pieza para aumentar su facilidad de fundición o Podría decidir si es deseable una aleación diferente; estos cambios necesitan una repetición de la etapa de análisis de diseño, a fin de asegurar que el producto seguirá funcionando de manera satisfactoria Existe un gran deseo, impulsado originalmente por la industria electrónica de consumo, en llevar los productos al mercado tan rápidamente como sea posible. La idea subyacente es que los productos que se introducen pronto disfrutan de un porcentaje más grande del mercado y por, tanto de mayores utilidades, y tienen una vida más larga antes de su obsolescencia

9

(claramente una preocupación en la electrónica de consumo). Por estas razones, se debe aplicar la IC. Aunque todavía incluye el flujo de producto general del análisis de mercado a diseño y a manufactura, contiene iteraciones deliberadas. La diferencia principal con el procedimiento más antiguo es que todas las disciplinas están involucradas en las primeras etapas de diseño, como se observó en la figura 1.4 por lo que las iteraciones que por naturaleza ocurren resultan en menos esfuerzo desperdiciado y menos tiempo perdido. Clave para el nuevo procedimiento es la importancia ahora bien reconocida de la comunicación entre y dentro de las disciplinas. Esto es, en tanto debe existir comunicación entre las funciones de ingeniería, mercadeo y servicio, de la misma manera deben existir avenidas de interacción entre subdisciplinas de ingeniería, por ejemplo, diseño para manufactura, reciclabilidad de diseño, diseño para la seguridad con una tendencia a la protección del medio ambiente. La IC es un procedimiento sistemático que integra el diseño y la manufactura de los  productos, manteniendo a la vista la optimización de todos los elementos involucrados en el ciclo de vida del producto.

10

F igu ra 1.6 Cicl o de vida de un produ cto. (a) tr adicion al y ( b) bajo l a fi losofía de la i ngeniería concur rente.

Se pueden observar en la Figura 1.6 que con la filosofía de la IC se tiene claramente un  beneficio con relación a la inversión. Con el enfoque propuesto, el equipo de diseño planifica el propio ciclo de vida y analiza cada una de sus facetas, con el objetivo de prever en todo lo posible, cada uno de los detalles. Estos detalles hacen evolucionar el propio diseño del producto y en esta fase están involucrados tanto los responsables de fabricación como los responsables de ventas y servicio  posventa. El objetivo es alimentar con información de campo cada una de las facetas del diseño con el fin de que cuando se haya concluido esta fase, el producto esté totalmente definido y no sufra posteriores modificaciones. Todo ello debe ser diseñado con objeto de que la fabricación, el ensamble y el embalaje se hagan de forma óptima. El producto, en su momento, indefectiblemente va a tener problemas que van a provocar su fuera de servicio. Estos problemas deben ser analizados en detalle deforma que el diseño organice, desde el  principio, los planes de mantenimiento y reparaciones necesarios para el equipo. Dentro de esta fase se incluyen el diseño del sistema productivo, el programa de lanzamiento comercial, los planes de mantenimiento y servicio posventa así como los  procedimientos previstos para el reciclado del producto cuando éste quede obsoleto. Todos estos factores influyen de manera decisiva en el propio producto y su análisis detallado es la única garantía fiable de conseguir que no haya rectificaciones al diseño en las fases posteriores El ciclo de vida significa que todos los aspectos de un producto, como diseño, desarrollo, producción, distribución, uso, eliminación y reciclado se consideran de una manera 11

simultánea. Las metas básicas de la ingeniería concurrente son reducir los cambios en diseño, ingeniería de producto y reducir el tiempo de los costos involucrados en tomar el producto de su concepto de diseño a su producción e introducción en el mercado. La filosofía de la ingeniería del ciclo de vida requiere que toda la vida de un producto sea considerada en la etapa de diseño: el diseño, producción, distribución, uso y eliminación/reciclado deben ser considerados de manera simultánea. Por lo que un producto  bien diseñado es funcional (diseño), bien fabricado (producción), bien empacado (de manera que llegue con seguridad al usuario final, es decir al cliente-distribución), durable (funciona efectivamente durante su vida pretendida), mantenible (tiene componentes que se pueden reemplazar, mantener o reparar con facilidad, uso) y es eficiente en recursos (se puede desarmar, de manera que los componentes puedan ser reciclados o eliminados). La necesidad de la integración de múltiples disciplinas en el desarrollo del producto se  presenta en todo ese ciclo. Por ejemplo, la producción de desechos se encara mejor durante el desarrollo del producto, al seleccionar materiales fácilmente reciclables. Además, cada uno de los requerimientos demanda nuevas habilidades del equipo de desarrollo del producto, y así cada uno de ellos demanda la aplicación de la ingeniería concurrente. A pesar de que parece lógico y eficiente el concepto de IC, su implementación puede involucrar esfuerzo y tiempo considerables, cuando aquellos que lo utilizan o no trabajan como un equipo, o no comprenden y aprecian sus beneficios reales. Es aparente que, para que tenga éxito la ingeniería concurrente, deberá:

a.

Contar con el apoyo total de la administración superior

b.

Efectuar un trabajo en equipo multifuncional e interactivo, incluyendo grupos de apoyo; y

c.

Utilizar todas las tecnologías disponibles

Existen numerosos ejemplos de los beneficios de la ingeniería concurrente. Una empresa automotriz por ejemplo, ha reducido el número de componentes en uno de sus motores en un 30%, y como resultado ha reducido el peso del motor en un 25% y su tiempo de manufactura en 50% como se puede observar en la siguiente figura.

12

F igur a 1.7 M otor Renaul t Cli o pri mera generación (a) y ulti ma (b)

El concepto de ingeniería concurrente se puede implementar en empresas tanto grandes como pequeñas, una aplicabilidad que es de particular valor en vista del hecho de que la mayor parte de las empresas manufactureras tienen menos de 500 empleados. Para empresas tanto grandes como pequeñas, el diseño del producto a menudo involucro preparar modelos analíticos y físicos del mismo, como ayuda para estudiar factores tales como fuerzas, esfuerzos, deflexiones y forma óptima de la pieza. La necesidad de estos modelos depende de la complejidad del producto. Hoy en día, la construcción del estudio en modelos analíticos se ha simplificado a través del uso del diseño (CAD), y de las técnicas de ingeniería (CAE) y de manufactura (CAM) asistidos por computadora.

13

Diseñ o para M anufactura,

1.2

Ensamble, Desensamble y Servicio. DISEÑO PARA MANUFACTURA Y ENSAMBLE (DFM/A)

El DFMA cuyo significado es ―Design for Manufacturing and Assembly‖ – ―Diseño  para la Fabricación y el Ensamble ‖, consiste en un conjunto de técnicas y metodologías para la

mejora del diseño, o rediseño, de un producto y tienen como objetivo principal mejorar los aspectos de fabricación, ensamble y costo, respetando las funciones esenciales del producto.

F igur a 1.8 Ensamble de un motor automotriz

Para fabricar una parte determinada, las decisiones acerca del material, la geometría de  partes, las tolerancias, el acabado de superficies, el agrupamiento de partes y las técnicas de ensamble limitan la cantidad de procesos de manufactura que pueden usarse. Si el ingeniero de diseño (El ingeniero de diseño es un profesional capaz de diseñar un producto definiendo y  proyectando las prioridades y las relaciones funcionales del producto de modo que formen un todo, también es capaz de buscar oportunidades comerciales para nuevos productos) diseña una pieza de aluminio fundida en arena con características que sólo pueden obtenerse mediante maquinado (por ejemplo, superficies planas con buenos acabados, tolerancias cerradas y orificios roscados), el planificador de procesos no tiene otra alternativa que especificar un fundido en arena, seguido por la secuencia necesaria de operaciones de maquinado. Si el ingeniero de diseño especifica un conjunto de estampados en láminas metálicas que se van a ensamblar mediante sujetadores roscados, el planificador de procesos 14

debe establecer la serie de pasos para el perforado, formado, fabricar los estampados y después ensamblarlos. En estos dos ejemplos, una parte moldeada en plástico puede ser un diseño superior, tanto en el aspecto funcional como económico. Es importante que el ingeniero de manufactura (El ingeniero de manufactura determina la forma más efectiva de combinar  personas, máquinas, materiales, información y energía para planificar un proceso y elaborar el  producto, también administran sistemas integrados de manufactura) actúe como un consejero  para el ingeniero de diseño en cuestiones de capacidad de manufactura. Un diseño de producto que es funcionalmente superior y al mismo tiempo puede producirse a un costo mínimo representa la máxima promesa de éxito en el mercado. Las carreras exitosas en la ingeniería del diseño se construyen sobre productos exitosos. Algunos términos que se asocian frecuentemente con este intento de influir de manera favorable en la manufacturabilidad de un  producto son el diseño para manufactura (en inglés design for manufacturing, DFM) y diseño  para ensamble (design for assembly, DFA), por supuesto, el DFM y el DFA están inseparablemente acoplados, por lo que los llamaremos DFM/A. El ámbito del DFM/A se expande en algunas compañías para incluir no sólo aspectos de capacidad de manufactura sino también de comercialización, aplicación de pruebas, capacidad de servicio y de mantenimiento, etc. Esta visión más amplia requiere aportaciones de muchos departamentos, además del de diseño e ingeniería de manufactura El diseño para manufactura y ensamble es un enfoque para el diseño de productos que incluye sistemáticamente consideraciones sobre la capacidad de manufactura y de ensamble en el diseño. El DFM/A incluye 1) cambios en la organización y 2) principios y pautas de diseño. El DFMA  se engloba dentro de la IC (también denominada en la literatura especializada ingeniería simultánea, diseño total o diseño integrado) como un enfoque concreto orientado a la fabricación y el ensamble. Por medio del DFMA se concibe la ingeniería de diseño y desarrollo de productos y servicios de forma global e integrada donde concurren los siguientes puntos de vista: 

Producto: tiene en cuenta tanto la gama que se fabrica como los requerimientos de las distintas etapas del ciclo de vida, los costos o recursos asociados (función, fabricación, ensamble, calidad,…).



Recursos humanos: se trabaja en equipos multidisciplinarios donde colaboran  profesionales que actúan de forma colectiva en tareas de asesoramiento y de decisión o de forma individual en tareas de impulsión y gestión, tanto pertenecientes a la empresa como externas a ella (otras empresas, universidades, centros tecnológicos).



Recursos materiales: Concurren nuevas herramientas basadas en tecnologías de la información y la comunicación, cada vez más integradas (modelización 3D, herramientas de simulación y cálculo, prototipos y útiles rápidos, comunicación interior, Internet).



En la actualidad, las empresas mundiales más grandes y rentables hacen uso de técnicas y herramientas propias del DFMA para:

15

o

Analizar la cadena de costos de gestión.

o

Simplificar los productos y mejorar la calidad

o

o

Mejorar la comunicación entre los departamentos de diseño, fabricación, compras y gestión. Recortar los costos de fabricación y ensamble.

Estas metodologías y herramientas fueron introducidas en la industria por el Dr. Boothroyd y el Dr. Dewhurst in 1983. De hecho, ellos son los propietarios de la marca registrada ‖DFMA‖. Desde entonces, empresas de mundos tan dispares como el automotriz, maquinaria agrícola, computadoras, instrumentación, mobiliario, …, han recortado millones de euros, dlls… de sus costos de fabricación y ensamble de productos aplicando estas técnicas. Además estos productos acostumbran a tener una estructura modular que facilitan el mantenimiento y la reparación. PRINCIPALES IMPLICACIONES EN EL DISEÑO Las decisiones tomadas en la fase de diseño comprometen el 70% del costo del  producto. Si se desea reducir los costos de un producto, una posible línea de actuación sería a través del DFMA mediante una optimización del diseño del producto. Las empresas, tradicionalmente, diseñan un producto asumiendo que los costos de fabricación y ensamble son los mismos que los de productos similares. En ocasiones, los  propios diseñadores carecen de la información necesaria que les permita cuantificar los costos de cada conjunto o soluciones alternativas como son:  

Organización de los equipos Los equipos de diseño se organizan en torno a una figura de un responsable o gestor de  proyecto que impulsa el proyecto en todos sus ámbitos, apoyándose en comités de expertos o responsables de todas las etapas de ciclo de vida del producto para no pasar  por alto aspectos que pudieran tomar importancia en etapas cercanas al lanzamiento del  producto al mercado, con el poco margen de maniobra y costos asociados que ello conllevaría.



Así, también se facilita la creatividad de los equipos de trabajo y la innovación.



Arquitectura de productos



Partiendo de unas buenas especificaciones, se comienza el diseño abordando la arquitectura del producto, teniendo en cuenta sus funciones y las posibilidades de estructurarlo en distintos módulos que pueden ser comunes en otros productos de la misma familia o gama. Miller & Edgard proponen modelos de modularización agrupados en cuatro categorías: 16



•

Reutilización de conocimiento en el diseño

•

Personalización en la fabricación

•

Configuración de variantes en el ensamble

•

Adaptación después de la fabricación (uso)

Diseño y desarrollo o

Avanzando en el diseño conceptual, de materialización y detalle del producto, se ha de conocer las nuevas tecnologías de fabricación con soporte informático así como las de rapid prototyping o rapid manufacturing, sin despreciar las tradicionales. Confiar en la subcontratación de componentes de mercado con o sin modificar es una estrategia a tener en cuenta. De este modo, se facilita la elección de la opción más adecuada. Además, a la hora de diseñar es conveniente tener en cuenta las simetrías, efecto de los espesores y dimensiones de las piezas, de las tolerancias y chaflanes o las dificultades de acceso y visión a fin de evaluar con precisión su influencia y utilizarlas con eficacia.

Manufactura para el Ensamble. Gran parte de la literatura sobre la personalización en masa (mass customization) se centra sobre la modularidad, estrategia según la cual las variantes se obtienen por combinación de módulos estándar y que se ha denominado estandarización personalizada (customized standarization). [Lampel & Minzberg, 1996] El ensamble de los módulos suele tener lugar en la empresa, pero también puede ser el usuario quien combina o monta los módulos (el caso de IKEA, por ejemplo). OBJETIVOS DEL DFMA RESPECTO AL ENSAMBLE El ensamble es una etapa que tiene un carácter integrador por excelencia en el que se detecta de forma inmediata una parte muy importante de los defectos de concepción de un  producto y de fabricación de sus piezas. En el ensamble confluyen, pues, un conjunto complejo de operaciones que hay que analizar cuidadosamente para su optimización y aplicación del DFMA. Así, será necesario analizar las siguientes operaciones: 

la manipulación y composición de piezas y componentes



la unión entre piezas 17



el ajuste



la puesta a punto



la verificación del ensamble

A pesar de que las operaciones de puesta a punto y verificación pueden argumentarse que no corresponden propiamente al ensamble, lo cierto es que están íntimamente ligadas, por lo que es recomendable incluirlas. El ensamble de un producto o de una máquina está relacionado tanto con la productividad y disminución de costos, como con la funcionalidad y la calidad. Por ello la tendencia de las industrias con producto propio es de subcontratar una  parte importante de la fabricación de piezas y componentes y, al mismo tiempo, reservarse las operaciones de ensamble final, puesta a punto y verificación como garantía de una correcta funcionalidad y calidad del producto. Con el fin de que un producto adquiera la funcionalidad para la que ha sido concebido, a la vez que su ensamble resulte fácil y barato, es conveniente seguir una serie de recomendaciones de diseño con el fin de reducir al máximo los defectos que afecten al ensamble. También, además de nuevos conceptos y recomendaciones, es importante disponer de métodos para evaluar las distintas alternativas generadas. A continuación se presenta una guía con los defectos de ensamble más frecuentes, una serie de recomendaciones para evitarlos y un método para la evaluación cuantitativa del ensamble.

Defectos más frecuentes en el ensamble Los defectos más frecuentes que afectan en las operaciones de ensamble son: a) Defectos que inciden en las operaciones de manipulación: 

Dificultad en el reconocimiento y referenciación de piezas



Dificultad de presión



Dimensiones o formas de difícil manipulación



Roturas en la manipulación y en la inserción

 b) Defectos que inciden en las operaciones de composición: 

Errores dimensionales y de forma



Elementos deformados (fundición, soldadura, tratamientos térmicos)



Tolerancias excesivamente críticas



Falta de referenciación de elementos 18



Falta de elementos de guía en las inserciones

c) Defectos que inciden en las operaciones de unión: 

Acceso difícil a los puntos de unión



Limitaciones en los movimientos para la unión



Incorrecto encaje de las piezas (especialmente en chapas)



Contaminación de superficies (soldadura, encolado)

d) Defectos que inciden en la funcionalidad y la calidad: 

Funcionamiento incorrecto de enlaces (articulaciones, guías, rótulas)



Sujeción deficiente de piezas y componentes



Dispositivos que se desajustan, o que fallan



Defectos estéticos en las partes exteriores



Dificultad de desensamble (disminución de la disponibilidad)

La etapa de ensamble es clave en el DFMA. En el momento del ensamble se detectan todos los aciertos y errores de la etapa de diseño. El ensamble de un producto integra una serie de operaciones que hay que tener en cuenta a la hora de diseñar y que afectan directamente a los costos de dicho producto: manipulación, composición, unión, funcionalidad y comprobación de la calidad. La estructuración modular es una herramienta muy útil del DFMA que incide de forma  beneficiosa en numerosos aspectos del producto y que influye en gran medida en las secuencias de ensamble. Las recomendaciones básicas para un buen diseño para el ensamble, son: disminuir la complejidad, siempre que sea posible, establecer un elemento base en los ensamblajes, limitar al máximo las direcciones de ensamble y simplificar las uniones entre piezas. Como hemos visto, el diseño y la manufactura deben estar estrechamente interrelacionados; no deberán ser nunca vistos como disciplinas o actividades por separado. Cada pieza o componente de un producto debe ser diseñado no solo para que llene los requerimientos y las especificaciones de diseño, sino también para que pueda ser manufacturado económica y eficientemente. Este procedimiento mejora la productividad y  permite que un fabricante se mantenga competitivo. Esta visión ensanchada ha sido reconocida como el área de diseño para la manufactura (DEM). La implementación efectiva del diseño para la manufactura requiere que los 19

diseñadores tengan una comprensión básica de las características, capacidades y limitaciones de los materiales, de procesos de manufactura y operaciones, maquinaria y equipos relacionados. Este conocimiento incluye características como: la variabilidad del desempeño de las máquinas, en precisión dimensional y en acabado superficial de la pieza de trabajo; el tiempo de proceso, y el efecto del método de procesamiento sobre la calidad de la pieza. Una vez que se han manufacturado las partes individuales, deben ensamblarse en un  producto. El ensamble  es una parte importante de la operación general de manufactura y requiere consideración sobre la facilidad, velocidad y costo de unir las piezas. También muchos productos deben ser diseñados de manera que sea posible su desensamble, a fin de  permitir que desarme el producto para su mantenimiento, servicio o el reciclaje de sus componentes. Dado que las operaciones de ensamble pueden contribuir significativamente al costo del producto, el diseño para el ensamble (DFA) así como el diseño para el desensamble se reconocen ahora como aspectos importantes en la manufactura.

DISEÑO PARA EL DESENSAMBLE (DFD)

F igu ra 1.9 Pack de hil o dental . D esensamble en 10 segun dos.

Design for Disassembly(DFD). En el contexto de la ingeniería, el desensamble se  puede definir como el proceso organizado de separar un producto. Los productos se pueden desmontar para permitir su mantenimiento, para aumentar su servicio, etc., y una vez llegados a su fin de vida (EOL) se pueden desmontar para reutilizarlos, refabricarlos o reciclarlos.

20

El objetivo del DFD es diseñar productos que además de ser eficientes en materia de  proceso de ensamble, también sean fácilmente desarmados, para fines de reúso de componentes o reciclado de los mismos. Normalmente se aplican los mismos criterios que en DFA, buscando que los elementos de armado sean fácilmente removidos mediante herramientas convencionales. ¿Qué pasa cuando el producto necesita ser reparado? ¿Y si hay que reemplazar alguna de sus  partes? ¿Quién se encargaría de eso? ¿Arreglarlo será una tarea simple e intuitiva? ¿El  producto puede ser arreglado y vuelto a usar? Si el producto va a ser finalmente desechado, ¿qué tan fácil es el despiece? Respondiendo estas preguntas es que el método DFD mejora la efectividad de los productos. El análisis del ciclo de vida de un producto nos indica que gran parte del costo asociado al producto puede ser atribuido al proceso del diseño del mismo. Se ha probado que la optimización del proceso de desensamble cuenta con un escaso 10-20% del beneficio obtenido con el desensamble. Es en la etapa de diseño donde se define el 80-90 % de los  beneficios que se pueden obtener con el DFD. Según la norma UNE-EN ISO 14021:1999, la utilización del término diseño para desmontar se refiere a: ―Una declaración de diseño de un producto que permite que éste pueda ser separado al final de

su vida útil, de tal manera que permita que sus componentes y partes sean reutilizadas, recicladas, recuperadas en forma de energía, o de alguna otra manera, separadas de la corriente de los residuos‖.

Dependiendo de cuál sea el destino final de las piezas, el desensamblado tendrá unas características distintas. Así, la reutilización obliga a un desensamblado mucho más cuidadoso que el reciclaje, pero en todo caso, es un proceso que consume recursos y tiempo, y que condiciona la calidad final de la refabricación. Por lo tanto, la industria está interesada en el desarrollo de métodos y herramientas que incorporen consideraciones ambientales en el diseño de producto. DFD, es por lo tanto, una estrategia clave dentro del área del diseño y desarrollo de productos sostenible. Los parámetros que afectan al proceso de desensamble vienen determinados por las actividades que se realizan antes, durante y después del proceso de desensamble y por otra  parte, a la hora de realizar el diseño de un producto pensando en el desensamblado del mismo existen una serie de factores que nos condicionan el diseño. Todos estos factores se han resumido en los siguientes parámetros: 1. La estructura de producto. 2. El tipo y número de uniones. 3. Características de la pieza a desensamblar. 4. Destino final de las piezas. 5. Visibilidad del elemento de unión. 21

6. Las condiciones en que se realiza el desensamble.

Analizando estos parámetros podemos decir que el diseñador es la persona que decide: •

El tipo y el número de uniones.

•

Las características de las piezas.

•

La visibilidad del elemento de unión.

Pero en cambio está condicionado por la estrategia de producto en los parámetros: •

Estructura de producto.

•

Destino final de las piezas.

•

Las condiciones de desensamble.

El diseño para desensamble (DFD) busca facilitar que un producto y sus piezas puedan ser fácilmente reutilizadas, refabricadas o recicladas. Por eso, cada vez es más importante tener en cuenta el DFD al realizar nuevos diseños. Con ello, se lograría disminuir el impacto medioambiental de los productos reduciendo así el camino hacia la sostenibilidad de la sociedad. El objetivo de la comunicación es analizar cómo pueden evolucionar los parámetros que afectan al desensamble empleando la metodología para la innovación tecnológica e inventiva (TRIZ),nacida en Rusia en los años 40 y es el acrónimo de Teorija Rezbenija Izobretatelskib Zadach (teoría de la solución de problemas e inventiva), en Estados Unidos se conoce como Innovación Sistémica, de tal manera, que se obtengan soluciones de diseño ecoinnovadoras. Integrando soluciones eco-innovadoras en la industria permitirá que los diseñadores realicen diseños más respetuosos con el medio ambiente. De cara a planificar el desensamble de un producto hay que tener en cuenta si se realiza un desensamblado parcial o total, dado que según la opción elegida se deben seguir unas u otras estrategias. El desensamblado parcial consiste en desensamblar un determinado componente o conjunto de ellos, sin necesidad de separar todos los componentes del producto. El desensamblado total pretende separar todos los componentes del producto obteniendo cada uno de los componentes por separado. 22

A la hora de realizar una planificación para desensamblar un producto un aspecto a tener en cuenta es la representación que se va a realizar de él. Ésta determina el tipo de operario necesario para poder definirla: cualificado o no cualificado. La representación expresa el producto de manera simbólica, las distintas piezas que lo forman así como las relaciones entre ellas. Para ello existen en la bibliografía múltiples métodos para llevarlo a cabo, ya sea por medio de representaciones que reflejan distintas materias primas que componen un producto, aquellas que intentan recuperar ciertas piezas, otras que detallan todos y cada uno de los componentes y sus características, etc. Una determinada representación está preparada para un operario en concreto de manera que hay esquemas que intentan reflejar el producto desde el punto de vista del diseñador, otros desde el  punto del usuario, otros desde las relaciones entre los distintos componentes, otros desde las características de los componentes, etc. Esto no quiere decir que una forma de expresar un  producto excluya a la otra, pero a la hora de realizar el diseño se debe tener en cuenta a quién va dirigida la representación, y como se dijo anteriormente, en la fase de diseño del producto, se deben reflejar las características del mismo, y cuando sea posible, considerar también los métodos para su desensamblado. Esta manera de ver la representación de un producto es muy útil si se realiza desde el primer momento del ciclo de vida, pero en la actualidad muchos  productos no tienen una representación pensada para el desensamblado con lo que se debe  buscar una manera de reflejar sus características. Dicha representación interesa que pueda ser realizada por un operario que tenga conocimientos del producto en particular, sin necesidad de tener grandes conocimientos técnicos, esta es una de las características que se plantea en la representación aportada por esta tesis. Dado que al tratarse de productos ya diseñados interesa  poder introducirlos fácilmente en un programa que calcule la secuencia de desensamblado. A la hora de seleccionar una manera para representar un producto a desensamblar hay que realizar un estudio sobre cuáles son las características del mismo que se quieren reflejar en el esquema, el tipo de desensamblado a efectuar, a quién va dirigida dicha representación, etc. Las características que se quieran representar del producto influyen también en la representación, en el sentido de reflejar hasta que nivel de detalle se quiere llegar a definir el mismo, es decir, qué componentes forman el producto. Por ejemplo en una computadora se  pueden considerar como componentes las tarjetas, los discos duros pero no los chips que componen dichas tarjetas y discos duros. Con esta representación no se pueden desensamblar los distintos chips, pero si no se desea llegar a ese nivel de desensamblado el esquema es correcto y además más sencillo que si se tienen en cuenta dichas características. Esto quiere decir que para un mismo producto se dan distintas representaciones según el objetivo  perseguido en el desensamblado. Esta profundidad se puede seleccionar en base a múltiples criterios, tanto económicos como ecológicos, según el objetivo final perseguido. Además de definir el nivel de detalle en la representación hay que dejar claro hasta que  punto es rentable el desensamblado de un producto, ya que su desensamblado total puede no serlo, pero uno parcial sí. Para calcular hasta donde es rentable realizar el desensamblado se utilizan técnicas que maximizan el beneficio obtenido en un proceso de desensamblado. Estas técnicas, que permiten calcular hasta qué punto es rentable desensamblar un producto, se denominan en la bibliografía como disassembly leveling. 23

La información que se necesita de cada componente así como de las relaciones entre ellos dependen del tipo de desensamblado a realizar. Si se quiere realizar un desensamblado  para el reciclado del producto entonces lo que interesará reflejar en la representación son los distintos materiales de los componentes ya que el desensamble de dos componentes conjuntamente es correcto si están compuestos por el mismo material, puesto que no habría ningún problema para su reciclado. Si por el contrario se desea realizar un desensamble para mantenimiento o para la reutilización de los componentes, interesa en vez de una representación que refleje los distintos materiales, una representación que tenga en cuenta los componentes que pueden ser sustituidos o recuperados así como los enlaces que tienen entre sí y cómo se pueden eliminar. Lo que se persigue con una estrategia de planificación del proceso de desensamblado es obtener una secuencia de las operaciones a realizar para quitar los componentes de un  producto necesarios para acceder a un determinado componente o para separarlos todos. La cantidad de posibles soluciones crece exponencialmente con el número de componentes que  posee el producto, con lo cual calcular la solución óptima requiere de técnicas adecuadas que van apareciendo paulatinamente en la literatura que consiguen mejorar la generación de las secuencias de desensamblado. Estas técnicas se describen en el siguiente apartado. Este incremento en la cantidad de soluciones existentes en la generación de secuencias de desensamblado es debido a que se trata de un problema completo. Por ejemplo, un producto con 3 componentes puede tener hasta 3! = 6 secuencias distintas de desensamblado, mientras que un producto con 10 componentes podría tener hasta 10! = 3.228.800 secuencias de desensamblado distintas. Aunque, considerando las restricciones existentes entre los componentes, se reduce el número de secuencias a analizar, para obtener la óptima, la cantidad de soluciones se supone que sigue siendo grande para productos complejos, lo que implica el desarrollo de heurísticas y métodos para calcular las secuencias de desensamblado de un  producto.

DISEÑO DE SERVICIO (DFS) Design for Service. La tendencia más reciente ahora incluye el diseño para el servicio, cuya meta es que las partes individuales y subensambles de un producto sean fáciles de alcanzar y dar servicio. La tendencia ahora es combinar el diseño para la manufactura y el diseño para el ensamble en un diseño más completo para la manufactura y ensamble (DFMA) que reconoce la relación inherente entre la manufactura de los componentes y su ensamble en su producto final.

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F igur a 1.10 Pr esentaci ón corpor ati va de diseñ o de servicio

El diseño de servicios es la actividad de planificar y organizar: personas, infraestructura, comunicación y materiales que componen un servicio, para mejorar su calidad, la interacción entre el proveedor, los consumidores y la experiencia de los mismas. El diseño de servicios permite diseñar experiencias memorables para las personas usuarias creando nuevos vínculos entre los diferentes agentes del proceso potenciando sus capacidades de acción e interacción. El aumento del tamaño y la creciente importancia del sector servicios, tanto en número de gente empleada como en importancia económica, requiere que los servicios sean minuciosamente diseñados para que los proveedores de servicios sean competitivos y continuen atrayendo personas usuarias. El diseño (o rediseño) de un servicio puede requerir por un lado la reorganización de las actividades que realizan los proveedores del servicio (back office) y por el otro el rediseño de las interfaces e interacciones que tienen las personas usuarias con el proveedor del servicio (front office: website, contacto personal, teléfono, blog, etc.) El diseño de servicios se está usando cada día más, tanto en el sector privado como en el sector público para realizar una transformación de la experiencia del servicio acorde con los requerimientos de las personas usuarias. El diseño de servicios se suele basar en el seguimiento cercano (shadowing) y el estudio empático de los usuarios para la mejor comprensión de sus usos y comportamientos con respecto a un servicio. Esta técnica es mucho más certera que las tradicionales encuestas a distancia porque: lo que la gente dice que hace no suele ser lo que realmente hace. Los conceptos e ideas generadas son capturadas en sketches y prototipados de servicio. De esta forma, aplicando herramientas y técnicas de diseño se pueden mejorar o crear los servicios. Para el diseño de un servicio se sugiere seguir las siguientes etapas: 

Definir la necesidad.



Diseñar el servicio base. 25



Diseñar los servicios complementarios y accesorios.



Determinar el soporte físico.



Determinar las necesidades de personal.



Establecer los estándares de servicio.

La principal misión de la fase de Diseño del Servicio es la de diseñar nuevos servicios o modificar los ya existentes para su incorporación al catálogo de servicios y su paso al entorno de producción El Diseño del Servicio debe seguir las directrices establecidas en la fase de Estrategia y debe a su vez colaborar con ella para que los servicios diseñados: Se adecuen a las necesidades del mercado. 

Sean eficientes en costes y rentables



Cumplan los estándares de calidad adoptados



Aporten valor a clientes y usuarios

El Diseño del Servicio debe tener en cuenta tanto los requisitos del servicio como los recursos y capacidades disponibles en la organización TI. Un desequilibrio entre ambos lados de la balanza puede resultar en servicios donde se vean comprometidas bien la funcionalidad o  bien la garantía. El proceso de diseño del servicio no es estanco y debe tener en cuenta que los procesos y actividades involucrados incumben a todas las fases del ciclo de vida. Una correcta implementación del Diseño del Servicio debe ayudar a responder cuestiones tales como:¿Cuáles son los requisitos y necesidades de nuestros clientes? ¿Cuáles son los recursos y capacidades necesarias para prestar los servicios propuestos? ¿Los servicios son seguros, ofrecen la disponibilidad necesaria y se garantiza la continuidad del servicio? ¿Son necesarias nuevas inversiones para prestar los servicios con los niveles de calidad  propuestos? ¿Están todos los agentes involucrados correctamente informados sobre los objetivos y alcance de los nuevos servicios o de las modificaciones a realizar en los ya existentes? ¿Se necesita la colaboración de proveedores externos? 26

El siglo pasado se caracterizó por un auge industrial sin precedentes, que se convirtió  por derecho propio en la locomotora de la economía… sin embargo, las últimas décadas del

siglo pasado y la primera de éste han visto el crecimiento y consolidación del sector servicios como el nuevo motor de la sociedad, representando (con variaciones por países) la parte mayoritaria de la tarta de la actividad económica… lo que se ha dado en llamar la sociedad de la información y los servicios. Sin embargo, y por esquizofrénico que pueda parecer, la realidad es que seguimos aplicando esos caducos principios industriales a la gran mayoría de nuestros  planteamientos de gestión, desde los relacionados con el trato de personas (no recursos, como dictan los planteamientos tayloristas ) hasta los relacionados a cómo plantear un servicio… lo que acaba convirtiéndolos en commodities. Al fi nal, o eres dif erente, o eres barato (Guy Kawasaki)

Es en éste último punto donde quería centrar el foco y poner el acento en  cómo se diseñan, construyen y ejecutan los servicios. La disciplina sobre la que vamos a intentar arrojar algo de luz (y a la vez desmitificar, ya que está rodeada de una aura a partes iguales de glamour y misterio) es el diseño de servicios ( service design). A expensas de entrar en detalle más adelante, creo que la mejor explicación sobre qué es el service design viene de Marc Fonteijn:

“Imagina 2 cafeterías, una pegada a la otra. Ambas venden exactamente el mismo café al

mismo precio. Lo que hace que una de ellas está llena y la otra vacía es el diseño de  servicios” La disciplina del ― service design‖ pone a nuestra disposición un número nada

despreciable de herramientas para entender cómo es la relación con el usuario del servicio, la evolución de la experiencia del cliente a lo largo de la interacción con nuestra organización y cómo se pretende dar respuesta a los problemas identificados en la misma… y sobre todo, como diseñarla de una forma estructurada y razonablemente predecible. Es un sutil pero importante cambio de filosofía: la base del proceso, y donde entraña su poder, es pasar de diseñar el servicio desde el punto de la compañía, basado muchas veces en suposiciones, para hacer un diseño de servicio centrado en el usuario, entendiendo e integrando su comportamiento, necesidades y motivaciones… además de la coreografía de procesos que

componen el servicio, entendiéndolos como un todo.

Algunas características  No se trata pues de gestionar intangibles (aunque obviamente son una parte de ecuación), sino de estudiar, identificar y comprender los puntos de interacción con cliente  (los denominados touchpoints) y diseñar/mejorar el servicio para que éste sea más eficiente posible, relevante y adaptado a las necesidades del cliente, a la vez que sólo mantienen las actividades que realmente aportan valor .

la el lo se 27

Otro de los aspectos que son absolutamente diferenciales de éste planteamiento es que no se trata del típico proceso de consultoría ―tradicional‖, desacoplado de la realidad y cuyas

conclusiones salen de estudiar un montón de cifras y entrevistar a directivos, con un profundo conocimiento de muchos temas, pero desconectados de la realidad del trato diario con el cliente. Para el diseño de servicios es básico hablar con el cliente, estudiarlo, preguntarle, observarlo, entender cómo se relaciona con el resto de actores del servicio… en

definitiva, ponernos en sus zapatos y conseguir una sensación de co-propiedad del servicio que estamos diseñándo (porque no olvidemos, que el poder es del cliente, y como tal se le debe reconocer). Así mismo, me parece especialmente interesante el enfoque al diseño de la experiencia ( puesto que encaja completamente con cómo entiendo yo cualquier proceso de estrategia corporativa): no se trata de realizar una larga y sesuda planificación para hacer una gran y única implantación, sino más bien de crear un diseño de múltiples escenarios, prototipar e iterar en el diseño de servicio hasta dar con el que mejor funciona acorde a los  parámetros que hemos definido… rápido, pequeño y barato

Fases en el proceso de diseñar servicios Aunque obviamente se trata de un proceso artesanal, sí que existen una serie de  planteamientos más o menos comunes. Típicamente, un proceso de diseño de servicios incorpora éstas fases: 1. Observar cómo los usuarios utilizan el servicio. ¿Como se relacionan con él? ¿En que situación? ¿Solos o acompañados? ¿Que hacen antes y después?.. Es mucho más que montar un focus group, ya que como sucede con el Principio de  Heisenberg, la observación adultera el resultado. 2. Involucrar  a los usuarios en el proceso, conseguir su ayuda, ideas y propuestas. ¿Quien mejor que el usuario para contarnos cuales son los puntos de mejora, las situaciones que le producen frustración o para proponernos ideas sobre qué elementos se podrían mejorar? 3. Diseñar el blueprint, donde analizar cómo se entrega el servicio, cómo se relacionan los actores, dónde se entrega el valor…etc (más adelante hablaremos de

esta herramienta, básica para el service design). 4. Analizar la calidad, no sólo a través de los usuarios sino del uso de otros  parámetros (costo-efectividad, posibilidades de mejora..). Los usuarios como fuente única de innovación pueden ser engañosos (no es lo mismo lo que dicen necesitar que lo que de verdad  necesitan –  observación vs. escuha). 5. Desarrollar y crear un mapa de ideas con las posibilidades de mejora identificadas. Es importante crear una herramienta compartida sobre la que trabajar las ideas, que nos permita relacionar conceptos, propuestas…etc.

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6. Prototipar el nuevo servicio. Hay múltiples formas de probar el servicio, pero el objetivo final es fallar barato y conseguir el servicio mejor alineado con los  parámetros establecidos tras varias iteraciones 7. Crear una caja de herramientas, para que el trabajo realizado no sólo se quede en un proyecto de mejora aislado, sino que se convierta en parte integral de los  procesos de la empresa.

29

Selección de materiales

1.3

Cuando se trata de pasar del diseño del material a la selección de que material se debe utilizar, el conocimiento de los requerimientos mecánicos y medioambientales es un conocimiento esencial. Cuándo se trata de diseñar, el conocimiento necesario son los requerimientos según las propiedades de los materiales, los efectos del procesamiento del material y el los parámetros de desempeño. Cuando se trata de que el material desempeñe una función específica es necesario profundizar en los requerimientos y los pasos del  procesamiento que asegurará que el desempeño del material sea el indicado. La Ingeniería en Materiales proporciona una guía que se basa en el conocimiento de las  propiedades base de los materiales, así como la relación que hay entre los varios métodos de  procesamiento de materiales y finalmente de las propiedades finales del material. La Ingeniería en Materiales simplifica la selección de un material ya que toma en cuenta costos, el proceso de manufactura y otros aspectos. Así como posee los conocimientos necesarios para simplificar los procesos de manufactura, y la manera en que los procesos mecánicos y termomecánicos cambian las propiedades del producto final. En el proceso de selección de materiales comienza con conocer los detalles de que  pasos y métodos actuales son requeridos para una apropiada selección de un material y su correspondiente proceso de manufactura. El tema incluye un vistazo a los procesos, datos técnicos y económicos, las tablas de selección de materiales de Ashby, el uso de matrices para tomar decisiones, la ayuda del ordenador para seleccionar un material, la relación que existe entre las propiedades del material y su procesamiento y el uso de análisis de valores y análisis de fallas.

Metodología de selección de materiales El proceso de selección es un proceso progresivo de ir disminuyendo las opciones desde un universo enorme de posibilidades hasta un material específico y su proceso. Entrando en la Ingeniería de diseño, Dixon y Poli sugirieron cuatro niveles a aprobar en la selección de materiales: 

 Nivel I. Se basa en las propiedades críticas, para determinar cuál parte será fabricada de metal, plástico, cerámico, o de un compuesto.

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





 Nivel II. Determina cuáles de las partes metálicas serán fabricadas por un proceso de deformación o por fundición; para los plásticos, determina cuáles serán termoplásticos o polímeros termoestables.  Nivel III. Disminuir las opciones para entrar en una categoría del material. Los metales  pueden subdividirse en categorías tales como aceros al carbono, acero inoxidable, y aleaciones de cobre. Los plásticos pueden subdividirse dentro de clases específicas como termoplásticos o termoestables tales como policarbonatos o poliésteres.  Nivel IV. Selección de un material en específico de acuerdo con un grado específico de especificaciones.

Un problema en la selección de materiales usualmente envuelve dos situaciones:  

La selección de materiales y los procesos para un nuevo producto o diseño. La evaluación de materiales alternativos o rutas de manufactura para un producto existente o diseño. Así como el esfuerzo de rediseñar usualmente consiste en reducir el costo, incrementar la fiabilidad, o mejora su desempeño.

Generalmente no es posible sustituir un material por otro sin considerar completamente sus características de manufactura. En otras palabras, la simple sustitución de un nuevo material sin cambiar el diseño raramente provee una óptima utilización del material. Pasos a seguir cuando se tiene que seleccionar un material para un nuevo diseño: 









Definir las funciones que el diseño debe desempeñar, y trasladar estas al requerimiento de las propiedades del material, tales como rigidez, resistencia, resistencia a la corrosión, así como los factores comerciales como los costos y disposición del material. Definir los requerimientos de la manufactura en parámetros como el número de partes requeridas, el tamaño y complexión de las partes, las tolerancias y acabados superficiales, nivel general de calidad y la general fabricabilidad del material. Comparar las propiedades necesarias y los parámetros con una base de datos de  propiedades de materiales, para seleccionar pocos materiales que parezcan  prometedores para la aplicación. Investigar el material candidato en mayor detalle, particularmente en términos del desempeño del producto, costos, fabricabilidad, disponibilidad en los grados y tamaños necesarios para la aplicación. En esta etapa se deben realizar pruebas de las  propiedades del material y otras pruebas. Desarrollo de los datos del diseño o especificaciones del diseño. Selección de un material para el diseño y sugerir un proceso para su manufactura.

