Apuntes de Procesos de Fabricacion Alumno

Universidad Politcnica de CartagenaE.T.S. Ingeniera Industrial

Departamento de Ingeniera de Materiales y Fabricacin

VERSIDAD NI U

ITCNICA OL D P

E

CARTAGEN A

Fec hos

ar Allend M

Apuntes de Tecnologa de FabricacinManuel Estrems Amestoy

Cartagena, 2003

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ndice general

ndice general 1. Morfologa de los Procesos de Fabricacin 1.1. Aproximacin a la Ingeniera de Fabricacin . . . . . . 1.2. Introduccin a la morfologa de procesos de fabricacin 1.3. Estructura bsica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.1. Procesos bsicos . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4. Flujo de material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4.1. Estado del material . . . . . . . . . . . . . . . 1.4.2. Categora del proceso . . . . . . . . . . . . . . 1.4.3. Tipo de ujo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.5. Flujo de energa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.5.1. Flujo de energa en procesos bsicos mecnicos 1.5.2. Flujo de energa en procesos bsicos trmicos . 1.5.3. Flujo de energa en procesos bsicos qumicos . 1.6. Flujo de informacin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2. Metrologa dimensional 2.1. Introduccin histrica . . . . 2.2. Introduccin . . . . . . . . . . 2.3. Plan de Calibracin . . . . . 2.3.1. Deniciones . . . . . . 2.4. Cualidades de un instrumento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . de medida i . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

i 1 1 2 2 3 3 3 3 4 4 4 5 5 6 9 9 11 11 12 12

ii 2.5. Relacin entre tolerancia, incertidumbre y divisin de escala 2.6. Errores en la medicin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.7. Medidas indirectas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.7.1. Ley de propagacin de varianzas . . . . . . . . . . . 2.7.2. Calibracin de un instrumento de medida . . . . . . 2.7.3. Mtodos de medida indirecta ms usuales . . . . . . 2.8. Rugosidad supercial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.9. Problemas de metrologa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3. Introduccin a la Ingeniera de Calidad 3.1. Introduccin . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2. Calidad del producto . . . . . . . . . . . 3.3. Aseguramiento de la Calidad . . . . . . 3.4. Ingeniera de calidad como losofa . . . 3.4.1. Mtodos de Deming . . . . . . . 3.4.2. Juran Methods . . . . . . . . . . 3.4.3. Taguchi Methods . . . . . . . . . 3.5. Normalizacin . . . . . . . . . . . . . . . 3.6. Normativa de la ISO 9000 . . . . . . . . 3.7. Normativa ISO 14000 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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14 15 16 16 16 18 20 21 25 25 25 26 27 27 28 28 29 29 29 31 31 33 34 35 37 41 41 42 42 44 45 46 46 51 51 51 52 54 54 55 55 56

4. Introduccin a los procesos de mecanizado 4.1. Introduccin histrica . . . . . . . . . . . . . 4.2. Introduccin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3. Generacin de supercies . . . . . . . . . . . 4.4. Formacin de viruta . . . . . . . . . . . . . . 4.5. Geometra de corte . . . . . . . . . . . . . . . 4.5.1. Inuencia de los ngulos de corte en el 4.6. Fuerzas de corte . . . . . . . . . . . . . . . . 4.6.1. Energa especca de corte . . . . . . . 4.6.2. Fuerzas de friccin . . . . . . . . . . . 4.7. Temperaturas de corte . . . . . . . . . . . . . 4.8. Desgaste de herramientas . . . . . . . . . . . 4.9. Rugosidad supercial . . . . . . . . . . . . . . 4.10. Problemas de mecanizado . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . funcionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5. Procesos de conformado por deformacin plstica 5.1. Introduccin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2. Deformacin permanente en metales . . . . . . . . . 5.3. Curva del ensayo de traccin . . . . . . . . . . . . . 5.3.1. Modelizacin del material . . . . . . . . . . . 5.3.2. Punto de inestabilidad . . . . . . . . . . . . . 5.4. Trabajo de deformacin . . . . . . . . . . . . . . . . 5.5. Laminacin de chapa metlica . . . . . . . . . . . . . 5.6. Tecnologas de transformacin de chapa metlica . .

iii 5.7. Problemas de deformacin plstica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6. Proceso de conformado por 6.1. Introduccin . . . . . . . . 6.2. Metal fundido . . . . . . . 6.3. Tecnologas de moldeo . . 6.4. Colada . . . . . . . . . . . 6.5. Solidicacin . . . . . . . 6.6. Problemas de Fundicin . fundicin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 61 61 62 63 63 64 64 67 67 68 68 68 68 68 68 68 68 68 68 68 68 69 69 70 74 76 76 79

7. Procesos de unin 7.1. Introduccin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2. Clasicacin morfolgica de los procesos . . . . . . . . . 7.3. Soldadura por fusin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.3.1. Soldadura por arco . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.3.2. Soldaduras por rayos de alta densidad energtica 7.3.3. Soldadura termoqumica . . . . . . . . . . . . . . 7.4. Soldadura por presin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.4.1. Soldadura en fro . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.4.2. Soldadura por resistencia elctrica . . . . . . . . 7.5. Procesos basados en materiales de relleno . . . . . . . . 7.5.1. Soldadura blanda . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.5.2. Soldadura fuerte . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.5.3. Unin por adhesivos . . . . . . . . . . . . . . . . 8. Problemas 8.1. Problemas de metrologa . 8.2. Problemas de mecanizado 8.3. Problemas de deformacin 8.4. Fundicin . . . . . . . . . 8.5. Control Numrico . . . . . 9. Cuestiones de examen . . . . . . . . . . plstica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

iv

ndice general

Captulo 1

Morfologa de los Procesos de Fabricacin

1.1.