Pasos para seleccionar un material como substituto para un diseño existente: 

Caracterizar el material utilizado en términos de su desempeño, requerimientos de manufactura y costos.

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

  

Determinar cuáles características deben mejorarse para mejorar la función del  producto. Frecuentemente la falla de los reportes report es de análisis juega un rol crítico en este  paso. Buscar por materiales alternativos y rutas de manufactura. Compilar una pequeña lista de los materiales y rutas de procesamiento, y utilizar estos  para estimar costos de la manufactura de las partes. part es. Evaluar los resultados y hacer una recomendación para remplazar el material. Definir las propiedades críticas con sus especificaciones y pruebas.

Método de propiedad de costo por unidad Muchos de los problemas de selección de materiales, una propiedad permanece fuera como el requerimiento dominante. En este caso, un método de proyección es determinar que tanto costará el material para proveer dicho requerimiento, esto es, el costo de una función. Propiedad de costo por unidad es un tipo especial de índice de desempeño. Método de clasificación de propiedades pesadas Frecuentemente un diseño requiere de más de una propiedad del material o requiere ser optimizada. El desempeño usual es asignado a factores de peso de cada material o  propiedades. Este es un proceso subjetivo, en el cual tiene importancia los cuidados para  prevenir u obtener una respuesta. Los valores de las propiedades individuales de peso son sumados para obtener un comparativo de las propiedades.

Factores que intervienen en el proceso de selección Efecto de la composición, procesamiento, y estructura en las propiedades del material Algunas líneas de producción requieren el conocimiento de todas las variedades de materiales, composiciones, estructuras, y las relaciones entre los procesamientos. Sin embargo los Ingenieros en Materiales deben tener el conocimientos de cuál de estos aplicar a sus operaciones y el conocimiento general de otros materiales. Factores de los materiales Debe conocerse los rangos de proceso que pueden ser usados para cada parte del material, el punto de fusión de cada material y el nivel de resistencia a la deformación y su ductilidad. Hay que tomar en cuenta que algunos materiales son demasiado frágiles como para ser deformados plásticamente, otros son demasiado reactivos como para ser fundidos o tienen una baja soldabilidad. Factores de forma Cada proceso está asociado con un rango de formas que pueden ser producidas. La primera decisión en el proceso de selección es cuál es capaz de producir la forma requerida. A continuación se enumera una simple clasificación de formas: 32



  

Two dimensional (2D): El perfil del producto no cambia a lo largo de su longitud. Ejemplo: cable, tubería, lámina. Muchos de los productos 2D son utilizados como materia prima para procesos que los convierten en formas 3D. Three dimensional (3D): El perfil del producto varia a lo largo de sus tres ejes. Lámina: Tiene al menos una sección de espesor constante que es pequeña en comparación con sus otras dimensiones. Volumen: Tiene una forma compleja, frecuentemente con poca simetría. Sólido: no tiene cavidades significantes. Hueco: tiene cavidades.

Factores del Proceso La llave de los factores de procesos de manufactura está en el tiempo de ciclo, calidad, flexibilidad, la utilización de materiales, y costos de operación. 



 



Tiempo de ciclo: Es el tiempo requerido para que se procese una unidad, una vez que el proceso comienza y es propiamente operado. La inversa del tiempo de ciclo es el rango de producción. Calidad: Incluye dentro de sus características, rugosidad de la superficie, habilidad de manufacturar las partes en un set de tolerancia, integridad del producto (libre de vacíos, poros, grietas e inclusiones), y la habilidad de producir propiedades controladas (control de la microestructura). Flexibilidad: En manufactura es la facilidad con que un proceso puede adaptarse a  producir diferentes productos o variaciones varia ciones del mismo producto. Utilización de materiales: Medir la cantidad de material procesado en adición al material requerido en el producto. La mayoría de las operaciones generan de un 60 a 80% de residuos. Los residuos netos de la forja y moldeo por inyección están en los extremos. Como el costo del material es una gran parte del costo del producto, la utilización del material es de gran importancia. Costos de operación: Incluye el costo de planta, maquinaria, maquinado y costos laborales de iniciar y mantener el proceso.

Un sistema para evaluar estas cinco características es proporcionado en las tablas 1 y 2. Tabl a I . Escala de evaluaci evaluaci ón de los proces procesos de de manuf actur a

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T abla I I . Eval uaci ón de las caracterí caracter ísticas comu nes de los procesos procesos de man uf actur actu r a

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Estándares y especificaciones Las propiedades de los materiales usualmente son formalizadas a través de estándares y especificaciones. La distinción entre estas entidades es que el estándar se concentra en el uso del cuerpo total del material, como ejemplo están los estándares de ASTM y ANSI, en los cuales las especificaciones están pensadas para manejar el contenido técnico de las especificaciones de la compañía. Hay dos tipos de estándares o especificaciones: los estándares de desempeño y los estándares del producto. Los estándares de desempeño delinean los requerimientos de la función básica del producto y los parámetros básicos a partir de los cuales el diseño puede ser desarrollado. Los estándares del producto definen las condiciones  bajo las cuales los componentes de un diseño deben manufacturarse. manufacturarse . Los estándares de los materiales estipulan las características de desempeño, los factores de calidad, métodos de medidas, tolerancia, y dimensiones. Factores tecno-económicos Por una parte, los costos parecer ser un concepto simple: Las consecuencias financieras de las decisiones al diseñar un producto. Sin embargo, el costo en la práctica es una medida difícil de determinar cuándo el material seleccionado es evaluado. La dificultad surge del hecho del costo que requiere seleccionar un material, los procesos tecnológicos aplicados para formar el producto, y el diseño del producto.

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Mapas de selección de materiales El punto de fusión de un material determina el proceso de fundición que puede ser empleado. Un metal con bajo punto de fusión pueden utilizarse un largo número de procesos,  pero cuando el punto de fusión del material aumenta el número de procesos disponibles disminuye. Ashby, muestra una correlación entre el tamaño (peso) de un parte fundida y el  punto de fusión de un material. La gráfica muestra las regiones de tamaños que pueden ser manejadas por diferentes procesos de fundición y moldeo y muestra como el número de  procesos disponibles disminuye dramáticamente para los materiales con un alto punto de fusión. Esta una de las tantas tablas de selección de procesos, contempla fundición, trabajo del metal, procesamiento de polímero, poder de fabricación, y trabajo mecánico; esta tabla fue introducida por Ashby para ayudar en la selección del proceso de manufactura en el paso conceptual de diseño.

F igu ra 1.11 Ashby process char t f or casting. T he size thi s chart is measur ed by weigh t, W. I t can be convert ed to volum e via th e densit y  ρ, or to the approxim ate li near dim ension, L, shown on th e ri ght-h and-axis via L =(w/  ) 3   ρ

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F igu ra 1.12 T ablas del Pr oceso de selección de Ashby. L os atri but os del proceso están dados en l os ejes. A proporci ona m apas de procesos fu era del campo característico. ( a) T abla par a r elacionar el tam añ o de la pi eza con l a complexi ón de su f orm a. (b) T abla con region es superpuestas por atr ibu tos de un diseñ o parti cul ar. L os requerimi entos del di señ o determ in an l os atr ibutos necesarios del pr oceso, esto establece el área de búsqueda. L os procesos que coinciden con el área buscada se convi erten en can didat os para l a selección.

Las propiedades ingenieriles de los materiales son manifestadas como tablas de selección e materiales. Estas tablas suman y compactan esta información, para facilitar su acceso, y muestran el rango de cualquier propiedad dada al diseñador e identifica el material en clases asociadas con estos rangos. La característica más llamativa de estas tablas es la manera en que varios miembros de tipos de materiales pueden relacionarse. Las tablas tienen diversas aplicaciones como consulta de datos, diseño de compuestos, identificación de aplicaciones para nuevos materiales…  Pero las más importante es que las tablas forman el  procedimiento básico de la selección de materiales.

Relación entre selección y procesamiento de materiales La selección del mejor material para un diseño particular está íntimamente asociado con las decisiones de cómo procesar el material o la parte de manufactura. La IC  considera todos los elementos del ciclo de vida del producto, incluyendo la calidad, costo, programación, y los requerimientos del usuario. Dado el incremento del reconocimiento de la importancia de la concurrencia en el diseño, no hay excusa para la selección de un material sin considerar seriamente un proceso de manufactura alternativo. El último criterio para seleccionar un material es el costo de producir una parte de calidad. Para seleccionar el mejor material para producir una parte, los siguientes factores deben considerarse:  

Composición del material: Grado de la aleación o plástico. Forma del material: barra, tubo, cable, tira, placa, polvo. 38

        

Tamaño: Dimensiones y tolerancias Condición del tratamiento térmico Direccionamiento de las propiedades mecánicas (anisotropía) Acabado superficial  Nivel de calidad: Control de impurezas, inclusiones, y microestructura. Cantidad: Volumen de producción (tamaño de la carga) Facilidad de manufactura: Docilidad, soldabilidad, fundibilidad Facilidad de reciclaje Costo del material

La selección del material debe estar ligada a la selección del proceso de manufactura, lo que lo hace más difícil debido a la variedad de procesos existentes. El fin es seleccionar el material y el proceso que maximice la calidad y minimice los costos. La imagen 4,  proporciona un desglose de los procesos de manufactura dentro de nueve clases.

Falla en servicio por causas ingenieriles Varios analistas de fallas han categorizado la naturaleza de las fallas estudiadas por un largo periodo de tiempo. En la mayoría de estos resúmenes, algunas fallas son atribuidas a la selección incorrecta del material. El propósito de dichos estudios es determinar la frecuencia de las fallas de los mecanismos. La excepción es un estudio hecho por Davies, que considera los mecanismos y las fallas de manera separada. La tabla muestra la frecuencia de falla de mecanismos debido a la falla de componente ingenieriles o por componentes aéreos. Como se espera, el porcentaje varia para diferentes tipos de componentes. Por ejemplo, ningún componente aéreo falla por fractura por fragilidad, mientras que el 16% de los componentes ingenieriles fallan por fractura por fragilidad. Tabla I I I . F recuencia de los mecanismos de falla.

La tabla anterior nos dice cómo fallaron los componentes pero no porque fallaron, lo cual en de gran importancia. La tabla continua es una lista de la frecuencia de causas de fallas. Esta información continúa con el entendimiento de los mecanismos de fallas y es de ayuda vital para la prevención de fallas en otros componentes parecidos que estén en servicio o en construcción. Para los mecanismos de falla, puede haber diferentes tipos de causas para cada 39

tipo de componente. Una clasificación por causa deberá dirigir la decisión acerca de que se necesita para substituir el material así como provee una guía de las características que el material substituto debe tener. Tabl a I V. F recuencia de las causas de fall a 

La selección de materiales comprende más que meramente seleccionar una particular composición de un tipo de metal, aleación, polímero, cerámico. Para algunas de las más comunes aleaciones, la manufactura debe producir al menos cinco de diez diferentes variaciones en un rango de composición normal. Cuando una falla es atribuida a un problema tal como fisura por tensión y corrosión, el analista debe recomendar los pasos para remover, o reducir, las especies químicas en el ambiente que causan la falla, o también puede reducirse el esfuerzo residual o aplicado o  puede evitarse la concentración de esfuerzos en el origen de la fractura. Es también posible que el analista recomiende el cambio a un material diferente que no sea susceptible a este tipo de falla bajo las condiciones particulares del caso. Sin embargo, la solución inevitablemente implica un costo. La metodología de análisis de fallas generalmente se centra en las causas y efectos e ignora la prevención. Los estudios de fallas frecuentemente no incluyen recomendaciones para  prevenir fallas similares en otros componentes en servicio o que están por construirse. En la mayoría de los casos, los analistas consideran solo las causas de la falla, que es, el mecanismo de falla. Sin embargo, después de que el analista ha determinado todos los factores responsables de la falla, debe determinar que debe hacerse para prevenir una falla similar en futuros componentes o existentes. La prevención debe ser tan importante como el diagnóstico.

40

Sel ecci ón de proce pr ocessos de manufactura.

1.4

Los procesos para manufactura se determinan tomando en cuenta dos puntos de vista, uno técnico-funcional y el otro económico, en la mayoría de las veces habrá una discordancia entre estos dos puntos de vista, pero se debe en lo posible llegar a un punto de equilibrio para obtener un producto que satisfaga los requerimientos funcionales y no sea demasiado caro.

F igur a 1.13 Proce Proceso de M anuf actura

Desde un punto de vista técnico-funcional El ingeniero de diseño selecciona el material con base en los requerimientos funcionales. Una vez seleccionado el material, la elección de los procesos posibles se delimita considerablemente. El proceso seleccionado debe satisfacer las dimensiones, tolerancias, acabado superficial ya establecidas. El proceso debe ser capaz de cumplir con el volumen y la velocidad requerida de producción. Es conveniente que el proceso use en forma eficiente los materiales y reduzca el desperdicio. Deben elegirse proceso de manera que el producto se realice el una mínima cantidad de pasos. Cuando sea posible el proceso debe ser lo suficientemente flexible para absorber cambios en el diseño de ingeniería. Deben considerase la seguridad de los trabajadores en la selección de un proceso. Esto tiene sentido en el aspecto económico y es una ley (acta de seguridad y salud ocupacional).

41

Desde un punto de vista económico Los ingenieros de diseño, al analizar los métodos alternos para fabricar una pieza o enfrentan a costos variables en relación con materiales, mano de obra directa e indirecta especiales, herramientas y suministros de corta duración, servicios generales y capital, interrelación de estas variables puede ser considerable y, por tanto, hay que hacer una detallada de las opciones para evaluar a fondo su efecto en los costos unitarios totales. Materiales, el costo unitario de los materiales es un factor importante cuando los métodos que se comparan incluyen el empleo de diferentes cantidades o diferentes formas de diversos materiales. Por ejemplo, es probable que el costo de una pieza de aluminio fundida en molde de presión sea mayor que una de hierro fundida en molde de arena para la misma aplicación. En los procesos con polvo de metal se utiliza utiliza una cantidad más pequeña de materiales de alto costo, que en los procesos de colada o fundición y maquinado. Además, el rendimiento y las perdidas por desperdicio pueden tener fuerte influencia en el costo de los materiales.

Mano de obra directa, los costos de la mano de obra directa se determinan por tres factores: el proceso de manufactura en sí, el diseño de la pieza o el producto y la productividad de los empleados que operan el proceso o ejecutan el trabajo. En general, cuanto más complejo sea el diseño, más estrictas las tolerancias dimensiónales, mayores los requisitos de acabado y cuanto menor sea el empleo de herramientas, mayor será el contenido de mano de obra directa. El número de operaciones de manufactura requeridas para terminar una pieza es, quizá, la determinante individual más grande grande en el costo de la mano de obra directa. Cada operación incluye "tomar y colocar" y "retirar y poner a un lado" un material o una pieza y, por lo general, se necesita inspección adicional por el operario. Asimismo, conforme aumenta el número de operaciones, crecen los costos indirectos. Hay más probabilidades de errores dimensiónales acumulativos debido a los cambios en los puntos y superficies de colocación. Se requiere más preparación de herramientas o aparatos, aumentan el desperdicio y el "retrabajado", se necesita tomar tiempos, conteos y papeleo y la programación del taller se vuelve más compleja. Entre los procesos con bajo contenido de mano de obra se cuentan el troquelado y estiramiento de metales, fundiciones en moldes de presión, moldeo por inyección, maquinado con maquinas automáticas de un solo husillo o de husillos múltiples, taladrado con control numérico y por computadora y maquillado especial, procesamiento y empaque, en los cuales el trabajo secundario puede estar limitado limitado a una o dos operaciones. Las maquinas semiautomáticas y automáticas de estos tipos también dan la oportunidad de asignar un solo operario a varias maquinas, además de que puede efectuar operaciones secundarias durante el tiempo de funcionamiento de la maquina. Todo esto puede reducir en forma importante el costo unitario de la mano de obra directa Por el contrario los procesos como maquinados convencionales, colados en moldes de precisión y ensamblaje mecánico que incluyan ajuste y calibración, tienen mayor contenido de mano de obra directa.

42

Mano de obra indirecta, es la mano de obra para preparación, inspección, manejo de materiales, afilado y reparación de herramientas así como también el mantenimiento de maquinas y equipo suele ser importante al evaluar el costo de métodos y diseños alternos para  producción. Las ventajas de la forja a alta presión se pueden contrarrestar en forma parcial con la mano de obra indirecta adicional requerida para el mantenimiento en buenas condiciones de los troqueles y prensas La preparación es un aspecto importante con bajos volúmenes de producción. Por ejemplo, puede ser más económico utilizar utilizar un método con menos tiempo de preparación aunque, aumente el costo de mano de obra directa por unidad. Considérese una pieza hecha con máquina para hacer tornillos con producción anual de 200 unidades. Con ese volumen, esa pieza se podría producir en forma más económica con un torno de torreta (torno revolver) que en una máquina automática para hacer tornillos. Lo que importa es el costo total de la unidad. Herramientas especiales. Las matrices, dispositivos, troqueles, moldes, modelos y calibradores especiales, así como el equipo para prueba, pueden ser factores de considerable costo cuando se empieza la manufactura de piezas o productos nuevos o se implantan cambios mayores en los existentes. Cuando hay un gran volumen, se puede justificar una fuerte inversión en herramientas con la reducción en los costos de mano de obra directa, porque el costo de las herramientas amortizadas en muchas unidades unidades de producto arroja un bajo costo de herramientas por unidad. Para producción en bajo volumen, aunque las herramientas herramientas tengan un costo moderado, pueden ocasionar un elevado costo unitario total por unidad. la energía eléctrica, gas, vapor, vapor, refrigeración, calefacción, Servicios generales. El costo de la agua y aire comprimido se deben calcular en forma específica al haber diferencias considerables en cuanto al costo de cada elemento. Por ejemplo, el consumo de energía eléctrica es un componente principal del costo de los hornos de arco eléctrico para producir  piezas fundidas de acero, se debería ver la opción de la utilización tal vez de un horno a gas o con otro tipo de combustibles.

Capital invertido, Cuando se está haciendo la selección de un proceso, se debe considerar también, el costo del capital invertido en la maquina que va a producir la pieza. En los cálculos de costo unitario se debe asignar a cada unidad de producto un porcentaje de la la inversión de capital basado en la duración y producción, esperados con el equipo. Por ejemplo, una máquina para fundición en molde de presión con un costo de 100000 dólares, una duración útil calcinada en 10 años sobre la base de 3 turnos de 2000 h anuales y que puede trabajar a razón de 100 descargas por hora, menos una tolerancia de 20% de tiempo muerto de máquina y para mantenimiento y preparación de los troqueles, tendría un costo de capital por pieza como sigue:

43

En este cálculo se supone que habrá utilización total total de la máquina para el producto  propuesto u otros. o tros. Este tipo de cálculo se aplica solo para constituir una base para elegir entre, e ntre,  procesos alternos y es más sencillo que el análisis requerido para justificar la inversión una vez seleccionado el proceso. Al final de todo este análisis para la selección de un proceso de manufactura, lo importante es reconocer todas las diferencias esenciales entre las opciones y tenerlas en cuenta en la comparación y elección del proceso que satisfaga las exigencias funcionales y abarate los costos de manufactura por pieza

Ejemplo 1 A continuación se hace una comparación entre un proceso de fundición en molde de arena con la fundición en molde de presión para una pieza determinada. Pieza: caja de bomba de nuevo modelo. Duración esperada del producto: 5 años.

Cantidad: 10000 piezas. Tamaño normal del lote: 2500 piezas.

Ejemplo 2 Se plantea la opción de si se puede hacer una pieza en un tomo revolver o con maquinas automáticas para hacer tornillos de un husillo y de husillos múltiples (excluidas las 44

operaciones segundarias). En ninguno de estos casos se pretende justificar la compra de las maquinas o de los equipos, sino que se supone que los procesos están instalados y tienen capacidad disponible para producción adicional. Se debe recordar que la cantidad de  producción es un factor importante en la determinación del proceso más económico. Pieza: Conexión para manguera de alta presión Duración esperada del producto: 2 años

Cantidad: 500 piezas

Tamaño normal del lote: 500 piezas

45

Diseñ o y manufactura sustentable.

1.5

F igu ra 1.14 Di señ o de un a bici cleta ut il izando compon entes ecológicos

Cientos de compañías están buscando la forma de aplicar, en una o varias partes de su  proceso de manufactura, algún elemento ‗verde' que las lleve a contribuir con el mejoramiento del medio ambiente y mostrarse como empresas responsables, pero, sobre todo, adaptarse a las nuevas exigencias del mercado. Ahorro de materiales, uso de materia prima ecológica, producción con menor gasto de energía, reducción de gases de efecto invernadero, aplicación de nuevas tecnologías y reutilización de materiales, entre otras, son parte de las opciones que las grandes, así como  pequeñas y medianas empresas (pymes) han comenzado a buscar y aplicar en sus plantas. Pero, si bien la sustentabilidad es el tema del momento en la industria manufacturera, y, en particular, la del empaque, para algunos productores todavía es un término vago que no ha terminado por definirse. "Las compañías están conscientes de su responsabilidad social, pero también están buscando cómo disminuir sus residuos sólidos usando menos materiales en su empaquetado y que al mismo tiempo sus productos luzcan atractivos para el consumidor", comenta el vocero de la compañía de empaques flexibles, Robbie Fantastic Flexibles. 46

"Es una especie de exigencia social, pero también del mercado; en muchos casos se trata de  productores que proveen a las grandes cadenas como Walmart, y si quieren seguirlo siendo va a ser necesario que cumplan con los requisitos. Por ejemplo, esta cadena tiene un proyecto en el que le exigen a sus proveedores la reducción de sus residuos". Esta iniciativa llamada Zero Waste, fue lanzada el año pasado por la cadena minorista  para promover la sustentabilidad en la industria del empaquetado y tiene la finalidad de reducir los residuos sólidos causados por el empaque en 5% para 2013. Antes, a finales de 2006, la cadena lanzó un programa para medir lo ecológico del empaquetado de sus proveedores a fin de impulsarlos hacia una tendencia green. En México, Walmart lanzó esta iniciativa apenas el año pasado y funciona en cuatro ejes: abastecimiento de energía sustentable; cero residuos; cero descargas contaminantes; y la realización de un catálogo con 25% de productos sustentables.

Insumos ecológicos En cuanto a materias primas, la compañía Micro Green Polymers lanzó la tecnología Ad – air para ahorrar material y reducir costos en la producción de paquetes plásticos. Ad – air fue desarrollada en la Universidad de Washington y se basa en la expansión de un polímero en estado sólido a través de la creación de una estructura micro celular de menor densidad, por tanto, la cantidad de plástico que se requiere para hacer el producto se reduce. Esta tecnología también incrementa el rendimiento de una fuente de plástico reduciendo el costo de la producción de empaquetado plástico. Asimismo, cuando se usa en  plástico reusado  — como el rpet (recycled pet) —   el resultado es un plástico más barato, ligero y que puede ser reciclado nuevamente. También hay una disminución en el costo de manufactura de productos plásticos para empaque y embalaje. Otro ejemplo es la oferta de plástico biodegradable para diferentes usos; la compañía Automated Packaging Systems lanzó su línea EarthAware, que abarca dos tipos de película  plástica para empaque, uno es biodegradable y el otro está hecho con material reciclado. "Estos productos son amigables con el medio ambiente, el film de polietileno de material reciclado es muy popular y no tiene costo extra para los productores; en cambio, el nuevo film  biodegradable contribuye al mejoramiento del medio ambiente, pero tiene un costo extra para los productores", explica Chris Rempe, gerente de producto de la empresa. A diferencia del film de polietileno que tarda en degradarse cientos de años, Rempe afirma que el EarthAware se degrada en un lapso de nueve meses a un año, dependiendo de su exposición. Actualmente, ambas películas se usan para formar almohadillas de aire para el empaque. 47

"Ambos tipos de filmes son atractivos para los productores porque son fuertes y al mismo tiempo fáciles de sellar. Además, dan el mensaje de que su compañía está siendo ecológica", añade.

Procesos limpios Un ejemplo claro de aplicación de sustentabilidad en el proceso de producción es  precisamente el uso de materiales reusables. Esta opción la están usando plantas con altos volúmenes de desperdicio sólido, riesgos recurrentes de daño de producto y que tienen complejas operaciones de ensamblaje debido a componentes múltiples, entre otras características. Toyota y Whirlpool son dos de las varias compañías que han implementado el uso de materiales reusables y Jennifer Schleicher ha ejecutado y supervisado estas iniciativas en ambas empresas, primero en Toyota y ahora como gerente de Materiales Estratégicos de Whirlpool. "Con todas nuestras plantas de EU estamos entre 30 y 40% de utilización de contenedores y  paletas reusables, pero nuestra planta de México en Ramos Arizpe, Coah, está entre 60 y 80%", indica Schleicher. El programa de Whirlpool, según explica la ejecutiva, es relativamente nuevo y aunque funcionando, ha implicado una gran inversión y logística. "Como cada planta es independiente no puedo mencionar el costo para Whirlpool, pero sí son varios millones. Y ese dinero se justifica con el ahorro que promueven los (materiales) reusables y el beneficio al medio ambiente", explica. Y es que, de acuerdo con Shleicher, para Whirlpool el uso de materiales reusables "es  parte de la responsabilidad social que tenemos como compañía, si construimos electrodomésticos ahorradores de energía para el consumidor, también debemos contribuir aplicando sustentabilidad en nuestros procesos".

La última fase El empaquetado y etiquetado flexible se ha convertido en una opción cada vez más  popular en la industria del empaque, ya que contribuye al ahorro de material, energía y reducción de gases de efecto invernadero. Empresas como Robbie Fantastic Flexibles están destacando por ofrecer soluciones sustentables a los productores que buscan reducir desechos sólidos provocados por el empaque. "Nuestra línea de empaque ecológico cuenta con impresión directa en el empaque flexible a un  precio muy competitivo que resulta atractivo para los productores y con un diseño de interés 48

 para los consumidores. Eso, aunado a que tienen que cumplir con iniciativas de reducción de desechos, ha convertido esta línea en algo muy demandado", afirma el vocero de la empresa. Y es que, al imprimir directamente en el empaque flexible, se reduce el uso de calcomanías y cartón donde comúnmente se realiza la impresión de logotipos y eslogan. Como las anteriores, existen decenas de innovaciones más que han surgido y otras que están en proceso y que, en su conjunto, representan la tendencia actual y los nuevos retos que enfrenta la industria del empaque. Sea como sea, el camino a seguir parece estar claro. Al menos, una cadena global como Walmart está marcando los primeros pasos. Los propios consumidores están prefiriendo  productos que se anuncian como amigables con el medio ambiente, y ese cambio en los hábitos de consumo, sin duda, obligará a los industriales del sector de empaque y embalaje a  buscar alternativas de producción ‗verdes'.

49

M anufactur a asistida por computadora.

1.6

F igu ra 1.15 Cálcu los por computadora ut il izando el softwar e Solid Wor ks

Con la implementación y las ventajas de la mecanización, automatización y control computarizado de operaciones de manufactura, esté tema 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 consideran como un sistema, uno que haga posible el control total de la instalación manufacturera para con ello aumentar la productividad, la calidad y la confiabilidad del producto, y reducir los costos de manufactura. En la manufactura integrada por computadora (en inglés CIM, computer-integrated manufacturing), las funciones tradicionalmente separadas de investigación y desarrollo, diseño, producción, armado, inspección y control de calidad, se relacionan entre si. 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. En esta forma se pueden adoptar cambios, por ejemplo, en requerimientos de material, tipos de producto o demanda de mercado. También, es mucho mas factible lograr la alta calidad a través de la integración del diseño y la manufactura. 50

Las maquinas herramientas y operaciones de manufactura deben tener cierta flexibilidad incorporada, para poder responder a los cambios y asegurar la entrega a tiempo de los productos al cliente. El comprador podrá apreciar la importancia de la entrega a tiempo de un producto, si toma en cuenta su insatisfacción al no recibir determinado pedido en la fecha prometida. En la industria, la falla de la entrega a tiempo puede entorpecer los planes y programas de producción y, en consecuencia, tener un impacto económico importante. En un ambiente global altamente competitivo, el fallar en la entrega a tiempo del producto, le puede costar a la compañía su ventaja competitiva, porque el cliente simplemente cambiara de proveedor. Se han ampliado los diversos niveles de automatización en la operación de manufactura, incluyendo funciones de procesamiento de información y usando una extensa red de computadoras interactivas. El resultado es la manufactura integrada por computadora, termino amplio que describe la integración computarizada de todos los aspectos de diseño,  plantación, manufactura, distribución y administración. La manufactura integrada por computadora es una metodología y una meta, mas que un ensamble de equipo y computadoras. Ya que 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. La implementación de la CIM en las plantas actuales puede comenzar con módulos en diversas fases de la operación. Para las nuevas plantas manufactureras, por otra parte, es necesaria la planeación estratégica detallada y a largo plazo, que cubra todas las fases de la operación, para aprovechar todo el potencial de la CIM. Estas plantas deben tener en cuenta las siguientes consideraciones: a. Disponibilidad de recursos.  b. La misión, las metas y la cultura de la organización. c. Las tecnologías existentes y emergentes. d. El nivel de integración deseado. Los sistemas de manufactura integrada por computadora consisten en subsistemas que se integran en un todo. Estos subsistemas son los siguientes: a. Planeación y respaldo comercial.  b. Diseño del producto. c. Planeación del proceso de manufactura. 51

d. Control del proceso. e. Sistemas de monitoreo del taller. f. 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, esos subsistemas se suelen dividir en funciones de planeación comercial y funciones de ejecución comercial. Las funciones de plantación comercial incluyen actividades como pronósticos, calendarización, planeación de necesidades de material, facturación y contabilidad. Las funciones de ejecución comercial incluyen la  producción y el control del proceso, manejo de materiales, pruebas e inspección. La eficiencia de la manufactura integrada por computadora depende mucho de la  presencia de un sistema integrado por comunicaciones formado por computadoras, maquinas y sus controles. Pueden surgir grandes problemas en la comunicación en la fábrica, por la dificultad de interconectar distintos tipos de computadoras compradas a distintos proveedores en distintas fechas. En consecuencia, se ha notado 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 competencia global. - Su énfasis hacia la calidad y uniformidad del producto, implementadas mediante mejor control del proceso. - El mejor uso de materiales, maquinaria y personal, y la reducción de inventario de trabajo de  proceso, todo lo cual mejora la productividad y reduce el costo del producto.

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. Este gran conjunto de datos se guarda en la memoria de la computadora y se pide o se modifica cuando sea necesario, por parte de individuos en la organización o del mismo sistema CIM, mientras controla diversos aspectos del diseño y la producción. 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. 52

Datos de producción, como los procesos de manufactura implicados para obtener las piezas o  producto. Datos de operación, como calendarización, tamaños de lote y requerimientos de ensamble. Datos de los recursos, como capital, máquinas, equipo, herramientas y personal, así como sus  posibilidades. El surgimiento del CAD/CAM ha tenido un gran impacto en la manufactura al normalizar el desarrollo de los productores 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. Por ejemplo, el avión bimotor Boeing 777 de pasajeros, fue diseñado en su totalidad en computadora con 2000 estaciones de trabajo conectadas a ocho computadoras. Ese avión se construye en forma directa con los programas CAD/CAM desarrollado y no se construyen prototipos ni simulaciones, como los que se requieren en los diseños anteriores. El costo de este desarrollo fue del orden de 6 mil millones de dólares.

53

Pr oducción esbelta y manufactura ágil.

1.7

PRODUCCIÓN ESBELTA En los años 60´s y 70´s los empresarios industriales se dieron cuenta de los inconvenientes de la producción en masa, considerada hasta ese momento como el modelo de  producción ideal. Los grandes inventarios y lenta o nula respuesta a cambios en las tendencias de compra, conllevó a la transformación de los sistemas de producción, dándose las primeras modificaciones en la Industria automotriz. Sin embargo, esta vez, el cambio no fue liderado  por Ford, ni cualquier otro fabricante estadounidense. Fueron los japoneses de Toyota los que iniciaron esta revolución con un método muy conocido en el ambiente industrial, el Toyota Production System (TPS), cuyos impulsores fueron las limitaciones de espacio y la necesidad de atacar mercados más pequeños con mayor variedad de vehículos. El sistema se consolidó con el tiempo y rindió frutos a los japoneses tanto en su territorio como en suelo americano. Así las cosas, la lección de finales del siglo XX fue clara: La producción debe obedecer a la eficiencia,  a la eliminación de procesos desperdiciados y al aprovechamiento de los espacios físicos, es decir, debe ser "más delgada (LEAN)". Para James P. Womack , presidente del Lean Enterprise Institute (www.lean.org), en una economía globalizada, con muchas industrias maduras, resulta imposible evitar la competencia y la pregunta debe ser: ― ¿Cómo pueden los gerentes lograr la satisfacción de sus clientes al tiempo que eliminan desperdicios en sus rutinas administrativas y operativas en las plantas, ingeniería, compras, distribución y ventas al  consumidor final?"  . Una muy buena solución a la pregunta anterior es la de Michael Dell, con su modelo de  producción de equipos de computación, basado en una visión de negocios que obedece sólo a la demanda. Bajo este esquema se anulan algunas etapas de procesos, incluyendo a los distribuidores, para lograr un sistema basado en justo a tiempo (JIT) y Jalar (Pull), fabricando sólo cuando un producto ya está comprado. Esto, al final se traduce en flujo de caja. Al cobrar a sus clientes por medio de tarjetas de crédito y sistemas electrónicos de  pago, Dell obtiene el fruto de sus ventas en alrededor de 24 horas, mientras que sus competidores lo obtienen en 16 y 35 días.

Principios de "Lean Manufacturing –  Producción Esbelta": El término de Lean Manufacturing puede ser traducido como Manufactura Delgada o manufactura Esbelta. Su propósito es el de reducir las actividades que no agregan valor de los procesos para agilizarlos. 54

La filosofía "Lean Manufacturing" busca eliminar las "mudas", palabra japonesa que significa "desperdicio", y que según Womack , podemos definir como toda aquella actividad que utiliza recursos pero que no genera un valor ante los ojos del  cliente, y que actualmente plaga a la mayoría de las empresas. Las herramientas "lean" (en inglés, "sin grasa, esbelto") incluyen procesos de análisis continuos (kaizen), producción "pull" (producir según la demanda), elementos y procesos "a prueba de fallos -antitontos" (poka yoke), conceptos como justo a tiempo(Just in time) y cero defectos.

Manufactura Esbelta  son varias herramientas que le ayudará a eliminar todas las operaciones que no le agregan valor al producto, servicio y a los procesos,  aumentando el valor de cada actividad realizada y eliminando lo que no se requiere. Reducir desperdicios y mejorar las operaciones, basándose siempre en el respeto al trabajador. La Manufactura Esbelta nació en Japón y fue concebida por los grandes gurus del Sistema de Producción Toyota: William Edward Deming, Taiichi Ohno, Shigeo Shingo, Eijy Toyoda entre algunos. El sistema de Manufactura Flexible o Manufactura Esbelta ha sido definida como una filosofía de excelencia de manufactura, basada en: 

La eliminación planeada de todo tipo de desperdicio



El respeto por el trabajador: Kaizen



La mejora consistente de Productividad y Calidad

Objetivos de Manufactura Esbelta Los principales objetivos de la Manufactura Esbelta es implantar una filosofía de Mejora Continua que le permita a las compañías reducir sus costos,  mejorar los procesos y eliminar los desperdicios para aumentar la satisfacción de los clientes y mantener el margen de utilidad. Manufactura Esbelta proporciona a las compañías herramientas para sobrevivir en un mercado global que exige calidad más alta, entrega más rápida a más bajo precio y en la cantidad requerida. Específicamente, Manufactura Esbelta: 

Reduce la cadena de desperdicios dramáticamente



Reduce el inventario y el espacio en el piso de producción



Crea sistemas de producción más robustos



Crea sistemas de entrega de materiales apropiados



Mejora las distribuciones de planta para aumentar la flexibilidad Beneficios

La implantación de Manufactura Esbelta es importante en diferentes áreas, ya que se emplean diferentes herramientas, por lo que beneficia a la empresa y sus empleados. Algunos de los beneficios que genera son: 55



Reducción de 50% en costos de producción



Reducción de inventarios



Reducción del tiempo de entrega (lead time)



Mejor Calidad



Menos mano de obra



Mayor  eficiencia de equipo



Disminución de los desperdicios

- Sobreproducción - Tiempo de espera (los retrasos) - Transporte - El proceso - Inventarios - Movimientos - Mala calidad

Pensamiento Esbelto La parte fundamental en el proceso de desarrollo de una estrategia esbelta es la que respecta al personal, ya que muchas veces implica cambios radicales en la manera de trabajar, algo que por   naturaleza causa desconfianza y temor. Lo que descubrieron los japoneses es, que más que una técnica, se trata de un buen régimen de relaciones humanas. En el pasado se ha desperdiciado la inteligencia y creatividad del trabajador, a quien se le contrata como si fuera una máquina. Es muy común que, cuando un empleado de los niveles bajos del organigrama se presenta con una idea o propuesta, se le critique e incluso se le calle. A veces los directores no comprenden que, cada vez que le ‗apagan el foquito‘ a un trabajador, están desperdiciando dinero. El concepto de Manufactura Esbelta implica la anulación de los mandos y su reemplazo por el liderazgo. La palabra líder es la clave.

Los 5 Principios del Pensamiento Esbelto 1. Define el Valor desde el punto de vista del cliente: 2. La mayoría de los clientes quieren comprar una solución, no un producto o servicio. Eliminar desperdicios encontrando pasos que no agregan valor, algunos son inevitables y 56

otros son eliminados inmediatamente. 3. Identifica tu corriente de Valor: Haz que todo el proceso fluya suave y directamente de un paso que agregue valor a otro, desde la materia prima hasta el consumidor 4. Crea Flujo: Una vez hecho el flujo, serán capaces de producir por ordenes de los clientes en vez de  producir basado en pronósticos de ventas a largo plazo 5. Produzca el "Jale" del Cliente:

Persiga la perfección: Una vez que una empresa consigue los primeros cuatro pasos, se vuelve claro para aquellos que están involucrados, que añadir eficiencia siempre es posible.