Aproximacin a la Ingeniera de Fabricacin

Uno de los hechos que ha diferenciado al hombre desde la Prehistoria, ha sido la capacidad de procesar o transformar los materiales que la naturaleza ha puesto a su disposicin, para la elaboracin de herramientas y tiles que le ayudaran a realizar ciertas funciones que no podra llevar a cabo directamente con su esfuerzo fsico, o le resultaban pesadas o costosas. Esta actividad del hombre de realizar tiles, mquinas, etc., recurriendo a su ingenio e inteligencia, tratando de cubrir las necesidades (primarias y secundarias) de los individuos o de la comunidad, lleva consigo la utilizacin de una gran cantidad de recursos tanto humanos como materiales. De la conjuncin de estos recursos depender la realizacin del producto nal, actividad que exige la realizacin de tres fases: Fase de informacin, en la cual se lleva a cabo la adquisicin de los conocimientos para la ejecucin de los mismos, mediante un trabajo de investigacin. Fase de diseo, que consiste en la concepcin del producto de acuerdo con los requerimientos exigidos. Fase de fabricacin, en que se efecta la transformacin de los materiales hasta obtener el producto terminado. 1

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Captulo 1. Morfologa de los Procesos de Fabricacin

En esta tercera fase es en la que se inserta la Ingeniera de Fabricacin, pero sin olvidar aquellos aspectos de las fases iniciales que en cierta forma tienen repercusin sobre la misma. Una posible denicin de Ingeniera de Fabricacin podra ser la siguiente: conjunto de conocimientos referentes a procesos de conformacin de los materiales; a las mquinas, tiles, instrumentos y sistemas de fabricacin utilizados; y a los controles y vericaciones necesarias para asegurar piezas y productos acordes con las normas y especicaciones establecidas, bajo criterios econmicos y de rentabilidad.

1.2.

Introduccin a la morfologa de procesos de fabricacin

Hay mucha variedad de procesos de fabricacin. Para seleccionar la mejor secuencia en la ruta de fabricacin se necesita tener un amplio y fundamental conocimiento de los procesos de fabricacin con sus posibilidades y limitaciones. El objetivo de este tema es ofrecer una visin coherente y global de la estructura en la que todos los procesos estn basados.

1.3.

Estructura bsica

El proceso se puede denir como el cambio en las propiedades de un objeto. Para ello interaccionan material con su informacin determinada, y la energa aplicada. En esta asignatura solo se van a tratar los procesos de material, lo que no implica una limitacin en los principios generales. Todo objeto material tiene materia y forma, que son los principios constitutivos del ente en la losofa clsica. En nuestro caso a la forma es informacin sobre el objeto, como propiedades geomtricas, fsicas, caractersticas de funcionamiento, etc. En la grca siguiente viene representado un esquema en el que se puede observar la forma en que interactan los distintos elementos. El material M1 tiene una informacin determinada, entre la que se incluye si est dividido o est todo en un solo bloque. Durante el proceso se le aplica una energa para transformarlo en M2 en donde parte de esta energa se pierde, y parte del material tambin puede perderse en forma de desecho Md . Adems de la informacin en el material de salida, tambin hay una informacin de control que en funcin de datos recogidos en el material de entrada y salida, en la energa aportada y desechada, tiene la facultad de variar los parmetros del proceso con el n de optimizar variables de coste, calidad y productividad.

1.4. Flujo de material

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E1 M1 Proceso Bsico E2Figura 1.1: Esquema bsico de un proceso de fabricacin.

M2

1.3.1.

Procesos bsicos

Para obtener un componente, el material de entrada suele sufrir varias transformaciones. Cada una de estas unidades simples de transformacin se le denomina proceso bsico. De todos los procesos bsicos de una cadena de transformacin, hay uno que es el principal, el ms crtico para los nes de la transformacin. A este proceso se le llama proceso bsico primario, el resto de procesos bsicos son secundarios, y su objetivo es preparar el material para el proceso bsico primario, o dar un acabado a la pieza despus del proceso bsico primario.

1.4.1.4.1.

Flujo de materialEstado del material

Los procesos bsicos se pueden clasicar segn el estado del material: Slido Granular Lquido Semislido

1.4.2.

Categora del proceso

Los procesos bsicos se pueden distinguir tres categoras: mecnicos, trmicos y qumicos. Segn el tipo de transformacin ocurrido en el material. La siguiente Tabla presenta los procesos bsicos ms frecuentes en cada una de estas categoras:

4 MECNICOS Deformacin plstica Fractura frgil Fractura dctil Flujo Deformacin elstica Mezcla Colocacin Transporte ...


TRMICOS Fundicin Solidicacin Condensacin Calentamiento Enfriamiento Evaporacin ...

QUMICOS Solucin/disolucin Combustin Endurecimiento Precipitacin Transformacin de fase Deposicin electroqumica Difusin ...

1.4.3.

Tipo de ujo

Segn el tipo de ujo, los procesos se pueden clasicar en: Flujo directos: La masa del objeto de entrada en el proceso es la misma que la del objeto de salida. Flujo divergente: La masa del objeto de entrada se divide en dos objetos, uno de los cuales puede ser el producto de desecho. Flujo convergente: El proceso une dos objetos diferentes para formar uno slo a la salida.

1.5.

Flujo de energa

Para el anlisis del ujo de energa en los procesos de fabricacin se van a estudiar por separado el ujo segn las distintas categoras, y las distintas fuentes de energa utilizadas para cada tipo de procesos. La primera distincin que se puede aplicar es que la energa se puede aplicar de modo directo o indirecto, en este ltimo caso hay un medio de transferencia que es el que acta realmente sobre la pieza, y que sirve de enlace entre la fuente de energa y la pieza correspondiente.

1.5.1.

Flujo de energa en procesos bsicos mecnicos

Dentro de las fuentes de energa se distinguirn entre las que son de tipo mecnico, las elctricas, y las qumicas, y trmicas: Fuente de energa mecnica para PB mecnicos Energa de masa (cintica y potencial) Presin en un medio Vaco Fuente de energa elctrica para PB mecnicos

1.5. Flujo de energa

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Descarga entre electrodos: onda de choque en medio uido Campos electromagnticos: induccin en conformado de tubos Efecto magnetoestrictivo: maquinado ultrasnico Efecto piezoelctrico: maquinado ultrasnico Fuente de energa qumica para PB mecnicos: Explosivos Detonacin Deagracin en pistn Fuente de energa trmica para PB mecnicos: Aprovecha la dilatacin o contraccin de materiales con la temperatura para producir esfuerzos mecnicos. Es muy frecuente usarlo la dilatacin de gases.

1.5.2.

Flujo de energa en procesos bsicos trmicos

La temperatura del material se puede elevar aportando la energa directamente al material o a travs de un medio de transferencia. Fuentes de calor de origen mecnico: Son los que proceden de la friccin entre supercies, principalmente. Fuentes de calor de origen elctrico: Conduccin elctrica: resistencia Induccin electromagntica: Corrientes parsitas. Descarga elctrica: arco o chispa Calentamiento dielctrico Haz de electrones LASER Antorcha de plasma Fuentes de calor basadas en la energa qumica: Se basan en reacciones exotrmicas, como la combustin de hidrocarburos, la reduccin de xidos,..

1.5.3.

Flujo de energa en procesos bsicos qumicos

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

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O1

A

E

O2Figura 1.2: Elementos en la impresin de informacin.

1.6.

Flujo de informacin

El trmino ujo de informacin cubre la impresin de forma geomtrica en el material de trabajo. En la gura 2 se denen los elementos que intervienen: la pieza de trabajo A, los elementos de transferencia O1 y O2 , y el mecanismo de impresin e informacin E. En muchos casos uno de los elementos de transferencia no transmite informacin geomtrica cumpliendo nicamente con la funcin de amarrar la pieza, mientras que el otro medio pasa a ser la Herramienta que s transforma la geometra. Habitualmente la geometra nal de la pieza se genera a partir de la geometra de la herramienta y del patrn de movimientos entre la herramienta y la pieza. Los principios bsicos de creacin de supercies se denen segn la cantidad de informacin nal de la pieza que posee la herramienta. De este modo se denen cuatro posibilidades: Conformacin libre: La herramienta O2 no contiene informacin geomtrica alguna de la pieza nal. La geometra nal se alcanza mediante principios internos de comportamiento de la pieza. Ej.: Torsin. Conformado bidimensional : El elemento de transferencia contiene un punto o un elemento de supercie de la geometra nal deseada. La integracin de todos elementos generados dar lugar a la geometra nal. Como es lgico, para generar una supercie bidimensional se requieren al menos dos movimientos relativos entre la herramienta y la pieza. Ej.: Torneado. Conformado unidimensional : El medio de transferencia contiene una generatriz de la supercie nal. Esta generatriz puede ser una lnea o una supercie a lo largo de una lnea. Para generar la supercie slo se requiere un movimiento relativo entre la herramienta y la pieza. Ej.: Extrusin.

1.6. Flujo de informacin

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Conformacin total : El medio de transferencia contiene toda la informacin geomtrica de la supercie nal, lo que signica que no se necesita ningn movimiento relativo. Ej.: Colada. El conocimiento de estos principios es muy til para idear nuevos procesos, o encontrar el proceso ms eciente para generar una supercie determinada.

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Captulo 2

Metrologa dimensional

2.1.

Introduccin histrica

Aunque actualmente los sistemas de unidades cubren todas las magnitudes conocidas de la Fsica, como temperatura, intensidad luminosa, presin, corriente elctrica y muchas ms, en otros tiempos las medidas se limitaban a cuatro bsicas: masa (que no se distingua del peso), volumen (para expresar los lquidos y ridos), longitud y supercie. Es por ello que la metrologa no se conoca como tal, y los conocimientos y tcnicas de medida se englobaban dentro de la denominacin de pesas y medidas. Dentro de un sistema de pesas y medidas es esencial el mximo grado de uniformidad posible. Al mismo tiempo, es imprescindible ponerse de acuerdo sobre la denominacin que se aplica a cada cantidad de referencia. Los sistemas de unidades primitivos resolvieron todo ello introduciendo las unidades como cantidades concretas de referencia que materializaron como prototipos o patrones que se custodiaban y diseminaban cuidadosamente. Muchos de estos patrones primitivos tuvieron un origen antropomrco, relacionndolos con dimensiones o capacidades de personas egregias. En Mesopotamia, se emplearon sistemas sexagesimales y decimales, con una gran coherencia entre los mltiplos y submltiplos de las unidades. Quiz el registro ms antiguo de una unidad de longitud es el de la regla graduada existente en una estatua del Louvre que data del 2130 a.C. La balanza de doble platillo para la medida de masas era un instrumento bien conocido por egipcios y sumerios dos milenios antes de nuestra era. Quiz la balanza ms antigua de la que se posee constancia es la encontrada en una tumba de Naqada (Egipto) que data del 4500 a.C. Dos mil aos antes del cristianismo, en Mesopotamia y Egipto se determinaba el tiempo mediante el gnomon, una varilla que situada perpendicularmente al suelo permita deducir la 9

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Captulo 2. Metrologa dimensional