Las Herramientas de Manufactura Esbelta



5'S

Este concepto se refiere a la creación y mantenimiento de áreas de trabajo más limpias, más organizadas y más seguras, es decir, se trata de imprimirle mayor "calidad de vida" al trabajo. Las 5'S provienen de términos japoneses que diariamente ponemos en práctica en nuestra vida cotidiana y no son parte exclusiva de una "cultura japonesa" ajena a nosotros, es más, todos los seres humanos, o casi todos, tenemos tendencia a practicar o hemos practicado las 5'S, aunque no nos demos cuenta. Las 5'S son: 

Clasificar, organizar o arreglar apropiadamente: Seiri



Ordenar: Seiton



Limpieza: Seiso



Estandarizar: Seiketsu



Disciplina: Shitsuke

Cuando nuestro entorno de trabajo está desorganizado y sin limpieza perderemos la eficiencia y la moral en el trabajo se reduce Objetivos de las 5'S

57

El objetivo central de las 5'S es lograr el funcionamiento más eficiente y uniforme de las personas en los centros de trabajo Beneficios de las 5'S La implantación de una estrategia de 5'S es importante en diferentes áreas, por ejemplo, permite eliminar despilfarros y por otro lado permite mejorar las condiciones de seguridad industrial, beneficiando así a la empresa y sus empleados. Algunos de los  beneficios que genera la estrategias de las 5'S son: 

Mayores niveles de seguridad que redundan en una mayor  motivación de los empleados



Mayor calidad



Tiempos de respuesta más cortos



Aumenta la vida útil de los equipos



Genera cultura organizacional



Reducción en las pérdidas y mermas por producciones con defectosDefinición de las 5'S 

Clasificar (seiri)

Clasificar consiste en retirar del área o estación de trabajo todos aquellos elementos que no son necesarios para realizar la labor, ya sea en áreas de producción o en áreas administrativas. Una forma efectiva de identificar estos elementos que habrán de ser eliminados es llamado "etiquetado en rojo". En efecto una tarjeta roja (de expulsión) es colocada a cada artículo que se considera no necesario para la operación. Enseguida, estos artículos son llevados a un área de almacenamiento transitorio. Más tarde, si se confirmó que eran innecesarios, estos se dividirán en dos clases, los que son utilizables para otra operación y los inútiles que serán descartados. Este paso de ordenamiento es una manera excelente de liberar espacios de piso desechando cosas tales como: herramientas rotas, aditamentos o herramientas obsoletas, recortes y excesos de  materia prima.  Este paso también ayuda a eliminar la mentalidad de "Por Si Acaso". Clasificar consiste en: 

Separar en el sitio de trabajo las cosas que realmente sirven de las que no sirven



Clasificar lo necesario de lo innecesario para el trabajo rutinario



Mantener lo que necesitamos y eliminar lo excesivo





Separa los elementos empleados de acuerdo a su naturaleza, uso, seguridad y frecuencia de utilización con el objeto de facilitar la agilidad en el trabajo Organizar las herramientas en sitios donde los cambios se puedan realizar en el menor tiempo posible 58





Eliminar elementos que afectan el funcionamiento de los equipos y que pueden producir averías Eliminar  información innecesaria y que nos pueden conducir a errores de interpretación o de actuación Beneficios de clasificar

Al clasificar se preparan los lugares de trabajo para que estos sean más seguros y  productivos. El primer y más directo impacto está relacionado con la seguridad. Ante la  presencia de elementos innecesarios, el ambiente de trabajo es tenso, impide la visión completa de las áreas de trabajo, dificulta observar el funcionamiento de los equipos y máquinas, las salidas de emergencia quedan obstaculizadas haciendo todo esto que el área de trabajo sea más insegura. Clasificar permite: 

Liberar espacio útil en planta y oficinas



Reducir los tiempos de acceso al material, documentos, herramientas y otros elementos









Mejorar el control visual de stocks (inventarios)  de repuesto y elementos de producción, carpetas con información, planos, etc. Eliminar las pérdidas de productos o elementos que se deterioran por permanecer un largo tiempo expuestos en un ambiente no adecuado para ellos; por ejemplo, material de empaque, etiquetas, envases plásticos, cajas de cartón y otros Facilitar control visual de las materias primas que se van agotando y que requieren para un  proceso en un turno, etc. Preparar las áreas de trabajo para el desarrollo de acciones de mantenimiento autónomo, ya que se puede apreciar con facilidad los escapes, fugas y contaminaciones existentes en los equipos y que frecuentemente quedan ocultas por los elementos innecesarios que se encuentran cerca de los equipos 

Ordenar (seiton)

Consiste en organizar los elementos que hemos clasificado como necesarios de modo que se puedan encontrar con facilidad. Ordenar en mantenimiento tiene que ver con la mejora de la visualización de los elementos de las máquinas e instalaciones industriales. Algunas estrategias para este proceso de "todo en su lugar" son: pintura de pisos delimitando claramente áreas de trabajo y ubicaciones, tablas con siluetas, así como estantería modular y/o gabinetes para tener en su lugar cosas como un bote de basura, una escoba, trapeador, cubeta, etc., es decir, "Un lugar para cada cosa y cada cosa en su lugar." El ordenar permite: 

Disponer de un sitio adecuado para cada elemento utilizado en el trabajo de rutina para facilitar su acceso y retorno al lugar



Disponer de sitios identificados para ubicar elementos que se emplean con poca frecuencia



Disponer de lugares para ubicar el material o elementos que no se usarán en el futuro 59









En el caso de maquinaria, facilitar la identificación visual de los elementos de los equipos, sistemas de seguridad, alarmas, controles, sentidos de giro, etc. Lograr que el equipo tenga protecciones visuales para facilitar su inspección autónoma y control de limpieza Identificar y marcar todos los tuberías, aire comprimido, combustibles

sistemas

auxiliares

del

proceso

como

Incrementar el conocimiento de los equipos por parte de los operadores de producción Beneficios de ordenar 

Limpieza (seiso)

Limpieza significa eliminar el polvo y suciedad de todos los elementos de una fábrica. Desde el punto de vista del TPM implica inspeccionar el equipo durante el proceso de limpieza. Se identifican problemas de escapes, averías, fallos o cualquier tipo de FUGUAI (defecto). Limpieza incluye, además de la actividad de limpiar las áreas de trabajo y los equipos, el diseño de aplicaciones que permitan evitar o al menos disminuir la suciedad y hacer más seguros los ambientes de trabajo. Para aplicar la limpieza se debe: 









Integrar la limpieza como parte del trabajo diario Asumir la limpieza como una actividad de mantenimiento autónomo: "la limpieza es inspección" Se debe abolir la distinción entre operario de proceso, operario de limpieza y técnico de mantenimiento El trabajo de limpieza como inspección genera conocimiento sobre el equipo. No se trata de una actividad simple que se pueda delegar en personas de menor calificación  No se trata únicamente de eliminar la suciedad. Se debe elevar la acción de limpieza a la  búsqueda de las fuentes de contaminación con el objeto de eliminar sus causas primarias. 

Estandarizar (seiketsu)

El estandarizar pretende mantener  el estado de limpieza y organización alcanzado con la aplicación de las primeras 3's. El estandarizar sólo se obtiene cuando se trabajan continuamente los tres principios anteriores. En esta etapa o fase de aplicación (que debe ser  permanente), son los trabajadores quienes adelantan programas y diseñan mecanismos que les  permitan beneficiarse a sí mismos. Para generar esta cultura se pueden utilizar diferentes herramientas, una de ellas es la localización de fotografías del sitio de trabajo en condiciones óptimas para que pueda ser visto por todos los empleados y así recordarles que ese es el estado en el que debería permanecer, otra es el desarrollo de unas normas en las cuales se especifique lo que debe hacer cada empleado con respecto a su área de trabajo. La estandarización  pretende: 60



























Mantener el estado de limpieza alcanzado con las tres primeras S Enseñar al operario a realizar normas con el apoyo de la dirección y un adecuado entrenamiento. Las normas deben contener los elementos necesarios para realizar el trabajo de limpieza, tiempo empleado, medidas de seguridad a tener en cuenta y procedimiento a seguir en caso de identificar algo anormal En lo posible se deben emplear fotografías de como se debe mantener el equipo y las zonas de cuidado El empleo de los estándares se debe auditar para verificar su cumplimiento Las normas de limpieza, lubricación y aprietes son la base del mantenimiento autónomo (Jishu Hozen) Beneficios de estandarizar Se guarda el conocimiento producido durante años de trabajo Se mejora el bienestar del personal al crear un hábito de conservar impecable el sitio de trabajo en forma permanente Los operarios aprenden a conocer con detenimiento el equipo Se evitan errores en la limpieza que puedan conducir a accidentes o riesgos laborales innecesarios La dirección se compromete más en el mantenimiento de las áreas de trabajo al intervenir en la aprobación y promoción de los estándares Se prepara el personal para asumir mayores responsabilidades en la gestión del puesto de trabajo Los tiempos de intervención se mejoran y se incrementa la productividad de la planta 

Disciplina (shitsuke)

Significa evitar que se rompan los procedimientos ya establecidos. Solo si se implanta la disciplina y el cumplimiento de las normas y procedimientos ya adoptados se podrá disfrutar de los beneficios que ellos brindan. La disciplina es el canal entre las 5'S y el mejoramiento continuo. Implica controlperiódico,  visitas sorpresa, autocontrol de los empleados, respeto por sí mismo y por los demás y mejor calidad de vida laboral, además: 



El respeto de las normas y estándares establecidos para conservar el sitio de trabajo impecable Realizar un control personal y el respeto por las normas que regulan el funcionamiento de una organización 61









Promover el hábito de autocontrolar o reflexionar sobre el nivel de cumplimiento de las normas establecidas Comprender la importancia del respeto por los demás y por las normas en las que el trabajador seguramente ha participado directa o indirectamente en su elaboración Mejorar el respeto de su propio ser y de los demás

Justo a Tiempo

Justo a Tiempo es una filosofía industrial que consiste en la reducción de desperdicio (actividades que no agregan valor) es decir todo lo que implique sub-utilización en un sistema desde compras hasta producción. Existen muchas formas de reducir el desperdicio, pero el  Justo a Tiempo se apoya en el control físico del material para ubicar el desperdicio y, finalmente, forzar su eliminación. La idea básica del Justo a Tiempo es producir un artículo en el momento que es requerido para que este sea vendido o utilizado por la siguiente estación de trabajo en un  proceso de manufactura. Dentro de la línea de producción se controlan en forma estricta no sólo los niveles totales de inventario, sino también el nivel de inventario entre las células de trabajo. La producción dentro de la célula, así como la entrega de material a la misma, se ven impulsadas sólo cuando un stock (inventario) se encuentra debajo de cierto límite como resultado de su consumo en la operación subsecuente. Además, el material no se puede entregar a la línea de producción o la célula de trabajo a menos que se deje en la línea una cantidad igual. Esta señal que impulsa la acción puede ser un contenedor vacío o una tarjeta Kanban, o cualquier otra señal visible de reabastecimiento, todas las cuales indican que se han consumido un artículo y se necesita reabastecerlo. 

Sistema de jalar

Es un sistema de producción donde cada operación estira el material que necesita de la operación anterior. Consiste en producir sólo lo necesario, tomando el material requerido de la operación anterior. Su meta óptima es: mover el material entre operaciones de uno por uno. En la orientación "pull" o de jalar, las referencias de producción provienen del  precedente centro de trabajo. Entonces la precedente estación de trabajo dispone de la exacta cantidad para sacar las partes disponibles a ensamblar o agregar al producto. Esta orientación significa comenzar desde el final de la cadena de ensamble e ir hacia atrás hacia todos los componentes de la cadena productiva, incluyendo proveedores y vendedores. De acuerdo a esta orientación una orden es disparada por la necesidad de la siguiente estación de trabajo y no es un artículo innecesariamente producido. La orientación "pull" es acompañada por un sistema simple de información llamado Kanban. Así la necesidad de un inventario para el trabajo en proceso se ve reducida por el empalme ajustado de la etapa de fabricación. Esta reducción ayuda a sacar a la luz cualquier 62

 pérdida de tiempo o de material, el uso de refacciones defectuosas y la operación indebida del equipo. El sistema de jalar permite: 

Reducir inventario, y por lo tanto, poner al descubierto los problemas



Hacer sólo lo necesario facilitando el control



Minimiza el inventario en proceso



Maximiza la velocidad de retroalimentación



Minimiza el tiempo de entrega



Reduce el espacio



Kanban

Kanban es una herramienta basada en la manera de funcionar de los supermercados. Kanban significa en japonés "etiqueta de instrucción". La etiqueta Kanban contiene información que sirve como orden de trabajo, esta es su función principal, en otras palabras es un dispositivo de dirección automático que nos da información acerca de que se va a producir, en que cantidad, mediante que medios, y como transportarlo. Antes de implantar Kanban es necesario desarrollar una producción "labeled/mixed  producción schedule" para suavizar el flujo actual de material, esta deberá ser practicada en la línea de ensamble final, si existe una fluctuación muy grande en la integración de los procesos Kanban no funcionará y de los contrario se creara un desorden, también tendrán que ser implantados sistemas de reducción de cambios de modelo, de producción de lotes pequeños, Jidoka, control visual, Poka Yoke, mantenimiento preventivo,  etc. todo esto es prerrequisito  para la introducción Kanban. También se deberán tomar en cuenta las siguientes consideraciones antes de implantar Kanban: 1. Determinar un sistema de calendarización de producción para ensambles finales para desarrollar un sistema de producción mixto y etiquetado. 2. Se debe establecer una ruta de Kanban que refleje el flujo de materiales, esto implica designar lugares para que no haya confusión en el manejo de materiales, se debe hacer obvio cuando el material esta fuera de su lugar. 3. El uso de Kanban esta ligado a sistemas de producción de lotes pequeños. 4. Se debe tomar en cuenta que aquellos artículos de valor especial deberán ser  tratados diferentes. 5. Se debe tener buena comunicación desde el departamento de ventas a producción para aquellos artículos cíclicos a temporada que requieren mucha producción, de manera que se avise con bastante anticipo. 63

6. El sistema Kanban deberá ser actualizado constantemente y mejorado continuamente.

Funciones de Kanban Son dos las funciones principales de Kanban: 

Control de la producción



Mejora de los procesos

Control de la producción es la integración de los diferentes procesos y el desarrollo de un sistema Justo a Tiempo, en la cual los materiales llegaran en el tiempo y cantidad requerida en las diferentes etapas de la fabrica y si es posible incluyendo a los proveedores. Mejora de los procesos. Facilita la mejora en las diferentes actividades de la empresa mediante el uso de Kanban, esto se hace mediante técnicasingenieriles (eliminación de desperdicio, organización del área de trabajo, reducción de cambios de modelo, utilización de maquinaria vs. utilización en base a demanda, manejo de multiprocesos, dispositivos para la  prevención de errores (Poka Yoke), mecanismos a prueba de error, mantenimiento preventivo, Mantenimiento Productivo Total (TPM), reducción de los niveles de inventario.) Básicamente Kanban sirve para lo siguiente: 

Poder empezar cualquier operación estándar en cualquier momento



Dar instrucciones basados en las condiciones actuales del área de trabajo



Prevenir que se agregue trabajo innecesario a aquellas ordenes ya empezadas y prevenir el exceso de papeleo innecesario

Otra función de Kanban es la de movimiento de material, la etiqueta Kanban se debe mover  junto con el material, si esto se lleva a cabo correctamente se lograrán los siguientes p untos: 

Eliminación de la sobreproducción



Prioridad en la producción, el Kanban con más importancia se pone primero que los demás



Se facilita el control del material

64

F igu ra 1.16 F il osofías pri nci pales en l a manuf actur a esbelt a.

MANUFACTURA ÁGIL 

Se define como una estrategia en la cual la empresa introduce productos nuevos en mercados que cambian rápidamente



Es la capacidad de organización de prosperar en un ambiente competitivo caracterizado por el cambio continuo y a veces imprevisto.

F igu ra 1.17 Aspectos import antes de la manu factura ágil



Existen cuatro principios:

-

Organización para un cambio dominante

-

Impacto de la gente y la información 65

-

Cooperación para una mejor competitividad

Enriquecimiento del cliente Organización para un cambio dominante 

En una compañía que es ágil, los humanos y la información se puede configurar rápidamente para poder adaptar el cambio y lograr mayor oportunidades.

Impacto de la gente y la información 

En una compañía ágil el conocimiento es evaluado, las innovaciones son recompensadas, la autoridad es distribuida en el nivel apropiado. Existe un clima lleno de responsabilidades para así poder unirse y llegar al éxito.

Reorganizando el Sistema de Producción para Agilizarlo 

Las compañías que buscan ser ágiles deben organizar sus operaciones de producción de manera diferente a la tradicional.



Existen tres áreas básicas que podemos discutir: 

Diseño del Producto. La reorganización de la producción para obtener agilidad, incluye temas relacionados al diseño del producto. Estas decisiones, determinan aprox. el 70% de los costos de manufactura de un producto.



Marketing. Los objetivos de diseño y marketing de una compañía deben de estar estrechamente relacionados. Los mejores esfuerzos en el diseño se  pierden si hay un plan malo de marketing. Para ser una compañía ágil de marketing

Se puede hacer el siguiente comparativo entre la manufactura ágil y manufactura esbelta. Tabla V. Principios de producción esbelta y manufactura ágil.

66

Evaluación costo, beneficio de los productos.

1.8

El costo-beneficio es una lógica o razonamiento basado en el principio de obtener los mayores y mejores resultados al menor esfuerzo invertido, tanto por eficiencia técnica como  por motivación humana. Se supone que todos los hechos y actos pueden evaluarse bajo esta lógica, aquellos dónde los beneficios superan el costo son exitosos, caso contrario fracasan. El análisis de costo-beneficio es un término que se refiere tanto a: • Una disciplina formal (técnica) a utilizarse para evaluar, o ayudar a evaluar, en el caso de un

 proyecto o propuesta, que en sí es un proceso conocido como evaluación de proyectos. • Un planteamiento informal para tomar decisiones de algún tipo, por naturaleza inherente a

toda acción humana. Bajo ambas definiciones el proceso involucra, ya sea explícita o implícitamente, un  peso total de los gastos previstos en contra del total de los beneficios previstos de una o más acciones con el fin de seleccionar la mejor opción o la más rentable. Muy relacionado, pero ligeramente diferentes, están las técnicas formales que incluyen análisis costo-eficacia y análisis de la eficacia del beneficio. El análisis costo-beneficio es una técnica importante dentro del ámbito de la teoría de la decisión. Pretende determinar la conveniencia de un proyecto mediante la enumeración y valoración posterior en términos monetarios de todos los costos y beneficios derivados directa e indirectamente de dicho proyecto. Este método se aplica a obras sociales, proyectos colectivos o individuales, empresas privadas, planes de negocios, etc., prestando atención a la importancia y cuantificación de sus consecuencias sociales y/o económicas. El análisis de costo-beneficio es una herramienta de toma de decisiones para desarrollar sistemáticamente información útil acerca de los efectos deseables e indispensables de los proyectos públicos. En cierta forma, podemos considerar el análisis de costo-beneficio del sector público como el análisis de rentabilidad del sector privado. En otras palabras, el análisis de costo-beneficio pretende determinar si los beneficios sociales de una actividad  pública propuesta superan los costos sociales. Estas decisiones de inversión pública usualmente implican gran cantidad de gastos y sus beneficios se esperan que ocurran a lo largo de un período extenso. Para evaluar proyectos públicos diseñados para lograr tareas muy distintas, es necesario medir los beneficios o los costos con las mismas unidades en todos los proyectos, de 67

manera que tengamos una perspectiva común para juzgar los diversos proyectos. En la  práctica, esto comprende expresar los costos y los beneficios en unidades monetarias, tarea que con frecuencia debe realizarse sin datos precisos. Al efectuar análisis de costo-beneficio, lo más usual es definir a los ―usuarios‖ como el público y a los ―patrocinadores‖ como el

gobierno.

El esquema general para el análisis de costo-beneficio se puede resumir de la siguiente manera: 1 Identificar los beneficios para los usuarios que se esperan del proyecto. 2 Cuantificar en la medida de lo posible, estos beneficios en términos monetarios, de manera que puedan compararse diferentes beneficios entre sí y contra los costos de obtenerlos. 3 Identificar los costos del patrocinador. 4 Cuantificar, en la medida de lo posible, estos costos en términos monetarios para permitir comparaciones. 5 Determinar los beneficios y los costos equivalentes en el período base, usando la tasa de interés apropiada para el proyecto. 6 Aceptar el proyecto si los beneficios equivalentes de los usuarios exceden los costos equivalentes de los promotores (B>C). Valuación de Costos y Beneficios. • Beneficios para el Usuario: Para iniciar el análisis costo -beneficio, se identifican todos los

 beneficios del proyecto (resultados favorables) y sus perjuicios o contrabeneficios (resultados no favorables) para el usuario. También debemos considerar las consecuencias indirectas relacionadas con el proyecto, los llamados efectos secundarios. Beneficios para el usuario (B) = beneficios - perjuicios • Costos del Patrocinador: Podemos determinar el costo para el patrocinador identificando y

clasificando los gastos necesarios y los ahorros (o ingresos) que se obtendrán. Los costos del  patrocinador deben incluir la inversión de capital y los costos operativos anuales. Cualquier venta de productos o servicios que se lleve acabo al concluir el proyecto generar ingresos; por ejemplo, las cuotas de peaje en carreteras. Estos ingresos reducen los costos del patrocinador. Entonces podemos calcular los costos del patrocinador combinando estos elementos de costo: Costos del patrocinador = Costos de capital + Costos de operación y mantenimiento - Ingresos • Selección de una tasa de interés.

68

Anteriormente aprendimos que la selección apropiada para la evaluación de un  proyecto de inversión es un aspecto crítico en el sector privado. En los análisis del sector  público también hay ha y que seleccionar una tasa de interés, interé s, llamada tasa de actualización social,  para determinar los beneficios y costos equivalentes. La selección de una u na tasa de actualización ac tualización social para la evaluación de un proyecto público es tan crítica como la selección de la TMAR en el sector privado. En los proyectos públicos como no tiene fines de lucro, se dice que debe de seleccionarse una tasa de actualización social que refleje únicamente la tasa gubernamental vigente de obtención de prestamos (CETES); y cuando se desarrollan proyectos con contrapartidas privadas una TMAR mixta resultante de la tasa de actualización social y la tasa exigida por los inversionistas privados. • Razón Costo-Beneficio (C/B) Se han hecho diversas formulaciones de la razón C/B. A

continuación se presentan las más comunes:  Considerando BENEFICIOS / COSTOS: C/B=B/C = B/C+1 Si: B / C ³ 1 Acéptese el proyecto; ya que, por cada peso de costo se obtiene lo equivalente a uno o más pesos de beneficio. De lo contrario rechácese. Expresando la razón costo-beneficio como COSTOS / BENEFICIOS: Expresión usada en el contexto de la administración, organización de la Empresa, la Empresa, negocios  negocios y gestión. Es una técnica usada para evaluar programas o proyectos de Inversión, de Inversión, que  que consiste en comparar  Costos  Costos con los beneficios asociados a la realización del proyecto. Un proyecto estará Bien aspectado si los beneficios superan los Costos. los Costos.   Los beneficios pueden ser de tipo monetario o social, directo o indirecto. En otra acepción es un instrumento para formular y evaluar proyectos, trata acerca de los Costos y beneficios de un plan, cuantificando ambos en términos monetarios y sociales, directos o indirectos, con el propósito de que los beneficios sean mayores a los Costos. los Costos.   Los métodos que se usan con mayor frecuencia en este tipo de análisis son: tasa de Rentabilidad de Rentabilidad interna, Valor interna, Valor neto y actual, y análisis Costo análisis Costo-Eficiencia. -Eficiencia. La diferencia esencial entre el análisis de Costo de Costo - Beneficio y los métodos ordinarios de evaluación de inversiones que emplean las empresas, es el énfasis en los Costos los Costos y beneficios sociales. El objetivo consiste en identificar y medir las pérdidas y las Ganancia las  Ganancia en el bienestar económico que recibe la Sociedad la Sociedad en su conjunto.

69

U n i da d 2 Pr oces oceso de Con Con f or mado mado de Materiales

70

2.1

Laminación

F igur a 2.1 Empresa Empresa de laminación.

En general se menciona estos procesos cuando se tiene una parte inicial más voluminosa que laminar, y las deformaciones son significativas con referencia a su forma inicial. Los procesos de deformación volumétrica que se describen en esta sección son: 1) laminado, 2) forjado, 3) extrusión, 4) estirado de alambre y barras. bar ras. La La sección también documenta las variantes y operaciones afines a estos cuatro procesos básicos que se han desarrollado a través de los años. Estos proceso se pueden clasificar en: operaciones en frió o en caliente. Se realiza las operaciones en frió cuando la deformación no es tan significativa y se requiere mejorar las  propiedades mecánicas mecá nicas de las la s partes con c on un buen bue n acabado superficial. El trabajo en caliente se realiza cuando la deformación es significativa comparada con la parte original. La importancia tecnológica y comercial de los procesos de deformación volumétrica deriva de lo siguiente:  

Con las operaciones de trabajo en caliente se pueden lograr cambios significativos en la forma de las partes de trabajo. Las operaciones de trabajo en frío se pueden usar no solamente para dar forma al trabajo, sino también para incrementar su resistencia.

71



Estos procesos producen poco o ningún desperdicio como subproducto de la operación. Algunas operaciones de deformación volumétrica son procesos de forma neta o casi neta; se alcanza la forma final con poco o ningún maquinado posterior.

Laminación Es un proceso utilizado para reducir el espesor de una lamina, o en general, de la misma manera, alterar las medidas del área trasversal de una pieza larga mediante fuerzas de compresión, las cuales son generadas por el paso entre un juego de rodillos. Esto es es un  proceso de deformación volumétrica en el que se reduce el espesor inicial del material trabajado mediante las fuerzas de compresión que ejercen dos rodillos sobre la pieza/material de trabajo. Este proceso metalúrgico se puede realizar con varios tipos de máquinas. La elección de la  la  máquina más adecuada va en función del tipo de lámina que se desea obtener (espesor y longitud) y de la naturaleza y características del metal. La máquina más común es de simples rodillos, por entre los cuales se introduce el metal a altas temperaturas y se deforma hasta obtener el espesor deseado. Los rodillos giran en sentidos opuestos para que fluya el material entre ellos, ejerciendo fuerzas de compresión al pasar entre ellos y de cizallamiento originadas por el rozamiento que se produce entre los rodillos y el metal. Los procesos de laminado requieren gran inversión de capital, debido a ello los molinos de laminado se usan para la producción de grandes cantidades de productos estándar (laminas, placas, etc.). Esta disminución de espesor se da gracias a que los rodillos tiran el material hacia dentro del espacio de laminación laminación a través de una fuerza de fricción neta sobre el material. Esta fuerza de fricción neta debe actuar hacia la la derecha como se muestra en la Figura  No. 2.2, por lo cual la fuerza de fricción a la izquierda del punto de no deslizamiento debe ser mayor que la fuerza de fricción a la derecha del punto de no deslizamiento.

Tomado de Manufactura, Manufactura, ingeniería y tecnología, Kalpakjian –  Schmid,  Schmid, 4ta ed. F igu r a 2.2 Mu estr estr a el el efecto l as f uerza uer zass de r ozamiento ozamient o sobre sobre el cambio de espes espesor or de la lámi na

72

Los procesos de laminado se realizan, en su gran mayoría, en caliente por la gran deformación ejercida sobre el material trabajado. Además, los materiales laminados en caliente tienen propiedades isotrópicas y carecen de tensiones residuales. Los principales inconvenientes que presenta el laminado en caliente son que el producto no puede mantenerse dentro de tolerancias adecuadas, y que la superficie de la pieza queda cubierta por una capa de óxido característica.

Principales aplicaciones del laminado El laminado se utiliza en los procesos de fabricación de los aceros, aluminio, cobre, magnesio, plomo, estaño, zinc, y sus aleaciones. Casi todos los metales utilizados en la industria, han sufrido una laminación en alguna etapa de su conformación. Aunque la principal aplicación del laminado es la «laminación del acero». El producto final de la laminación puede presentarse en grupos de chapas de tamaños normalizados, o de bobinas en las que la lámina se enrolla en un cuerpo, también bajo medidas normalizadas. La lámina puede ser tratada químicamente tras su transformación para variar su comportamiento mecánico con tratamientos superficiales comunes, como el galvanizado. el galvanizado.

La laminación del acero La principal aplicación de la laminación es la producción de acero. La temperatura de la laminación del acero es de unos 1200 °C, los lingotes de acero iniciales, que se obtienen  por  fundición,    fundición,  se elevan a dicha temperatura en unos hornos llamados «fosas de recalentamiento» y el proceso en el que elevamos la temperatura del lingote recibe el nombre de «recalentado». Los lingotes de acero recalentados pasan al molino de laminación en los que se laminan para convertirlos en una de las tres formas intermedias: lupias, tochos o planchas. Las lupias se utilizan para generar perfiles estructurales y rieles para ferrocarril, los tochos se laminan para obtener barras y varillas. Y las planchas se laminan para producir placas, laminas y tiras. El laminado posterior de las placas y láminas suele realizarse en frío.

Molinos laminadores Existen varios tipos de molinos de laminación con diferentes configuraciones. El molino de laminación más común consite en dos rodillos opuestos y se conoce como molino de laminación «de dos rodillos» (A), este tipo de configuración puede ser reversible o no reversible. En el molino no reversible, al girar siempre en la misma dirección, el material de 73

trabajo entra siempre por el mismo lado; y en el reversible el material de trabajo puede entrar  por ambos lados, ya que los rodillos pueden girar en las dos direcciones. Otras configuraciones menos utilizadas son la de «tres rodillos», «cuatro rodillos» y «rodillos tándem». La configuración de «tres rodillos» (B) consiste en tres rodillos en una columna vertical en la que la dirección de los rodillos no cambia y el material de trabajo puede  pasar en cualquier dirección para lograr una serie de reducciones, subiendo o bajando el material después de cada paso. Este molino es más complicado por el mecanismo que debe elevar o bajar el material de trabajo después de cada pasada. En los molinos «de cuatro rodillos» (C,D) o «en racimo» (E,F) se usan dos rodillos de menor diámetro, que se encargan de realizar la presión sobre el material de trabajo. Estos rodillos se apoyan en dos rodillos de mayor diámetro para evitar desviaciones debidas a las grandes fuerzas que se ejercen sobre el material de trabajo. Para conseguir altas velocidades de rendimiento se utiliza el «molino de rodillos tándem» que consiste en una serie de bastidores de rodillos los que pueden llegar a los 8 ó 10 pares de rodillos y en cada uno se realiza una reducción del material. El mayor  problema es el de la sincronización de las velocidades debido a que esta aumenta en cada una de las fases. Los molinos tandem se usan con frecuencia en operaciones con colada continua. Presentan algunas ventajas cuando se utilizan en la colada continua, como la eliminación de las fosas de recalentado y que necesitan menos espacio.

F igur a 2.3 Conf igur aciones de un tr en de laminación.

Rodillos Los materiales utilizados para la fabricación de rodillos deben ser resistentes mecánicamente y resistentes al desgaste, normalmente se utilizan fundiciones de hierro, acero fundido y e acero forjado, para rodillos de pequeños diámetros se utilizan carburos de tungsteno. Los rodillos de acero forjado tienen más resistencia, tenacidad y rigidez que los rodillos de hierro fundido aunque estas ventajas se ven reflejadas en el coste ya que son más caros. Los rodillos que se utilizan en la laminación en frío son rectificados hasta alcanzar un acabado fino., para aplicaciones especiales los rodillos además se pulen. Estos rodillos no 74

deben ser utilizados en la laminación en caliente, ya que pueden llegar a agrietarse por ciclado térmico y astillarse.

Lubricantes La laminación en caliente de las aleaciones con hierro generalmente se realiza sin lubricantes, aunque se puede utilizar el grafito. Se usan soluciones en base agua para romper la cascarilla sobre el material laminado y para enfriar los rodillos.Las aleaciones no ferrosas se laminan en caliente y se utilizan aceites compuestos, ácidos grasos y emulsiones. La laminación en frío se realiza con lubricantes de baja viscosidad o con lubricantes solubles en agua, como emulsiones, aceites minerales, parafina y aceites grasos. En el tratamiento térmico de las palanquillas y de las placas el medio que se utiliza  para su calentamiento también puede servir como lubricante.

2.1.1 DETERMINACIÓN DE CARGAS EN LA LAMINACIÓN La magnitud de las cargas sobre los rodamientos, hoy en día generalmente se efectúa mediante programas computacionales de cálculo. Especial influencia tienen el material a laminar, el tipo de rodillos de trabajo (para fleje, alambre o palanquilla) y el programa de cálculo específico. Por otra parte, las cargas de choque que se producen en la entrada de material entre los rodillos de trabajo, no se contemplan en el cálculo. La carga de los rodillos en la primera pasada puede ser más del doble que la carga constante. La magnitud de la carga punta de la primera pasada depende de la forma del material que pasa entre los rodillos y de la temperatura del mismo. Dicha carga  punta de inicio es de corta duración. No obstante, no debería pasarse por alto que este tipo de tensiones pueden, ocasionalmente, afectar drásticamente la duración de vida de los rodamientos. La distribución de las cargas entre ambas posiciones de rodamientos depende del tipo de laminador, de las ampuesas y de la clase de material a laminar. Ampuesas autoalineables. Están apoyadas separadamente en el bastidor. Las cargas en los rodillos de laminación se transmiten al bastidor mediante la presión de los rodamientos (rodamientos axiales de rodillos cónicos) con superficie exterior abombada. Esto permite a las ampuesas adaptarse a la posición de las manguetas en caso de flexiones de los rodillos de laminación o de ajuste deficiente entre los mismos. Esto garantiza que todas las hileras de rodillos de los rodamientos de varias hileras, estén cargadas uniformemente, figura 2.4. El material a laminar pasa simétricamente entre ambas posiciones de rodamientos y cada mangueta está cargada con ½ x Pw

75

F igu ra 2.4 Ampu esas autoal in eables

F igu ra 2.5 Am puesas autoal in eables para l amin adores de fleje.

El laminado plano comprende el laminado de piezas con sección transversal rectangular con un ancho mayor que el espesor. En el laminado plano se reduce el espesor de la pieza una cantidad que llamamos «diferencia»: d  = t 0 − t  f  76

Donde: d = diferencia (mm); to = espesor inicial (mm); tf = espesor final (mm). En ocasiones la «diferencia» se expresa en relación al espesor inicial como la «reducción»: r  = d  / t 0 En el caso de que se produzcan varias operaciones de laminado, la reducción es la suma de los adelgazamientos dividida entre el espesor inicial. En la operación de laminado, al reducirse el espesor, aumenta el ancho y la longitud del material de trabajo. Pero existe una relación respecto a las dimensiones iniciales debido a la conservación del material, de modo que el volumen inicial es igual al volumen final:

Donde: Wo, Lo son ancho y largo iniciales de trabajo (mm); Wf, Lf son ancho y largo finales de trabajo (mm). En el laminado plano también permanece constante la velocidad volumétrica del material, por tanto, la velocidad de entrada (inicial) y salida (final) del material se relacionan de la siguiente manera:

Donde: vo y vf son las velocidades de entrada y salida del material de trabajo. La superficie de los rodillos, que esta en contacto con el material a lo largo de un arco definido por el ángulo: θ ,tiene una velocidad superficial: vr   ésta velocidad es menor que: v f  y mayor que: v0 A lo largo de la superficie de contacto con los rodillos la velocidad del material va cambiando gradualmente y hay un punto a lo largo del arco en el que la velocidad del material es la misma que la de los rodillos. Este punto recibe el nombre de «punto neutro». A ambos lados de dicho punto se producen deslizamientos y fricción entre el material y los rodillos. La cantidad de deslizamiento que se produce entre el material y los rodillos se mide como «deslizamiento hacia delante»:

Donde: s = deslizamiento hacia adelante, vf = velocidad final del trabajo (salida) (m/s); vr = velocidad del rodillo (m/s).

77

F igu ra 2.6 Esquema que muestr a los rodil los de lami nación.

Expresamos en forma de ecuación la deformación real a partir del espesor inicial y final del material de trabajo. Utilizamos la deformación real para obtener el esfuerzo de fluencia promedio , que se utiliza para obtener las estimaciones de fuerza y potencia de la operación de laminado:

Existe un límite máximo para el «d» que puede alcanzarse en la operación de laminado plano:

Donde: dmax = diferencia máxima (mm);μ = coeficiente de fricción,que depende de algunos

factores como la lubricación, el material, la temperatura, etc y R = radio del rodillo (mm). La estimación de la fuerza necesaria para la operación de laminado se obtiene de la ecuación:

También podemos estimar el momento de torsión para cada rodillo:  F  = 0.5 FL

Y finalmente, para obtener la potencia necesaria para realizar la operación de laminado aplicamos esta expresión:  P = 2π NFL

78

Donde P = potencia (W); N = velocidad de rotación (rev/min); F = fuerza de laminado (N); L = longitud de contacto (m). Rodillos perfilados. Es necesario distinguir entre rodillos laminadores con diferentes perfiles (p.ej. laminadores de palanquilla) y rodillos con los mismos perfiles (p.ej. laminadores de alambre). Con los rodillos con diferentes perfiles (figura 21), debe establecerse una secuencia indicando el porcentaje de tiempo y las cargas en cada perfil individual. Con ello se pueden determinar las cargas actuantes en ambas manguetas. El cálculo de la duración de vida a la fatiga se basa en las cargas medias que actúan en la mangueta más cargada.

. F igu ra 2.7 Ampuesa autoali neable, rodi ll os de lami nación con diferentes perf il es

Para los rodillos de laminar con idénticos perfiles (figura 2.8) las diferentes cargas en las manguetas pueden ser calculadas con el programa de laminación. Alternativamente, se pueden considerar los siguientes valores orientativos para las cargas máximas en las manguetas: Laminador simple: carga máx. en la mangueta 79

F r = 0,67 x P w Laminador dúo: carga máx. en la mangueta F r = 1,1 x P w Laminador cuarto: carga máx. en la mangueta F r = 2,0 x P w . P w = carga en el rodillo laminador, relativa a un bastidor

F igu ra 2.8 Am puesa aut oalin eable, r odil los con i dé nti cos perf il es.

80

Cálculo de las flexiones de los rodillos de laminar y de las condiciones de carga en los rodamientos. El software BEARINX  puede ser utilizado para calcular el comportamiento a la flexión de diferentes rodillos de laminar elásticos, apoyados elásticamente. Las reacciones en los apoyos, las tensiones internas en los rodamientos, las tensiones equivalentes en las manguetas y otros datos importantes pueden ser impresos y representados gráficamente. Las siguientes influencias pueden ser analizadas: • Elasticidad de los rodillos de laminar planos o perfilados, macizos o huecos, de diferentes

materiales, deformación debida a fuerzas transversales • Las cargas en las manguetas, procedentes de las fuerzas de laminado, los momentos de

flexión y las fuerzas exteriores actúan sobre los rodamientos. • Se tienen en cuenta los apoyos de los ejes, en forma de rodamientos con elasticidad no lineal,

la geometría de los rodamientos, el juego radial de los mismos, el perfil de los elementos rodantes y de las pistas de rodadura, así como las condiciones especiales de transmisión de las cargas. • Puede crearse y calcularse cualquier número de casos de carga (combinaciones

carga/velocidad).

F igu ra 2.9 Di sposici ón de rodamientos en el rodi ll o de tr abajo y en el rodi ll o de reenvi o.

81

F igu ra 2.10 Fl exión resul tant e en el r odil lo de reenvi o en dir ección YZ 

F igu ra 2.11 Vi sual ización de las presion es actuantes en el rodami ento de cuatr o hi leras de rodil los cilíndr icos del r odil lo de reenvi o.

82

F igu ra 2.12 D istri bución de cargas dentr o del rodami ento de cuatr o hi leras de rodi ll os cil índr icos de reenvi o.

2.1.2 LAMINACIÓN DE FORMAS Tipos básicos de laminado de acuerdo a la forma 

Laminado plano

83

F igur a 2.13 Vi sta later al del l ami nado pl ano i ndi cando el espesor antes y despué s, las veloci dades de trabaj o, el ángu lo de contacto con l os rodi llos y ot ras características.

El laminado plano se ilustra en las figura 2.13. Involucra el laminado de planchas, tiras, láminas y placas, partes de trabajo de sección transversal rectangular con un ancho mayor que el espesor. En el laminado plano, se presiona el material de trabajo entre dos rodillos de manera que su espesor se reduce Donde:

d = diferencia, (mm); to = espesor inicial, (mm); tf  = espesor final, (mm)

Algunas veces se expresa la diferencia d como una fracción del espesor inicial t o llamada reducción r



Laminado de perfiles

84

F I GURA 2.14 Laminadores de perf il es.

En el laminado de perfiles,  el material de trabajo se deforma para generar la sección transversal del perfil deseado. Por este procedimiento se realizan perfiles de construcción como perfiles en I, en L y canales en U; rieles para vías de ferrocarril y barras redondas y cuadradas, así como varillas. El material de trabajo pasa a través de rodillos que tienen impreso el reverso de la forma deseada. Los principios que se aplican al laminado plano pueden aplicarse al laminado de  perfiles en su gran mayoría. Los rodillos formadores son más complicados; y el material inicial, de forma usualmente cuadrada, requiere una transformación gradual a través de varios rodillos para alcanzar la sección final.1 Se diseña una secuencia de formas intermedias, con sus correspondientes rodillos, para lograr una deformación uniforme a través de las secciones transversales de cada reducción y así evitar una mayor elongación en estas secciones que  podría suponer torceduras y agrietamiento del producto laminado.

Tipos básicos de laminado de acuerdo al proceso. 

Laminado en caliente

85

F igu ra 2.15 Pr oceso de lami nado en cali ente.

El acero utilizado en la industria se puede encontrar en diversa variedad de formas y tamaños, tales como varillas, tubos, chapas o en forma de perfiles en H o en T. Estas formas se obtienen en las instalaciones siderúrgicas laminando los lingotes calientes o modelándolos de algún otro modo. El acabado del acero mejora también su calidad, su resistencia a los diferentes esfuerzos que puede ser sometido; todo esto se logra al refinar su estructura cristalina por medio del laminado. La laminación del acero es la deformación plástica de los metales o aleaciones, realizada  por la deformación mecánica entre cilindros. En el proceso de laminado en caliente (Fig. 2.16), el lingote colado se calienta al rojo vivo en un horno denominado foso de termodifusión (Fig.2.17), donde básicamente las palanquillas o tochos, se elevan a una temperatura entre los 900°C y los 1.200°C. Estas se calientan con el fin de proporcionar ductilidad y maleabilidad para que sea más fácil la reducción de área a la cual va a ser sometido.

F igur a2. 16 L aminado en caliente

F igur a2.17 F oso de termof usión

Durante el proceso de calentamiento de las palanquillas se debe tener en cuenta:

86





Una temperatura alta de calentamiento del acero puede originar un crecimiento excesivo de los granos y un defecto llamado quemado del acero que origina grietas que no son eliminables. Una temperatura baja de calentamiento origina la disminución de la plasticidad del acero, eleva la resistencia de deformación y puede originar grietas durante la laminación.

Por tanto la temperatura óptima de trabajo no es un solo valor, sino que varía en cierto rango de temperatura entre un límite superior y un límite inferior. A continuación del proceso de calentamiento se hace pasar los lingotes entre una serie de rodillos metálicos colocados en pares que lo aplastan hasta darle la forma y tamaño deseados. La distancia entre los rodillos va disminuyendo a medida que se reduce el espesor del acero. El primer par de rodillos por el que pasa el lingote se conoce como tren de desbaste o de eliminación de asperezas. Después del tren de desbaste, el acero pasa a trenes de laminado en  bruto y a los trenes de acabado que lo reducen a láminas con la sección transversal correcta. Los trenes o rodillos de laminado continuo producen tiras y láminas con anchuras de hasta 2,5 m. Estos laminadores procesan con rapidez la chapa de acero antes de que se enfríe y no  pueda ser trabajada. Las planchas de acero caliente de más de 10 cm. de espesor se pasan por una serie de cilindros que reducen progresivamente su espesor hasta unos 0,1 cm. y aumentan su longitud de 4 a 370 metros. Los trenes de laminado continuo están equipados con una serie de accesorios como rodillos de borde, aparatos de decapado o eliminación y dispositivos para enrollar de modo automático la chapa cuando llega al final del tren. Los rodillos de borde son grupos de rodillos verticales situados a ambos lados de la lámina para mantener su anchura. Los aparatos de decapado eliminan la costra que se forma en la superficie de la lámina apartándola mecánicamente, retirándola mediante un chorro de aire o doblando de forma abrupta la chapa en algún punto del recorrido. Las bobinas de chapa terminadas se colocan sobre una cinta transportadora y se llevan a otro lugar para ser recocidas y cortadas en chapas individuales. El coeficiente de fricción en el laminado depende de varios factores como lubricación, material de trabajo y temperatura de laminado, en la tabla 3.2 se dan algunos valores típicos de coeficientes de fricción según el tipo de laminado. Tabla V I . Val ores típicos de coeficient es de fricción.