hora en funcin de la longitud y posicin de su sombra. Posteriormente estas dos culturas utilizaron los relojes de agua, empleados en Europa hasta el siglo XVII. Durante el periodo que se extiende desde el siglo V a.C. hasta el siglo III d.C. (culturas griega y romana) la metrologa continu aportando a la sociedad los controles o parmetros precisos para regular numerosas funciones de la vida cotidiana, pero no para contribuir a un incremento del conocimiento cientco. En relacin con la comparacin de masas, los romanos llevaron a cabo el perfeccionamiento de la balanza. A ellos se les atribuye la balanza de taras mviles y brazos desiguales que slo posea un platillo para la mercanca a pesar, aunque parece que ya era conocida en Egipto y Mesopotamia hacia el ao 1300 a.C. En cuanto a las medidas del tiempo, utilizaron la clepsidra (reloj de agua) con un sistema de regulacin automtica. Desde el siglo III, en el que se acentu el declive del imperio romano, hasta el siglo XI, el desorden imperante en Europa no propici el desarrollo racional de los sistemas de pesas y medidas. A las unidades romanas se aadieron otras de los invasores nrdicos, alcanzndose tal diversidad que resultaba frecuente encontrar unidades especcas, sin relacin entre ellas. A partir del siglo XI, coincidiendo con el punto mximo de la inuencia islmica, se inicia en Europa una etapa de cierto progreso tcnico que se mantiene durante toda la Baja Edad Media y que prepara el camino para la revolucin cientca que comienza con el Renacimiento. En el aspecto instrumental, durante la Edad Media las aportaciones ms signicativas se producen sobre aparatos relacionados con la navegacin y astronoma, varios de ellos desarrollados o introducidos en Espaa por los rabes. As cabe destacar el astrolabio plano, probablemente inventado en Alejandra, y muy utilizado por los navegantes rabes para determinar la latitud. Los rabes desarrollaron importantes estudios sobre el peso y densidad de los cuerpos y perfeccionaron la balanza hidrosttica. Las exigencias de piezas ms precisas en la fabricacin mecnica, la navegacin astronmica y, en menor medida, las necesidades de la alquimia y del comercio, determinan un desarrollo importante de los instrumentos de medida de longitud, tiempo y masa a partir del siglo XVI. La aparicin de municiones de metal en las postrimeras del siglo XV hace surgir la nocin de calibre, lo que permite fabricar municin de reserva. El primer instrumento para medidas precisas de longitud es el micrmetro. El fundamento de este instrumento se piensa que fue descubierto en 1637 por Willian Gascoigne, astrnomo ingls. James Watt utiliz para la fabricacin de su mquina de vapor un micrmetro construido por l mismo. La primera patente de un micrmetro bsicamente semejante a los actuales fue desarrollada por el francs Jean Laurent Palmer, en 1848. Con el gran desarrollo de los mtodos de fabricacin que se fue produciendo a partir de la Revolucin Industrial, se hizo necesario asegurar con mayor exigencia las medidas de las magnitudes caractersticas de los productos industriales. Al mismo tiempo, el impresionante avance de la ciencia y de la tcnica durante los siglos XIX y XX determin una creciente demanda de nuevos y mejores mtodos de medida. Los antiguos sistemas de pesas y medidas evolucionaron con posterioridad a la

2.2. Introduccin

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Revolucin Industrial hacia sistemas de unidades, tal y como se conocen hoy en da, segn dos modelos que se distinguen histricamente: los sistemas evolutivos, como el Imperial Britnico, que creci ms o menos fortuitamente debido a su uso, y los sistemas planicados, tales como el actual Sistema Internacional (SI), que es de uso general por la comunidad cientca internacional y la mayor parte de las naciones. La especializacin del trabajo y la demanda de mayores series de productos iguales impusieron la necesidad de la intercambiabilidad. Esta intercambiabilidad no se alcanz hasta el presente siglo con la introduccin de las tolerancias en la especicacin de los componentes de cierta responsabilidad. Los primeros antecedentes de la intercambiabilidad a escala industrial se encuentran en los astilleros (Venecia, s. XV) y en los orgenes de la fabricacin de armas de fuego. En el congreso de Praga (1928), Francia propuso la adopcin de un sistema internacional para la denicin de tolerancias. Nace el sistema ISA (International Federation of the National Standardizing Association), que en 1947 fue sustituido por la normativa ISO de la recin constituida International Organization for Standarization (1946).

2.2.

Introduccin

El objetivo del tema es un mejor manejo de la informacin de control geomtrico de los procesos mediante la medicin. De los procesos de medicin depende: Depende la capacidad de hacer ajustes. Posibilita la divisin del trabajo. Cumplir especicaciones de producto, y la mejora contnua de la Calidad. Este tema ocupa el primer lugar del temario por su carcter de nalidad dentro de la Ingeniera de Fabricacin pues se fabrica para satisfacer al cliente en calidad, precio y plazo.

2.3.

Plan de Calibracin

La informacin geomtrica de una pieza viene dada por una serie de datos numricos ordenados. Para que la pieza cumpla bien su funcin se requiere que todas las dimensiones tengan un rango de valores fuera de los cuales no se puede asegurar que la pieza cumpla su misin. Este rango se le suele denominar tolerancia de diseo. Cuando se fabrica una pieza, antes de ponerla en servicio o de venderla se procede a la medicin de cotas para comprobar que las dimensiones estn dentro de las tolerancias permitidas en el diseo. Esta comprobacin se realiza mediante un instrumento de medida. El instrumento de medida debe estar calibrado de forma adecuada para que la medida sea correcta. Si el proveedor y el cliente han quedado en unas dimensiones concretas, ambos hablarn el mismo lenguaje y sus medidas deben ser equivalentes.

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El punto de referencia comn es el patrn mediante el cual se han calibrado sus respectivos instrumentos de medida.

2.3.1.

Deniciones

Patrones: Son aquellos objetos o instrumentos que permiten materializar y reproducir las unidades de medida o los mltiplos y submltiplos de ellas. Trazabilidad metrolgica: La propiedad del resultado de una medicin o de un patrn por la que se puede relacionar con referencias determinadas, generalmente a patrones nacionales o internacionales, por medio de una cadena ininterrumpida de comparaciones teniendo todas las incertidumbres determinadas. Diseminacin de unidades: Proceso que, en sucesivos escalones, tiene por objeto facilitar a empresas y organismos a partir de patrones primarios u otros aceptados como tales, patrones de nivel de precisin inferior. Mediante un plan de calibracin adecuado se puede tener controlado el grado de precisin de un instrumento. Esta cadena incluye los siguientes patrones: Patrn Nacional. Es el patrn primario por encima del cual no hay ninguno. Patrn Nacional de referencia. Se usa para preservar el primario de posibles contingencias. Patrones de Calibracin. Realizan la diseminacin y abastecen a distintos sectores Patrones de Transferencia. Son mviles y establecen el enlace con los laboratorios locales. Patrones de Calibracin de Laboratorio. Abastecen a una zona. Patrones Industriales. Cada taller tiene los suyos. Con ellos se calibran los instrumentos que realizan directamente la medida.

2.4.