87

El laminado en caliente se caracteriza frecuentemente por una condición llamada adherencia en la cual la superficie caliente del material de trabajo se pega a los rodillos sobre el arco de contacto. Esta condición ocurre frecuentemente en el laminado de aceros y aleaciones para alta temperatura. Cuando ocurre la adherencia, el coeficiente de fricción puede ser tan alto como 0.7. La consecuencia de la adherencia es que las capas superficiales del material de trabajo no se pueden mover a la misma velocidad que la velocidad del rodillo v r  y debajo de la superficie la deformación es más severa a fin de permitir el paso de la pieza a través de la abertura entre los rodillos. Dado un coeficiente de fricción suficiente para realizar el laminado, la fuerza F requerida para mantener la separación entre los dos rodillos se puede calcular integrando la  presión unitaria de laminado sobre el área de contacto rodillo-material de trabajo. Esto se  puede expresar como sigue:

Donde: F = fuerza de laminado (N) w = ancho del material de trabajo que se está laminando, (mm)  p = presión de laminado, (MPa); L = longitud de contacto entre el rodillo y el material de trabajo, (mm). La materia prima es almacenada en una bodega donde se separa de acuerdo a su composición química y origen, de modo que se le pueda dar seguimiento a las coladas (lotes) que están relacionadas con los certificados de calidad del proveedor de materia prima. El lingote de acero o palanquilla tiene una longitud aproximada a 12 metros y un peso promedio de 2 toneladas, sus dimensiones son de 150mm X 150mm. Opcionalmente se encuentra la sección de ―termoproceso‖ donde se le aplica agua en

cantidades y presiones controladas al producto terminado, mejorando sus propiedades mecánicas y permitiéndole cumplir con normas internacionales tan exigentes como la ASTM 706. Posteriormente los productos pasan a una mesa de enfriamiento donde, de forma natural, reducen su temperatura hasta los 200 °C. En la mesa de enfriamiento se toman muestras del lote de producción para el laboratorio de calidad. Al final de la mesa de enfriamiento se encuentra la cizalla que da el corte a la medida comercial ya sea ésta de 6, 9 ó 12 metros de longitud para las varillas o perfiles que se estén laminando, éstos son atados y etiquetados para posteriormente almacenarlos en la bodega de  producto terminado y planificar su distribución en el mercado.

88

Ejemplo de Trabajos de laminación realizados en caliente. Perforado de rodillos. Es un proceso especializado de trabajo en caliente para hacer tubos sin costura de paredes gruesas. Utiliza dos rodillos opuestos y por tanto se agrupa entre los  procesos de laminado. El proceso se basa en el principio que al comprimir un sólido cilíndrico sobre su circunferencia, como en la figura 2.18 (a), se desarrollan altos esfuerzos de tensión en su centro. Si la compresión es lo suficientemente alta se forma una grieta interna. Este  principio se aprovecha en el perforado de rodillos mediante la disposición que se muestra en la figura 2.18 (b). Los esfuerzos de compresión se aplican sobre el tocho cilíndrico por dos rodillos, cuyos ejes se orientan en pequeños ángulos (alrededor de con respecto al eje del tocho, de esta manera la rotación tiende a jalar el tocho a través de los rodillos. Un mandril se encarga de controlar el tamaño y acabado de la perforación creada por la acción. Se usan los términos perforado rotatorio de tubos y proceso Mannesmann para esta operación en la fabricación de tubos.

F igu ra 2.18 Perf oraci ón de rodil los a) for mación de esfuerzos in ternos y de la cavidad por compr esión de la parte cil índr ica y (b) di sposici ón del mol in o de lami nación M annesmann para produ cir tubo sin costur a.

Lámina Caliente sin Decapar El Acero Rolado en Caliente sin Decapar puede producirse en rollos con espesores de 0.075" (1.9mm). hasta 5/8" (15.8 mm) en un ancho máximo de 60", con un peso hasta de 22.5 toneladas por rollo.

Sus principales aplicaciones son: • Troquelados profundos y extraprofundos. • Acero de calidad estructural para aplicación: automotriz, construcción, soportes ferroviarios,

89

• Tubería para diversos usos de alta y mediana resistencia. Tabl a VI I . Pr in cipal es apli caciones de lámi nas de acuerdo a nor mas

Especificación

Calidad

Principales Aplicaciones

ASTM A 1011 CS Comerciales

Estantería, paneles, tubería, letreros.

ASTM A 1011 DS Troquelados profundos

Partes automotrices troquelados severos.

ASTM DDS

Partes automotrices compresores.

A

1011

Troquelados extra-profundos

troquelados

críticos,

ASTM A 1011 SS Estructural

Perfiles y tubos.

ASTM HSLA

Partes automotrices no expuestas, tubería y perfil, en donde se requiere una alta o mediana resistencia.

A

1011 Estructural baja aleación

ASTM A 424 Tipo Esmaltado 2

Calentadores de agua, pizarrones, y aplicaciones en partes arquitectónicas esmaltadas.

NOM B 011

Alta resistencia, baja aleación Tanques portátiles y estacionarios para Gas LP.

API 5L

Tubería de línea para conducción de Alta resistencia, baja aleación hidrocarburos, conducción de agua, y plataformas marinas.



Laminado en frío

La laminación en frío se lleva a cabo a la temperatura ambiente, por lo que produce acritud, necesitando a veces someter a la pieza a un proceso de recocido para estabilizar el material. A veces, cuando la deformación es muy profunda, debe recocerse entre deformación y deformación, ya que la acritud puede ser tan alta que impida la deformación. Debido a su gran variedad de aplicaciones, las piezas laminadas en frío se han vuelto cada vez más importantes en los últimos años, y se han introducido en sectores completamente nuevos como la industria automovilística. Las razones para esto incluyen la utilización de nuevos tipos de materiales y diseño mejorado de herramientas de conformado. La laminación en frío se ve como un proceso altamente productivo para la fabricación de perfiles en acero  por medio del conformado continuo de chapas metálicas con rodillos motrices. Las ventajas  particulares de este proceso son la variedad casi ilimitada de forma del perfil de las secciones, y el endurecimiento tensional del material como resultado del conformado, lo cual se puede convertir en una gran ventaja en muchos casos. 90

Control de Laminación en Frío El control de los parámetros del grosor y la planitud de la lámina es muy importante; los algoritmos son usados continuamente para calcular y ajustar el control de grosor y la distancia entre dos rodillos. El control se puede resumir en las cuatro funciones siguientes: 

Control de Planitud, incluyendo refrigeración, flexión, e inclinación de rodillos.



Control Hidráulico de Apertura de rodillos (HGC), que actúa sobre la fuerza de apriete y la posición de los rodillos.



Control de Alargamiento.



Control de Espesor, incluyendo control Feed-forward y caudal másico.

Otras operaciones de laminado Algunos otros procesos, de deformación volumétrica usan rodillos para formar las  partes de trabajo, estas operaciones incluyen laminado de anillos, laminado de cuerdas, laminado de engranes y perforado de rodillos.

Ejemplo de Trabajos de laminación realizados en frío. Laminado de anillos. El laminado de anillos es un proceso de deformación que lamina las  paredes gruesas de un anillo para obtener anillos de paredes más delgadas, pero de un diámetro mayor. La figura 2.19 ilustra el proceso antes y después. Conforme el anillo de  paredes gruesas se comprime, el material se alarga, ocasionando que el diámetro del anillo se agrande. El laminado de anillos se aplica usualmente en procesos de trabajo en caliente para anillos grandes y en procesos de trabajo en frío para anillos pequeños.

91

F igu ra 2.19 L amin ación de anil los que se usa para reducir el espesor e i ncr ementar su di ámetro: 1. I ni cio y 2 proceso term in ado  .

Las aplicaciones de laminado de anillos incluyen collares para rodamientos de bolas y rodillos, llantas de acero para ruedas de ferrocarril y cinchos para tubos, recipientes a presión y máquinas rotatorias. Las paredes de los anillos no se limitan a secciones rectangulares, el  proceso permite la laminación de formas más complejas. Las ventajas del laminado de anillos sobre otros métodos para fabricar las mismas partes son: el ahorro de materias primas, la orientación ideal de los granos para la aplicación y el endurecimiento a través del trabajo en frío.

F igu ra 2.20 L amin ado de cuerdas con dados planos: 1 in ici o del ci clo y 2 fin del cicl o.

Laminado de cuerdas.  El laminado de cuerdas se usa para formar cuerdas en partes cilíndricas, mediante su laminación entre dos dados. Es el proceso comercial más importante  para producción masiva de componentes con cuerdas externas (pernos y tornillos, por ejemplo). El proceso competidor es el maquinado de cuerdas. La mayoría de las operaciones de laminación de cuerdas se realizan por trabajo en frío utilizando máquinas laminadoras de cuerdas. Estas máquinas están equipadas con dados especiales que determinan el tamaño y forma de la cuerda, los dados son de dos tipos: 1) dados planos que se mueven alternativamente entre sí, como se ilustra en la figura 2.20, 2) dados redondos, que giran relativamente entre si para lograr la acción de laminado.

92

Las velocidades de producción en el laminado de cuerdas pueden ser muy altas, su capacidad alcanza hasta 8 partes por segundo para pernos y tornillos pequeños. Pero la velocidad no es la única ventaja con respecto al maquinado, existen otras como son: 1) mejor utilización del material, 2) cuerdas más fuertes debido al endurecimiento por trabajo, 3) superficies más lisas, 4) mejor resistencia a la fatiga debido a los esfuerzos por compresión que se introducen durante el laminado.

Laminado de engranes. Éste es un proceso de formado en frío que produce ciertos engranes. La industria automotriz es un importante usuario de estos productos. La instalación para el laminado de engranes es similar al laminado de cuerdas, excepto que las características de deformación de los cilindros o discos se orientan paralelamente a su eje (o a un ángulo en el caso de engranes helicoidales) en lugar de la espiral del laminado de cuerdas. Las ventajas del laminado de engranes - comparadas con el maquinado - son similares a las ventajas en el laminado de cuerdas: altas velocidades de producción, mejor resistencia a la fatiga y menos desperdicio de material

2.1.3 DEFECTOSCOPÍA EN PRODUCTOS LAMINADOS

F igu ra 2.21 Defectos en l amin ación (a) ondu lacion es (b) picadur as (c) defectos en bordes y (d) separación 

Defectos en placas y hojas laminadas Estos defectos pueden presentarse en la superficie de las placas u hojas, o pueden darse en su estructura interna. Los defectos degradan la apariencia de la superficie y pueden afectar 93

de manera adversa a la resistencia, la capacidad de formado y otras características de manufactura. Los defectos superficiales pueden ser: ralladuras, corrosión, cascarilla, picaduras, mordeduras y grietas causados por inclusiones e impurezas en el material fundido original o debido a otros procesos de preparación del material o a la misma operación de laminado. Los bordes ondulados en las hojas se forman debido a la flexión del rodillo. La tira es más delgada en los bordes que en el centro, ya que estos se alargan más y se tuercen debido a que están limitados en su libre expansión en la dirección longitudinal de laminado. Las grietas son el resultado de una deficiencia de ductilidad del material sometido a laminación a la temperatura en la que se realiza el proceso. El hojeamiento es debido a una deformación no uniforme durante el proceso de laminación o por la presencia de defectos en la palanquilla fundido original. Los defectos en los bordes en las hojas laminadas son eliminados mediante operaciones de corte y hendedura.

94

2.2

Forja

Para el proceso de fabricación por medio de Forja es indispensable tener en cuenta de qué material se trata y cuál es su estructura atómica. Si se trabaja el hierro en sentido longitudinal (en el sentido de la pieza) se puede estirar, doblar y realizar cualquier operación manteniendo su resistencia y estética. Si se trabaja en sentido contrario a su composición atómica (en sentido transversal), al estirarlo o doblarlo puede agrietarse o romperse, perdiendo también estética y resistencia. La fusión y la incandescencia de un material férrico necesitan obligatoriamente un conocimiento de las temperaturas a las cuales se somete, ya que determinan el comportamiento atómico del material. Si golpeamos un hierro en frío, conseguimos por un lado un hundimiento producido  por el impacto y por otro lado, una compactación en su estructura sobre la zona golpeada. La compactación irá produciendo una mayor dureza del material, pero también un mayor riesgo de fragilidad. Si golpeamos un hierro incandescente, apenas se produce compactación del material. Los golpes no hunden la zona de impacto, sino que hace que el material se ensanche.

F igur a 2.22 Estampa para f orjar bielas de motor

2.2.1 CLASIFICACIÓN DE LOS PROCESOS DE FORJA Hay un gran número de procesos de forja, los que pueden ser resumidos así: 95

            

Forja por impresión cerrada con matriz con exceso de material Forja por impresión cerrada con matriz sin exceso de material Electro-upsetting Extrusión hacia delante Extrusión hacia atrás Forja Radial Hobbing Forja Isotérmica Forja con matriz abierta Forja orbital Powder metal forging (P/M) Upsseting  Noising

Forja por impresión cerrada con matriz con exceso de material

F igur a 2.23 Secuenci a de forjado en un dado cerr ado(a) esquemáti co y (b) proceso 

Definición. En este proceso, un tocho (palanquilla) es formado (en caliente) en una matriz (por lo general con dos mitades) tal que el flujo de metal de la cavidad de la matriz es restringido. El material de exceso es sacado por un hueco restrictivo estrecho y aparece exceso de material alrededor de la forja en la línea de partición de la matriz.

Materiales.  Aceros al carbono y de aleación, aleaciones de aluminio, aleaciones de cobre, aleaciones de magnesio, berilio, aceros inoxidables, aleaciones de níquel, titanio y aleaciones de titanio, superaleaciones de hierro, níquel y cobalto, niobio y aleaciones de niobio, tántalo y aleaciones de tántalo, molibdeno y aleaciones de molibdeno, aleaciones de tungsteno. 96

Variaciones de Proceso. Forja por impresión cerrada con matriz con exceso de material lateral, longitudinal y sin flash. Uso.  Producción de forjas para coches, camiones, tractores, equipos de carretera, avión, ferrocarril y equipo de minería, industria general mecánica, y producciones ingenieriles relacionadas con la energía.

Forja por impresión cerrada con molde sin exceso de material

F igu ra 2.24 D ado cerr ado con m olde sin exceso 

Definición. En este proceso, un tocho con volumen controlado cuidadosamente es deformado (caliente o frío) por una apisonadora para llenar la cavidad de la matriz sin pérdida de material. La apisonadora y la matriz pueden ser hechos de una o varias piezas. Materiales. Aceros al carbono y de aleación, aleaciones de aluminio, aleaciones de cobre. Variaciones de Proceso. Forja de corazón, forja de precisión, forja en frío y caliente, forja P/M. Uso. Forjas de precisión, forjas huecas, accesorios, codos, tes, etc.

97

Electro-upsetting

Fi gura 2.25 Forj a caliente 

Definición. Proceso de forja en caliente que junta una cantidad grande de material hacia uno de los extremos de una barra redonda calentada eléctricamente y empujándolo contra una quijada fija plana o la cavidad de la matriz. Materiales. Aceros al carbono y de aleación, titanio. Uso. Preformas para forjas terminadas.

Extrusión hacia delante Definición. En este proceso, una apisonadora comprime un tocho (caliente o frío) limitado en un contenedor de modo que el material del tocho fluya por una matriz en la misma dirección que la apisonadora. Materiales. Aceros al carbono y de aleación, aleaciones de aluminio, aleaciones de cobre, aleaciones de magnesio, aleaciones de titanio. Variaciones de Proceso. Forja cerrada con matriz sin exceso de material, forja P/M. Uso. Dado un diámetro para ejes sólidos, partes tubulares con múltiple diámetro

98

Extrusión hacia atrás

F igu ra 2.26 Ext ru sión h acia adelante y atrás.

Definición. En este proceso, una apisonadora móvil aplica una presión estable a una pieza en  bruto (caliente o frío) limitado en una matriz, se forza al metal a fluir alrededor de la apisonadora en una dirección opuesta a la dirección de viaje de la perforadora. Materiales.  Aceros al carbono y de aleación, aleaciones de aluminio, aleaciones de cobre, aleaciones de magnesio, aleaciones de titanio. Variaciones de Proceso. Forja cerrada con matriz sin exceso de material , forja P/M. Uso. Partes huecas que tienen un fondo cerrado, partes ahuecadas con agujeros cilíndricos, cónicas, o de otras formas.

99

Forja Radial

F igur a 2.27 Proceso de forj a radial 

Definición. Este proceso de forja en caliente o frío utiliza dos o más quijadas radialmente móviles o matrices para producir componentes sólidos o tubulares con secciones transversales constantes o variables a lo largo de su longitud. Materiales. Aceros al carbono y de aleación, aleaciones de titanio, tungsteno, berilio, y superaleaciones de alta temperatura. Variaciones de Proceso. circular swaging. Uso. Esta es una técnica que es usada para fabricar partes simétricas. Reducir los diámetros de lingotes y barras, forja de ejes, forja de cañones de arma y de fusil, producción de componentes tubulares con y sin perfiles internos. Hobbing

F igu ra 2.28 Pr oceso hobbin g (a) con contenedor (b) sin cont enedor 

100

Definición. Hobbing es el proceso acuñar una impresión en un bloque para matrices en frío o caliente apretando con una perforadora. Materiales. Aceros al carbono y de aleación. Uso. La fabricación de moldes o matrices con impresiones relativamente bajas.

Forja Isotérmica

F igur a 2.29 Pr oceso f orja i soté rmi ca 

Definición. La forja isotérmica es un proceso donde la matriz y el tocho están aproximadamente a la misma alta temperatura. Materiales. Aleaciones de titanio, aleaciones de aluminio. Variaciones de Proceso. Forja cerrada con matriz con o sin exceso de material, forja P/M. Uso. Industria aeronáutica.

101

Forja con matriz abierta

F igur a 2.30 Forj a de matri z abierta para diferentes formas.

Definición. Es un proceso de forja en caliente en el cual el metal es formado por martillado o apretado entre la cavidad o contorno del molde o matriz. Equipo. Prensas hidráulicas, martillos. Materiales. Aceros al carbono y de aleación, aleaciones de aluminio, aleaciones de cobre, aleaciones de titanio, todos los materiales forjables.

102

Forja orbital

F igu ra 2.31 Pasos para proceso de forj a orbi tal 

Definición. La forja orbital es el proceso de forjar incrementalmente (en caliente o frío) una  pieza en bruto entre una matriz orbital superior y una no rotativa inferior. Esta última es levantada axialmente hacia la superior, que es fijada axialmente, pero cuyo eje hace movimientos orbitales, espirales, planetarios, o constantes. Materiales. Aceros al carbono y aceros de baja aleación, aleaciones de aluminio y cobre, aceros inoxidables, todos los materiales forjables. Variaciones de Proceso. También se le llama a este proceso forja de plaza circular, forja de oscilación. En algunos casos, el más molde inferior también puede girar. Uso. Engranajes, partes de embrague de garra, tapas de ruedas, rodamientos de anillos.

Powder metal forging (P/M)

F igur a 2.32 For ja por metalu rgi a de polvos 

103

Definición. Proceso de forja cerrado que funciona con polvos metálicos Materiales. Aceros al carbono y de aleación, aceros inoxidables, aleaciones bajas de cobalto, aleaciones de aluminio, aleaciones de titanio, aleaciones bajas de níquel. Variaciones de Proceso. Forja cerrada con matriz con o sin exceso de material Uso. Forjas y partes terminadas para coches, camiones, y equipos off-highway.

Upsseting

F igur a 2.33 For ja upssetin g 

Definición. Proceso realizado en caliente o en frío de modo que el área transversal de una  pieza, es aumentada. Materiales. Aceros al carbono y de aleación, aceros inoxidables, todos los materiales forjables. Variaciones de Proceso. Electro-upsetting, forja con molde abierto. Uso. Pernos, tuercas, bridas, etc.

104

Nosing

F igura 2.34 Forj a nosing 

Definición. Proceso de forja en caliente o en frío en el cual el extremo de un casquete o componente tubular es cerrado mediante presión. Materiales. Aceros al carbono y de aleación, aleaciones de aluminio, aleaciones de titanio. Variaciones de Proceso. Hundimiento de tubo, ampliación de tubo. Usos. Forja para extremos abiertos de casquetes de municiones; forja de contenedores de gas a  presión.

Coining

F igura 2.35Forja coining 

105

Definición.  Durante el proceso, el metal intencionadamente es adelgazado o reducido para alcanzar espesores requeridos o secciones levantadas. Extensamente es usado para el deletreado sobre el metal de hoja o componentes como monedas. El profundizado es un tipo de proceso de coining donde la presión que profundiza causa la reducción del grosor en el área que se dobla. Materiales. Aceros al carbono y de aleación, aceros inoxidables, aleaciones resistentes al calor, aleaciones de aluminio, aleaciones de cobre, aleaciones de plata y de oro. Variaciones de Proceso. Coining con y sin exceso de material, coining en molde cerrado. Usos. Monedas metálicas; artículos decorativos, como vajilla decorada, medallones y botones metálicos; apresto de coche y componentes de motor de avión. 2.2.2. EQUIPO DE FORJA De acuerdo al punto anterior 2.2.1, los equipos utilizados para estos procesos son: Forja por impresión cerrada con matriz con exceso de material Equipo. Yunque y martillos de contragolpe, hidráulicos, mecánicos, y prensas de 

tornillo. Forja por impresión cerrada con matriz sin exceso de material Equipo. Prensas hidráulicas, prensas mecánicas con multichoque. 

Electro-upsetting Equipo. Prensas eléctricas. 

Extrusión hacia delante Equipo. Prensas hidráulicas y mecánicas. 

Extrusión hacia atrás Equipo. Prensas hidráulicas y mecánicas. 

Forja Radial Equipo. Máquinas de forja radiales. 

Hobbing Equipo. Prensas hidráulicas, martillos. 

Forja Isotérmica Equipo. Prensas hidráulicas. 



Forja con matriz abierta 106

Equipo. Prensas hidráulicas, martillos. Forja orbital Equipo. Prensas de forja orbitales. 

Powder metal forging (P/M) Equipo. Prensas hidráulicas y mecánicas. 

Upsseting Equipo. Prensas hidráulicas, mecánicas, atornille prensas; martillos. 

 Noising Equipo. Prensas mecánicas e hidráulicas, martillos. 

2.2.3. DEFORMACIÓN PLANA EN FORJA

F igura 2.36 Forj a plana 

Según el tipo de Matrices empleado la forja se divide en: 



Forja libre, cuando las estampas son planas o con algo de forma. Se incluye también en la forja libre la laminación circular de grandes aros Siempre a temperatura elevada y normalmente utilizada para la forja de piezas unitarias, o series cortas en piezas de algunos pocos kg. a varias toneladas. Forja por estampación, cuando las estampas llevan grabada en bajorrelieve la semiforma de la pieza a conseguir de manera que el cierre de las matrices conforma la geometría completa de la pieza. A su vez, el grabado o huella de las matrices puede llevar incorporado una zona de desahogo para alojar el material sobrante (Forja con rebaba) o no (Forja en matriz cerrada). Normalmente aplicable a piezas en serie que van de unos pocos gramos a varios cientos de kg. 107

A continuación se describe la fabricación de una llave mixta por medio de forja plana:



Se fabrican a partir de una barra de acero



Se cortan las barras en lingotes



Se introducen los lingotes en un horno de inducción a 1000°C



Prensa de forja (a)matriz básica (b)matriz acabado (forma definitiva) 108



Se elimina el metal sobrante



Se esmerilan los bordes después de que se enfrían





Prensa hidraúlica (75 Ton) donde se estampa el nombre del fabricante y tamaño .

Una fresadora perfora un barreno en el extremo 109



Por medio de una brochadora le da la forma hexagonal



Otra brochadora da el terminado en el otro extremo de la llave.



Se pulen perfectamente los extremos.



Se someten a un proceso de templado 110



Pulido por medio de piedras abrasivas durante 8 hrs.



Se sumergen a una solución de níquel para hacerlas resistentes a la oxidación



Paso por una serie de baños para darle un cromado trivalente

111



Enjuagado con agua y las llaves salen totalmente brillantes.

F igur a 2.37 Proceso de fabri cación de una ll ave mix ta por f orj a plana.

2.2.4. FORJA CON MATRIZ ABIERTA Y CERRADA FORJA CON MATRIZ ABIERTA

F igur a 2.38 Forj a con matri z abierta 

Se llama dados abiertos por que el material no está confinado lateralmente, se hace generalmente entre dados planos permitiendo un amplio rango de formas y tamaños. Si se desea una pieza con excelente integridad estructural y es de gran tamaño, lo más apropiado es forja en dados abiertos. El tamaño de la pieza sólo está limitado por el tamaño del lingote.

112

Dado abierto: Simples, baratos, útiles para pequeñas cantidades, amplia variedad de tamaños,  buena resistencia.

F igur a 2.39 Equipos de for ja con matri z abierta 

La forja en dados de impresión comprime al metal entre dos dados (llamados herramientas) que contienen una cavidad preformada de la pieza deseada. Las piezas que pueden manufacturarse van desde unos cuantos gramos hasta decenas de toneladas. Algunas piezas pequeñas pueden forjarse en frío. A la forja de impresión, comúnmente se llama ―forja en dados cerrados‖.

Produce una variedad ilimitada de fomas en 3D Se usan prensas hidraúlicas, mecánicas y martillos con capacidades por arriba de 50 000 tons

FORJA CON MATRIZ CERRADA

113

F igur a 2.40 Proceso esquemáti co y de proceso de forja con matr iz cerr ada 

El forjado con dado impresor o forjado con matriz de impresión la pieza a fabricar adquiere la forma de los huecos o cavidades al forjarse entre dos matrices con perfil. Cuando se realiza esta operación algo de material fluye hacia fuera y forma una rebaba, ésta tiene un  papel importante en el flujo del material en el estampado ya que es delgada, se enfría rápidamente y al ejercer una resistencia a la fricción que existe entre la rebaba y la matriz somete a grandes presiones al material en la cavidad de la matriz causando así el rellenado de la cavidad.

F igur a 2.41For jado con dado cerr ado

Las piezas a forjar pueden ser preparadas previamente con otras operaciones como:   

Corte o recorte de una barra estirada o extraída. Operaciones de preconformado, como por ejemplo la metalurgia en polvos. Fundido. Una pieza bruta preformada en un forjado anterior. La pieza en estado  bruto se coloca en el dado inferior y al empezar a descender el dado superior la forma de la pieza cambia de forma progresiva.

114

Los procesos de preformado, como el forjado con dados convexos y cóncavos, se utilizan para distribuir el material en las diferentes zonas de la pieza bruta, parecido a cómo se conforma la masa para hacer bizcochos. En el forjado con dado cóncavo, el material de la pieza se aleja de una región. En el forjado con dado convexo se junta en una región localizada. Seguidamente a la pieza se le da la forma aproximada de la forma final con un proceso llamado bloqueo utilizando dados  bloqueadores. Finalmente es el acabado del proceso de forja en matrices de estampado en el que la pieza obtiene su geometría final. La rebaba se elimina normalmente mediante troquelado. En el proceso verdadero de forjado con dado cerrado o sin rebabas, éstas no se forman y el material de la pieza en bruto llena completamente las cavidades del dado. Es imprescindible el control del volumen del material y el del diseño correcto de la matriz para  poder conseguir un forjado con matriz cerrada que tenga las dimensiones y tolerancias deseadas. Un mal control del volumen del material puede ocasionar que coloquemos piezas  brutas pequeñas y no llenen completamente las cavidades del dado o por el contrario las piezas demasiado grandes pueden producir presiones excesivas y pueden hacer que los dados fallen  prematuramente o se aplasten. Dado Cerrado: Mejor aprovechamiento del material, mejores propiedades que los dados abiertos, buena precisión dimensional, alta velocidad de producción y buen acabado.

F igur a 2.42 Ejemplos de forjado con matri z cerr ada 

115

2.2.5. DEFECTOSCOPÍA EN PIEZAS FORJADAS Los defectos que se pueden presentar en piezas forjadas pueden ser desde el agrietamiento superficial durante el proceso, además de desarrollarse otros defectos como resultado del flujo del material en la matriz. Si el volumen del material no es el adecuado, este no llena la cavidad del dado, por consecuencia el alma puede torcerse durante el proceso y  producir ondulaciones y pliegue, pero si el alma es gruesa, el exceso de material puede fluir  por las piezas ya formadas de la forja y produce grietas internas, como se puede observar en las siguientes figuras.

F igu ra 2.43 (a) f orm ación de pliegues por t orci mi ento, se debería aum entar el espesor del alm a para evitar este problema y (b)defectos in ternos causados por u n m ateri al ci líndr ico mu y grande.(kal pakji an)

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 a deformación no uniforme del material en la cavidad, por gradientes de temperatura a través de la pueza durante el forjado, y por los cambios microestructurales causados por transformaciones de fase. Otro aspecto importante de la calidad en este proceso es el patrón de flujo de grano. Hay casos en que las líneas de flujo llegannn perpendiculllarmmmente a una superficie, descubriendo los límites de grano directamente al ambiente. Esta condición se llama granos finales. En servicio estos granos pueden ser atacados por el ambiente, producir una superficie rugosa y funcionar como concentradores de esfuerzos. Los defectos de forja pueden causar fallas por fatiga y originar otros problemas como corrosión y desgaste durante la vida del componente por ello es de suma importancia realizar la inspección de la pieza forjada antes de su puesta en servicio. El proceso de troquelado se puede simular con software especializado como pueden ser: QFOPRM y MEF, debido a que la tenología a tenido grandes avances en esta área por lo 116

tanto la eficiencia se incrementa considerablemente y con ello bajan los costos de fabricación y desperdicio de material y pérdida de mano de obra. La efectividad de la utilización de la simulación se basa en la posibilidad de la solución  práctica de un gran número de problemas técnicos que se encuentran durante la elaboración y optimización de la tecnología y del instrumento. Estos problemas pueden ser los siguientes:    

Optimización del flujo del metal. Ahorro del metal y de la energía. Aumento de la resistencia del instrumento. Incremento de la exactitud del estampado.

La propiedad necesaria del programa de simulación, desde luego, es la capacidad de  pronosticar los defectos de estampado y determinar las vías de corrección de los mismos. La efectividad económica de la aplicación del MEF en la producción está basada en la excelente adaptación del programa a las necesidades de la producción. El programa puede utilizarse para la solución de un amplio espectro de problemas relacionados con la producción, con lo que se simplifica la proyección y optimización de las herramientas de estampa. Con el programa puede trabajar tanto una sola persona, como un grupo de especialistas incluyendo el personal directivo, los proyectistas y tecnólogos en estampado, así como los metalúrgicos. Como resultado, el programa puede ser instalado en muchos puestos de trabajo conectados con una red local computarizada. Para la presentación de este trabajo, analicemos un ejemplo práctico.

F igu ra 2.44 sim ul ación del defecto pli ege en 3 dimensiones.

117

Trefilado

2.3

F igur a 2.45(a) Tr efi ladora y (b) banco de estir ado para fabri car alambre.

Se entiende por trefilar a la operación de conformación en frío consistente en la reducción de sección de un alambre o varilla haciéndolo pasar a través de un orificio cónico  practicado en una  herramienta llamada hilera o dado. Los materiales más empleados para su conformación mediante trefilado son el acero, el cobre, el aluminio y los latones,  aunque  puede aplicarse a cualquier metal oaleación dúctil. El trefilado  propiamente dicho consiste en el estirado del alambre en frío, por pasos sucesivos a través de hileras, dados o trefilas de  carburo de tungsteno cuyo diámetro es  paulatinamente menor. Esta disminución de sección da al material una cierta acritud en  beneficio de sus características mecánicas. Dependiendo de la longitud y el diámetro de las barras a trabajar, varían las reducciones que se pueden llegar a obtener mediante este proceso. A las barras de hasta 15 mm de diámetro o mayores, se les suele dar una ligera pasada para mejorar el acabado superficial y las tolerancias dimensionales reduciendo su diámetro hasta 1,5 mm. En otros tamaños más pequeños, se puede llegar a conseguir reducciones del 50%, y en otros alambres de hasta el 90% en pasadas sucesivas, partiendo en un estado del material de recocido y antes de que necesite un nuevo recocido con el fin de eliminar su acritud. Se fabrican alambres de hasta 0,025 mm y menores, variando el número de hileras por los que pasa el alambre y con varios recocidos de por medio. La disminución de sección en cada paso es del orden de un 20% a un 25% lo que da un aumento de resistencia entre 10 y 15 kg/mm2.

118

Alcanzado cierto límite, variable en función del tipo de acero, no es aconsejable continuar con el proceso de trefilado pues, a pesar que la resistencia a tracción sigue aumentando, se pierden otras características como la flexión. Las ventajas que aporta el trefilado propias del conformado en frío son las siguientes:  buena calidad superficial, precisión dimensional, aumento de resistencia y dureza, y por supuesto la posibilidad de producir secciones muy finas.

2.3.1. TRATAMIENTO SUPERFICIAL Decapado Químico: Este procedimiento químico previa a la trefilación que se utiliza para eliminar cascarilla de laminación, óxidos y otros materiales extraños al metal por medio de la acción de ácidos inorgánicos que los disuelven o transforman en otros productos eliminables por lavado  posterior con agua. Es un método más bién de taller por exigir la utilización de tanques donde se realiza la inmersión de las piezas. Previamente al decapado se llevará a cabo el desengrase y limpieza de materias extrañas al material. El ataque químico se realiza con soluciones de ácido clorhídrico, sulfúrico o fosfórico a los que se ha añadido un inhibidor para impedir el ataque al metal. El tiempo de ataque dependerá del espesor y penetración de la calamina u óxico. Finalmente, se  procede al lavado con agua caliente. En ocasiones sigue una inmersión en somu ción de ácido fosfórico o dicromato sódico para realizar un pasivado. El decapado químico permite además una perfecta adherencia del lubricante de trefilación y evita el desgaste prematura de las hileras de Trefilación que tienen un alto costo.

Recocido: El recocido es el tratamiento térmico que, en general, tiene como finalidad una temperatura que permita obtener plenamente la fase estable a falta de un enfriamiento lo suficientemente lento como para que se desarrollen todas las reacciones completas. Se emplea  para ablandar metales y ganar tenacidad, generalmente aceros. Se obtienen aceros más mecanizables y evita la acritud del material. La temperatura de calentamiento está entre los 600 y 700°C. El enfriamiento es lento.

2.3.2. CARGAS DE TREFILADO Cálculos en el proceso de Trefilado.

119

En una operación de estirado, la modificación en el diámetro del material de trabajo se da generalmente por la reducción de área definida como sigue:

Donde: r= reducción de área en el estirado Ao= área original del trabajo (mm2) Af = área final (mm2) La reducción de área se expresa frecuentemente como un porcentaje. En el estirado de barras, estirado de varillas y de alambre de diámetro grande para operaciones de recalcado y forjado de cabezas se usa el término draft  para denotar la diferencia de tamaños antes y después de procesar el material de trabajo. El draft es simplemente la diferencia entre el diámetro original y final del material: d = Do - Df donde: d= draft (mm) Do= diámetro original del trabajo (mm) Df = diámetro final del trabajo (mm) Las cargas de trefilado se calculan de acuerdo a la mecánica de estirado de alambre y barras. Si no ocurre fricción en el estirado, la deformación real se puede determinar por:

Donde: Ao y Af son las áreas originales y final de la sección transversal del material de trabajo r= reducción del estirado, definida anteriormente. El esfuerzo que resulta de esta deformación ideal está dado por:

120

donde: Yf = esfuerzo de fluencia promedio, basado en el valor de la deformación. Debido a que la fricción está presente en el estirado y aunque el metal de trabajo experimenta deformación no homogénea el verdadero esfuerzo es más grande que el proporcionado por la ecuación anterior. Además de la relación Ao/Af , otras variables que tienen influencia en el esfuerzo del estirado son el ángulo del dado y el coeficiente de fricción en la interfase trabajodado. Se presenta a continuación la ecuación sugerida por Schey:

Donde: σd= esfuerzo de estirado (MPa)

µ= coeficiente de fricción dado-trabajo α=ángulo del dado (medio ángulo) ɸ= es un factor que se usa para deformación no homogénea el cual se determina para una

sección transversal redonda como:

Donde: D= diámetro promedio del material de trabajo durante el estirado (mm) L= longitud de contacto del material de trabajo con el dado de estirado (mm). Los valores de D y L, se pueden determinar de las siguientes ecuaciones:

La fuerza correspondiente al estirado es entonces, el área de la sección transversal del material estirado multiplicada por el esfuerzo de estirado:

121

Donde: F= fuerza de estirado (N) La potencia requerida en una operación de estirado es la fuerza multiplicada por la velocidad de salida de trabajo.

2.3.3. TREFILADO DE BARRAS

F igu ra 2.46 barras de acero tr efil adas.

El trefilado de barras se realiza generalmente como una operación de estirado simple, en el cual el material se jala a través de la abertura del dado. Debido a que el material inicial tiene un diámetro grande, su forma es más bien una pieza recta que es enrollada. Esto limita la longitud de trabajo que puede procesarse y es necesaria una operación tipo lote. Por el contrario, el alambre se estira a partir de rollos de alambre que miden varios cientos o miles de metros de longitud y pasa a través de una serie de dados de estirado. El número de dados varía entre cuatro y doce. El término trefilado se usa debido a las grandes corridas de producción que pueden realizarse con rollos de alambre, ya que pueden soldarse a tope con el siguiente rollo para hacer la operación continua.

122

2.3.4. ANALISIS DEL TREFILADO

F igur a 2.47 análi sis del proceso de tr efi lado.

El proceso de trefilado conlleva de varias etapas bien definidas para lograr el producto requerido, las cuales son:

Desbobinado: El sistema de desbobinado a tensión cortante para máquinas trefiladores está caracterizado generalmente por la instalación de un motor eléctrico C en cada porta-carretes A, y un sensor B de tensión de hilo, un circuito impreso con un micro-controlador y los componentes necesarios para controlar el motor siguiendo una tensión deseada en el hilo. También caracterizado por el sistema de transmisión de energía eléctrica hasta cada portacarretes A, garantizando constantemente la alimentación de todos ellos a lo largo de su trayectoria, a pesar de ir pasando éstos por distintos platos giratorios conductores G. Dicha alimentación se realiza mediante los contactos giratorios L, el tubo giratorio K, los platos 123

giratorios conductores G, las placas conductoras H e I de éstos, y los contactos E de los acoplamientos D de los portacarretes con muelles F para asegurar su contacto adecuado con las placas conductoras de los platos giratorios conductores G.

F igu ra 2.48Sistema de desbobinado.

Decapado químico. Se explicó anteriormente en tratamientos superficiales.

F igur a 2.49 M áqui na de decapado

124

Lubricación: Para evitar el contacto directo de la hilera (matriz cónica) con el acero en proceso de trefilación, se utiliza un lubricante en polvo de alta presión que durante el proceso, se convierte en una pasta que sale adherida en forma de película, a la superficie del material trefilado. El lubricante seco más utilizado en el trefilado es el grafito en polvo, es negro, opaco y tiene un lustre metálico así como una densidad entre 2.09 y 2.2 g/cm3. Al ser muy blando mancha cualquier cosa que toque y tiene tacto graso o escurridizo. Es el único material no metálico que conduce bien la electricidad; sin embardo a diferencia de los otros conductores eléctricos, transmite mal el calor.

Mecanizado en Frío.

F igur a 2.50 Pr oceso de reducción de diámetr o 

Método por el cual el alambre se va reduciendo y moldeando hasta la forma deseada mediante rodillos y dados. La disminución de sección en cada paso es del orden de 20% a un 25% lo que da un aumento de resistencia entre 10 y 15 kg/mm2. Alcanzado cierto límite, variante en función del tipo de acero, no es aconsejable continuar con el proceso de trefilado  pues, a pesar que la resistencia a tracción sigue aumentando, se pierden otras características como la flexión.

125

Recocido.

F igu ra 2.51 Pr oceso de recocido 

Es el tratamiento térmico que, en general, tiene como finalidad una temperatura que  permita obtener plenamente la fase estable a falta de un enfriamiento lo suficientemente lento como para ablandar metales y ganar tenacidad, generalmente aceros. Se obtiene aceros más mecanizables y evita la acritud del material. La temperatura de calentamiento está entre 600 y 700°C. El enfriamiento es lento.

Calibración. Estrechas tolerancias (h9 en Normas DIN) tanto en la redondez de la sección como en el diámetro de la barra, son las características del material trefilado. Las cualidades anteriores  junto a muchas otras, permiten fabricar a partir de éste, piezas y partes de maquinaria. Con  poca modificación, una barra trefilada pueden pasar a constituir un eje, montarle un rodamiento, ser materia prima para fabricación de piezas en serie torneadas o constituir materia prima para tornos CNC…

126

Encarretado.

F igu ra 2.52 Pr oceso de encarretado 

Instalación colocada al final de la máquina que encarreta (embobina) el alambre trefilado perfectamente conformado.

2.3.5. TREFILADO DE TUBOS En este apartado se verá esquemáticamente el proceso de trefilado de tubos desde el tratamiento superficial hasta la inspección y control de calidad.

127

F igu ra 2.53 Proceso de tr efil ado de tubos 

128

129

F igu ra 2.54 Proceso esquemáti co de tr efi lado de tubos 

130

2.3.6. TENSIONES RESIDUALES El alambre de acero trefilado es un material de gran interés industrial. Se emplea masivamente en las obras de construcción, cables de minería, industria pesquera y en la industria del automóvil como hilos muy finos para el refuerzo de neumáticos. El proceso de trefilado con el que se obtienen estos alambres es una de las más antiguas operaciones de conformado de metales. Consiste, esencialmente en reducir las dimensiones de una barra haciéndola pasar a través de una matriz cónica por estirado en frío. En el siglo pasado, el aumento de las exigencias en cuanto a productividad y calidad de los productos propició un avance muy importante en el conocimiento y mejora del proceso de trefilado, no obstante, uno de los problemas aún no resuelto satisfactoriamente es la eliminación de las tensiones residuales producidas durante el conformado. En el proceso, los alambres sufren una gran deformación plástica que no es completamente homogénea en toda la sección, lo que origina la aparición de un perfil de tensiones residuales en el producto final. Estas tensiones pueden tener una gran influencia en el comportamiento mecánico de los alambres y en su durabilidad. Se ha comprobado que a presencia de tensiones residuales de tracción en a superficie favorece la formación de fisuras que pueden acortar la vida del alambre por fatiga, cuando se encuentra sometido a cargas variables, o bién producir roturas frágiles por corrosión bajo tensión o en presencia de medios agresivos. Algunos fallos ocurridos en componentes mecánicos y en estructuras se han justificado por causa de las tensiones residuales.  No obstante, la dificultad en la medida de las tensiones residuales ha hecho que la relación entre las propiedades mecánicas del alambre trefilado y su nivel de tensiones residuales se haya establecido hasta ahora únicamente de forma cualitativa. Los fabricantes conocen los efectos dañinos de las tensiones residuales y tratan de reducir su influencia mediante tratamientos termomecánicos después del trefilado, hoy en día estas técnicas siguen siendo más un arte que una ciencia debido a la escasez de estudios y datos confiables, además lo poco que se sabe es confidencial por cada fabricante. Por consiguiente es necesario conocer la distribución de las tensiones residuales originadas por el trefilado y la posibilidad de modificarlas, para evitar los efectos que se derivan y con ello se evitarían accidentes y considerables pérdidas, se obtendría un producto más competitivo y de mayor calidad. Hoy en día se realizan investigaciones sobre este proceso y es frecuente encontrar artículos dedicados al trefilado en conferencias internacionales dedicadas al comportamiento  plástico de los materiales o a los procesos de conformado de metales. Por otra parte existen  publicaciones a la industria de los alambres (Wire Journal International, Wire Industry). Los estudios realizados han permitido la mejora y el control de diferentes parámetros del proceso, en particular han sido numerosos esfuerzos destinado al conocimiento del flujo del material en su paso por la matriz [B. Avitzur 1989, E. Doedge 2000], así como los 131

dedicados a evitar la rotura de los alambres durante la fabricación [A. Nakagiri 2000, E. Doedge 2000] y a optimizar la geometría de las hileras [ Critescu 1980, H.B. Campos y P.R.Cetlin 1998, S. Vijayakar 1995, H. Godfrey 2000]. Parámetros como la fuerza de trefilado [P.O. Enghag 1997], la lubricación [R. Wright 1997] y la temperatura[ N. Neimarlija 1988] han centrado la atención de los investigadores. Las tensiones residuales aparecen en casi todos los materiales y se suman al estado de tensiones producido por las fuerzas externas. Aunque todavía no son del todo conocidos sus efectos, en las últimas décadas se han realizado numerosos estudios que han puesto de manifiesto su influencia en el comportamiento de los materiales. Por eso, no es extraño que en los últimos años haya existido un interés continuo en e desarrollo de métodos para la medida y el cálculo de tensiones residuales. La búsqueda de métodos para la medida de tensiones residuales comenzó al principio del siglo XX. Primero aparecieron los métodos mecánicos en los que se eliminaba parte del material y se derivaban las tensiones a partir de los cambios en las dimensiones experimentados por la muestra. En la actualidad, en la industria del alambre fino para neumáticos, todavía utiliza asiduamente para obtener una idea cualitativa del estado de tensiones residuales. Más tarde aparecerían otras técnicas basadas en métodos acústicos (E. Schneider y K. Goebbles 1983) que mide la velocidad de las ondas acústicas a través de la muestra, técnicas magnéticas [B. Sundström y K. T Törröen 1979] basados en la detección del ruido de Barkhausen, o las más recientes basadas en la espectroscopía Raman [S. Sharma 1985] o en la realización de microdurezas [S. Carlsson y P.L. Larsson 2001). Por ello el trefilado es un proceso muy evolucionado, fruto de muchos años de experimentación pero es ahora, a la luz de la Ciencia de los Materiales, cuando se empieza a comprender todo lo que sucede durante el conformado.

132

Extrusión

2.4

Los metales, los plásticos y los materiales de cerámicas se transforman en artículos útiles y productos de consumo por muchos diferentes medios. Los metales se vacían de maneras diferentes en moldes para producir formas intrincadas pequeñas o partes para máquinas en producción en serie. Los metales también se laminan entre rodillos, se conforman en piezas y se martillan en matrices o se fuerzan a través de dados por extrusión para hacer formas especiales. Por ejemplo, el hierro y el acero se calientan a temperaturas altas para  poder conformarlos fácilmente por forjado (martillado y comprimido). Aunque la forja fue en un tiempo una operación para metales en caliente, en la actualidad se practica el forjado en frío aún con el acero. A temperaturas intermedias se puede producir un material metalúrgicamente superior para algunos fines. La extrusión en prensa es un procedimiento de conformación por deformación plástica, que consiste en moldear un metal, en caliente o frío, por compresión en un recipiente obturado en un extremo con una matriz o hilera que presenta un orificio con las dimensiones aproximadas del producto que se desea obtener y por el otro extremo un disco macizo, llamado disco de presión. Si el esfuerzo de compresión se transmite al metal por medio del disco de presión o de la matriz, al proceso de extrusión se le denomina extrusión directa o extrusión inversa.

2.4.1. EQUIPO PARA EXTRUSIÓN Tipos de máquinas extrusoras Para que sea realizado el proceso de extrusión, es necesario aplicar presión al material fundido, forzándolo a pasar de modo uniforme y constante a través de la matriz. Atendiendo a estos requisitos, las máquinas extrusoras se clasifican en: extrusoras de dislocamiento positivo y extrusoras de fricción. 

Extrusoras de dislocamiento positivo

Se obtiene la acción de transporte mediante el dislocamiento de un elemento de la propia extrusora. En la matriz la reología del polímero tiene mayor influencia sobre el proceso. 

Extrusora de pistón (inyectora)

Un pistón, cuyo accionamiento puede ser hidráulico o mecánico, fuerza al material a pasar a través de la matriz. Es utilizada para la extrusión de polímeros termofixos, 133

 politetrafluoretileno, Polietileno de Alta Densidad de Ultra Alto Peso Molecular (PEAD  –  UAPM), metales y materiales cerámicos. 

Extrusoras de fricción

La acción del transporte, conseguida aprovechándose las características físicas del  polímero y la fricción de éste con las paredes metálicas transportadoras de la máquina, donde ocurre la transformación de energía mecánica en calor que ayuda a la fusión del polímero. La reología del polímero tiene influencia sobre todo el proceso. Los tipos son: extrusora de cilindros y extrusora de rosca. 

Extrusora de cilindros

Consiste, básicamente, en dos cilindros próximamente dispuestos. El material a ser  procesado pasa entre estos cilindros y es forzado a pasar por una matriz. Este proceso es utilizado para algunos elastómeros y termoplásticos. 

Extrusora de rosca

Las extrusoras de rosca pueden estar constituidas por una, dos o más roscas. Son las más utilizadas para la extrusión de termoplásticos, comparadas con todos los demás tipos de extrusoras.

2.4.2. EXTRUSIÓN EN CALIENTE También hacemos fluir el material que previamente hemos calentado hasta una temperatura entre la de recristalización y la de fusión. El sitio por donde fluye es la matriz, que tendrá la sección de la pieza. Es un método muy empleado por el que se obtienen gran cantidad de piezas. Se pueden usar metales básicos o en combinación de otros como aleantes, siendo los más utilizados el aluminio, cobre, cinc, estaño y níquel, así como sus aleaciones, dependiendo del tipo de metal utilizado la facilidad para extruir. Las prensas de extrusión en caliente son específicas para este proceso. Son de tipo horizontal y disponen de un cabezal fijo, un contenedor que es donde se pone el lingote, una matriz que es donde se prensa y un punzón que va a empujar a ese lingote. El sistema de prensado puede ser directo o indirecto. Hay sistemas que no utilizan el  punzón como elemento aplicador de la fuerza. También puede haber máquinas en que la matriz tenga varios orificios. Como equipo básico se emplea: 134

Las matrices: constan de tres partes fundamentales: 





Matriz: es por donde sale el perfil, es un bloque cilíndrico en el que se incorporan los elementos que le van a dar la dureza adecuada Contramatriz: es un bloque de acero de mayor espesor y básicamente nos va a servir para ayudar a la matriz a soportar las presiones Portamatriz: sirve para fijar el conjunto al cabezal

Los punzones: deben estar hechos de material adecuado para resistir las presiones. Se realizan en aleaciones de acero. Los contenedores: aguantan las presiones de todas las partes y su tamaño está en relación con el de la pieza. Son elementos de aleación de acero. Otros elementos o utensilios que se utilizan son un horno para calentar, hornos de tratamiento y bancos para enderezar el material ligeramente defectuoso. Con la extrusión vamos a obtener una variedad de perfiles muy grandes, puesto que se trata de un proceso sencillo y económico incluso con series no muy amplias. El material obtenido presenta unas buenas características mecánicas, a la altura de otros procesos e, incluso, mejorando las propiedades de los materiales. Los perfiles obtenidos  pueden ser redondos, ángulos, dobles tes,… Además, también se pueden obtener perfiles semiacabados si se desea.

2.4.3. EXTRUSIÓN Y FORMADO EN FRIO En ella vamos a forzar al material para que fluya entre las paredes de la matriz y la de un punzón que lo está oprimiendo. Para que esa operación sea correcta deben cumplirse dos condiciones: Habrá que utilizar materiales muy dúctiles La presión del punzón será enérgica y se aplicará por choque El espesor de las piezas depende del diámetro interior de la matriz (D) y del exterior del punzón (d): e = (D –  d) / 2 135

El espesor siempre debe tener un valor mínimo, dependiendo del material. Las alturas tienen unos valores máximos, que están en función de los diámetros de la  pieza, es decir, la altura puede variar en función de los diámetros. Para la extrusión en frío se utilizan máquinas de gran potencia, siendo habitual el empleo de máquinas de punzón o de ballesta. Métodos para la extrusión en frío  Normalmente se realiza mediante la creación de un flujo inverso, pero también puede hacerse mediante flujo directo. El método de flujo inverso es el más empleado. Es una operación que se realiza en tres fases:  



En la primera se coloca el disco de material en la matriz A continuación el punzón choca con el disco y, con la presión adecuada, hará fluir el material hacia el exterior. Finalmente, el punzón se retira llevando consigo la pieza extruida que será liberada al encontrarse con el extractor.

La fuerza necesaria para la extrusión en frío viene determinada por una fórmula empírica: F=S·k·log(S/s), donde S es la sección de la pastilla, s la sección de la pieza extruida y k un coeficiente que se establece una vez determinado el valor de la carga de rotura, ya que es el doble de ese valor.

2.4.4. EXTRUSIÓN DE TUBOS CON Y SIN COSTURA PRODUCCION DE TUBOS EXTRUIDOS SIN COSTURA La extrusión es un método ideal de producir tubos sin costura, y el principio del método ya se ha utilizado en la extrusión de cable forrado. El cable en el centro del orificio circular del dado, forma un espacio anular a través del cual el metal extruido fluye para formar el forro. Para la producción de tubos, el cable se reemplaza por un mandril. Hay tres tipos, de arreglo, de mandril que pueden usarse: (a) fijo, 136

(b) flotante, (c) perforante. Los tipos (a) y (b) están fijos al émbolo como se muestra en la Fig. 2.58 y el lingote debe  perforarse de manera que el mandril pueda sobresalir a través del lingote y tomar su posición en el orificio del dado. La tendencia moderna es la de usar el mandril flotante, más que uno fijo, puesto que él mismo se centra y, por tanto, produce tubos con concentricidad dentro del 1 %.

F igur a 2.58 Tipos de arr eglos del mandri l.

Por otro lado, los mandriles fijos producen tubos excéntricos a menos que se tenga cuidado, para perforar con precisión el lingote. Cuando se usa mandril perforador, el lingote es sólido y el mandril se retrae dentro del émbolo. Después que el lingote caliente se coloca dentro del contenedor, el mandril es empujado dentro del lingote y pasa a través de él para colocarse en el orificio del dado. Las principales ventajas de este proceso son velocidad y economía, porque elimina la operación de perforado por separado y el equipo especial requerido. Las desventajas son que las prensas requeridas, son mucho más grandes y mucho más caras que las del tipo sin perforador. La operación severa de perforado, algunas veces da abundantes grietas y desgarres en el agujero del lingote produciendo defectos en el tubo. Por estas razones, el perforado no se lleva a cabo en tubos de aluminio y sus aleaciones, y se usa  principalmente en aleaciones de cobre donde no son necesarios buenos acabados superficiales, requeridos en usos hidráulicos y de alta presión. Un desarrollo reciente ha sido la introducción 137

de dados puente, donde el mandril normal se ha reemplazado por uno más pequeño, sostenido en posición en el orificio del dado, por tres brazos delgados de araña, como se muestra en la Fig. 2.59

F igur a2.59 Sustitu ción del mandri l

El metal es rebanado por los tres brazos de araña cuando es extruido, para dar tres segmentos separados, pero éstos son inmediatamente comprimidos por el soporte cónico del dado sin exponerse al aire, por lo que las superficies limpias se sueldan por presión, para formar un tubo completo. Cuando este proceso fue propuesto inicialmente, los clientes tendían a ser renuentes a aceptar el producto, que era considerado inferior a los tubos sin costura normales. Sin embargo, ahora se acepta que los tubos hechos con dados puente son tan  buenos, si no es que superiores a los tubos extruidos normalmente. Esto en particular, es cierto con los productos recién desarrollados; dados puente de tres y cuatro aberturas se muestran en las siguiente figura.

F igu ra 2.60 T ubos elabor ados con dados puente 

138

PRODUCCION DE TUBOS EXTRUIDOS CON COSTURA Proceso utilizado para la fabricación de tubos desde 8 a 25 cm El proceso más antiguo y el más utilizado es el "Mannesmann", que consiste en : 1.- Calentar a 1200ºC un lingote cilíndrico de acero. 2.- Se hace pasar el lingote por un laminador oblicuo que tiene movimientos helicoidales de traslación y rotación, con un perno ó mandril interior que permite la perforación interna del tubo. 3.- Se hace pasar el tubo, de paredes gruesas, por otro laminador oblicuo de acabado. Posteriormente se le dá la terminación y calibrado de diámetros.

Extrusión, fundición y forjado: 1.- Extrusión : Se fabrica a partir de perno macizo en estado pastoso que es colocado en un recipiente y sometido a una prensa con un émbolo y un mandril, el émbolo permite conseguir el diámetro externo final del tubo, y el mandril perforar el diámetro interno final del tubo,  posteriormente se le dá el acabado. Se calienta a 1200ºC y se utiliza una prensa de 1500 tn. Se utiliza este proceso para tubos de pequeño diámetro, por debajo de 8 cm. 2.- Fundición: En esete proceso el material para el tubo, en estado líquido se carga en moldes, donde se solidifica para adquirir su forma final. Se utiliza para fabricar tubos de hierro fundido, aleaciones especiales no forjables, concreto, amianto, gomas. 3.- Forjado: Se utiliza para tubos de acero de paredes gruesas, para presiones altas. Consiste en perforar interiormente un lingote de acero, en frío, luego se calienta y es forjado con un martillete y un mandril central, hasta alcanzar el espesor deseado. El proceso en general consiste en la deformación de una chapa curvándola hasta llevarla a una geometría cilíndrica, y soldando dos bordes. En este contexto, costura es sinónimo de soldadura. Esta costura puede ser longitudinal, es decir, extenderse a lo largo de una generatriz del tubo, o helicoidal, o sea, enrollarse como una hélice a lo largo del tubo. El inconveniente de estos tubos es que en las proximidades de la costura queda un zona del metal afectada por la alta temperatura a que fue sometida durante el proceso de soldadura. Esta zona es algo así como el talón de Aquiles del tubo, porque sus características metalúrgicas, y por ende sus propiedades mecánicas y fisicoquímicas, han quedado alteradas.

139

Otros Pr ocesos

2.5

Troquelado Se le llama troquel a la herramienta que, montada en una prensa permite realizar operaciones diversas tales como: 

Cizallado



Corte de sobrante



Doblado



Picado



Perforado



Estampado



Embutido



Marcado



Rasurado, etc

F igu ra 2.55 Pr oceso de tr oquelado 

140

Los elementos de transformación en un troquel, son llamados punzón (macho) y matriz (hembra),  ambos deben tener un tratamiento previo de endurecimiento (llamado «templado») que debe superar la dureza de los materiales a procesar. La parte superior de la herramienta (parte superior del porta troquel) se sujeta firmemente al ariete o carnero de la prensa mientras que la parte inferior (porta matrices) se fija a la mesa de la máquina, el centramiento entre ambos (incluida la holgura) se mantiene gracias a los postes fijos en el porta troquel y los bujes embalados que se deslizan en las tazas, aunque hay troqueles que solamente tienen postes y tazas con ajuste deslizante entre ellos y algunos otros (esto ya es poco común) que no cuentan con postes y para centrar se emplea un método un poco rudimentario que se describe en ―procedimiento de montaje de troqueles‖.

Entendiendo que la operación de troquelado se realiza a los 180° del viaje (carrera) del ariete, una vez realizada está, el punzón comienza a subir pero existe un problema: la elasticidad del material (véase Resistencia de materiales), que al contraerse ―abraza‖ al punzón y, por lo tanto, tiende a subir junto con él; esto lógicamente debe evitarse, para ello entran en  juego los extractores de la cinta metálica (planchador o expulsores o puentes) que separan el material del punzón al mismo tiempo que lo sujetan contra la matriz en el momento en que se realiza la operación de troquelado. Por otro lado, el material cortado tiene cierta tendencia a adherirse a la matriz, ya que éste se expande. En algunos casos esta expansión no es suficiente y entonces también trata de subir pegada al punzón; para evitarlo, se utilizan los botadores que son simplemente pernos, que mediante la acción de un resorte, impiden que la pieza sea extraída de la matriz ―empujando‖ literalmente hacia abajo el material cortado.

Estampado La estampación es un tipo de proceso de fabricación por el cual se somete un metal a una carga de compresión entre dos moldes. La carga puede ser una presión aplicada  progresivamente o una percusión,  para lo cual se utilizan prensas y martinetes.  Los moldes, son estampas o matrices de acero,  una de ellas deslizante a través de una guía (martillo o estampa superior ) y la otra fija ( yunque o estampa inferior ). Si la temperatura del material a deformar es mayor a la temperatura de recristalización, se denomina estampación en caliente, y si es menor se denominaestampación en frío. 

Estampación en caliente

La estampación en caliente se realiza con el material a mayor temperatura que la temperatura de recristalización. En este caso se trata de un tipo de proceso de forja,  con la  peculiaridad de someter el material a compresión entre dos estampas. A esta temperatura el material tiene un límite elástico bajo y una región plástica amplia, siendo posible deformarlo sin incrementar su acritud. No obstante, para obtener formas complicadas puede ser necesario

141

realizar varias operaciones en una serie de estampas que se aproximan progresivamente a la forma final, a veces con otras operaciones intermedias, como desbarbados o mecanizados. El producto obtenido tiene menor precisión dimensional y mayor   rugosidad que cuando se trabaja en frío, pero es posible obtener mayores deformaciones en caliente. 

Estampación en frío

La estampación en frío se realiza con el material a menor temperatura que la temperatura de recristalización, por lo que se deforma el grano durante el proceso, obteniendo anisotropía en la estructura microscópica. Suele aplicarse a piezas de menor espesor que cuando se trabaja en caliente, usualmente chapas o láminas de espesor uniforme. Las principales operaciones de estampación en frío son: 

Troquelación: punzonado (realización de agujeros), corte (separación de piezas de una chapa) o acuñación.



Embutición: obtención de cuerpos huecos a partir de chapa plana.



Deformación por flexión entre matrices: curvado, plegado o arrollado.

Los materiales utilizados en la estampación en frío son dúctiles y maleables,  como el acero de baja aleación, las aleaciones de aluminio (preferentemente almagnesio, sin cobre), el latón, la plata y el oro.

142

Unidad 3

M aquinado de Materiales

143

El maquinado o mecanizado, es el proceso de fabricación que comprende un conjunto de operaciones de conformación de piezas mediante la eliminación de material, ya sea por arranque de viruta, por   abrasión y no convencionales, de una pieza básica para darle forma y hacerla útil y/o proceso de formado mecánico mediante la aplicación de corte superficial y  profundo por medio de máquinas herramientas sobre diferentes materiales.

Procesos básicos de formación de viruta: hay siete procesos básicos los cuales son: torneado, modelado, fresado, taladrado, serrado, escariado, y el maquinado abrasivo. Maquinado abrasivo. Es el proceso básico por el cual se forman las virutas por los bordes de corte muy pequeñas que son partes integrales de partículas abrasivas. Procesos de maquinado no convencionales. Métodos por lo general no producen virutas o un  patrón establecido en la superficie y a menudo implican nuevos modos de energía. La mayoría de las aplicaciones industriales de maquinado son en metales, se utiliza  para convertir piezas fundidas, piezas forjadas, o bloques preformados de metal en las formas deseadas, con el tamaño y acabado especificado para cumplir los requisitos de diseño. Para la aplicación del corte superficial, existen máquinas herramientas diferentes, para cada aplicación que se requiera: tornos, fresadoras, taladradoras, rectificadoras, centros de maquinado, entre otras. Debido a sus características, se realiza generalmente después de otros procesos de manufactura como fundición o deformación volumétrica (forjado y estirado de barras). Otros  procesos crean la forma general de la parte y el maquinado produce la geometría final, las dimensiones y el acabado. Para este proceso de fabricación es de suma importancia conocer la maquinabilidad de los materiales, la cual es una propiedad que permite comparar la facilidad con que pueden ser  maquinados por arranque de viruta.  Los materiales con mejor maquinabilidad requieren  potencias y fuerzas de corte reducidas, con un desgaste lento de los filos de corte y pueden mecanizarse obteniendo superficies menos rugosas y, en general, con un mejor  acabado. Además, otro factor que indica una buena maquinabilidad de un material es la posibilidad de  poder controlar fácilmente la longitud de la viruta resultante. Las virutas largas y delgadas  pueden enredarse e interferir en las operaciones de corte, además de presentar en algunas ocasiones un peligro para el operario. Los factores que suelen mejorar la resistencia de los materiales a menudo degradan su maquinabilidad. Por lo tanto, para una mecanización económica, los ingenieros se enfrentan al reto de mejorarla sin perjudicar la resistencia del material y/o las propiedades específicas. Es difícil establecer relaciones que definan cuantitativamente la maquinabilidad de un material, pues las operaciones de maquinado tienen una naturaleza compleja. En algunos casos, la dureza y la resistencia del material se consideran como los principales factores a evaluar. Los materiales duros son generalmente más difíciles de mecanizar pues requieren una fuerza mayor para cortarlos. Sobre estos factores influyen propiedades del material como su composición química, conductividad térmica y su microestructura. A veces, sobre todo para los no metales, estos factores auxiliares son más importantes. Por ejemplo, los materiales  blandos como los plásticos pueden ser difíciles de mecanizar a causa de su mala conductividad térmica. 144

Los materiales maquinables, como se mencionó no son frágiles o quebradizos al aplicarles el corte del maquinado. En general, todos los aceros al carbono SIN TRATAMIENTO TÉRMICO DE ENDURECIMIENTO, los aceros inoxidables austeníticos, los aceros inoxidables ferríticos SIN TRATAMIENTO TÉRMICO DE ENDURECIMIENTO, los aceros de alta o baja aleación SIN TRATAMIENTO TÉRMICO DE ENDURECIMIENTO, todas las aleaciones de cobre (bronces y latones) NO ESTRUCTURALES, todos los aluminios, todas las maderas, casi todos los materiales  poliméricos llamados plásticos de ingeniería (UHMW, Delryn, Nylamid, Celiazole, plásticos  para O - Rings), metales y materiales compuestos de dureza menor de 40 HRC (como el Titanio) y en general cualquier material que tenga una dureza menor de 40 HRC (Rockwell C) son maquinables, cada uno con sus dificultades particulares. Los materiales no maquinables especìficamente son frágiles al corte o con una dureza mayor de 40 HRC, como casi todos los materiales cerámicos, metales y materiales compuestos de dureza mayor de 40 HRC (como el Tungsteno), aceros con tratamiento térmico de endurecimiento, aceros de grado herramienta, hierros fundidos, entre otros. Por las razones anteriores el maquinado es uno de los procesos más importantes de manufactura. La Revolución Industrial y el crecimiento de las economías basadas en la manufactura de todo el mundo se pueden describir en gran parte por el desarrollo de varias operaciones de maquinado. Los siguientes puntos explican la importancia de las operaciones desde el punto de vista comercial y tecnológico en conclusión se puede decir que: 



 

Se aplica a una amplia variedad de materiales de trabajo. Prácticamente todos los metales sólidos se pueden maquinar. Los plásticos y los compuestos plásticos se  pueden cortar también por maquinado. Las cerámicas presentan dificultades debido a su alta dureza y fragilidad; sin embargo, la mayoría se pueden cortar exitosamente mediante procesos de maquinado abrasivo. Se usa para generar cualquier forma geométrica regular, como superficies planas, agujeros redondos y cilindros. Combinando varias operaciones de maquinado en secuencia se pueden producir formas de complejidad y variedad ilimitada. Puede producir dimensiones con tolerancias muy estrechas 0.0001 pulg (0.025 mm). Es más preciso que muchos otros procesos. Es capaz de crear acabados superficiales muy tersos que pueden llegar a ser mejores que 16  pulg (0.4 m). Algunos procesos abrasivos pueden lograr mejores acabados aún.

145

Torno

3.1

F igu ra 3.1 Partes pri nci pales torn o Tit ani um, labor atori o de I ngeniería en M aterial es, I nstitu to Tecnol ógico de Z acatecas.

El torneado genera básicamente formas cilíndricas con herramientas de un solo punto de corte, en la mayoría de los casos la herramienta es estacionaria y la pieza rotativa. Es el proceso más ampliamente utilizado y que facilita su propio desarrollo. A pesar de que generalmente se trata de una operación con un solo filo de corte, el proceso de torneado es variado en lo que respecta a la forma de la herramienta y material, tipo de operación, condiciones, requerimientos,… que determinan un número de factores de

herramientas de corte, hoy en día son diseñadas cuidadosamente, basándose en la experiencia acumulada durante años, así como en la investigación y desarrollo. La herramienta emplea la dinámica de corte de la actualidad, de una forma que hubiera sido impensable hacer hace unos años. El torneado es un método eficiente y flexible para mecanizar piezas redondas, en una gran variedad de tamaños y materiales. Para hacer más directa la selección de un tipo de herramienta se puede decir que existen cuatro operaciones básicas de torneado:

3.1.1 CARACTERÍSTICAS Y TIPOS. Operaci ones básicas.

Operaciones básicas en un Torno Control Numérico:

146

F igu ra 3.2 Operaci ones básicas de tor neado.

Un proceso de maquinado es la sucesión ordenada de operaciones que son necesarias  para la obtención de una pieza concreta. Para poder establecer esta secuencia, debemos conocer las operaciones básicas que se pueden ejecutar con la máquina-herramienta en cuestión, en nuestro caso el torno. Una buena combinación de estas operaciones es fundamental para reducir los tiempos y los costos de fabricación. Las siguientes son las operaciones básicas realizables en un torno CNC:

147

Cilindrado:

Torneado longitudinal o cilindrado: es la operación de torneado más común, en la que la herramienta se desplaza paralelamente al eje longitudinal de la pieza.

Refrentado:

El refrentado o frenteado es una operación común en la que la herramienta tornea una cara  perpendicular al eje de la pieza. Se puede frentear del centro hacia fuera o inversamente.

Copiado:

Esta operación se puede realizar hacia adentro o hacia fuera y con distintos ángulos. Algunas  piezas tienen combinaciones de estos cortes y ángulos penetrantes que imponen exigencias sobre la accesibilidad que puede tenerse con la herramienta.

148

Cortes perfilados:

Se realizan con herramientas a las que se les ha dado la forma específica que ha de cortarse. Los más comunes son distintos tipos de ranuras (con fondo recto o curvo), rebajes y chaflanes. Y otros complementarios que surgieron durante su desarrollo.

Roscado

Se realiza cuando la pieza requiere una parte roscada exterior o interior. Esta operación también puede hacerse en un plano inclinado (rosca cónica) o en un frente (rosca frontal).

Taladrado:

Consiste en realizar un agujero concéntrico con el eje de giro en aquellas piezas que tienen una forma interior determinada. Se permite de esa manera la posterior entrada de otras herramientas. De esta forma, usualmente es una operación previa para un torneado interior.

149

Torneado interior:

Torneado interior o mandrinado: se realiza en una pieza en la que se ha taladrado un agujero  previamente o que ya lo posee por su proceso previo de obtención (fundido, forja, etc.). La mayoría de las operaciones descriptas con anterioridad para torneado exterior son aplicables  para el torneado interior.

Tronzado:

Tronzado o corte de la pieza: se realiza cuando ya está mecanizada la pieza, o al menos lo está  por un lado y la debemos dar vuelta para un 2do amarre. Es un método de separar la pieza de una barra sin quitar ésta de la máquina.

Maquinado diverso:

150

Es una operación complementaria y evita el paso por otra máquina-herramienta. Puede realizarse en forma radial, axial u otra dirección cualquiera con respecto al eje de la pieza (levas, ranuras de guiado, chaveteros, etc.) Así después de haber analizado las operaciones básicas, el torneado es una combinación de los dos movimientos: rotación de la pieza y movimiento de avance de la  pieza. El movimiento de avance de la herramienta puede realizarse a lo largo del eje de la  pieza (eje z) lo que significa que el diámetro de la pasada que se obtendrá será el mínimo, alternativamente la herramienta puede avanzar hacia el centro de la pieza, lo que significa que la longitud de la pasada será el refrentado (eje x). A menudo los avances son combinaciones de estas dos direcciones, lo que da como resultado superficies cónicas o curvas.

F igur a 3.3 Ejes de movimiento del T orno.

De esta forma el torneado es más a menudo un arranque de material del diámetro superficial de la pieza rotativa con una herramienta de un solo punto de corte, esta operación  puede llevarse a cabo con un buen control y precisión por medio de varios factores implicados en el torneado. La pieza gira en el torno con una determinada velocidad del husillo (n), medida en revoluciones por minuto (rpm). En relación con el diámetro de la pieza, en el punto en el que está siendo mecanizada, esto dará lugar a una velocidad de corte de avance superficial (Vc en m/min). Esta es la velocidad a la cual el filo de corte mecaniza la superficie de la pieza. Es la velocidad a la cual la periferia del diámetro de corte pasa ante el filo de la herramienta. Para llegar a la actual velocidad de corte, la circunferencia (π x D) del diámetro que está siendo

maquinado tiene que multiplicarse por la revoluciones del husillo.

151

F igu ra 3.4 Parámetr os de torn eado.

En muchos tornos actuales, las revoluciones del husillo aumentan según avanza la herramienta hacia el centro, compensando la disminución progresiva del diámetro, sin embargo a medida que la herramienta se acerca al centro de la pieza, la progresión del valor del diámetro tiende a cero, con lo que las revoluciones del husillo deberian subir hacia infinito  para que la Vc se mantenga constante, ese es el caso debe hacerse notar que la velocidad de corte será constante mientras se mantengan constantes el diámetro a mecanizar y las revoluciones del husillo. En una operación de refrentar, donde la herramienta avanza hacia el centro, la velocidad de corte cambiará continuamente si la pieza gira con revoluciones fijas.

La velocidad de avance (Vf   en mm/min) es el desplazamiento de la herramienta en varias direcciones. El avance por revolución (f en mm/min) es el desplazamiento de la herramienta durante una vuelta de la pieza giratoria. Este es un valor clave para determinar la calidad de la superficie a mecanizar y para asegurar que la formación de viruta esté dentro del campo de la geometría de corte. Este valor determina no solo el espesor de la viruta, sino que también la  proporción de rotura de la misma. La profundidad de corte (ap en mm) es la mitad de la diferencia entre el diámetro  previo a mecanizar y el obtenido en la mecanización, este dato es importante, debido a que cuando se hace una programación en un simulador de máquinado al estár diseñando la pieza este factor es primordial al generar curvas. La profundidad de corte se mide siempre  perpendicularmente al avance de la herramienta y no sobre el filo de ésta. La forma en la que se posiciona el filo de corte respecto a la pieza es expresado con el ángulo de posición (k). Este ángulo formado por el filo de corte y la dirección de avance. 152

F igu ra 3.5 Ángul o de posici ón en torn eado.

Este ángulo de posición normalmente varía entre 45 y 90°, para cualquier operación, este es un ángulo importante en la selección básica de una herramienta de tornear, además de influir en la formación de viruta que afecta a factores tales como la dirección de las fuerzas y la longitud del filo implicados en el corte. Anteriormente se utilizaban herramientas a las cuales se les tenía que formar el filo, en la actualidad se utilizan plaquitas intercambiables.

LOS TORNOS SE PUEDEN CLASIFICAR DE DIFERENTES MANERAS: Clasificación Por su movimiento  principal

Tornos de taller

Nombre

Características

Vertical

El eje Z del torno es vertical, por lo regular se utilizan  para el trabajo en piezas de gran peso.

Horizontal

Son los tornos más conocidos y utilizados, el eje Z del torno es horizontal y puede haber de varios tamaños.

Torno de banco

Tornos pequeños que se montan sobre un banco o una mesa de trabajo robusta, se usan para piezas ligeras y  pequeñas.

Torno rápido

Torno que se utiliza para operaciones de corte ligero y de acabado, se monta sobre una mesa y es fácil de operar y mover.

Torno para cuatro Está equipado con una serie de accesorios que permiten herramientas o de realizar una serie de operaciones de precisión. En su taller mecánico torre porta herramientas se pueden colocar cuatro herramientas.

153

Torno de escote o Torno que tiene una sección en su bancada que se puede  bancada partida desmontar bajo el plato, con esto se pueden trabajar  piezas de mayor diámetro. Torno de semiproducción Tornos de Son tornos de taller con un aditamento copiador o un o copiadores semiproducción sistema de lectura digital que permite copiar piezas que serían muy difíciles de hacer sin un patrón (ejemplo los cerrajeros). Tornos para producción en serie

Torno revolver o Son tornos que se utilizan cuando se deben producir una de torreta gran cantidad de piezas iguales, tienen un solo husillo y varias herramientas, pueden tener hasta 20 diferentes herramientas las que pueden actuar una por una o varias al mismo tiempo. Torno automático Produce en serie y de manera automática, se utilizan de un solo husillo  para la producción en masa de piezas que requieren de refrentado, cilindrado y barrenado, pueden trabajar dos o más herramientas al mismo tiempo y se controlan por medio de sistemas de lectura digital. Tornos de control Equipos que se controlan por medio de cintas numérico magnéticas o consolas de computadora. Pueden tornear ejes de casi cualquier tamaño y forma, hacen trabajos con varias herramientas al mismo tiempo, existen tornos CN que pueden tener una torre revolver con 60 herramientas.

PROCESO DE SELECCI ÓN DE L A H ERRAMI ENTA DE CORTE

La aplicación de las herramientas de tornear puede llevarse a cabo mediante una aproximación paso a paso: 1. 2. 3. 4. 5. 6.

Sistema de sujeción del filo Tamaño y tipo del portaplacas Forma de la plaquita Radio de la punta Tipo de plaquita Material de la plaquita

SISTEMAS DE SUJECIÓN DE LA PLAQUITA

154

Este punto es de vital importancia, junto con la sujeción del porta en la máquina, ya que determinará la correcta estabilidad de la plaquita que este sometido a los esfuerzos del maquinado. El tamaño y la forma del inserto, más el ángulo de posición definen el portaplaquitas correspondiente. Este selección también debe garantizar que no entorpezca el libre flujo de virutas, la mayor versatilidad posible y el mínimo de mantenimiento. También es importante el tamaño del portaplaquitas. Generalmente, se selecciona el mayor tamaño posible, proporcionando la base más rígida para el filo y se evita el voladizo que provocaría vibraciones. Los sistemas de sujeción más comunes, son los siguientes.

F igu ra 3.6 sistemas de suj eción para tor no.

Se debe tomar en consideración que sistema de sujeción utilizaremos para cada maquinado, favorecerá no solo las condiciones de corte, sino la terminación de la pieza, ya que podemos evitar la vibración de la herramienta.

155

Veamos algunas recomendaciones…

156

F igu ra 3.7 Recomendacion es para dif erentes maqui nados.

157

F igu ra 3.8 T abla de selección de plaqui tas intercambi ables.

158

F igu ra 3.9 Característi cas y aplicacion es para m aquin ado.

159

F igu ra 3.10 Selección de herr ami entas de cort e para di ferentes materi ales de acuerdo a l os parámetros de velocidad de cort e, avance y dur eza.

160

3.2

Taladro

Es un término que cubre todos los métodos para producir agujeros cilíndricos en una  pieza con herramientas de arranque de viruta. También cubre el maquinado posterior como  brochado, escariado, madrinado y varias formas de acabado como el bruñido con rodillos. Común a todos estos procesos es el movimiento combinado de la cabeza de corte con un movimiento de avance lineal. Anteriormente los agujeros eran realizados en máquinas verticales convencionales, el maquinado era a menudo la causa de los cuellos de botella en la  producción. Sin embargo, esta operación se lleva a cabo en la mayoría de las máquinas de hoy en día, la rápida ejecución de los agujeros cortos en las modernas máquinas, centros de maquinado, tornos CN y CNC es una realidad.

F igu ra 3.11 Pr oceso de taladr ado.

El hecho de que el taladrado sea con mucho la operación de maquinado más común y que la mayoría de los diámetros de los agujeros estén dentro de la gama 10-20 mm, demuestra claramente la importancia de esta operación en el campo del maquinado moderno. Con el desarrollo de las herramientas para el taladrado de agujeros cortos, las necesidades de  preparación y maquinados posteriores han cambiado de forma drástica. Las modernas herramientas han inducido a realizar un taladro de realizar un taladro preparatorio de agujeros centradores y pilotos, poder obtener una calidad de agujero donde, en la mayoría de los casos,  puede ser eliminado el maquinado posterior para mejorar la precisión de medida y acabado superficial.

161

F igu ra 3.12 Taladr ado de presici ón con máquin a CNC.

Como se puede observar en la figura 3.12, es un ejemplo de maquinado de presición, en cada operación se deben de realizar 3 taladrados escalonados, comenzando con herramientas muy pequeñas hasta el acabado final a medida.

EL PROCESO DE TALADRADO. El proceso de corte puede compararse con el del torneado y fresado, pero las demandas en cuanto a rotura de viruta y evacuación de la misma es más específica en el taladrado. Cuanto mayor sea la profundidad de agujero más difícil será controlar el proceso y retirar las virutas. Y aún más, en una comparación general, los requerimientos de calidad son mayores cuando se mecanizan agujeros profundos, mientras que los agujeros cortos son los que se realizan más a menudo y se necesita un régimen elevado de arranque de material para obtener una buena economía. Esto significa que las diferencias entre el maquinado de agujeros cortos y profundos está solo limitado a la relación entre la profundidad del agujero y su diámetro. Los parámetros que han sido mencionados- evacuación de viruta, calidad y régimen de arranque- forman la base de los diferentes métodos para el maquinado de agujeros cortos y  profundos. El maquinado de agujeros cortos cubre agujeros con una profundidad de agujero relativa al diámetro del mismo. Para diámetros de agujero de hasta 30 mm esto normalmente se aplica a profundidades de agujeros con un máximo de 5 a 6 veces su diámetro. Mientras que la profundidad del agujero para diámetros mayores está limitada a 2.5 veces su diámetro. La relación entre la profundidad del agujero y el diámetro del mismo, que es lo que define a los agujeros cortos está limitada por la tecnología disponible y podría cambiar con el desarrollo de nuevas herramientas. Por ejemplo, hace sólo treinta años el maquinado de agujeros cortos estaba clasificado como una operación de desbaste, mientras que con las herramientas de hoy en día pueden obtenerse unas tolerancias muy cerradas, lo que en la mayoría de los casos es suficiente, sin necesidad de operaciones de acabado. El taladro es una combinación de dos movimientos: uno rotativo principal más otro de avance lineal. En el maquinado de agujeros cortos en máquinas convencionales, la forma más usual de trabajar es que tanto el movimiento de avance como el rotativo sean realizados por la 162

herramienta. Sin embargo, con la utilización de los tornos convencionales y CNC para el taladrado de agujeros cortos ha llevado a una combinación de movimientos de piezas rotativas y de brocas fijas. El método más común para el maquinado de agujeros cortos es el taladrado Macizo siguiente figura.