Cualidades de un instrumento de medida

A continuacin se expone un extracto del vocabulario usado en metrologa, relativo al instrumento de medida: Campo de medida: Intervalo de valores que puede tomar la magnitud a medir con un instrumento de manera que el error de medida, operando dentro de las condiciones de empleo, sea inferior al mximo especicado para el instrumento. Un aparato puede tener varios campos de medida. Alcance: Valor mximo del campo de medida. Escala: Conjunto ordenado de signos en el dispositivo indicador que representan valores de la magnitud medida.

2.4. Cualidades de un instrumento de medida

13

Divisin de escala: Intervalo entre dos valores sucesivos de la escala. Hay instrumentos de divisin constante y de divisin variable Sensibilidad : Se expresa por el cociente entre el incremento observado de la variable (en el lugar de apreciacin) y el incremento correspondiente de la magnitud medida. Est relacionado con el sistema de amplicacin usado para apreciar las diferencias de magnitud. Precisin: Cualidad que caracteriza la aptitud de un instrumento para dar indicaciones prximas al valor verdadero de la magnitud medida, teniendo en cuenta tanto los errores sistemticos como los aleatorios. Incertidumbre: Ha sido prctica usual llamar precisin a la expresin cualitativa de los errores de medida. La tendencia moderna es emplear incertidumbre para la expresin cuantitativa. Repetitibilidad : Grado de concordancia entre los resultados de mediciones sucesivas de la misma magnitud, obtenidos con el mismo mtodo, por el mismo observador, con los mismos instrumentos de medida, en el mismo laboratorio y a intervalos de tiempo sucientemente cortos. Reproducibilidad : Grado de concordancia entre los resultados de mediciones sucesivas de la misma magnitud y con el mismo mtodo, pero en condiciones diferentes; por ejemplo, con diferentes instrumentos de medida, por diferentes observadores, en diferentes laboratorios, a intervalos de tiempo sucientemente grandes comparados con la duracin de un medicin, en diferentes condiciones de empleo de los instrumentos de medida, etc. Dispersin: Grado de separacin o diseminacin que presentan las observaciones o medidas de una serie. Normalmente se estima en por el valor mximo absoluto de las desviaciones de dicha serie. Reversibilidad : Diferencia de indicaciones de un instrumento de medida cuando se mide el mismo valor de la magnitud, bien creciendo o bien decreciendo sta. Fiabilidad : Facultad de un elemento, servicio o proceso para realizar una funcin requerida bajo condiciones establecidas. Sesgo o exactitud : Proximidad del valor medio estimado por un instrumento tras unas serie de medidas, al valor verdadero o preestablecido, realizadas sobre el mismo patrn, por el mismo operador y en el mismo lugar Ejemplo de clculo: Un instrumento para medida de longitudes entre 25 y 50 mm, tiene una escala en la que cada trazo representa 0.01 mm y se encuentra dibujado a una distancia de 2 mm del trazo contiguo. Se toman 20 medidas sobre un bloque patrn de 30 mm y se obtiene un valor medio de 30.03 mm. Campo de medida= 50 - 25 = 25 mm Alcance= 50 mm Divisin de escala= 0.01 mm Sensibilidad = 2/0.01= 200 Sesgo: 0.03 mm Todos los instrumentos de medida deben estar sometidos a un plan de calibracin, que garantice la trazabilidad de sus medidas. En un laboratorio de metrologa debe haber un diagrama de niveles en el que estn incluidos todos sus instrumentos de medida. En este diagrama habra un nivel de referencia en el que estaran los instrumentos calibrados en laboratorios externos y son lo que calibran a algunos instrumentos de niveles inferiores. Todos

14


Tol. de diseo U U

Tol. fabr.Figura 2.1: Tolerancia de fabricacin los instrumentos del laboratorio deben ser trazables con ese nivel de referencia. Los instrumentos del ltimo nivel son aquellos que son calibrados pero que no calibran ningn otro instrumento. Todos los instrumentos deben poseer: Posicin dentro del diagrama de niveles Fichero de instrucciones Archivo de datos. Histrico de todas sus calibraciones Etiquetas de calibracin Carta de trazabilidad.

2.5.

Relacin entre tolerancia, incertidumbre y divisin de escala

En el control de una cota con su tolerancia, se ha de utilizar un instrumento capaz de comprobarla. Como no hay instrumento absolutamente preciso, se establece un intervalo de control para determinar si una pieza cumple la especicacin. El ancho de este intervalo suele ser la tolerancia de diseo menos dos veces la incertidumbre de la medicin, segn la gura 2.1 Se recomienda que la relacin entre la tolerancia de diseo y la incertidumbre del instrumento de medida con el que se compruebe guarde cierta relacin: 3< T < 10 2U (2.1)

Razones tcnicas por la derecha ya que se correra un alto riesgo de rechazar piezas vlidas. Razones econmicas por la izquierda, ya que el coste del instrumento de medida crece exponencialmente con la precisin del mismo. Este criterio tambin sirve al diseador que debe establecer cotas e ndices de calidad que sean realmente comprobables.

2.6. Errores en la medicin

15

Por otra parte la divisin de escala del instrumento de medida debe guardar cierta relacin con la divisin de escala del mismo: U Si E < 0,5 Medida sencilla, muy repetitiva en la que es imposible tomar una medida fuera distinta de la dimensin real de la pieza. U Si 1 E < 8 Medida de precisin. Se requiere tomar varias medidas, ya que se puede tener informacin de la medida real a partir de los distintos valores tomados. U Si E > 10 Divisin de escala muy desarrollada. A la medida tomada le sobra al menos un dgito.

2.6.