F igur a 3.13 Taladrado (a) y Tr epanado (b).

Donde el agujero es taladrado en material macizo a un diámetro predeterminado y en una sola operación. El trepanado, es utilizado principalmente para agujeros de grandes diámetros puesto que con este método no se consume tanta potencia como el taladrado. El trepanado también se lleva a cabo en una operación, pero en lugar de arrancar todo el material en forma de virutas, deja un núcleo de forma cilíndrica en el centro del agujero. El método es sólo para la aplicación de agujero pasante. Para poder mejorar la calidad superficial o la tolerancia del agujero, se puede realizar una operación posterior de mandrinado (operación de maquinado que se realiza en agujeros de  piezas ya realizados para obtener mayor  precisión dimensional, mayor   precisión geométrica o una menor   rugosidad superficial), que es un tercer método de taladrado, puede realizarse por supuesto con brocas de agujero corto, pero normalmente esto no proporciona suficiente  precisión. El agujero pre-taladrado puede causar desviación de la broca, puesto que se utilizan herramientas con geometría asimétrica. Muchas brocas de agujero corto son auto-centrantes, y en un agujero pre-taladrado se obtienen cargas irregulares del filo de corte cuando la broca  busca el centro. Esto significa que la broca sigue un camino curvo, lo que da como resultado agujeros ovalados.

3.2.1 CARACTERÍSTICAS Y TIPOS Independientemente de si se trata de una broca de una sola pieza (que pueden ser HSS y/o recubiertas) o se utiliza una broca con plaquitas intercambiables, las definiciones básicas  para las condiciones de trabajo de la broca son las mismas. 163

F igu ra 3.14 Br ocas de un a pieza (a) y con plaqui tas in tercambiabl es (b).

Cuando se taladra, el movimiento principal es el de rotación, que puede realizarse bien  por la herramienta o por la pieza. La velocidad del husillo (n- en rpm) es la velocidad el movimiento principal y es expresada en número de revoluciones por minuto. La velocidad de corte (Vc- en m/min) es determinada para el taladrado por la velocidad periférica y puede calcularse simplemente cuando se conoce el número de revoluciones por minuto de la velocidad del husillo. Durante una revolución, la periferia de la  broca describirá un círculo con una circunferencia de π x D es igual al diámetro de la herramienta. Si el diámetro es expresado en mm. Vc = D x π x n / 1000

Vf = f x n

(m/mm) (mm/min)

La velocidad del avance o avance de penetración (Vf - en mm/min) es el avance de la herramienta en relación con la pieza, o alternativamente, el avance de la pieza en relación con la herramienta, expresado en longitud por unidad de tiempo. Esto también es conocido como avance de máquina, avance de mesa o avance de la broca. El avance por revolución (f - en mm/rev) expresa el movimiento de la herramienta o  pieza durante una revolución y se utiliza para calcular el avance. El ancho de corte o profundidad de corte radial (ap- en mm) es aquella parte de la superficie de la pieza que cubre la herramienta y que es medida, como en el torneado, en la mitad del diámetro.

ap = D –  d / 2

(mm)

Puesto que la herramienta de taladrar está equipada con varios filos de corte (z= número de filos), el avance por filo (f z- en mm/filo) se utiliza para definir el área de viruta (Aen mm2), que es el área del material arrancado en un corte, es decir, la profundidad de corte radial por el avance por filo. 164

f z = f / z

(mm/filo)

A = ap x f z (mm2) Utilizando algunas de estas definiciones puede establecerse el régimen de arranque de viruta (V  –   en mm3/min), o el volumen del material arrancado por unidad de tiempo. El volumen es la velocidad de corte multiplicada por el área de viruta.

V = A x vc x 1000

(mm3/min)

Tomando la longitud recorrida (l + h  –   en mm) y dividiéndola por la velocidad de avance, se obtiene el tiempo efectivo de taladrado (T- en min). La longitud recorrida es igual a la profundidad del agujero más la altura de la punta de la broca.

TI POS DE TA L ADROS

1. 2. 3. 4. 5.

De Columna Sensitivo Radial Multiple Taladro CNC

Taladro de columna. Estos taladros son de mayor potencia y producen por lo tanto mayor trabajo. Están constituidas por una sólida columna de fundición que forma un eje rígido sobre el cual se desplazan los diferentes elementos de la máquina. Esta constitución mucho más robusta  permite a este tipo de taladros efectuar agujeros de hasta 100 mm de diámetro. El mecanismo principal que diferencia a este tipo de máquinas de las sensitivas es la caja de avances ya que el avance de la broca en éstas se produce automáticamente aunque también  permite el avance manual o sensitivo.

165

F igur a 3.15 Partes pri ncipales de un taladro.

Taladros sensitivos. Esta máquina constituye el tipo más elemental y sólo puede producir barrenos de  pequeñas medidas que oscilan entre 1 y 12 mm de diámetro. Se colocan sobre una mesa o banco de madera y el hecho de que se denominen sensitivas proviene de la acción del penetrado de la herramienta se efectúa a mano apretando la palanca el propio operario. Por lo tanto, dependiendo de la resistencia que se sienta en la mano, le dará mayor o menor presión a la palanca.

F igur a 3.16 Taladro sensitivo.

166

Taladros múltiples. Este tipo de máquinas se emplean para trabajos en grandes series, las de husillos múltiples tienen una forma semejante a las máquinas de taladrado de columna ya que consiste en una bancada con mesa para sujetar las piezas a taladrar y una columna con un cabezal que mueve un eje o husillo principal.

F igur a 3.17 Taladro múlti ple 

Taladros radiales. Estas máquinas se componen de una amplia base sobre la cual está colocada la mesa y una sólida columna a la que va instalado un brazo giratorio a través del cual puede deslizarse el cabezal. Los movimientos que este puede adoptar son muy variados.

F igur a 3.18 Taladro radial

167

Taladro Portátil. Están consideradas como herramientas manuales. Sus tipos son muy variados y en general se puede decir que están formadas por un bloque muy compacto, de poco peso, que lleva un motor que hace girar el eje portaherramientas a través de un reductor de velocidades.

F igu ra 3.19 Taladr os portáti les 

Taladro CNC Son máquinas provistas de un control numérico computarizado mediante el cual se consiguen movimientos por coordenadas que se ven reflejadas en la alta precisión del maquinado de barrenos, es decir que la mesa y por lo tanto la pieza fijada en ella se desplace hasta una posición deseada para que la herramienta realice su trabajo en el punto preciso y en el caso de que sean varios agujeros, la mesa vuelve a cambiar de posición hasta terminar lo  programado.

F igur a 3.20 Taladro CNC 

Como ejemplo podemos observar las características del fabricante SABI, figura anterior.

Especificaciones Técnicas: MARCA SABI DE 3 CABEZALES Serie ST3

168





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     

Unidad de taladrado de 3 cabezales CNC independientes, para el taladrado simultaneo horizontal (lados izquierdo y derecho) y vertical. avance automático y regulación de velocidad controlados por variador para un maquinado óptimo. Taladros de 3 cabezales CNC, con capacidades desde 45 hasta 1200 mm en anchura y desde 10 hasta 425 mm en altura. Sistema de medida y alimentación del material mediante empujador guiado sobre la mesa de rodillos de alimentación de entrada. Panel operador equipado con pantalla táctil intuitiva y de fácil manejo. Programación con formatos dstv de forma opcional. Sistema hidráulico que asegura un sólido amordazado del material. Sistema de cambio rápido de herramienta. Brocas con refrigeración interna aire + líquido (ecológico). Programación de puntos de centrado o marcado de los perfiles.

169

Fresadora

3.3

Es una herramienta utilizada para realizar maquinados por arranque de viruta mediante el movimiento de una herramienta rotativa de varios filos de corte denominada fresa. En principio, el fresado se lleva a cabo por un movimiento coordinado entre una herramienta rotativa con varias puntas y un avance recto de la pieza. Sin embargo, hoy en día el fresado es también un movimiento de la herramienta y de la pieza casi en cualquier dirección. La fresa tiene diferentes filos y cada uno de ellos arranca cierta cantidad de material. Las ventajas del fresado son una alta eficiencia del maquinado, buen acabado superficial, precisión y flexibilidad en la producción de formas. Muy frecuentemente, el fresado genera caras planas, escuadras y ranuras, además, la eficiencia en el fresado periférico está aumentando con la creciente utilización del Control Numérico (CNC). El fresado está llegando a ser el método universal de maquinado más ampliamente utilizado, con un desarrollo constante en maquinaria, controles y herramientas de corte. En los centros de maquinado actuales se utiliza muy a menudo el fresado y esto requiere diferentes tipos de herramientas, es llevado a cabo en diferentes tipos de máquinas, desde las de diseño  básico de principios de siglo hasta centros de maquinado con sofisticados multi-husillos.

F igu ra 3.21 Partes pri nci pales de un a fr esadora convenci onal.

170

F igur a 3.22 Machin e at Un iversity of Washin gton Sur plus, University of Washin gton, Seattle, Washi ngton thi s is a thr ee axis (XYZ) mil li ng or grindi ng machine .

F igur a 3.23 Control de una f resadora CNC 

El fresado comprende una gran variedad, no sólo de los tipos de operaciones que puede realizar, sino también en lo que respecta a máquinas, herramientas y piezas. Se ve considerablemente influido por las condiciones de todo el equipo y de la pieza, requiere del conocimiento de sus limitaciones.

3.3.1 CARACTERÍSTICAS Y TIPOS

171

El tipo de operación y herramienta son establecidos a partir del plano de la pieza y de las demandas de producción. Los métodos convencionales siempre serán cuestionados puesto que el desarrollo ha cambiado de forma considerable. Se estudia el tipo de corte a realizar. Cuando se selecciona una pieza para una operación de fresado, el siguiente paso es la selección de la máquina adecuada (horizontal, vertical, universal, de puente, centro de maquinado o control numérico). Cuando se han decidido los parámetros de operación y la capacidad de la máquina, deben tenerse en cuenta factores tales como estabilidad, precisión y acabado final necesario. La inestabilidad es la mayor amenaza en el maquinado, no sólo para la calidad, sino también  para la vida de la herramienta y para el rendimiento total, independientemente de lo buena que sea la máquina y la herramienta.

TIPOS FRESADO BÁSICO. Independientemente del tipo de fresa, básicamente se utilizará un solo método o una variedad, con las variaciones de métodos en fresado, es importante distinguir entre las diferentes direcciones de avance en relación con el eje de rotación de la herramienta. (A) es la dirección axial, (B) es la dirección radial y (C) es descrita como dirección tangencial.

F igu ra 3.24 Di recciones de fresado.

Operaci ones básicas.

172

El planeado (1)  es una combinación de la acción de corte realizada por los filos de corte, principalmente por los de la periferia y por la cara frontal de la herramienta. El eje de giro de la fresa forma un ángulo recto con la dirección del avance de la pieza.

F igu ra 3.25 Planeado, fresado perifé rico y avance axial.

El fresado periférico (2) utiliza los filos de corte de la periferia de la herramienta. La fresa gira alrededor de un eje paralelo al avance tangencial. Los dos métodos también pueden distinguirse por la profundidad de corte en la dirección axial determinada por la profundidad de los filos de corte periféricos. Los filos en la cara de la herramienta generan el acabado superficial. Algunas fresas también pueden trabajar en una tercera dirección de avance (axial). Esta es una operación de taladrado llevada a cabo por los filos de corte en la cara frontal de la fresa. Este método (3) es utilizado para alojamientos cerrados o ranuras donde la herramienta taladra hasta una determinada profundidad y después cambia a una dirección de avance radial  permitiendo que los filos de corte periféricos abran el agujero. La velocidad del husillo (n- rpm) es el número de revoluciones que realiza por minuto la herramienta de fresado en el husillo. Este es un valor orientado hacia la máquina y no dice mucho sobre lo que ocurre en la periferia, donde mecaniza el filo de corte.

F igu ra 3.26 Parámetros de torneado, Vc=veloci dad de corte y n = r evolu ciones por m in uto.

173

Por otra parte la velocidad de corte (vc- m/min) indica la velocidad periférica con la que los filos de corte mecanizan la pieza. Obviamente, la velocidad del husillo, el diámetro de la herramienta y la velocidad de corte están relacionadas, lo que puede expresarse con la siguientes fórmulas:

El avance por minuto o velocidad de avance (vf - mm/min) es la distancia recorrida  por la herramienta contra la pieza por unidad de tiempo. También se le denomina avance de mesa y avance de máquina. Las fresadoras también se pueden clasificar en convencionales y por CNC (un ejemplo de ello es la siguiente):

FRESADORA DE CNC TRIAC FAPUC Las máquinas de control numérico son máquinas automáticas de corte. Si comparamos la estructura de una máquina de corte convencional y una de control numérico, observaremos las siguientes diferencias: El sistema de medición para el control de la distancia que debe viajar el carro a lo largo de un eje consistía de una escala numérica. Esta escala se encontraba grabada en un cilindro que al movimiento del eje giraba e indicaba la distancia recorrida. La máxima precisión que  podía lograrse en un sistema de este tipo era de 0.01 mm. En las máquinas de control numérico la escala se ha sustituido por un sistema de medición lineal que se encuentra acoplado a las guías e indica la distancia recorrida en forma analógica (variación de voltaje) basado en el principio de fotocelda. Esta celda recibe energía luminosa de una fuente acoplada al sistema. La celda y fuente luminosa tienen posiciones fijas y la guía se desplaza en forma conjunta con el carro. La guía se compone de diferentes tonos de gris que ocasionan diferentes niveles de voltaje en la salida de la celda lectora. Estos niveles de voltaje se asocian a distancias mediante un sistema de Hardware y Software acoplado a la máquina. La precisión que se logra en la colocación usando esta tecnología es del orden de 0.001 mm.

F igu ra 3.27 Precisión de una m áquin a de CNC.

174

El sistema de transmisión de las máquinas convencionales consistía del accionamiento del tipo tornillo-tuerca. El juego que existía entre estos elementos no permitía una colocación más precisa que la especificada (0.01 mm). El sistema de transmisión utilizado en las máquinas de control numérico consiste de la transmisión del tipo de tornillo-tuerca de bolas. En este mecanismo un conjunto de balines se introducen entre el tornillo y la tuerca lo que resulta en una disminución del juego existente entre los elementos mecánicos, lográndose una colocación más exacta, (del orden de 0.001 mm). Los motores en las máquinas tradicionales de corte eran motores de corriente alterna trifásicos. Los motores utilizados en las máquinas herramienta de control numérico son motores de corriente directa. Estos motores son controlados por dispositivos electrónicos. En una máquina tradicional el movimiento de los carros a lo largo de los ejes se realizaba por manipulación de manivelas. El operador giraba la manivela y el carro se desplazaba una distancia dada. Una escala asociada a la manivela indicaba la distancia recorrida por el carro. Las máquinas herramienta de control numérico cuentan con un panel de control. Este  panel funciona como interfase entre la máquina y el usuario y a través de él se introduce el  programa de control numérico. Este programa es un conjunto de instrucciones que son convertidas en órdenes (voltajes), y accionan mediante las tarjetas de control, el movimiento de los carros. La secuencia del programa sigue una lógica que va de acuerdo a la trayectoria de la herramienta de corte. Las trayectorias de la herramienta están basadas en el análisis de fabricación que se realiza antes de la generación del programa. El desplazamiento de la herramienta produce superficies maquinadas. El conjunto de superficies constituye la pieza maquinada. De las anteriores afirmaciones podemos concluir que el control numérico es un lenguaje de manufactura. La estructura del lenguaje y su semántica se han definido de acuerdo a la generación tradicional de superficies maquinadas utilizando máquinas convencionales. La semántica y estructura se encuentran establecidas en normas internacionales.

LENGUAJE DE PROGRAMACIÓN Los pasos a seguir para la programación en control numérico son similares a aquellos establecidos en la manufactura. 1. Entendimiento del dibujo de definición de la pieza, el cual debe contener:  La información dimensional.  Las tolerancias dimensionales y de forma permitidas.  El acabado superficial de la pieza  El material de la pieza  Otros datos

175

Del análisis de este dibujo el programador obtiene el conjunto de superficies que van a ser maquinadas, las dimensiones de la pieza en bruto y las herramientas de corte que van a utilizase en el proceso. 2. Una vez conocidos: El conjunto de superficies a maquinar en el proceso:  Las herramientas de corte.  Los parámetros de corte  Las dimensiones de la pieza en bruto.  Las dimensiones y tolerancias de la pieza terminada, el programa de control numérico  puede ser escrito. 3. Una vez generado el programa de control numérico es necesario introducirlo a la memoria de la máquina. En este proceso se utiliza el panel de control. 4. Cuando la introducción del programa ha terminado la manufactura de la pieza puede iniciarse. Las herramientas deben estar colocadas en sus posiciones. El sistema de referencia utilizado en la programación definido. Los compensadores de herramienta introducidos en la memoria correspondiente de la máquina y el refrigerante contenido en el depósito correspondiente.

SISTEMAS DE COORDENADAS EN CONTROL NUMÉRICO Cuando la posición a la que la herramienta ha de desplazarse ha sido programada, el sistema de Control Numérico Computarizado mueve la herramienta a esa posición utilizando las coordenadas contenidas en los vocablos dimensionales del bloque. Para la máquina específica que estamos estudiando, se definen tres diferentes tipos de sistemas coordenados:   

El sistema coordenado de la máquina. El sistema coordenada de trabajo. El sistema coordenado de referencia.

El sistema coordenado de la máquina El origen de este sistema se conoce como cero máquina. Este punto es definido por el fabricante de la máquina. El sistema coordenado de la máquina se establece cuando se enciende ésta y la herramienta es llevada al punto de referencia. Una vez que el sistema de referencia de la máquina se ha establecido, este no puede ser cambiado por definición de un sistema local o de trabajo. La única posibilidad para que el sistema sea borrado es que la máquina sea apagada. El punto de referencia La posición de este punto generalmente coincide con las marcas de colocación en las reglas de medición, debido a que estas marcas se encuentran generalmente en los extremos de las reglas, el punto origen del cero máquina se define en los extremos de la carrera de la máquina. 176

Cuando la máquina es encendida la operación de llevar la maquina a su punto de referencia es la primera tarea que debe ejecutarse. Una vez que este punto es alcanzado el sistema de referencia de la máquina es establecido.

El sistema coordenado de trabajo. El sistema coordenado utilizado en el maquinado de la pieza se conoce como sistema coordenado de trabajo. El origen de este sistema se define en un punto de utilidad para la  programación de la geometría de la pieza. El sistema de trabajo coordenado puede ser establecido utilizando cualquiera de los dos métodos siguientes:  Utilizando la función G92.  Utilizando las funciones G54-G59. ESTABLECIMIENTO DEL SISTEMA COORDENADO DE TRABAJO UTILIZANDO LA FUNCIÓN G92. En este caso, en el mismo bloque donde se programa la función G92 se introducen las coordenadas del origen del trabajo. Por ejemplo: G92 X90 Y78 Z-67 Las coordenadas especificadas en el anterior bloque localizan la posición del origen del sistema coordenado respecto del cero máquina. Para obtener las coordenadas del origen del sistema de referencia la herramienta de corte podrá ser utilizada. Para explicar el  procedimiento que deberá seguirse se utilizan los siguientes pasos: a) Se coloca la pieza de trabajo sobre la mesa de la máquina y se sujeta utilizando cualquiera de los dispositivos de sujeción conocidos.  b) Se pone a girar la herramienta de trabajo utilizando el modo MDI de programación. c) Se desplaza la herramienta de corte hasta que roce una de las superficies  perpendiculares a uno de los ejes coordenados. El valor de la coordenada que se lee en el control numérico se le resta o se le suma el radio de la herramienta, dependiendo de la dirección del eje coordenado. En ese momento la posición del eje de la herramienta a lo largo del eje considerado queda establecida. Esto se debe a que el origen de cero dimensiones de la herramienta se localiza en el punto de intersección del eje de rotación de la herramienta y la base sobre el husillo de trabajo donde se apoya la herramienta de corte.

177

F igur a 3.28 Tablero pri ncipal del control de una fresadora CN C

PROGRAMACIÓN MANUAL DE LA FRESADORA INTRODUCCION El objetivo de este capítulo dedicado a la "programación manual de la fresadora" es llegar, por medio de la exposición de las diferentes funciones que estas máquinas tienen, a la divulgación e información en general de los futuros programadores. Como se sabe, el  programador partiendo del plano de la oficina técnica, debe cubrir las etapas necesarias para mecanizar la pieza (cálculos geométricos, proceso de maquinado, selección de herramientas, etc.) y posteriormente realizar el programa con un código que sea legible para el propio  programador, así como para la máquina en cuestión. Por lo tanto, esta etapa se enfoca sobre todo al estudio de un código de programación. En general, para la realización del programa, es necesario conocer o establecer: El plano de la pieza y número de piezas, así como la lista de herramientas, para con ello establecer el proceso de maquinado; Las características de la máquina en lo que se refiere a: potencias, velocidades, dimensiones admisibles, precisión, etc. Las características del control numérico: tipo de centro (número de ejes, formato bloque, lista de funciones codificadas, etc.).Como el primero y segundo punto se refieren a materia ya conocida, dada la importancia que reviste en el contexto general de la  programación, se volverán a considerar en la medida que sea necesario. En general, se exponen las funciones que, de alguna manera, son comunes en todos los centros de maquinado (CM). Como se observará, existe una gran semejanza entre las instrucciones de programación de un centro de maquinado y las de un torno con CN, de tal forma que varias de ellas son iguales en ambas máquinas. Ello se debe fundamentalmente a que tanto los movimientos máquina básicos, como son las interpolaciones lineales o circulares, así como el criterio empleado en las compensaciones de herramientas, velocidades, avances, etc., de un CM y de un torno con CN son los mismos, de manera que al aplicar las normas ISO en estas 178

operaciones el resultado es la igualdad de comandos para dichas máquinas. En realidad, parte de lo visto en el capítulo del torno es idéntico para el CM. Como variación importante sobre lo ya visto, está la aparición del tercer eje que define el prisma de trabajo, y en ocasiones el 4º eje correspondiente a la mesa giratoria. De cualquier forma, aunque no todos los CM se  programan de idéntica manera, los conocimientos teóricos sobre el tema que se obtengan de este capítulo son perfectamente aplicables a cualquier tipo de centro de maquinado o fresadora-mandrinadora que trabajen con CN. Antes de comenzar a estudiar las funciones aplicables a los centros de maquinado, es necesario destacar las premisas básicas a tener en cuenta. Éstas son: PUNTOS DE REFERENCIA EN LAS FRESADORAS EMCO Antes de comenzar a efectuar desplazamientos para mecanizar cualquier pieza es necesario conocer los puntos de referencia de que dispone la máquina para establecer los que se necesiten para las piezas. Los puntos de referencia fundamentales son los que se muestran en la figura adjunta y que son: M= Cero máquina. Punto de referencia fijado por el fabricante de la máquina y que no puede ser modificado por el usuario. A partir de éste se miden todas las dimensiones de la máquina, y a su vez es el origen de coordenadas. Se encuentra en la esquina inferior izquierda de la mesa, en la cara superior. R= Punto de referencia. Punto, igualmente fijado por el fabricante y que no se puede modificar, desde el que se comunica al control la posición de la mesa. Es necesario establecerlo después de cada corte de corriente. N= Punto de referencia para montaje de la herramienta. Viene establecido por el fabricante y se encuentra sobre la base del husillo principal y en el eje guía de la fresa. Se utiliza para establecer las correcciones de la herramientas. W= Cero pieza. Punto establecido por el programador para que sirva de referencia en la programación de movimientos. Se puede modificar las veces que sea necesario dentro de la programación.

DECALAJE CERO Si tenemos en cuenta los puntos vistos anteriormente se observará que el punto M (cero máquina y origen de coordenadas) no es especialmente útil a la hora de realizar las programaciones porque no tiene que ver nada con la pieza a mecanizar. Para que el punto M (origen de coordenadas)nos fuera realmente útil, tendríamos que colocarlo sobre la pieza, de la que si tendremos medidas. Este traslado del punto M(origen de coordenadas) al punto W (creo pieza) es lo que se llama decalaje cero. Se realiza dentro del programa a los puntos establecidos en la tabla de decalajes mediante las funciones 179

G54 a G57.

F igu ra 3.29 Decalaje de cero desde el cero de máqui na M , al cero de la pi eza W

MODOS DE PROGRAMACIÓN. Se utilizan dos modos de programación: absoluta e incremental. Con G90 se establece como punto fijo de referencia el punto donde se encuentre la herramienta en el momento de su  programación; con G92 se desplaza el punto de referencia al lugar deseado y con G91 se establece la programación incremental. PLANOS DE TRABAJO Son las superficies sobre las que se efectúa el corte en función de los planos definidos  por los ejes cartesianos  X, Y, Z. Se seleccionan con la función: • G17 para el plano XY.

180

•G18 para el plano ZX. •G19 para el plano YZ.

Tienen las siguientes particularidades: •El eje de la herramienta es perpendicular al plano de trabajo. •La interpolación circular se produce en el plano de trabajo. •La interpolación en coordenadas polares se produce en el plano de trabajo. • La compensación del radio de corte se produce en el plano de trabajo. •Los movimientos de penetración son perpendiculares al plano de trabajo.

F igu ra 3.30 Planos de tr abajo (absolu to e in cremental ) 

GEOMETRÍA EN LA PROGRAMACIÓN Tal y como se mencionó anteriormente, la programación que se realiza en los centros de maquinado y las fresadoras, se basa en el movimiento que realiza el punto central de la fresa, llamado guía de la fresa. A consecuencia de esto, es de suma importancia la determinación correcta de los puntos de apoyo (Q1, Q2, Q3, Qn ...) en función del radio de la fresa que se utilice y de la geometría de la pieza.

181

F igu ra 3.31 Geometr ía de la pr ogram ación.

Para determinar los puntos de apoyo se pueden plantear dos casos: a) Contornos paralelos a los ejes y b) Contornos no paralelos a los ejes.  

Contornos paralelos a los ejes Contornos no paralelos a los ejes. Además de los puntos de apoyo, con frecuencia se tienen que calcular también los puntos de corte por no estar acotados explícitamente en los planos; en estos casos estas coordenadas se calculan con funciones trigonométricas.

182

Otros

3.4

CENTROS DE MAQUINADO Un centro de maquinado, es una máquina de gran automatización que es capaz de realizar diversas operaciones de maquinado dentro de una instalación bajo CNC (Control Numérico Computarizado) con una mínima intervención humana. Las operaciones más comunes en las que se usa esta máquina son aquellas que usan herramientas de cortes rotatorios: brocas y cortadores. A comparación de este sistema de maquinado con los sistemas más tradicionales, se destaca como ventaja, la velocidad de producción y como desventaja, la inversión necesaria.

183

F igu ra 3.32 Operaci ones de un centr o de maqui nado

Estos centros de maquinados cuentan con las siguientes características. 





 

La versatilidad y flexibilidad que debido al alto grado de automatización, las hace capaces de ejecutar diferentes operaciones de maquinado en una sola pieza. Brinda un buen acabado superficial, lo que las hace indicadas para dar la forma final a las piezas que se fabrican. Estas máquinas son reconfigurables, ya que pueden cambiar rápidamente de configuración para realizar diversas tareas de maquinado sobre una pieza. Uniformidad en la producción, condición necesaria para las producciones en serie. Alta velocidad de producción, debido a que realizan una gran cantidad de operaciones de una forma automática sobre la pieza trabajada.

Algunas de las virtudes que demuestran la flexibilidad y reconfigurabilidad mencionadas son, el cambio automático de herramientas, las utilizaciones de paletas transportadoras y el posicionado automático de la pieza de trabajo. Para comparar un poco las prestaciones de los centros de maquinado convencionales y las máquinas modernas con CNC (Control Numérico Computarizado), usaremos este cuadro.

Centro Maquinado Máquina convencional

Máquina con CNC

Es necesario que constantemente se  No es necesario consultar apenas el plano consulte el plano Un operario solo puede manejar una Un operario maquina maquinas

puede

manejar

varias

El operador tiene el control de avance, El programa tiene todo el control de los 184

Máquina convencional

Máquina con CNC

 profundidad, etc.

parámetros de cortes

Existen maquinados imposibles

Posible de realizar cualquier tipo de maquinado

Bajo costo

El costo de máquina, accesorios y mantenimiento es muy elevado

Posible manejo de pequeños volúmenes Se necesita mantener grandes volúmenes de producción de producción para reducir los costos

Estructura del centro de maquinado Algunas características a tener en cuenta en el diseño de la estructura de un centro de maquinado son los materiales empleados, la rigidez, las dilataciones térmicas y la capacidad de amortiguamiento de vibraciones.

Materiales Siempre tener en cuenta que los materiales a utilizar tienen algunos requisitos. 

  

 

Rigidez, para que se pueda minimizar las deformaciones al ser cargados y minimizar vibraciones. Baja dilatación térmica. Baja densidad, para que sea posible minimizar las fuerzas inerciales. Alta conductividad térmica, que es deseable en algunas partes, para que sea más fácil extraer rápidamente el calor que es generado por el corte. Capacidad de absorber vibraciones. Bajo costo.

Los materiales que componen el armazón de un centro de maquinado son, hierro gris o fundido, concreto de polímero, cerámico y materiales compuestos. 1. El hierro fundido. Este tiene un bajo nivel en su costo y una muy buena absorción de vibraciones, pero las partes resultan ser muy pesadas en relación a sus habilidades mecánicas. Este es el primer material usado para máquinas herramientas. 2. Concreto de polímero. Este material es una mezcla de concreto triturado y plástico, que  puede ser fundido con gran facilidad, para que pueda tomar diferentes formas. Tiene gran capacidad de vibraciones pero muy baja en rigidez y también baja conductividad térmica. 3. Cerámicos. Estos se usan en máquinas avanzadas, sus grandes ventajas son la rigidez, resistencia específica, resistencia a la corrosión, buen acabado superficial y una gran 185

estabilidad térmica. Un buen ejemplo de aplicación, son los usillos y cojinetes que son hechos con nitruro de silicio, en que también se destaca buena fricción y desgaste. 4. Materiales compuestos. Estos pueden estar formados por una gran variedad y combinación de matrices, también presentan buenas propiedades mecánicas. Su uso está muy restringido por el alto costo con el que se caracteriza a pesar de tener gran  precisión y velocidad.

Tipos de centro de maquinado Existe una gran variedad de centros de maquinado  caracterizados por sus tamaños, tipos, funcionalidades y grados de automatización. Las potencias nominales llegan a los 75KW y las velocidades del husillo de las maquinas más comunes y usadas, son los que tienen límites de 4000 a 8000 RPM, aunque para algunas aplicaciones más especiales, pueden llegar a 75000 RPM. En la actualidad se construyen muchas máquinas de forma modular, que de tal manera  puedan instalar y modificar diversos accesorios y equipos periféricos, según sea necesario en los cambios a los productos a manufacturar. Entre los tipos de centros maquinados  podemos diferencias los de husillos verticales y los de husillos horizontales. 



Los centros de maquinados con husillo vertical  son más adecuados para realizar operados en superficies planas con cavidades hondas, un ejemplo es la fabricación de matrices, moldes o dados. Ya que en el maquinado vertical los empujes se dirigen hacia abajo, estas máquinas cuentan con una gran rigidez y producen piezas con buena  precisión dimensional. En lo general estas máquinas son mucho menos costosas que las de husillo horizontal. Los centros de maquinados con husillo horizontal son recomendadas para su uso en  piezas grandes y altas, que requieren maquinarse en varias partes de sus superficies. En algunos casos, la pieza que está siendo maquinada puede inclinarse con respecto a ejes diferentes para ocupar posiciones angulares diferentes. El Centro de torneado, es una categoría de máquina de husillo horizontal. Estos tornos que son controlados por computadoras, suelen tener más de solo un husillo horizontal y torretas equipadas con una gran variedad de herramientas de corte.

Como ejemplo de un centro de maquinado podemos analizar el siguiente.

186

F igu ra 3.33 Centr o de maqui nado de 5 ejes con husil lo r otati vo.

El centro de maquinado que trabajaba a máquina de 5 ejes dedicó a los usos en la industria aviación-aeroespacial, la industria del automóvil y la ingeniería de alta precisión.

187

EJEMPLO DE SIMULACIÓN DE MAQUINADO NORMALIZADA PARA PRUEBAS DE TRACCIÓN.

DE

UNA

PROBETA

PRÁCTICA I Simulación en torno CNC, a partir del diseño (CAD) de una probeta normalizada para pruebas de tracción. OBJETIVO: El alumno obtendrá información de la simulación de maquinado de una probeta normalizada a partir de los principios básicos de diseño y realizará la simulación de maquinado con el Software Edge Cam, hasta llegar a la generación del código de control numérico.

METODOLOGÍA:        

El alumno asistirá al Laboratorio de Manufactura, donde: Se le explicará cómo está formado el torno y las partes principales que lo integran. El procedimiento simulación a partir de un software (Edge Cam). Diseño a partir de un programa CAD. Herramientas. Trabajos. Investigará en los manuales del torno CNC, los temas tratados, así como los códigos de control numérico necesarios para el maquinado en torno. Elaborará un reporte de la experiencia adquirida.

MATERIAL Y EQUIPO:     

Software CNC, CAD, CAM Herramientas de corte. Instalación eléctrica. Manuales. Material (probeta).

SUGERENCIAS DIDÁCTICAS:

188

  

El maestro mostrará las partes principales del torno y explicará la utilización del software de maquinado. Demostrará el procedimiento de diseño y maquinado para realizar la simulación de la  pieza seleccionada. Mostrará las herramientas de corte relacionándolas con los trabajos presentados.

PROCEDIMIENTOS:

DISEÑO ASISTIDO POR COMPUTADORA (CAD):

F igu ra 3.34 Especif icaci ones té cni cas para elaboración de probeta.

189

Instrucciones en Autocad 2012, para diseñar probeta de tracción de acuerdo a la norma ASTM E08-01 Opening an AutoCAD 2010 format file. Regenerating model. AutoCAD menu utilities loaded. Command: Autodesk DWG. This file is a Trusted DWG last saved by an Autodesk application or Autodesk licensed application. Command: Command: LIMITS Reset Model space limits: Specify lower left corner or [ON/OFF] <0.0000,0.0000>: Specify upper right corner <5.4068,2.2286>: 6,4 Command: z ZOOM Specify corner of window, enter a scale factor (nX or nXP), or [All/Center/Dynamic/Extents/Previous/Scale/Window/Object] : a Command: L LINE Specify first point: 0,0.625 Specify next point or [Undo]: 0,1 Command: L LINE Specify first point: 0,1 Specify next point or [Undo]: 1.0955,1 Command: L LINE Specify first point: 1.375,0.875 190

Specify next point or [Undo]: 3.625,0.875 Command: _arc Specify start point of arc or [Center]:1.0955,1 Specify second point of arc or [Center/End]: _c Specify center point of arc:1.375,1.25 Specify end point of arc or [Angle/chord Length]:1.375,0.875 Command: L LINE Specify first point: 3.9045,1 Specify next point or [Undo]: 5,1 Command: _arc Specify start point of arc or [Center]:3.625,0.875 Specify second point of arc or [Center/End]: _c Specify center point of arc:3.625,1.25 Specify end point of arc or [Angle/chord Length]:5,1 Command: L LINE Specify first point: 5,1 Specify next point or [Undo]: 5,0.625 Command: _mirror Select objects: Specify opposite corner: 15 found Select objects: 1 found, 1 total Select objects: 1 found, 1 total Select objects: Specify opposite corner: 15 found, 15 total Select objects: Specify first point of mirror line: Specify second point of mirror line: Erase source objects? [Yes/No] :

191

MANUFACTURA ASISTIDA POR COMPUTADORA (CAM):

F igur a 3.35 Pantalla de inici o del programa Edge Cam.

Instrucciones en Edge Cam, para diseñar y maquinar probeta de tracción de acuerdo a la norma ASTM E08-01 Diseño. Options

zx environment

View

Toolbars

Geometry

Stock/Fixture

Line

Ports

Co-ordinates 192

z=0 x=0 continue z=0 x=.375 View Line

Zoom Extents Co-ordinates

z=0 x=.375 continue z=1.0955 x=.375 z=1.375 x=.25 continue z=3.625 x=.25 z=3.9045 x=.375 continue z=5 x=.375 z=5 x=.375 continue z=5 x=0 View

Zoom Window abrir ventana en primer arco lado izquierdo

Radius Arc

Co-ordinates

z=1.0955 x=.375 z= 3.6250 View

z= 1.2219

x= 0.250 Mirror view

x = 0.2827

z= 3.7781

x= 0.2827

z = 1.3750

x = 0.250

z = 3.9045

x = 0.375

Turn Seleccionar cada una de las líneas trazadas

Dar click en flecha finish Geometry

Stock/fixture

General ---- Create Geometry ---- Shape ---- Cylinder ---- Radius 0.400 Digitize two points to define axis ---- 0,0 ---- 5,0

193

F igur a 3.36 Diseñ o y secuenci a de maqu in ado de probeta nor mal izada 

Manufacture Machining Sequence---Discipline ---- Turn Machine Tool ---- t-fanuc.tcp Especificar parámetros de maquinado ---- ok Configurar herramienta de corte Turn tool --General ----

units ---- mm Max rpm ---- 1500 Hand of Tool ---- Neutral 194

Insert ----

Symbol ---- D=55ϕ Rhombic  Nose Radius ---- 0.250 Edge Length ---- 1

Turret ----

Position 1

Posicionar herramienta cerca del área a maquinar. Rapid Move ---- Co-ordinates z= 5.1 x= .5

Maquinado virtual Rough Turn ---General ---- Cut increment ---- .1 Speed ---- 3.5 Feed rate ---- .5 Digitalizar el área a maquinar. Verificar maquinado Edgecam verify Simulate mode Start

195

F igur a 3.37 Veri fi cación de maquinado1.

F igur a 3.38 Veri f icación de maquin ado2.

196

Generación de Código de Control Numérico Generate Code ---- General CNC

Name

 buscar ubicación para guardar código y asignar un nombre Programmer´s Name Enter program ID number Program Description Verificar el archivo y código en la ubicación seleccionada.

REPORTE DE PRÁCTICAS.           

Portada Índice. Título de la práctica.  Número de la práctica. Fecha del reporte. Definición de Torno CNC. Partes que lo componen. Herramientas que utiliza. Trabajos que se pueden realizar. Procedimiento de diseño y simulación. Generación de CNC.

PRÁCTICA 2  Nota: Realizar nuevamente la práctica No. 1, ahora verificando que en Software CAM, se utilice el sistema de unidades de acuerdo a la norma de la probeta seleccionada.

197

Unidad 4

Procesos de Unión

198

En el desarrollo de nuevos materiales en los procesos de unión se tienen los materiales compuestos avanzados de matriz termoplástica que resultan de gran interés para hacer frente a los nuevos retos de la industria aeronáutica. Entre sus numerosas ventajas frente a los materiales compuestos termoestables se encuentran una mayor tenacidad y tolerancia al daño, menor absorción de humedad, ciclos de fabricación más rápidos, y sobre todo, la posibilidad de ensamblar estructuras mediante procesos de soldadura (por fusión y por estado sólido). Las uniones soldadas evitan, al igual que las uniones adheridas, los problemas asociados a la operación de taladrado de los materiales compuestos dentro del proceso de remachado. No resultan, sin embargo, tan sensibles como estas últimas a la preparación superficial del material en la zona de unión pues el elemento que actúa como ―adhesivo‖ en las uniones

soldadas es la propia matriz. Ti pos de uni ón:   

Un iones adhesivas Unión m ecáni ca Un ión por soldadur a

La función básica de proceso de ensamble, (montaje) es unir dos o más partes entre sí para formar un conjunto o subconjunto completo. La unión de las partes se puede lograr con soldadura de arco o de gas, soldadura blanda o dura o con el uso de sujetadores mecánicos o de adhesivos. La sujeción mecánica (componentes mecánicos y a presión) se puede lograr por medio de tornillos, remaches, roblones, pasadores, cuñas y uniones por ajuste a presión estos últimos se consideran constantemente, las efectuadas con otros sujetadores mecánicos no son  permanentes, los mecánicos son más costosos y requiere capacidad en la preparación de partes  por unir. Algunas partes se unen de modo permanente con soldadura eléctrica o de gas, soldadura  blanda, o dura y algunos adhesivos. La soldadura se efectúa con el uso de calor, de presión o ambos. El calor producirá cierto efecto sobre las partes unidas para satisfacer la amplia variedad de necesidades en la manufactura, se han desarrollado y están en uso.

Soldadura La soldadura es un proceso de unión de materiales en la cual se funden las superficies de contacto de dos (o más) partes mediante la aplicación conveniente de calor o presión. La soldadura es un proceso relativamente nuevo, su importancia comercial y tecnológica se deriva de lo siguiente: 1. La soldadura proporciona unión permanente 199

2. La unión soldada puede ser más fuerte que los materiales originales. 3. En general, la soldadura es una forma más económica de unir componentes, en términos de uso de materiales y costos de fabricación. 4. La soldadura no se limita al ambiente de fábrica. Puede realizarse en el campo. Tipos de Soldadura Soldadura por fusión –  estos procesos usan el calor para fundir los materiales base. En muchas operaciones de soldadura por fusión, se añade un metal de aporte a la combinación fundida  para facilitar el proceso y aportar volumen y resistencia a la unión soldada. Soldadura de estado sólido  –   este proceso se refiere a los procesos de unión en los cuales la fusión proviene de la aplicación de presión solamente o una combinación de calor y presión. Algunos procesos representativos de este proceso son: • Soldadura por difusión, las partes se coloca n juntas bajo presión a una temperatura elevada. • Soldadura por fricción, es un proceso similar al de difusión, solo que la temperatura se

obtiene al friccionar las partes a unir. • Soldadura ultrasónica –   se realiza aplicando una presión moderada entre las dos partes y un

movimiento oscilatorio a frecuencias ultrasónicas en una dirección paralela a las superficies de contacto. La combinación de las fuerzas normales y vibratorias produce intensas tensiones que remueven las películas superficiales y obtienen la unión atómica de las partes.

F igu ra 4.1Pr oceso de Soldadura 

200

4.1

Adhesivos

F igu ra 4.2 H igh- tech adhesives are now in dispensable in avi ation . Th ey provide comf ort , stabil it y and, above all , safety above the cl ouds. PUBLISHED BY FEICA –   ASSOCIATION OF EUROPEAN ADHESIVES &

SEALANTS MANUFACTURERS · BRUSSELS

El desarrollo en la aeronáutica sobre las últimas seis décadas es muy impresionante. Hoy los jets son como si fuera la cosa más natural del mundo. Sin embargo, no menos impresionante es el desarrollo de adhesivos durante el mismo período. Con los años, esta está convertido en una herramienta de alta tecnología.

201

F igu ra 4.3. Hi stori a de los adhesivos 

El uso de adhesivos data de épocas antiguas, y el pegado fue probablemente el primero de los métodos de unión permanente utilizados. Los adhesivos tienen un alto rango de aplicaciones de unión y sellado, para integrar materiales similares y diferentes, como metales,  plásticos, cerámica, madera, papel y cartón entre otros. La unión con adhesivos es un proceso que en lo general se usa un material ajeno a los que se desea unir para la fijación de ambas superficies. Generalmente, las uniones con adhesivos no son tan fuertes como las que se hacen con soldadura, sin embargo muy ligeros que son utilizados en la industria aeroespacial y para eso se toman en cuenta algunos principios: 1. Se debe maximizar el área de contacto de la unión 2. Los pegados son más fuertes en cizalla y en tensión, y las uniones deben diseñarse para que se apliquen tensiones de esos tipos. (a) y (b) 3. Los pegados son más débiles en hendiduras o desprendimientos, y deben diseñarse para evitar este tipo de tensiones. (c) y (d)

202

F igu ra 4.4 T ipos de tension es que deben considerarse en l a un ión adhesiva: (a) tr ansversal, ( b) de cizall a (cort e), (c) de hendidur a y (d) de desprendim iento.

Tipos de Adhesivos Existe una gran cantidad de adhesivos comerciales, pero todos estos pueden clasificarse dentro de 3 categorías: 1) naturales, 2) inorgánicos y 3) sintéticos. 





Los adhesivos naturales son materiales derivados de fuentes como plantas y animales, e incluyen las gomas, el almidón, la dextrina, el flúor de soya y el colágeno. Este tipo de adhesivos se limita aplicaciones de bajo tensión. Lo adhesivos inorgánicos se basan principalmente en el silicio de sodio y el oxicloruro de magnesio, aunque el costo de estos es relativamente bajo, su resistencia es similar a los naturales. Los adhesivos sintéticos constituyen la categoría más importante en la manufactura; incluyen diversos polímeros termoplásticos y duroplásticos.

Métodos de aplicación de adhesivos       

Aplicación con brocha Rodillos manuales Serigrafía Por flujo Por aspersión o atomización Con aplicadores automáticos. Recubrimiento mediante rodillo.

Ejemplo de Uniones adheridas. Para la realización de este tipo de uniones se emplean dos adhesivos de distinta naturaleza: FM300 y polieterimida (PEI). El FM300 es un adhesivo termoestable (base epoxi) de elevadas características mecánicas y empleado profusamente en uniones adhesivas de materiales compuestos avanzados de matriz termoestable. Tiene un ciclo de curado a 180°C y 3bar de presión con una duración aproximada de 150 min. Al ser base epoxi, debe conservarse a -18°C hasta su utilización. 203

En las uniones realizadas en el presente trabajo con FM300 (siempre mediante bolsa de vacío en autoclave) se consideran dos tipos de preparación superficial de los sustratos: abrasión mecánica y preparación mediante lámina de pelado (peel-ply). En términos generales, la preparación superficial mediante peel-ply es una técnica rápida y sencilla que permite obtener superficies con una rugosidad superficial adecuada. Consiste en incorporar a los sustratos una lámina con una determinada textura previamente a su consolidación. Esta lámina, que se retira en el momento de realizar la unión, debe ser inerte desde el punto de vista químico, fácil de retirar de la superficie sobre la que se aplica y resistente a las temperaturas de fabricación de los sustratos. En este trabajo se emplea una lámina de pelado cuya temperatura de servicio se encuentra, según fabricante, en torno a 260ºC en uso continuo y en torno a 400ºC para uso intermitente. La abrasión mecánica se realiza mediante chorro de arena, método aplicado con éxito  para la realización de uniones adheridas en materiales compuestos de matriz termoestable. La polieterimida (PEI), segundo material empleado como adhesivo en este trabajo, es una resina termoplástica amorfa de elevadas propiedades mecánicas, se emplea como matriz en materiales compuestos avanzados de gran interés en la industria aeronáutica. Presenta una temperatura de reblandecimiento alrededor de 215°C y, empleada como adhesivo, tiene como ventajas su compatibilidad, tiempos de procesado cortos y que, al ser químicamente estable como el resto de las resinas termoplásticas, se conserva a temperatura ambiente. Las uniones realizadas mediante una película de PEI se llevan a cabo en bolsa de vacío en autoclave a 260°C y 4bar con un ciclo de 90 min de duración. Con el fin de optimizar la compatibilidad entre adhesivo y el material de los sustratos, éstos se modifican previamente a su consolidación mediante la adición de una capa de PEI sobre las superficies de unión.  No se somete a dichas superficies a ninguna preparación superficial previamente a la realización de la unión

F igu ra 4.5 Área de Telecomuni caciones. Smartph one que requieren de vari os tipos de adhesivos.

204

 Normativa de referencia  La calidad no puede inspeccionarse en el producto, estará dentro de él siempre que se fabrique con ella. 



La Norma DIN 6701 (Uniones adhesivas de vehículos y componentes ferroviarios) es la equivalente a la Norma EN 15085 (Soldeo de vehículos y componentes ferroviarios) que anuló y sustituyó a la antigua Norma DIN 6700. La Norma DIN 6701 recoge los requisitos de diseño, aplicación/fabricación y calidad de los componentes unidos mediante adhesivos para el sector del ferrocarril. La Norma ISO 21368 (Directrices para la fabricación y elaboración de procedimentos adecuados para la evaluación de riesgos de estructuras unidas con adhesivos) recoge directrices para los requisitos de calidad de los fabricantes de estructuras mediante unión adhesiva.

F igu ra 4.6 Al gun os diseñ os por u ni ones adhesivas: de la (a) a l a (d) uni ones empal madas, (e) y (f ) un ion es en T, de la (g) a l a (j) un iones de esqui na.

205

Componentes M ecánicos y

4.2

a Pr esión Ensamble Mecánico Tornillos, Tuercas y Pernos

Los tornillos y los pernos son sujetadores con roscas externas. Hay una diferencia técnica entre un tornillo y un perno, que con frecuencia se confunde en el uso popular. Un tornillo es un sujetador con rosca externa que, por lo general, se ensambla en un orificio roscado ciego. Un perno es un sujetador con rosca externa que se inserta a través de orificios en las partes y se asegura con una tuerca en el lado opuesto. Existen distintos tipos de cabezas para los tornillos y los pernos, entre estos destacan los de la siguiente figura:

Otros sujetadores roscados y equipo relacionado 1) Los insertos con tornillo de rosca son pernos sin cabeza con rosca interna o rollos de alambre hechos para insertarse en un orificio sin rosca y para aceptar un sujetador con rosca externa.

F igur a 4.7 In sertos con tor ni ll o de rosca.

2) Los sujetadores roscados prisioneros son sujetadores con rosca que han preensamblado  permanentemente a una de las partes que se van a unir. 206

. F igu ra 4.8 Pr ision eros, con y sin cabeza.

Remaches y ojillos Los remaches son sujetadores que se utilizan ampliamente para obtener una unión  permanente en forma mecánica. Estos remaches son una punta con cabeza y sin rosca que se usa para unir dos(o más) partes, la punta pasa a través de orificios en las partes y después forma una segunda cabeza en la punta del lado opuesto.

F igu ra 4.9 U ni ones por medio de remaches.

Los ojillos son sujetadores tubulares de paredes delgadas con un reborde en un extremo. Se usan para producir una unión empalmada permanente entre dos (o más) partes  planas.

207

F igur a 4.10 Uni ones por ojil los.

Ajustes por interferencia Los ajustes de agarre automático son la unión de dos partes, en las cuales los elementos que coinciden poseen una interferencia temporal mientras se oprimen juntos, pero una vez que se ensamblan se entrelazan para conservar el ensamble.

F igur a 4.11 Aju stes por in terf erencia 

Existen otros ajustes por interferencia como: a) Puntillado  –   es una operación de sujeción en a cual se usa una maquina que produce las  puntillas en forma de U de alambre de acero, y de inmediato las inserta a través de las dos  partes que se van a unir.

208

 b) Engrapado  –   son grapas en forma de U que se clavan a través de dos partes que se van a unir. c) Cosido  –   es un método de unión común para partes suaves y flexibles, tales como telas y  piel, el método implica el uso de un cordón o hilo largo entrelazado con las partes para  producir una costura continua entre ellas.

Diseño para ensambles En años recientes el diseño de ensambles ha recibido mucha atención, pero sus operaciones tienen un enorme costo de mano de obra, y para que el diseño sea exitoso se  plantean dos puntos sencillos: o o

diseñar el producto con la menor cantidad de partes posibles diseñar las partes restantes para que se ensamblen con facilidad.

Y se siguen algunos principios para dicho diseño. 

    

Usar la menor cantidad de partes posible para reducir la cantidad de ensambles requeridos Reducir la cantidad de sujetadores roscados requeridos Estandarizar los sujetadores Reducir dificultades de orientaciones de las partes Evitar las partes que se enredan. Diseño para ensamble automatizado

Además de los métodos de ensamble manual, hay diversos sistemas automatizados para realizar operaciones de ensamble mecánico, entre ellos están: 1) máquinas de propósito especial y 2) sistemas programables. Las máquinas de propósito especial generalmente consisten en una serie de estaciones de trabajo, en las cuales se añaden partes y/o se ejecutan operaciones de unión. Los sistemas de ensamble programables se utilizan para producir una variedad limitada de ensambles distintos. Con frecuencia se emplean robots industriales, ya sea como estaciones de trabajo bajo múltiples o como un robot único en una estación. Para facilitar el ensamble automatizado se siguen estos puntos:     

Usar la modularidad en el diseño de productos Reducir la necesidad de que se manejen varios componentes a la vez Limitar las direcciones requeridas de acceso Componentes de alta calidad Usar ajustes de agarre automático 209

Pr ocesos de Soldadura por F usión

4.3

En la soldadura de los metales, a la técnica que consiste en calentar dos piezas de metal hasta que se derriten y se funden entre sí se le llama soldadura por fusión. Puede ser con aporte de material. Dentro de la soldadura por fusión observamos los siguientes tipos:         

Soldadura TIG Soldadura MAG Soldadura MIG Soldadura por arco Soldadura por plasma Soldadura por puntos Soldadura con haz de electrones Soldadura por rayo láser Soldadura GMAW

Soldadura de Arco de Tungsteno con Gas (TIG)

F igu ra 4.12 Pr in cipi os del pr oceso con gas y arco de tun gsteno (GTA W). Si se requi ere metal de aporte, se ali menta al depósito desde un a barr a de aporte separada.

210

 La soldadur a TI G  (Tungsten Inert Gas), se caracteriza por el empleo de un electrodo  permanente de tungsteno, aleado a veces con torio o zirconio en porcentajes no superiores a un 2%. Dada la elevada resistencia a la temperatura del tungsteno (funde a 3410 °C), acompañada de la protección del gas, la punta del electrodo apenas se desgasta tras un uso prolongado. Los gases más utilizados para la protección del arco en esta soldadura son el argón y el helio, o mezclas de ambos. La gran ventaja de este método de soldadura es, básicamente, la obtención de cordones más resistentes, más dúctiles y menos sensibles a la corrosión que en el resto de  procedimientos, ya que el gas protector impide el contacto entre el oxígeno de la atmósfera y el baño de fusión. Además, dicho gas simplifica notablemente el soldeo de metales ferrosos y no ferrosos, por no requerir el empleo de desoxidantes, con las deformaciones o inclusiones de escoria que pueden implicar. Otra ventaja de la soldadura por arco en atmósfera inerte es la que permite obtener soldaduras limpias y uniformes debido a la escasez de humos y  proyecciones; la movilidad del gas que rodea al arco transparente permite al soldador ver claramente lo que está haciendo en todo momento, lo que repercute favorablemente en la calidad de la soldadura. El cordón obtenido es por tanto de un buen acabado superficial, que  puede mejorarse con sencillas operaciones de acabado, lo que incide favorablemente en los costes de producción. Además, la deformación que se produce en las inmediaciones del cordón de soldadura es menor. La definición de la AWS (American Welding Society) para la soldadura de gas y arco de tungsteno llamada TIG, es ―un proceso de soldadura con arco que produce la unión mediante el calentamiento con un arco entre un electrodo de tungsteno y la pieza de trabajo‖.

Puede emplearse o no metal de aporte. La protección se logra con gas o una mezcla de gases. En esencia, el electrodo de tungsteno no consumible es un soplete, un dispositivo de calentamiento. Debajo de la cubierta de gas protector, los metales que van a unirse pueden calentarse arriba de sus puntos de fusión para que el material de una pieza se una con el de la otra pieza; cuando se solidifica la zona fundida se produce la unificación. Además, puede utilizarse presión cuando los cantos que se van a unir estén cerca de su estado de fusión con objeto de ayudar a que se unan. Esta soldadura no requiere metal de aporte. Si la pieza de trabajo es demasiado gruesa para la simple fusión de los cantos colindantes y si se requiere de uniones de ranura o refuerzos tales como filetes, debe agregarse metal de aporte por medio de una barra de aporte alimentada dentro del depósito fundido en forma manual o mecánica. Tanto la punta del electrodo de tungsteno no consumible como la  punta de la barra de aporte se mantienen debajo de la cubierta de gas protector conforme avanza la soldadura. En la figura 4.12 se ilustra el soplete para TIG. En la soldadura automática el alambre de aporte es alimentado a lo largo de una guía dentro del depósito fundido. Cuando van a colocarse uniones gruesas a mano, una variante en el modo de alimentación es colocar o  presionar la barra de aporte dentro o a lo largo de la unión y fundirla junto con los bordes de 211

ésta. Con el proceso TIG y metal de aporte pueden soldarse todos los tipos estándar de uniones. Los materiales que pueden soldarse con el proceso TIG son casi todos los grados de aceros al carbono, aleación e inoxidables; aluminio y magnesio, la mayor parte de sus aleaciones; cobre, diversos latones y bronces; aleaciones de diversos tipos para altas temperaturas; numerosas aleaciones de revestimiento duro, y metales como titanio, zirconio, oro y plata. Este proceso está adaptado en especial para soldar materiales delgados cuando hay requisitos estrictos de calidad y acabado. Es uno de los pocos procesos adecuado para soldar objetos diminutos y de pared delgada, como cajas de transistores, diafragmas de instrumentos y fuelles de expansión delicados.

Soldadura de Arco de Metal con Gas (MIG)

F igu ra 4.13 Pr in cipi os del proceso de gas y arco metáli co. Se ali menta un electrodo conti nuo de alambre macizo al arco pr otegido por gas.

 es un proceso por arco bajo gas protector con electrodo consumible, L a soldadura MI G/MA G 

el arco se produce mediante un electrodo formado por un hilo continuo y unas piezas a unir, quedando este protegido de la atmosfera circundante por un gas inerte (soldadura MIG) o por un gas activo (soldadura MAG). La soldadura MIG/MAG es intrínsecamente más productiva que la soldadura manual con electrodo (MMA) donde se pierde productividad cada vez que se produce una parada para 212

reponer el electrodo consumido. El uso de hilos sólidos e hilos tubulares han aumentado la eficiencia de este tipo de soldadura hasta el 80%-95%. La soldadura MIG/MAG es un proceso versátil, pudiendo depositar el metal a una gran velocidad y en todas las posiciones, este procedimiento es muy utilizado en espesores  pequeños y medios en estructuras de acero y aleaciones de aluminio, especialmente donde se requiere una gran trabajo manual. La introducción de hilos tubulares está entrando cada vez más a la producción de estructuras pesadas donde se necesita de una gran resistencia de soldadura. La soldadura con gas y arco metálico, llamada MIG , utiliza un electrodo continuo para el metal de aporte y para la protección, un suministro externo de gas o mezcla de gas. El gas  protector, helio, argón, dióxido de carbono o mezclas de ellos, protege el metal fundido para que no reaccione con los componentes de la atmósfera. Aun cuando la protección con gas es eficaz para proteger el metal fundido de aire, se suelen emplear desoxidantes como aleaciones en los electrodos. A veces, se aplican recubrimientos delgados en los electrodos para estabilizar el arco u otros fines. También, pueden aplicarse películas de lubricante para aumentar la eficiencia de la alimentación del electrodo en equipo semiautomático. Pueden incluirse gases reactivos en las mezclas para acondicionamiento del arco. En la figura 4.13 se ilustra el método con el cual se suministran el gas protector y el electrodo continuo al arco de soldadura. La soldadura MIG puede utilizarse con todos los metales comerciales importantes, como los aceros al carbono, de aleación, inoxidables, el aluminio, magnesio, cobre, hierro, titanio y zirconio. Es el proceso preferido para soldar aluminio, magnesio, cobre y muchas de las aleaciones de metales reactivos. Casi todos los tipos de hierro y acero pueden unirse con MIG, incluso el hierro libre de carbono y los aceros al bajo carbono y baja aleación, los aceros de alta resistencia enfriados por inmersión y templados, los hierros y aceros al cromo, los aceros al alto níquel y algunos de los aceros llamados de superaleación. Según sea el material, las técnicas y procedimientos para soldar pueden variar mucho. Por tanto, el dióxido de carbono o las mezclas de argón y oxígeno son adecuadas para proteger el arco cuando van a soldarse aceras al bajo carbono y baja aleación; mientras que el gas inerte puro puede ser esencial al soldar aceros de alta aleación. Con este proceso, el cobre, muchas de sus aleaciones y los aceros inoxidables se sueldan con éxito. La soldadura es semiautomática con una pistola manual, en la cual se alimenta el electrodo en forma automática, o puede utilizarse equipo automático. Las pistolas o cabezas  para soldar son similares a las utilizadas para la soldadura con núcleo de fundente y gas  protector.

213

Soldadura de Arco En esta soldadur a por arco   la fuente de calor es un arco eléctrico entre pieza y electrodo o entre dos electrodos. Definiciones del proceso por arco Eléctrico (SMAW) (electrodo Revestido) El proceso SMAW o mejor conocido como soldadura por electrodo revestido emplea el paso de un arco eléctrico a través de un electrodo metálico y el material a soldar. Este arco eléctrico produce el calor necesario para fundir el material base y al aporte originándose la mezcla de ambos en estado líquido que al solidificarse formarán el cordón de soldadura. Como todos los metales al calentarse es más fácil que se oxiden por lo cual a este electrodo se le coloca un revestimiento químico el cual dará propiedades específicas a la soldadura y formará una nube protectora contra el medio ambiente. Al solidificarse el fundente este protegerá al metal sólido de enfriamientos bruscos, así como contaminaciones por absorción de gases.

F igu ra 4.14 El ci rcu it o bá sico para soldadur a con arco.

En el acelerado desarrollo tecnológico y la creciente aplicación industrial de la soldadura en los últimos sesenta años, en especial a partir de la segunda guerra mundial durante la cual recibió un impulso definitivo, dificulta la definición clara y precisa del concepto de soldadura. Según la AWS o sociedad americana de soldadura, dice: Soldadura es la unión de piezas metálicas, con o sin material de aporte, utilizando cualquiera de los procedimientos generales: a) Aplicando presión exclusivamente  b) Calentando los materiales a una temperatura determinada con o sin aplicación de presión.

214

FACTORES PARA MANEJAR EL PROCESO. 

Diámetro correcto del electrodo.



Tipo de corriente apropiada



Correcta selección de cantidad de corriente (amperaje y voltaje).



Correcta longitud de arco.



Correcta velocidad de soldeo



Ángulos correctos de aplicación.

Soldadura por Plasma

F igu ra 4.15 Pr oceso de soldadur a por pl asma.

  (PAW) es un proceso con muchos puntos comunes L a soldadur a por ar co de plasma  con el más conocido proceso TIG de soldadura. La diferencia fundamental estriba en la forma que adopta el arco eléctrico, dado que en el proceso TIG éste se crea libremente entre el electrón y la pieza, y tiene una forma cónica. En el caso del proceso PAW, el arco eléctrico pasa por un orificio de constreñimiento situado en la boquilla de la pistola, que da lugar a una columna de plasma de forma cilíndrica que concentra una gran densidad de energía.

215

El nivel de energía conseguido a través del arco de plasma permite, en determinados casos, aumentar las velocidades de soldadura; en otros, aumenta el nivel de penetración de los cordones y, en general, permite una gran estabilidad del arco, desde valores inferiores a un Amperio (micro-plasma) hasta valores superiores a 300 Amperios (macro-plasma), así como un mejor control de la distorsión Está compuesto por tres elementos principales y varios complementos auxiliares con las siguientes características: 





Equipo compacto de corriente alterna/continua, control de onda cuadrada modelo Transting AC/DC-350A de la firma BOC/ESAB y regulación de 5-325 Amperios. Control PW-300 de la firma ESAB para regulación de los parámetros del arco de  plasma (gases y energía). Pistola PTW 300 de aplicación automática para soldadura por plasma hasta 300 Amperios al 100% de F. U. refrigerada por agua.

Completan la instalación una serie de complementos como alimentador de hilo, mando a distancia, carro de desplazamiento lineal, mesa giratoria, gases, etc. que son requeridos en función de la aplicación del trabajo

CARACTERÍSTICAS 









Soldadura longitudinal de tubos de diferentes aleaciones aplicada en instalaciones automatizadas con altas velocidades de producción cercanas a 1 m/min en función del espesor. Soldadura orbital de tuberías por refusión de bordes en tubos de hasta 6 mm de espesor con una sola pasada. Fabricación de recipientes de acero inoxidable para almacenamiento de diferentes  productos Soldadura de fuertes espesores a una sola pasada de materiales tales como titanio, cobre, níquel y aleaciones cromo-níquel utilizando la técnica de Key-hole llegando a obtenerse valores de 15 mm en el caso de las aleaciones de titanio. Soldadura de convertidores catalíticos de tubos de escape para automoción

216

F igu ra 4.16 M acrograf ía de uni ón r eali zada con plasma en al eación base Tit ani o de 17 mm. de espesor (1 sola pasada) .

Recargue por plasma de arco transferido (PTA) El principio de funcionamiento del procedimiento de recargue por Plasma de Arco Transferido (PTA) con aportación de aleación micro-pulverizada está basado en la formación entre el cátodo refractario y la pieza a recargar de una columna de plasma de Argón mantenida  por un arco eléctrico. El arco eléctrico así creado libera una alta densidad de energía que permite alcanzar temperaturas lo bastante elevadas como para controlar la fusión de las aleaciones que se utilizan como recubrimiento y depositarias en la superficie de la pieza, reduciendo al mínimo la dilución entre ambos materiales. Tanto el arco de plasma como la aleación depositada están protegidos durante el  proceso por una atmósfera de gas reductor que mejora las características del recubrimiento.

F igur a 4.17 Recargue por Pl asma de Arco T ransferi do (PTA)

217

Soldadura por Puntos. La soldadura por puntos es un método de soldadura por resistencia que se basa

en presión y temperatura,  en el que se calienta una parte de las piezas a soldar por  corriente eléctrica a temperaturas próximas a la fusión y se ejerce una presión entre las mismas. Generalmente se destina a la soldadura de chapas o láminas metálicas, aplicable normalmente entre 0,5mm y 3mm de espesor.

El soldeo por puntos es el más común y simple de los procedimientos de soldadura por resistencia.  Los materiales bases se deben disponer solapados entre electrodos,  que se encargan de aplicar secuencialmente la presión y la corriente correspondiente al ciclo  produciendo uno o varios puntos de soldadura. Características del proceso.

F igu ra 4.18 I magen y Esquema soldadora de punto.

Máquinas de soldadura 1. Con brazo oscilante : el electrodo inferior esta quieto y se mueve el superior, oscila alrededor de un pivote 2. de presión: electrodo superior comandado por cilindro neumático; para trabajos pesados o de alta producción; gran variedad de tamaños de máquinas. 3.  portátil: transportable, usa una pistola conectada a la fuente de energía. La pistola puede uno de sus electrodos para dar la presión necesaria. Muy utilizada en la industria por su alta velocidad de producción Es un tipo de soldadura que se cataloga por soldadura con fusión del metal base a soldar, se considera un proceso en el cual los electrodos utilizados no son consumibles, este  proceso provoca una altísima y repentina elevación de la temperatura que funde el metal en el  punto de unión, además no se necesita material de aporte para que se produzca la unión entre las dos piezas, se considera un tipo de soldadura rápida, limpia y fuerte. 218

El material utilizado de los electrodos es una aleación de cobre con Cd, Cr, Be, W con objeto de que presente una baja resistencia y una elevada oposición a la deformación bajo una  presión estando su dureza comprendida entre 130 y 160 HB. También este tipo de soldadura necesita de un transformador donde la bobina secundaria suministra un voltaje a los electrodos de 1V a 10V y una gran corriente, debido a que generalmente la resistencia de las piezas a soldar es muy baja por tanto la corriente que debe pasar por la zona a soldar debe de ser del orden de los 500 amperios. Ejemplos de aplicación: La soldabilidad de los metales y aleaciones depende de su resistencia eléctrica. De acuerdo con este criterio, los diversos materiales pueden agruparse en dos tipos: De elevada resistencia eléctrica y baja conductividad térmica, como los aceros, que se sueldan con intensidades relativamente pequeñas y tiempos de paso largos.  De baja resistividad eléctrica y elevada conductividad térmica, tales como el aluminio y sus aleaciones y las aleaciones de cobre que se sueldan con altas intensidades y tiempos muy cortos. Los aceros suaves se sueldan fácilmente, al igual que los de bajo contenido en elementos especiales. Los aceros de temple son soldables, pero precisan un recocido después de soldar debido a que por el rápido enfriamiento la soldadura se vuelve frágil. Este recocido se realiza automáticamente en algunas máquinas de soldar. 

Los aceros inoxidables al cromo-níquel se sueldan muy bien con una corriente moderada, fuerte presión y un tiempo de soldadura corto y preciso. El níquel y sus aleaciones se sueldan fácilmente con una intensidad muy elevada. El aluminio, el magnesio y sus aleaciones pueden soldarse a condición de que se emplee una corriente muy intensa durante un tiempo muy corto y se controle rigurosamente la cantidad de energía suministrada. El latón se suelda más fácilmente que el aluminio aplicando una corriente elevada durante un tiempo corto. El zinc y sus aleaciones son delicadas de soldar por su baja temperatura de fusión. El cobre es imposible de soldar con cobre. En mejor de los casos, la soldadura es muy mala. Las aleaciones rojas y los bronces fósforos se sueldan mejor. Los metales y las aleaciones de distinta naturaleza son soldables por puntos si forman una aleación y sus temperaturas de fusión no son muy diferentes. Por lo tanto las aplicaciones pueden ser: La soldadura por puntos, se utiliza para cualquier tipo de chapa, pero la más importante se encuentra en la del automóvil. La soldadura por puntos también se utiliza en la ciencia de la ortodoncia, donde el equipo utilizado es un soldador por puntos pero pequeña escala ya que cambia el tamaño de metal. Otra aplicación es la unión por correas en la soldadura de pilas.

219

Soldadura por Haz de Electrones

F igu ra 4.19 M áqui na de soldadur a por haz de electr ones.

La característica principal de la soldadur a por h az de electr ones    (Electron Beam Weiding, EBW) que la distingue de otros procesos de soldadura, es la posibilidad de concentrar una mayor cantidad de energía en zonas más reducidas. Esta elevada densidad de energía se consigue mediante la concentración de un haz de electrones de alta velocidad,  producido por un cañón de electrones. El impacto de los electrones de alta velocidad sobre la  pieza incremento la temperatura en la zona de impacto. Esta elevada temperatura puede ser utilizada como fuente de calor en distintas aplicaciones (soldadura, fusión, tratamientos térmicos, etc.) El proceso se realiza en una cámara de vacío para evitar la dispersión de los electrones en la atmósfera normal. Un equipo típico de haz de electrones consta de un cañón en el que se genera el haz de electrones. El haz penetra en una cámara de vacío, por lo que es necesaria una instalación de vacío asociada al equipo. En el interior de la cámara se encuentran las piezas a soldar, con la consiguiente limitación de tamaño de las mismas y la necesidad de un tiempo adicional para realizar el vacío. La tecnología de Soldadura por Haz de Electrones tiene unas aplicaciones características, entre las que destacan las siguientes: 





Soldadura de fuertes espesores (hasta 65 mm) de una sola pasada y sin aporte, lo cual supone un ahorro de tiempo y material. Soldaduras libres de contaminación, dada la atmósfera de alto vacío en la que se realiza el proceso. Soldaduras con deformaciones y tensiones mínimas debida a las reducidas dimensiones del cordón de soldadura (4 mm de anchura para una penetración de 20 mm. en acero) 220







Soldaduras de gran precisión en piezas reducidas; el pequeño diámetro del haz (0.5 mm) permite soldar zonas inaccesibles para cualquier herramienta. Se pueden soldar innumerables metales diferentes y metales refractarios (tungsteno, molibdeno). El haz de alta energía permite realizar tratamientos térmicos superficiales, tanto de temple, con el consiguiente endurecimiento de la superficie, como de refusión, obteniéndose mejoras en diversas propiedades del material (comportamiento a fatiga, desgaste, etc.)

En la soldadura citada se utiliza el calor generado en la superficie de impacto, para fundir el material y conseguir la unión del mismo al solidificar. La transformación de energía cinética en calor se efectúa en un volumen muy pequeño, debido al pequeño diámetro del haz y a la escasa penetración de los electrones en el interior del material. La principal característica de esta aplicación es la alta densidad de energía de la fuente de calor (no superada por ningún otro proceso). Los cordones de soldadura ejecutados por haz de electrones presentan un aspecto característico de los llamados " procedimientos de alta concentración energéticas ", y tienen las siguientes ventajas:  

Cordones de soldadura muy estrechos, incluso en uniones de gran penetración. Posibilidad de unir piezas de gran espesor de una sola pasada

 PARÁMETROS DEL PROCESO Velocidad de soldadura: Al incrementar la velocidad de soldadura se producirá un efecto opuesto, por ser menor el aporte energético por unidad de longitud. Tensión de aceleración: Al incrementarla se reduce el tamaño de la huella del haz y produce una zona fundida más pequeña y una soldadura más estrecha y profunda. Intensidad del haz: Al incrementar la corriente del haz, incrementamos la energía del haz y posibilita una mayor penetración y una mayor velocidad de soldadura. Diámetro del haz:

221

Para la soldadura de grandes espesores es más adecuado el uso de un haz muy fino, también podemos acceder a zonas muy estrechas y ejecutar uniones de gran precisión. Distancia entre pieza y cañón: Una distancia de trabajo pequeña permite una mayor concentración del haz sobre la superficie de la pieza. Efecto de la presión en el haz: Sólo en valores de presión por debajo de 10 – 1  Pa podemos alcanzar la máxima efectividad de la producción de soldaduras relativamente profundas y estrechas.

Soldadura por Rayo Láser

F igu ra 4.20 Soldadura por rayo láser a distancia con robot a contr ol r emoto.

La soldadura con r ayo láser (LBW, laser-beam welding ) 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 profundas y delgadas, con relaciones normales de profundidad-ancho entre 4 y 10.

222

En la industria automotriz, la soldadura de componentes de transmisiones es la 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 tener aplicaciones como en soldadura por puntos de materiales delgados, con potencias hasta de 100 kW. Los sistemas de láser continuo de varios kW se usan para soldaduras profundas en secciones gruesas.

Posibilidades del proceso. Los procedimientos 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 hasta de 25 mm (1  pulg); es especialmente eficaz en piezas delgadas. En los metales y aleaciones que normalmente se sueldan están el aluminio, titanio, metales ferrosos, cobre, superaleaciones y los metales refractarios. Las velocidades de soldado van de 2.5 m/min hasta 80 m/min (8 a 250  pies/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: a)  No se requiere un vacío, así que el rayo se puede transmitir por el aire.  b) Los rayos láser se pueden conformar, manipular y enfocar ópticamente, usando fibras ópticas, por lo que el proceso se puede automatizar con facilidad. c) Los rayos no generan rayos X (y sí se generan con el haz de electrones). d) Es mejor la calidad de la soldadura y tiene menor tendencia a fusión incompleta, salpicaduras y porosidades, y produce menos distorsión. Como en otros sistemas análogos de soldadura automatizada, es mínima la destreza que se requiere en el operador.

223

Soldadura GMAG (Gas Metal Arc Welding)

F igu ra 4.21 Esquema e im agen de soldadur a GM AG.

La soldadura GMAG es un tipo de soldadura que utiliza un gas protector químicamente activo (dióxido de carbono, argón más dióxido de carbono o argón más oxígeno). El material de aporte tiene forma de varilla muy larga y es suministrado continuamente y de manera automática por el equipo de soldadura. Se utiliza básicamente para aceros no aleados o de baja aleación. No se puede usar para soldar aceros inoxidables ni aluminio o aleaciones de aluminio. Es similar a la soldadura MIG (soldadura por arco con gas inerte), se distinguen en el gas protector que emplean. Es más barata que la soldadura MIG debido al menor precio de gas que utiliza.

Características específicas del equipo: 

Alimentación Monofásica



Alimentación Trifásica



Alimentación de Alambre



o

2 Rodillos

o

4 Rodillos

Pistolas o

Enfriadas por Aire

o

Enfriadas por Agua 224

Pr ocesos de Soldadura en Estado Sólido

4.4

Unión metalúrgica de las superficies de los metales bases (fusión localizada de las superficies empalmantes se logra gracias a la presión que genera energía para este proceso) y sus principales características son: 

 

Para unir metalúrgicamente dos metales similares o diferentes, debe establecerse un contacto íntimo entre los dos metales para que sus fuerzas atómicas cohesivas se atraigan una a la otra. Empleo de deformación o difusión o deformación limitada = producción alta calidad Coalescencia de superficies: Solo presión Presión y calor (no es producido por la fusión de la superficie de trabajo) Temperatura hasta el 50%por debajo de la temperatura de fusión del metal base.

 



  

 No hay material de aporte Uniones metálicas distintas (propiedades, ej. Uso de 2 inoxidables diferentes en transformadores de calor) Esto se determina gracias a los diagramas de fases, baja solubilidad (intermetálicos) la soldadura puede ser aplicable En la unión producida o región interfacial sitio probable de falla. A+B la falla = propiedades individuales, pero deben ser sinergeticos. Entendimiento del comportamiento interfacial se debe a un estudio atómico (microscopias)

Consideraciones generales en la soldadura de estado sólido. En la mayoría de los procesos de soldadura de estado sólido se crea una unión metalúrgica con muy poca o ninguna fusión de los metales base. Para unir metalúrgicamente dos metales similares o diferentes, debe establecerse un contacto íntimo entre los dos metales  para que sus fuerzas atómicas cohesivas se atraigan una a la otra. En el contacto físico normal entre dos superficies, la presencia de películas químicas, gases, aceites y similares prohíbe tal  proximidad. Para que tenga éxito la unión atómica, deben removerse estas películas y demás sustancias. En la soldadura por fusión (al igual que en otros procesos de unión, tales corno la soldadura fuerte y la soldadura blanda), las películas se disuelven o se queman mediante altas 225

temperaturas para establecer una unión atómica mediante la fusión y solidificación de los metales en estos procesos. Pero en la soldadura de estado sólido, deben removerse las  películas y otros contaminantes mediante otros métodos para permitir que ocurra la unión metalúrgica. En algunos casos, se hace una completa limpieza de las superficies justo antes del  proceso de soldadura; en otros casos, la acción de limpieza se realiza como un parte integral del acercamiento de las superficies de las partes. En resumen, los ingredientes esenciales para una soldadura de estado sólido exitosa son que las dos superficies deben: 1) estar muy limpias y 2) ponerse en contacto estrecho una con la otra para permitir la unión atómica. Los procesos de soldadura que no implican una fusión tiene varias ventajas sobre los  procesas de soldadura por fusión. Si no ocurre la fusión, no hay una zona afectada por el calor,  por lo que el metal que rodea la unión conserva sus propiedades originales. Muchos de estos  procesos producen uniones soldadas que incluyen toda la interfase de contacto entre en las dos  partes, y no solo en puntos o engargolados señalados, como en la mayoría de las operaciones de soldadura por fusión. Asimismo, algunos de estos procesos son aplicables pana unir metales distintos, sin tomar en consideración las expansiones térmicas relativas, las conductividades y los problemas que surgen normalmente durante la fundición y solidificación de distintos metales. Dentro de la soldadura por fusión observamos los siguientes tipos:       

Soldadura por forja Soldadura en frío CW Soldadura con rodillos Soldadura en caliente con presión. Soldadura por difusión Soldadura explosiva Soldadura por fricción

El grupo de soldadura de estado sólido incluye el proceso de unión más antiguo, al igual que algunos de los más modernos. Todos los procesos en este grupo tienen una forma singular de crear la unión en las superficies empalmantes. El análisis empieza con el soldado  por forja, el primer proceso de soldado.

Soldado por Forja. El soldado por f orj a   tiene importancia histórica en el desarrollo de la tecnología de manufactura. El proceso data de alrededor del año 1000 a.c, cuando los herreros del mundo antiguo aprendieron a unir dos piezas de metal. El soldado por forja es un proceso en el cual los componentes que se van a unir se calientan a altas temperaturas de trabajo y después se forjan juntos por medio de un martillo u otro medio. Se requiere bastante habilidad del artesano que lo realiza para obtener una buena soldadura bajo las normas actuales. El proceso tiene interés histórico; sin embargo, actualmente posee una importancia comercial menor. 226

Soldadura en Frío CW. La soldadura en frío , SF (cold welding. CW), es un proceso en estado sólido que se realiza aplicando alta presión entre superficies en contacto limpias a temperatura ambiente. Las superficies empalmantes deben estar excepcionalmente limpias para que funcione la (CW), y generalmente esta limpieza se hace mediante un desengrasado y pulido con cepillo de alambre inmediatamente antes de la unión. Asimismo, al menos uno de los metales que se van a soldar, y de preferencia ambos, deben de ser muy dúctiles y libres de endurecimiento por trabajo. Los metales como el aluminio suave y el cobre pueden soldarse en frío con facilidad. Las fuerzas de compresión aplicadas en el proceso producen el trabajo en frío de las partes metálicas y reducen el grosor hasta en un 50%, pero también producen deformación plástica localizada en las superficies que hacen contacto, produciendo coalescencia. Para partes  pequeñas, las fuerzas se aplican mediante herramientas sencillas operadas en forma manual. Para trabajo más pesado se requieren prensas poderosas para ejercer la fuerza necesaria. En la CW no se aplica calor de fuentes externas, pero el proceso de deformación eleva de alguna forma la temperatura del trabajo. La aplicación de la soldadura en frío incluye la fabricación de conexiones eléctricas.

Soldadura con Rodillos. La soldadur a con rodillos   es una variación de la soldadura por forja o de la soldadura en frío, dependiendo de si se obtiene o no el calentamiento externo delas partes del trabajo antes del proceso. La soldadura con rodillos, SR (roll welding, ROW), es un proceso en estado sólido en el cual se aplica una presión suficiente para producir coalescencia mediante rodillos, ya sea con o sin aplicación externa del calor. El proceso se ilustra en la siguiente figura.

F igur a 4.22 Soldadura con rodil los (ROW).

Si no se proporciona calor externo, el proceso se denomina soldadura en frío con rodillos si se proporciona calor, se usa el término soldadura en caliente con rodillos. Las aplicaciones de la soldadura con rodillos incluyen el revestimiento con acero inoxidable para aleaciones medias o bajas para conseguir resistencia a la corrosión, la fabricación de tiras  bimetálicas para medir la temperatura y la producción de monedas acuñadas.

Soldadura en Caliente con Presión 227

La soldadu ra en caliente con pr esión , SCP (hot pressure welding, HPW), es otra variable de la soldadura por forja, en el cual ocurre la coalescencia por la aplicación de calor y  presión suficientes para producir una deformación considerable de los metales base. La deformación rompe la película de óxido de la superficie y deja limpio el metal para restablecer una buena unión entre las dos partes. Debe permitirse que pase un tiempo para que ocurra la difusión a través de las superficies empalmantes. Por lo general, la operación se realiza en una cámara de vacío o en la presencia de un medio protector. Las aplicaciones principales de la HPW están en la industria de la aeronáutica y el espacio.