Errores en la medicin

Una medicin no indica la magnitud exacta de una dimensin debido a imprecisiones tanto en la pieza a medir como en el instrumento de medida. Sobre la precisin de fabricacin de componentes mecnicos se suelen aplicar los principios de Causalidad y de Imperfeccin. El primero establece que todo error tiene una causa y que las mismas causas producen los mismos errores. Si las causas son conocidas, stas producen una desviacin que es por lo tanto corregible, por lo tanto, para eliminar los errores dimensionales o geomtricos en procesos de mecanizado se necesita avanzar en el conocimiento (si es posible cuantitativo) de los factores que inuyen en el proceso y las causas que han podido dar lugar a estos errores. El Principio de Imperfeccin establece que ningn fenmeno o sistema es totalmente perfecto ni perfectamente conocido. Esto se traduce que siempre se podr mejorar en los mtodos de resolucin de problemas de precisin en procesos de mecanizado con el n de obtener mejores prestaciones de los componentes fabricados. Los errores corregibles se denominan errores sistemticos o sesgos, el resto de errores son los aleatorios, sobre los cuales no se pueden tener ningn control. Por un lado, la dimensin a comprobar en la medicin no es entre dos puntos, sino entre dos planos, dos lneas, . . . los cuales implican un error geomtrico. De aqu que las medidas entre puntos de esas dos entidades sean entre puntos cuya distancia es una variable aleatoria con una distribucin estadstica desconocida con una media y una varianza. Por otro lado se han de aadir los errores propios del instrumento de medida el cual habr sido previamente sometido a un proceso de calibracin que proporciona su exactitud y su incertidumbre global. Estudiando conjuntamente los dos errores y suponiendo que las medidas siguen una distribucin normal N (, ), si te toman n medidas un estimador del valor real y su desviacin tpica ser: xi n (2.2) 2 (xi x) 2 2 s = n1 Como es lgico x tambin ser una distribucin estadstica normal N (, n ), pero lo que interesa saber es la informacin que x nos ofrece sobre el valor real x=

16


de la dimensin . Para ello existe una distribucin t-Student para determinar un intervalo de valores (intervalo de seguridad) entre los que se encuentra el valor real con una probabilidad 1 (nivel de conanza). As queda: s s Pr x t < < x t n n =1 (2.3)

El valor de t se puede obtener mediante tablas en funcin de los grados de libertad n 1 y el nivel de conanza 1 . Esta sera la forma de obtener la incertidumbre de una medicin para un determinado nivel de conanza. Sin embargo, la distribucin no suele ser Normal, y el valor medio del muestreo tampoco es una Normal alrededor del valor real, pues el instrumento de medida tiene en s un sesgo. Los sistemas de medicin industriales han establecido otros procedimientos para determinar las incertidumbres de las medidas.

2.7.

Medidas indirectas

Para estimar el valor real de una medida en relacin al patrn internacional correspondiente, se tiene que los errores de comparacin se van propagando en cada una de las calibraciones. Lo que interesa al medidor es garantizar que el valor real est en un intervalo de seguridad (dado por el valor medio y la incertidumbre) con un nivel de conanza adecuado (dado por el factor de cobertura K de la incertidumbre).

2.7.1.

Ley de propagacin de varianzas

Cuando una variable aleatoria y depende de otras variables aleatorias xi independientes unas de otras, suponiendo que todas siguen una ley de distribucin Normal, se puede estimar la varianza de y determinando la media cuadrtica de los errores debidos a cada una de las variables xi : u2 = y y x12 x1

u2 + + x1

y xn

2

u2 xnxn

(2.4)

Cuando alguna variable xi es discreta (obtenida por muestreo) su varianza uxi y se estimar por si , y xi por 1 i . n Este es el medio ms usual para obtener la incertidumbre de las medidas a partir de la propagacin de errores en la cadena de calibracin.

2.7.2.

Calibracin de un instrumento de medida

Calibrar un sistema medidor es hallar la desviacin sistemtica o correccin y la dispersin o incertidumbre del medidor al compararlo con un patrn de mayor precisin previamente calibrado.

2.7. Medidas indirectas

17

En el proceso de calibracin se realizan nc medidas sobre un bloque patrn obteniendo un valor medio Xc y un estimador de la desviacin tpica sc . El sesgo o error sistemtico del instrumento Xc = X0 Xc . Siendo X0 la medida nominal del bloque patrn. La incertidumbre de la medida ser calculada a partir de la incertidumbre asociada al bloque patrn U0 y aplicando la ley de propagacin de varianzas: U K2

=

U0 K0

2

+ s2 c

1 1 + nc n

(2.5)

Como se puede observar, la incertidumbre de la medida es mayor que la del patrn. Para obtener mayor precisin se requiere valores bajos de sc y altos de nc . Y cuanto mayor sea el nmero de medidas n menor ser la incertidumbre. Para simplicar el procedimiento se suele proceder a establecer la incertidumbre global del instrumento de medida para todo el campo de medida de ste. Para ello el sistema de calibracin industrial (SCI) ha establecido el siguiente procedimiento: 1. Se escogen bloques patrn cuyas medidas van a representar el campo de medida del instrumento. Cada uno de estos bloques patrn tendr una medida x0 y una varianza u0 2. Se establece el nmero de medidas calibradoras que se van a realizar sobre cada bloque patrn nc . 3. Despus de realizar las nc medidas sobre cada bloque se obtienen valores medios xci y las desviaciones tpicas sci de las medidas realizadas. 4. Mediante un criterio de control (por ejemplo el de Chauvenet) se comprueban que las medidas realizadas pertenecen a la misma distribucin estadstica. 5. A partir de las desviaciones parciales en cada bloque patrn Xci = X0 xci se obtiene el sesgo global del instrumento Xc = (Xci )/n 6. La incertidumbre local en la medida de cada bloque patrn ser calculada a partir de la varianza. Es decir: u2 = u2 + i 0 s2 ci nc (2.6) (2.7)

Ui = K ui

7. Para hallar la incertidumbre se calcula primero la desviacin de la media en cada bloque patrn i = Xc Xci . La incertidumbre global del instrumento ser:2 U 2 = mx{i + Ui2 }

(2.8)

18


L a r

H2 H1

Figura 2.2: Regla de Senos para medir ngulo Las cualidades del instrumento en cuanto a la precisin quedarn representados por el sesgo Xc y la incertidumbre U indicando el factor de cobertura utilizado K entre parntesis. El criterio de Chauvenet, sealado en el punto 4 del procedimiento, consiste en rechazar las medidas (y por lo tanto volverlas a tomar) que se desven de la media ms de una relacin con el estimador de desviacin tpica. Ej.: Para una calibracin realizada con nc = 10 una vez calculada la media xc y la desviacin tpica sc , se rechazarn todos los valores xi que cumplan | xi xc |> Kn sc siendo Kn un valor tabulado que toma un valor de Kn = 1,96 para nc = 10.

2.7.3.

Mtodos de medida indirecta ms usuales

Se exponen a continuacin algunos mtodos para la determinacin de ngulos y radios de modo indirecto. Regla de senos H1 + d 1 H 2 d 2 L

sen = Conicidad exterior

(2.9)

tg(/2) =

M1 M2 2(L1 + r1 L2 r2 )

(2.10)

2.7. Medidas indirectas

19

M

r L

Figura 2.3: Mtodo para medir conicidad exterior

H1

r1

H2

r2

Figura 2.4: Mtodo para medir conicidad interior

20


c

b RFigura 2.5: Funcionamiento de la sonda de rodillos jos Conicidad interior sen Sonda de rodillos jos b2 2rb + (c/2)2 b (2.12) r2 r1 = 2 H1 + r1 H2 r2 (2.11)

R=

2.8.

Rugosidad supercial

La rugosidad de una supercie se suele obtener mediante un rugosmetro que explora dicha supercie y obtiene un perl de la supercie z(x) siendo x la dimensin de la longitud explorada. A partir de este perl se denen los siguientes parmetros que caracterizan la rugosidad supercial. Longitud de exploracin, L: Es la longitud del perl geomtrico explorado por el rugosmetro. Longitud bsica, l: Es la longitud del perl geomtrico elegida para evaluar la rugosidad. Suele coincidir con la longitud de exploracin. Lnea media de perl: Situada a una cota z0 es el valor medio de la funcin z a lo largo de la longitud bsica l. Es la lnea que divide al perl efectivo, de manera que entre los lmites de la longitud bsica, la suma de las reas

2.9. Problemas de metrologa

21

encerradas por encima de esta lnea y el perl efectivo, es igual a la suma de las reas encerradas por debajo de sta lnea y el citado perl, a nuestra lnea de referencia. Se calcula de la siguiente forma: z0 = 1 ll

z(x)dx0

(2.13)

Rugosidad media, Ra : Es la media de la desviacin del perl respecto a la lnea media z0 . Su clculo matemtico sera: Ra = 1 ll 0

|z(x) z0 | dx

(2.14)

Rugosidad total o mxima, Rt : Es la desviacin mxima entre pico y valle. Rt = zmax zmin (2.15)

Desviacin tpica, Rs : Es la raz cuadrada de la media de los cuadrados de la desviacin del perl respecto de su media. Rs = 1 ll 0

(z(x) z0 ) dx

2

(2.16)

Para caracterizar la rugosidad supercial se usar Rt , Ra , o Rs dependiendo del n para el cual se est caracterizando. El ms sencillo de calcular es Rt , pues no requiere el empleo de ningn clculo especial. El ms usado es Ra pues su medida es mucho ms repetitiva que la de la rugosidad total, y es el parmetro cuya representacin est normalizada. La desviacin tpica de alturas Rs es un valor ms repetitivo que el valor de Ra , pero su clculo no ha sido posible hasta la aparicin de rugosmetros con salida digital, por lo que no est todava muy extendido. En los estudios de mecnica de contacto se suele caracterizar la supercie por Rs .

2.9.

Problemas de metrologa

1. Para calibrar un instrumento de medida en un punto de su escala, se emplea un patrn de 30 mm e incertidumbre U0 = 0,4 mm (K0 = 3) obtenindose los valores siguientes: 30.001, 29.992, 29.993, 29.999, 29.996, 30.001, 29.995, 29.997, 30.002, 29.994. Una vez calibrado el instrumento se mide una pieza tres veces obtenindose las medidas: 29.998, 30.001, 30.004. Se pide medida e incertidumbre de la pieza. R: 30,004 0,011 mm (K=3)

22


2. Un taller va a mecanizar el exterior de un eje cilndrico con dimensiones especicadas 2R = 50 0,025 mm. En la fase de preparacin se mecaniza una pieza y se comprueba un radio situando sta sobre un mrmol y aproximndole dos varillas calibradas por ambos lados, tomando la cota M entre las partes externas de los rodillos. Los rodillos tienen un radio de 10 mm con incertidumbre de 2 m con K = 2, y el aparato de medida tiene una incertidumbre de 3 m con K = 2. La cota M da un valor de 83.858 mm. Calcular el radio de la pieza fabricada e incertidumbre del procedimiento.

R

r

MR: D = 50,973 0,0214 mm (K=2) 3. Calcular la conicidad del cono de la gura cuando M1 = 100, r = 8, y L1 = 20. Si se toma otra medida con L2 = 10, resulta que M2 = 75. (Las unidades vienen en mm) Si adems se sabe que la incertidumbre de L es UL = 0,006 + 0,001 L (con KL = 2), y que UM = 0,02 (con KM = 2). Determinar la incertidumbre de la medida de la conicidad para un K = 3.M

r L

4. Se pretende medir un ngulo mediante una regla de senos y bloques patrn, tal como se muestra en la gura. Los datos numricos son los siguientes: L = 50; r = 10; H1 = 20; H2 = 42. Las incertidumbres son: Ur = 0,01; UH1 = 0,005; y UH2 = 0,007, todas con K = 2. Calcular y su incertidumbre en grados sexagesimales. Todas las magnitudes longitudinales vienen en mm

2.9. Problemas de metrologa

23

L a r

H2 H1

R: = 0,45559 0,001959 rad (K=2) 5. En la medida de una conicidad interior se han utilizado una sonda de profundidad y dos esferas calibradas tal como se indica en la gura. Si la incertidumbre del instrumento de medida es de UH = 0,01 y las de las esferas son UR = 0,007 R calcular la conicidad y su incertidumbre en grados. Todas las unidades vienen en mm. Todas las incertidumbres se calculan con K = 2

H1

r1

H2

r2

R: = 11,46 0,373 (K=2)

24


Captulo 3

Introduccin a la Ingeniera de Calidad

3.1.