Soldadura por Difusión La soldadur a por dif usión , SD (difusión welding, DFW), es un proceso en estado sólido resultado de la aplicación de calor y presión, por lo general en una atmósfera controlada, el tiempo suficiente para que ocurra la difusión y la coalescencia. Las temperaturas están bastante abajo de los puntos de fusión de los metales y la deformación plástica en la superficie es mínima. El mecanismo principal de coalescencia se lleva a cabo mediante la difusión en estado sólido, que implica la migración de átomos a través de la interfase entre las superficies que hacen contacto. Las aplicaciones de la DFW incluyen la unión de metales refractarios y de alta resistencia en las industrias de la aeronáutica, la aeroespacial y la nuclear. El proceso se usa para unir metales similares y diferentes y, en este último caso, con frecuencia se introduce entre los metales distintos una capa de relleno para promover la, difusión de los dos metales base. Una limitación del proceso puede ser el tiempo requerido  para que ocurra la difusión entre las superficies empalmantes; este tiempo puede variar de segundos a horas.

Soldadura Explosiva La soldadu ra expl osiva , SE (explosion welding, EW), es un proceso de estado sólido en el cual se produce una rápida coalescencia de dos superficies metálicas mediante la energía de un explosivo detonado. Por lo general se usa para unir dos metales distintos, en particular  para revestir un metal sobre una base metálica en áreas grandes. Las aplicaciones incluyen la producción de materias primas de láminas y placas resistentes a la corrosión destinadas a la fabricación de equipo de procesamiento en las industries química y del petróleo. En este contexto se emplea el término revestimiento por explosión. En la EW no se usa un metal de relleno ni se aplica calor externo. Asimismo, durante el proceso no ocurre difusión (el tiempo es muy corto). La naturaleza de la unión es metalúrgica, en muchos casos combinada con, un entrelazado mecánico producido por otra interfase ondulada o rizada entre los metales.

228

Figura 4.23 Soldadura explosiva (EW): (1) disposición en la configuración paralela y 2) durante la detonación de la carga explosiva.

Soldadura por Fricción La soldadur a por fr icción   es un proceso comercial muy difundido y es conveniente  para los métodos de producción automatizada. El proceso fue desarrollado en la ex Unión Soviética, e introducido en Estados Unidos alrededor de 1960. La soldadura por fricción, SFR (friction welding, FRW), es un proceso en estado sólido en el cual se obtiene la coalescencia mediante una combinación de calor por fricción y presión. La fricción se induce mediante el frotamiento mecánico entre las dos superficies, generalmente por la rotación de una parte con respecto a la otra, a fin de elevarla temperatura en la interfase de unión hasta un rango de trabajo caliente para los metales involucrados. Enseguida, las partes se dirigen una hacia la otra con suficiente fuerza para formar una unión metalúrgica. La secuencia para soldar dos partes cilíndricas, una aplicación común del proceso. Como muestra la ilustración, la fuerza de compresión axial recalca las partes y se produce un reborde por el material desplazado.

F igur a 4.24 Soldadura por fr icción (F RW)parte rotatoria, sin contacto; (2)establecimi ento de contacto entr e las part es para generar cal or por f ri cción; (3) r otación deteni da y presión axi al apli cada; y (4) soldadur a creada

229

Los instrumentos computacionales y experimentales que comienzan a proporcionar la idea en estos niveles sólo recientemente han sido desarrollados. La interfase de diversas combinaciones por el interés y objetivo del ingeniero todas las combinaciones de metales, cerámica, semiconductores, cristales, y polímeros de conducción). En el contacto físico normal entre dos superficies, la presencia de películas químicas, gases, aceites y similares prohíbe tal proximidad. Para que tenga éxito la unión atómica, deben removerse estas películas y demás sustancias. En resumen, los ingredientes esenciales para una soldadura de estado sólido exitosa son que las dos superficies deben: 1) estar muy limpias y 2) ponerse en contacto estrecho una con la otra para permitir la unión atómica. Diferencias solido(puede ser difusión)

230

U n i da d 5

Mé t odos Al A l t er n os de M an u f actur a

231

Pul Pu l vime vi mett alu al u r gía

5.1

La usaron por primera vez los egipcios, 3000 años A.C.para fabricar herramientas de hierro. Una de las primeras aplicaciones modernas fue a principios del siglo XX, para fabricar los filamentos de tungsteno para lámparas incandescentes. La disponibilidad de una gran variedad de formulaciones en polvo, la posibilidad de  producir partes con sus dimensiones finales (a forma neta) y la economía de la operación en general hacen atractivo este proceso para muchas aplicaciones.

Los productos que se suelen fabricar con técnicas de metalurgia de polvos (MP) van desde esferas diminutas para bolígrafos, engranjes, levas y bujes, productos porosos, como por ej. Filtros, hasta una diversidad e partes de automotores (que hoy forman el 70% del mercado de la metalurgia de polvos).

232

F i gur a 5.1 A utomóvil ut omóvil f r ancé s.

Como ejemplo tenemos que un automóvil común contiene hoy, en promedio, 11kg de  parte metálicas de precisión fabricadas por metalurgia de polvos, y se estima que la cantidad aumentará en breve hasta 22 kg.

F igur a 5.2 Mi crografía Cerm Cerm et M atri z Fe-Cr.

Los metales que más se usan en metalurgia de polvos son: •

Hierro

•

cobre

•

aluminio 233

•

estaño

•

níquel

•

titanio

•

metales refractario

La metalurgia de polvos se ha vuelto competitiva con procesos como fundición, forjado, y maquinado, en especial para piezas relativamente complejas hechas de aleaciones de alta resistencia y duras. Casi todas las piezas pesan menos de 2.5 kg, aunque pueden llegar hasta los 50 kg. Actualmente el avance de la tecnología permite fabricar partes estructurales de aviones, como por ejemplo: 1. Trenes de aterrizaje 2. Soportes para motores 3. Compartimientos de motores

Producción de Metales en Polvo. La metalurgia de povos consiste, básicamente, en las siguientes operaciones, mencionadas en su orden: 1. Producción de polvo 2. Mezclado 3. Compactación 4. Sinterización 5. Operaciones de acabado. Para mejorar la calidad y la exactitud dimensional, o en aplicaciones especiales, se  pueden llevar a cabo procesos adicionales,como acuñado, dimensionamiento, forjado, maquinado, infiltración y resinterización.

Procesos y operaciones para fabricar productos mediante metalurgia de polvos (E squemaM etódos etódos de de produ cción cción de polvos) polvos)

234

F igu ra 5.3 Procesos y operaci ones de MP 

Hay 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 4μpulg a 0.04 pulg. Las materias primas metálicas suelen ser metales y aleaciones a menas, sales u otros compuestos. La forma, tamaño, distribución, porosidad, pureza química y las características a granel y superficiales depende del proceso que se use en especial. Estas caracteristicas son importantes porque afectan: el flujo y la permeabilidad durante la compactacion, y las operaciones siguientes de sinterización.

Métodos Para Producir Polvos Todos los metales pueden producirse en forma de polvo, sin embargo no todos cumplen con las características necesarias para poder conformar una pieza. Los dos metales más utilizados para la producción de polvo para la fabricación de piezas son el cobre y el hierro. Como variaciones del cobre se utilizan el bronce para los cojinetes porosos y el latón  para pequeñas piezas de máquinas. También se llegan a utilizar otros polvos de níquel, plata, tungsteno y aluminio. Existen diferentes formas de producir polvos metalúrgicos dependiendo de las características físicas y químicas de los metales utilizados: Con maquinado se producen partículas gruesas y se usan principalmente para producir  polvos de magnesio. 235

En el proceso de molido se tritura el material con molinos rotatorios de rodillos y por estampado rompiendo los metales, por este método los materiales frágiles pueden reducirse a  partículas irregulares de cualquier finura. El proceso de perdigonado consiste en vaciar metal fundido en un tamiz y enfriarlo dejándolo caer en agua. En este proceso se obtienen partículas esféricas o con forma de pera. La mayoría de los metales pueden perdigonarse, pero el tamaño de las partículas es demasiado grande. La pulverización consiste en la aspersión del metal y su enfriamiento en aire o en agua. Es un excelente método para la producción de polvo de casi todos los metales de bajo punto de fusión como el plomo, aluminio, zinc y estaño. Algunos metales pueden convertirse en polvo con una agitación rápida del metal mientras se está enfriando. Este proceso se le conoce como granulación. Otro procedimiento para la producción de polvo de hierro, plata y algunos otros metales es el de depósito electrolítico. Consiste en la inmersión del metal a pulverizar, como ánodos, en tinas con un electrolito, los tanques actúan como cátodos, el hierro o metal a  pulverizar se mueve de los ánodos hacia los cátodos depositándose como un polvo fino que  puede posteriormente utilizarse con facilidad.

F igur a 5.4 F orm as de partícul as de polvos metáli cos y procesos para produ cirlas.

236

Pr oceso para producción de Polvos M etálicos. Atomización. La atomización produce una corriente de metal líquido inyectando un metal fundido en un orificio pequeño (ver figura). 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 boquilla, y la características de los chorros.

F igu ra 5.5 Pr oceso de atomi zación.

Reducción. La  reducción  de oxidos metálicos requiere gases 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 por este método son esponjosos y  porosos, y tiene formas esféricas o angulares, de tamaño uniforme.

Carbonilos Los carbonilos  metálicos, como el carbonilo de hierro y el de níquel se forman haciendo reaccionar hierro y níquel con monóxido de carbono. Los productos de reacción se descomponen a continuación para obtener hierro y níquel, en forma de partículas pequeñas

Pulverización 237

La  pulverización mecánica implica la fragmentación, molido en molino de bolas, o esmerilado de metales frágiles o menos dúctiles para obtenerlos en pequeñas partículas.

 NANOPOLVOS Entre los nuevos desarrollos está 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 (que en sí es muy volátil y combustible). POLVOS MICROENCAPSULADOS Estos polvos metálicos están totalmente recubiertos con un aglomerante. Para aplicaciones eléctricas como fabricación de componentes magnéticas de bobinas de ignición y otras donde se usan impulsos de ca y cd, el aglomerante funciona como ailador, evitando que la electricidad pase ente las partículas, reduciendo así las pérdidas por corrientes parásitas. Los  polvos se compactan con prensado en tibio. TAMAÑO El tamaño de partículas se suele medir cribando, 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: 1. Sedimentacion; que implica medir la rapidez con que se asientan als partículas en un fluído 2. Microscopía; 3. Dispersión de luz; 4. Metódos ópticos; 5. Suspensión de partículas en un líquido.

Proceso para M ezclado. El mezclado de polvos es el segundo paso en la metalurgia de polvos. Se lleva a cabo con los siguientes objetivos:

238

a. Como los polvos fabricados por diversos procesos tienen distintos tamaños y formas, se deben mezclar para obtener uniformidad. La mezcla ideal es aquella en la que todas las partículas de cada material se distribuyen uniformemente.  b. 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, mejor 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 mezclado excesivo, 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 o en líquidos, que funcionan como lubricantes y hacen más uniforme la mezcla. Se dispone de varios tipos de equipo de mezclado. Para mejorar y conservar la calidad, estas operaciones se controlan cada vez más con 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, en el almacenamiento y el manejo. PRECAUSIONES A) Conexión del equipo a tierra B) Prevención de chispas (usando herramientas que no las produzcan y evitando fricciones, que son fuentes de calor), C) Prevención de nubes de polvo, llamas descubiertas y reacciones químicas

Proceso para Compactación Compresibilidad Es la relación que existe entre el volumen inicial del polvo utilizado y el volumen final de la pieza comprimida. Esta propiedad varía considerablemente en función del tamaño de las  partículas de polvo y afecta directamente a resistencia de las piezas. 239

F igu ra 5.6 Part ícul a de un acero in oxi dable 17-4 PH tr atado por H I P (Compactación I sostáti ca en cali ente).

Conformación Consiste en la acción de comprimir al polvo que fluyó a un recipiente con la forma deseada de la pieza a producir. Existen varios métodos de conformación, a continuación se  presentan algunos de ellos:

Prensado. Los polvos se prensan en moldes de acero con la forma requerida, la presión varía entre 20 y 1400 Mpa. Los polvos plásticos no requieren de altas presiones, como los que son más duros. La mayoría de las prensas que fueron diseñadas para otros fines pueden ser utilizadas para la producción de piezas de polvo. Pueden utilizarse prensas hidráulicas sin embargo es más común que se usen las mecánicas debido a su alta capacidad de producción. Compactación centrífuga. Los moldes se llenan con polvos metálicos pesados y luego se centrifugan para obtener presiones de hasta 3 Mpa. Con lo anterior se obtienen densidades uniformes producto de la fuerza centrífuga en cada partícula de polvo. Posteriormente se extraen las piezas de los moldes y se sinterizan con lo que adquieren su dureza final. Conformación por vaciado. Las piezas para tungsteno, molibdeno y otros polvos se hacen algunas veces por compactación por vaciado. Este procedimiento consiste en hacer una lechada con el polvo del metal que se va a utilizar, esta se vacía en un molde de yeso. Como el molde de yeso es un material poroso drena gradualmente dejando una capa sólida del material metálico. Después de transcurrido el tiempo suficiente para tener una capa lo suficiente gruesa, se sinterizan las piezas de manera normal. Para objetos huecos es muy útil este  procedimiento.

Compactación

240

Esta operación tiene por objeto conformar el polvo metálico en la forma y dimensiones deseadas, dándole la resistencia y consistencia necesaria para su manipulación cuidadosa hasta la sinterización. La cohesión del producto comprimido, se puede considerar como una verdadera soldadura en frío de los puntos de los polvos en contacto debido a:

1. La rotura de la película gaseosa que envuelve las partículas del polvo. 2. Al ensamblaje facilitado por las irregularidades de las superficies de los polvos. 3. A los calentamientos locales provocados por la presión que se pueden traducir en verdaderas soldaduras en caliente. 4. A la soldadura en frío debido a la captura de valencias superficiales libres y a las fuerzas de Van der Valls. 5. A las fuerzas de atracción interatómicas que no empiezan a manifestarse hasta que los centros de dos átomos pertenecientes a dos partículas diferentes se encuentran a una distancia del orden del diámetro atómico La compresión se realiza introduciendo el polvo en una matriz fabricada con un metal muy duro, generalmente de carburo de Tungsteno. El polvo se somete a una presión que puede variar entre 800 y 5000 kg/cm2 (lo más usual es de 4000kg/cm2). La fuerza de las prensas varía de 4 a 80 toneladas en prensas mecánicas y de 80 a 200 en prensas hidráulicas. Debido a que la pulvimetalurgia debe su rentabilidad a la producción de grandes series, necesita matrices fáciles de fabricar y de gran resistencia al desgaste, por eso se suelen hacer de aceros indeformables y de carburos de aglomerados.

Extrusión Para la fabricación de piezas largas producidas a partir de polvos metálicos, deben  producirse a través del proceso de extrusión. Los métodos a utilizar para este proceso dependen de las características del polvo; algunos se extruyen en frío con un aglutinante y otros se calientan hasta la temperatura de extrusión. Generalmente el polvo se comprime en forma de lingote y posteriormente se calientan y sinterizan antes de pasarlos a la prensa para la extrusión. Compactado por explosivos. Como su nombre lo indica la fuerza necesaria para compactar a un polvo en su molde adecuado puede ser producto de una explosión. El  procedimiento es sencillo y económico sin embargo además de peligros puede que su control no sea del todo satisfactorio.

241

Proceso para Sinterizado Es el proceso por medio del cual con el aumento de la temperatura, las partículas de los cuerpos sólidos se unen por fuerzas atómicas. Con la aplicación de calor, las partículas se  prensan hasta su más mínimo contacto y la efectividad de las reacciones a la tensión superficial se incrementan. Durante el proceso la plasticidad de los granos se incrementa y se  produce un mejor entrelazamiento mecánico por la formación de un lecho fluido. Cualquier gas presente que interfiera con la unión es expulsado. Las temperaturas para el sinterizado son menores a la temperatura de fusión del polvo principal en la mezcla utilizada. Existe una amplia gama de temperaturas de sinterizado, sin embargo las siguientes han demostrado ser satisfactorias. Hierro

1095 °C

Acero inoxidable

1180 °C

Cobre

870 °C

Carburo de tungsteno

1480 °C

El tiempo de sinterizado varia entre los 20 y 40 minutos.

Sinterización Es la operación pulvimetalúrgica principal y tiene por objeto dar cohesión y resistencia al producto comprimido. Consiste en dar un calentamiento a la masa de polvo a una temperatura inferior a la de fusión (la temperatura de fritado es del orden de 2/3 a 4/5 de la temperatura de fusión) durante el tiempo suficiente para que las partículas se suelden y el componente resultante, muchas veces poroso, adquiera la suficiente resistencia mecánica. Todo esto realizado en atmósfera  protectora para evitar la oxidación ya que el compactado puede pasar parcial pero nunca totalmente al estado líquido.

242

Proceso para Operaciones Secun darias y Acabados.

Algunos productos fabricados por este procedimiento       

Filtros metálicos Carburos cementados Engranes y rotores para bombas Escobillas para motores Cojinetes porosos Magnetos Contactos eléctricos

F igur a 5.7 Productos de M P 

En la actualidad tiene un gran campo de aplicación como pueden ser:

1.  Piezas de aleaciones de hierro, cobre, etc. para las que factores técnicos y económicos aconsejan este método por la supresión del mecanizado y el máximo aprovechamiento del metal. 2. Para cojinetes autolubricantes con un 30% de poros en bronce sintetizado, estos cojinetes se impregnan de aceite o de teflón(politetracloro...). 3. Pseudoaleaciones de metales con temperaturas de fusión muy dispares, como por ejemplo: cobre-wolframio, plata-wolframio, plata-molibdeno, etc. se emplean en los contactos eléctricos en la zona donde se produce la chispa de ruptura ya que en este sitio necesitamos la  buena conductividad del cobre y de la plata y la buena resistencia al desgaste del wolframio o el molibdeno, de aquí la importancia de este tipo de aleaciones y hoy en la actualidad se utilizan contactos de plata endurecida con un 10% de cadmio. 4. Preparación de metales pesados o pseudoaleaciones con un contenido 85 -95% de 243

wolframio, 3-10% de níquel y 2-5% de cobre. Estos materiales se caracterizan por tener una altísima densidad y se utilizan para la fabricación da giróscopos, pantallas para rayos x y rayos gamma, apantallamiento de centrales nucleares, etc.

5. Fabricación de filtros resistentes a los golpes y a las variaciones bruscas de temperatura por ejemplo filtros de aceite para las válvulas de inyección en los motores diesel, filtros para refrigeradores, etc... que se fabrican en metal monel (acero inoxidable y titanio). 6. Preparación de carburos de wolframio, titanio, etc. y pseudoaleaciones de wolframio-acero, estos compuestos se caracterizan porque tienen una dureza elevada, buena resistencia a la abrasión, debido a su alto punto de fusión sólo se pueden fabricar por este procedimiento utilizando cierta cantidad de cobalto que actúa de cemento. 7.  Tratamiento de metales rebeldes a la forja o al moldeo como puede ser las aleaciones especiales de tipo álnico (20% manganeso, 63% hierro, 12% aluminio, 5% cobalto) que se utilizan mucho para imanes permanentes y para imanes sintetizados de naturaleza cerámica. 8. Tratamiento de metales refractarios, como wolframio, molibdeno y niobio, ya que el elevado punto de fusión hace prohibitivo el darles forma por moldeo. 9. Fabricación de cermets, que son aglomeradores obtenidos por sinterización de un metal con elevado punto de fusión y óxidos muy refractarios y se utilizan para la fabricación de turborreactores. 10. Para evitar las segregaciones en los aceros de alta aleación, como es el caso de los aceros rápidos que segregan bandas de carburos. 11.  Para la fabricación de termistores de óxido de cinc con curva de tensión-intensidad no lineal, a base de envenenar lo límites de grano con óxido de bismuto. 12.  Para la obtención de aleaciones oxidadas interiormente, como el aluminio con óxido de aluminio. Ventajas y limitaciones del proceso de producción por la metalurgia de los polvos: Ventajas 

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 

La producción de carburos sinterizados, cojinetes porosos y bimetálicos de capas moldeadas, sólo se puede producir por medio de este proceso. Porosidad controlada Tolerancias reducidas y acabado superficial de alta calidad Por la calidad y pureza de los polvos producidos, se pueden obtener también piezas de alta pureza.  No hay pérdidas de material  No se requieren operarios con alta capacitación 244

Limitaciones 1. 2. 3. 4. 5.

Los polvos son caros y difíciles de almacenar El costo del equipo para la producción de los polvos es alto Algunos productos pueden fabricarse por otros procedimientos más económicamente Es difícil hacer productos con diseños complicados Existen algunas dificultades térmicas en el proceso de sinterizado, especialmente con los materiales de bajo punto de fusión. 6. Algunos polvos de granos finos presentan riesgo de explosión, como aluminio, magnesio, zirconio y titanio. 7. Es difícil fabricar productos uniformes de alta densidad.

245

Maquinado

5.2

La mayoría de los procesos tradicionales de maquinado quitan material formando virutas, o lo hacen por abrasión. No obstante, existen numerosos casos en que estos procesos no son satisfactorios o simplemente no son posibles por alguna de las siguientes razones:     

El material tiene dureza o resistencia muy elevada, o el mismo es demasiado frágil La pieza es demasiado flexible o resulta difícil sujetar las partes La forma de la pieza es compleja El acabado superficial y la tolerancia dimensional son muy rigurosos El aumento de la temperatura y los esfuerzos residuales en la pieza no son deseables ni aceptables.

Dado que el uso de procesos avanzados de maquinado ofrece mayores ventajas técnicas y económicas que los convencionales, se procederá a describir los métodos avanzados más importantes utilizados en la actualidad.

5.2.1. Químico y electroquímico Este método se basa en que algunas sustancias como soluciones ácidas (para aceros) o alcalinas (para el aluminio) corroen al metal por disolución química y le quita pequeñas cantidades de material de su superficie. En la figura 5.8 se puede observar el esquema del  proceso. Es importante notar que no intervienen fuerzas ni herramientas como si ocurre en las técnicas convencionales. El maqui nado quími co   se aplica en la industria aeroespacial para eliminar capas superficiales de material en partes grandes de aviones o cubiertas de misiles. También se utiliza para fabricar dispositivos microelectrónicos como tarjetas de circuito impreso o chips de microprocesadores. Este proceso tiene la característica de que los costos de herramientas y equipos son bajos y es adecuado para corridas cortas de producción.

F igu ra5.8 Esquema del proceso de maqui nado quími co(a)Equ ipo ( b)Proceso

246

En el fresado químico se producen cavidades superficiales de hasta 12 mm sobre  placas o láminas con el objetivo de reducir el peso total. El ataque es selectivo y se logra agregando capas removibles (enmascaramiento con cintas, pinturas o plásticos) o por inmersión parcial del reactivo. El troquelado fotoquímico es una modificación del fresado químico y el material se elimina de una lámina delgada y plana mediante técnicas fotográficas. Posee la ventaja de  poder troquelar formas complicadas sin rebabas. Se utiliza para fabricar laminaciones de motores eléctricos, mascarillas para televisión a color y para grabar superficies. Los costos de herramienta con bajos, el proceso se puede automatizar y es económico para volúmenes medianos a altos de producción. El inconveniente principal del troquelado químico son los desechos de los subproductos químicos. M aqui nado electr oquími co

El principio de funcionamiento de esta técnica es el de electrodepositación invertida y se  puede apreciar en la figura 5.9 Un electrolito (sal inorgánica muy conductora) funciona como  portador de corriente y la gran rapidez de movimiento del electrolito en el espacio entre la herramienta y la pieza, arrastra y retira los iones metálicos de la pieza (ánodo) antes de que tengan oportunidad de depositarse sobre la herramienta (cátodo). La velocidad de penetración de la misma es proporcional a la densidad de corriente y no se afecta por la resistencia, dureza, o la tenacidad de la pieza.

F igur a 5.9 Esquema del proceso de maquin ado electroqu ími co

247

El maqu inado electr oquími co  se utiliza en la industria aeroespacial, para la producción en masa de álabes de turbinas y partes de motor de reacción y toberas. Tiene las ventajas de no causar daños térmicos en la pieza, no produce desgaste de herramienta, y puede producir formas complicadas con cavidades profundas en materiales duros. En la actualidad existen centros de maquinados controlados numéricamente que logran la mayor rapidez de remoción de material entre todos los procesos no tradicionales de maquinado. Como desventaja, este método posee herramientas y equipos costosos y consume mucha energía. Asimismo, éste no es conveniente para producir esquinas agudas ni fondos  planos ya que el electrolito tiende a erosionar y quitar perfiles agudos.

5.2.2. Por Electrodescarga El maquinado por electr odescarga   (EDM) es un proceso para remoción de metal por la acción de una descarga eléctrica de corta duración y alta densidad de corriente (amperaje) entre las herramientas y la pieza de trabajo. El proceso EDM se podría comparar con un rayo diminuto que choca contra una superficie, crea un intenso calor local y funde la superficie de la pieza de trabajo. El maquinado por electrodescarga es de especial utilidad para maquinar las aleaciones súper duras y conductoras de la era espacial que habría sido muy difícil de trabajar con métodos convencionales. El EDM ha facilitado el corte de formas complejas, lo cual resultaría imposible con herramientas de corte convencionales.

F igu ra 5.10 Esquemas del pr oceso de maquin ado por E lectrodescarga.

248

Principios del EDM El maquinado por electrodescarga (EDM) es un proceso para la remoción controlada de un metal, en el cual se usa una chispa para cortar o erosionar la pieza de trabajo, por medio de un electrodo que es la ―herramienta‖ de corte.

El electrodo se hace con material conductor de electricidad, por lo general con carbón. Tanto el electrodo, que tiene la forma de cavidad requerida, como la pieza de trabajo se sumergen en un líquido dieléctrico que suele ser un aceite delgado. El liquido dieléctrico debe ser no conductor o mal conductor de la electricidad (para el maquinado por electrodescarga se requiere un electrodo (―herramienta‖) conductor y un liquido dieléctrico no conductor). Un

servomecanismo mantiene una separación de más o menos 0,001 pulgadas (0,002 milímetros) entre el electrodo y la pieza de trabajo para que no se toquen. Se aplica una corriente continua de bajo voltaje y alto amperaje al electrodo a razón de 20.000 impulsos eléctricos por segundo mediante un capacitor (condensador). Estos impulsos de corriente conducen chispas que saltan la abertura, entre el electrodo y la pieza de trabajo, a través del dieléctrico. En el sitio en donde choca la chispa se produce un calor intenso, se funde el metal y se desprende una partícula de metal de la superficie de la pieza de trabajo (el metal se remueve por la erosión de la chispa eléctrica). El liquido dieléctrico que está en circulación constante, arrastra las partículas erosionadas en el metal y también ayuda a disipar el calor ocasionado por la chispa.

VENTAJAS DEL PROCESO EDM. El maquinado por la electrodescarga tiene muchas ventajas sobre los procesos convencionales. 

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Se puede cortar cualquier material conductor de electricidad cualquiera que sea su dureza. Es de especial utilidad para carburos cementados y las nuevas aleaciones extra duras que son sumamente difíciles de cortar con metros convencionales. Se pueden trabajar materiales endurecidos, con lo cual se elimina la deformación ocasionada por el proceso de endurecimiento. Las brocas o machuelos rotos se pueden extraer con facilidad de las piezas de trabajo.  No produce esfuerzo en la pieza de trabajo porque el electrodo nunca hace contacto con ella. Este proceso no deja rebabas. Se pueden maquinar secciones delgadas y frágiles sin deformación. Por lo general, se eliminan las operaciones secundarias de acabado en muchos tipos de  piezas de trabajo. Se pueden cortar formas complicadas en la pieza de trabajo que son imposibles de lograr con métodos convencionales. 249

 

Se pueden producir mejores troqueles y moldes a menor costo. Se puede utilizar un dado o troquel de punzar para reproducir su forma en la placa de troquel correlativa y dejar la holgura necesaria.

5.2.3. Por rayo láser En este caso, la energía luminosa proveniente de una fuente láser se concentra sobre la superficie fundiendo y evaporando de forma controlada la pieza (figura 5.11). Los parámetros relevantes son la reflectividad y la conductividad térmica de la pieza, así como sus calores específicos y latentes de fusión y evaporación.

figu ra 5.11 Esquema del pr oceso de maqu inado con láser

El maqu inado con rayo l áser   se usa para taladrar y cortar metales, materiales no metálicos, cerámica y materiales compuestos y pueden cortar placas hasta de 32 mm. También se usan para soldar, para hacer tratamientos térmicos localizados y para marcar partes. Esta técnica se usa cada vez más en las industrias automotriz y electrónica compitiendo con el maquinado por electroerosión. Como desventaja, se ve que la superficie obtenida por este método es áspera y tiene una zona afectada por el calor, que luego habrá que remover o tratar térmicamente. Además, los equipos involucrados son muy costosos y consumen mucha energía.

5.2.4. Por haz de electrones y plasma La fuente de energía está formada por electrones de alta energía que chocan con la superficie de la pieza y generan calor (figura 5.12). Se usan voltajes del orden de los 100kV  para llevar a los electrones a velocidades de casi el 80% de la velocidad de la luz. En términos de aplicaciones es muy parecido al maquinado por rayo láser con la diferencia que necesita de un vacío. 250

F igu ra 5.12 Esquema y E qui po del proceso de maqui nado con h az de electron es

Este proceso realiza cortes muy exactos para una amplia gama de metales. Como se mencionó antes, tiene la gran desventaja de necesitar de un vacío para trabajar. También es importante resaltar que la interacción del haz de electrones con la superficie produce rayos X los cuales son perjudiciales. Por tanto, estas máquinas deben ser manipuladas por personal altamente capacitado. En el corte con arco de plasma se usan chorros de gas ionizado (plasma) para cortar rápidamente placas y láminas metálicas. Se trabaja con temperaturas que pueden llegar hasta los 10 000°C, y gracias a las altas velocidades de operación, el acabado superficial es muy  bueno. Otras ventajas son la de poder cortar placas hasta de 15 cm con buena reproducibilidad y más rápido que con procesos de electroerosión. La desventaja mayor de este método es su necesidad de tener una cámara de vacío que limita los tamaños de las piezas a cortar.

5.2.5. Maquinado por Jet de agua y abrasivo. En este método se utiliza la fuerza debida al cambio de la cantidad de movimiento del chorro en operaciones de corte y desbarbado. El chorro funciona como una sierra y corta una ranura angosta en la pieza (figura 5.13).

251

figu ra 5.13 : Esquema y Equ ipo de maqui nado con chorr o de agua

Se pueden cortar materiales como madera, telas, ladrillos, cuero y papel de hasta 25 mm de espesor. Se usa para cortar tableros de instrumentación en automóviles, y algunas láminas de carrocería. Es una operación eficiente y limpia, y por eso se utiliza en la industria de alimentos para cortar productos alimenticios. Este procedimiento muestra numerosas ventajas. Es adecuado para materiales flexibles (ya que no se producen flexiones) y las rebabas producidas son muy pequeñas. La pieza se humedece muy poco y puede iniciarse el corte en cualquier lugar sin necesidad de un hueco  pretaladrado. Por último, no produce calor, y es un proceso seguro para el ambiente (aunque es muy ruidoso). Si al chorro de agua se le agregan partículas abrasivas, se puede aumentar notablemente la velocidad de remoción del material. Recordemos que un abrasivo es una  partícula dura, pequeña y no metálica que tiene aristas agudas y forma irregular. Este  procedimiento es adecuado en especial con los materiales sensibles al calor que no se pueden maquinar con procesos que involucren generación de calor.

figu ra 5.14 : Esquema y E qui po del proceso de maquin ado con chor ro de agua con part ícul as abrasivas.

El método de maquinado con chorro abrasivo tiende a redondear las aristas agudas en esquinas. Otra desventaja que presenta es el riesgo causado por las partículas abrasivas suspendidas en el aire. 252

Conformado

5.3

5.3.1. Formado por explosión PROCESO DE FORMADO DE LAMINAS CON EXPLOSIVOS Involucra el uso de una carga explosiva para formar una lámina o placa de metal dentro de la cavidad de un dado. El formado con explosivos se reserva para partes grandes, típicas de la industria aeroespacial. El tamaño de la carga explosiva y la distancia a la que debe colocarse sobre la parte es más bien materia de arte y experiencia. El formado por explosión fue utilizado por primera vez a principios del siglo XX. La lámina bruta se aprisiona sobre un 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. Con este proceso se pueden fabricar distintas formas siempre que el material sea dúctil a las grandes tasas de deformación, características de la naturaleza explosiva del proceso. El formado por explosivos es versátil, casi no hay límite al tamaño de la pieza, y se adapta en especial para corridas de producciones cortas, para piezas grandes, como las que se encuentran en las aplicaciones aeroespaciales.

F igu ra 5.15 Placas de in tercambiador de calor conf orm adas por expl osión

El conformado por explosión utiliza la elevada presión dinámica de una onda de choque para presionar una chapa de metal contra la forma de una matriz y conformarla, todo ello a gran velocidad. 253

 Normalmente este proceso se lleva a cabo con la carga explosiva en agua, a una cierta distancia de separación de la pieza que va a conformarse. La onda de choque actúa como  punzón. En comparación con otros métodos de conformado más convencionales, las ventajas del conformado por explosión hacen posible:      

trabajar con chapas de gran tamaño (gracias al uso de explosivos) utilizar espesores de chapa elevados (> 10 mm en el caso de aleaciones de Ni)  producir formas elaboradas (reduciendo las operaciones tales como soldadura y tratamiento térmico)  productos con una elevada resistencia mecánica dimensiones muy precisas

Intercambiadores de calor de placas de gran tamaño

F igu ra 5.16 Esquema intercambi ador de calor de placas.

Los intercambiadores de calor de placas (pHE) soldadas de gran tamaño se encuentran normalmente en las refinerías de petróleo y en la industria petroquímica. Los exigentes requisitos del intercambio de calor precisan de una superficie de contacto grande, combinada con una transferencia térmica eficaz a elevadas temperaturas. Si la superficie de contacto es superior a varios miles de metros cuadrados, un único  pHE de este tamaño resultará más económico que un único intercambiador de calor de placas 254

tipo casco (o incluso una serie de ellos). Normalmente un pHE está formado por cientos de láminas de acero inoxidable conformadas por explosión. Estas láminas tienen un espesor entre 0,8 y 1,5 mm y pueden tener hasta 2 m de anchura y 15 m de longitud. Tras el conformado por explosión lámina a lámina, éstas se apilan y sueldan juntas en grupo. Las ondulaciones en forma de V de las placas crean un patrón de flujo turbulento que asegura una elevada eficacia de la transferencia térmica. El grupo se inserta en una vasija a presión. La conexión entre el grupo y la vasija se efectúa mediante juntas de dilatación.

F igu ra 5.17 Esquema int ercambiador de calor de placas.

5.3.2. Otros Procesos Procesos de conformado de alta velocidad. En esta gama de procesos de conformado encontramos:  

Conformado Electromagnético Conformado Electrohidráulico

La principal característica que nos permite diferenciar estos dos procesos se basa en que en el conformado electromagnético la deformación es generada por una repulsión magnética, en el conformado electrohidráulico es la generación de una onda de choque en el interior de un fluido

255

Conformado Electromagnético.

Una nueva posibilidad para la deformación en la industria automotriz.

F igu ra 5.18 Pr oceso de conf ormado electr omagné ti co.

La técnica del Conformado Electromagné , o Electro Magnetic Forming (EMF) ti co  radica en almacenar una energía en forma eléctrica para posteriormente realizar una descarga en un corto periodo de tiempo (20-150 μs) a través de una bobina. La pieza de chapa a conformar (tubular o plana) se coloca a pocos milímetros (1-4 mm) de la bobina que al recibir la corriente de descarga genera unas corrientes inducidas en ella. Al tratarse de corrientes de direcciones opuestas y variables en el tiempo, se generan entre ellas unas fuerzas de repulsión magnética que hacen que la pieza a conformar se deforme. El Conformado Electromagnético es un proceso de transformación de chapa enmarcado dentro de los denominados métodos de alta velocidad. Con el término ―alta velocidad‖ se hace referencia a la velocidad de deformación que toma la pieza durante su

 proceso de conformado. Mientras las velocidades de deformación en los procesos tradicionales de conformado mecánicos o en prensa no superan los 5 m/s, para estos procesos de conformado a alta velocidad pueden oscilar entre 50 y 350 m/s. A pesar de ser una técnica conocida ya desde los años 1930 y empleada desde los años 60, es ahora, a raíz de la implantación de políticas de seguridad y eficiencia que orientan las  pautas globales de desarrollo, cuando se le está dando un nuevo impulso. Las principales ventajas de esta tecnología con respecto a los procesos convencionales de estampación son: 1. Cambio en el modo de deformación del material debido a la alta velocidad de deformación. Los efectos inerciales derivados conducen a: 256

- Reducción de arrugas - Mejora de los límites de deformación - Cambio de los caminos de deformación. 2. Grandes presiones locales. De lo que se deriva: - Reducción del springback - Mejora en la reproducción final de huella o matriz 3. Mejora de costos: - Reducción del costo del utillaje al necesitar sólo una huella - No hay contacto entre útil y pieza, por tanto reducción de desgaste. A pesar de aportar grandes ventajas también presenta una serie de desventajas:   

 No resulta muy apropiada para grandes alturas de embutición Limitado ciclo de vida de las bobinas Apropiada para materiales de elevada conductividad eléctrica.

SIMULACIÓN Y DISEÑO INNOVADOR: CONFORMADO ELECTROMAGNÉTICO La técnica del conformado electromagnético se basa en la generación de campos magnéticos transitorios de alta intensidad mediante una descarga rápida (20-150 s) de energía eléctrica sobre una bobina especialmente diseñada. El campo magnético transitorio induce corrientes de Eddy en la pieza (material buen conductor eléctrico); la interacción entre las corrientes de bobina y las inducidas en la pieza generan fuerzas de repulsión que aceleran la  pieza y la obligan a deformarse. Esta técnica de conformado presenta importantes ventajas respecto a técnicas convencionales como son, entre otras, la reducción de la recuperación elástica y la velocidad del proceso. La naturaleza del proceso, en el que se desarrollan fenómenos electromagnéticos, mecánicos y térmicos en régimen transitorio, implica la necesidad de utilizar herramientas de cálculo mediante el método de los elementos finitos durante las etapas de diseño del proceso. La simulación permite evaluar la eficiencia electromagnética de la bobina, obteniendo la evolución de los campos y fuerzas electromagnéticas desarrolladas durante la descarga eléctrica. Este análisis, resuelto conjuntamente con el análisis térmico y mecánico, permite determinar la evolución temporal de la distribución de esfuerzos, temperaturas y deformaciones, tanto de la pieza como de la bobina. Los resultados que se obtienen en la simulación, juntamente con la correcta selección de materiales, permiten un diseño robusto y adecuado de los útiles de proceso junto con la deformación y forma final de la pieza.

257

F igu ra 5.19 Simu laci ón del proceso 

El conformado electromagnético, basado en el principio de inducción magnética, se enmarca dentro de los procesos de conformado a alta velocidad. Puede ser utilizado tanto para la deformación y unión de chapa como de tubo. Algunas de las ventajas más destacables frente a la embutición tradicional son: mejora de la formabilidad, reducción de arrugas, reducción de la recuperación elástica (Springback), alta repetibilidad de piezas, así como la reproducción de  pequeños micro detalles. La técnica de conformado electromagnético se encuentra actualmente en estado de investigación pre-competitiva. Algunos usos excepcionales que se llevan a cabo en el ámbito industrial son para la unión de componentes, pertenecientes en su mayoría al sector militar o aeroespacial.

258

Conformado Electrohidráulico.

El conf orm ado electr ohi drául ico   se basa en aplicar una descarga de un potencial eléctrico a través de electrodos sumergidos. Como resultado se desarrollan grandes fuerzas, debido a la onda de choque, el flujo hidráulico y la expansión de burbujas de gas, que deforman la chapa contra el troquel.

Es un proceso de alta energía en el cual se genera una onda de choque para deformar el trabajo en la cavidad de un dado a través de una descarga eléctrica entre dos electrodos sumergidos en un fluido de transmisión (agua). Debido al principio de operación, este proceso se llama también formado por descarga eléctrica. La instalación para este proceso se muestra en la siguiente figura.

F igu ra 5.20 Pr oceso de conf orm ado electroh idr ául ico

La energía eléctrica se acumula en grandes capacitores y luego se transmite a los electrodos. El conformado electrohidráulico es similar al formado por explosión. Las diferencias están en la forma de generar la energía y en menores cantidades de energía que se manejan. Esto limita el formado electrodhidráulico a piezas de mucho menor tamaño.

La investigación se está dirigiendo en determinar la magnitud y la fase de cada una de esas fuerzas y sus efectos en las chapas con el fin de ser capaces de optimizar el diseño de las cámaras de descarga para una determinada geometría.

259

F igu ra 5. Apl icacion es del proceso 

Por lo tanto es un proceso novedoso y que resulta de mayor eficiencia que los procesos de conformado convencionales como el estampado, puesto que entrega un producto final mucho más liviano pero conservando la dureza y rigidez conseguida en un proceso convencional. No obstante, propiedades como la dureza pueden ser mejoradas durante el hidroconformado dependiendo de los requerimientos para el uso y distribución del producto fina.

260