Introduccin

Antes de entrar un producto en el mercado en el mercado, o transferir los componentes para su montaje, los productos son inspeccionados en algunas de sus caractersticas. Esta inspeccin tiene especial importancia para asegurar que las partes van a ajustar adecuadamente durante el montaje, y para identicar productos cuya mala calidad puede acarrear serios daos en la seguridad del trabajador, en la economa de la empresa u otra fatalidad cualquiera. Ejemplos tpicos son la fractura de cables, de frenos, de labes de turbinas, etc. En este captulo se describen algunos mtodos sencillos muy usados para inspeccionar los productos fabricados.

3.2.

Calidad del producto

Usamos trminos como calidad pobre o alta calidad para describir in producto particular, cierto almacn, . . . . Qu es la calidad? Aunque la podemos reconocer en algunos productos, tcnicamente es muy difcil de establecer con precisin. Calidad se puede denir por: La adecuacin de un producto para su uso La totalidad de caractersticas que determinan sobre la capacidad de un producto para satisfacer una necesidad determinada. Ms recientemente , algunas 25

26

Captulo 3. Introduccin a la Ingeniera de Calidad

dimensiones de la calidad han sido identicadas, incluidas las prestaciones del producto, dimensiones, durabilidad, abilidad, esttica, y calidad percibida. La calidad tiene factores que se pueden denir tcnicamente, pero tambin depende de opiniones subjetivas. Normalmente, todas las mejoras en la planicacin de la fabricacin as como en su automatizacin se deben llevar a cabo sin una perdida de la calidad del producto. Al contrario de lo que la gente suele creer, un aumento de calidad puede resultar actualmente en una reduccin de coste del producto considerando que la calidad pobre trae consigo: Coste por insatisfaccin del cliente, que puede hacer que se pierda Aumenta las dicultades en el montaje y en el mantenimiento de los componentes Aumenta el nmero de reparaciones en campo.

3.3.

Aseguramiento de la Calidad

El Aseguramiento de Calidad se puede denir como todas las acciones necesarias para garantizar que se cumplirn todos los requisitos de calidad. Es el esfuerzo total que un fabricante hace para garantizar que su producto es conforme a un conjunto detallado de especicaciones y normas. Mientras que Control de Calidad es el conjunto de tcnicas operacionales usadas para cumplir las requisitos de calidad. Para realizar un control de calidad se requiere: Medir cuantitativamente el nivel de calidad Identicar todos los materiales y las variables del proceso que pueden ser controladas El aumento de la competencia global ha hecho que el aseguramiento de la calidad sea cada vez ms importante. La calidad abarca ahora todas las fases del ciclo del producto (diseo, produccin, montaje, venta, servicio post-venta,. . . ). El aseguramiento de la calidad requiere evaluar tanto el producto como la satisfaccin del cliente. La suma de todas las actividades se denomina Total Quality Management (TQM). Conceptos relacionados con el TQM son: Prevencin de defectos en lugar de deteccin de defectos Mejora continua de las operaciones mediante el liderazgo y trabajo en equipo Control sobre los procesos y no sobre las partes producidas. Crculos de calidad. Que consisten en reuniones frecuentes de grupos de trabajadores con el objeto de mejorar y mantener al calidad del producto en todos los pasos de proceso de fabricacin

3.4. Ingeniera de calidad como losofa

27

3.4.

Ingeniera de calidad como losofa

Algunos expertos en control de calidad han descrito su propio concepto de calidad estableciendo como unos primeros principios de los cuales derivan todas las elaboraciones prcticas que presentan sus sistemas de calidad. Entre estos expertos cabe destacar Deming, Juran y Taguchi por el impacto que han tenido y siguen teniendo en la industria actual.

3.4.1.

Mtodos de Deming

W.E.Deming (1900-1993) es famoso por las conferencias que imparti a empresarios japoneses despus de la 2da guerra mundial, y a l se atribuye el despegue industrial de Japn. Posteriormente es recordado por sus 14 puntos por los cuales identica a la fbrica que produce productos de alta cualidad. 1. Crear un ambiente de constancia en el propsito de mejorar la calidad de los productos y servicios 2. Adoptar la nueva losofa 3. Dejar de depender de la inspeccin en masa para conseguir la calidad 4. Acabar con la prctica de premiar a la empresa sobre la base del ndice de precios 5. Mejorar constantemente y siempre el sistema de produccin y servicio, para mejorar la calidad y la productividad, y as disminuir constantemente el coste 6. Instituir el entrenamiento en el trabajo 7. Instituir el liderazgo (en lugar de la supervisin) 8. Desterrar el miedo para que todos puedan trabajar efectivamente 9. Romper las barreras entre departamentos 10. Eliminar slogans, exhortaciones, y objetivos para el cero defectos y los nuevos niveles de productividad 11. Eliminar las cuotas de produccin y la direccin por nmeros, objetivos numricos. Sustituir por el liderazgo 12. Quitar obstculos que roben al trabajador el orgullo de tener una habilidad 13. Instituir un programa riguroso de educacin y automejora 14. Poner a trabajar a todos los miembros de la compaa en realizar esta transformacin

28


3.4.2.

Juran Methods

J.M. Juran (1904- ) resalta las siguientes ideas: Reconocer la calidad en todos los niveles de una organizacin, incluida la alta direccin Fomentar una cultura corporativa de responsabilidad Entrenar a todo el personal en planicar, controlar y mejorar la calidad Su libro Manual de Control de Calidad en dos tomos es ampliamente utilizado en la industria y ha sido la base para el establecimiento de la normas de calidad ISO 9000.

3.4.3.

Taguchi Methods

G.Taguchi (1924- ) resalta la importancia de : Reforzar la interaccin entre equipos multidisciplinares, sobre todo entre los ingenieros de diseo y los ingenieros de fabricacin Implementacin de un diseo experimental en los que los factores involucrados en un proceso o operacin y sus interacciones son estudiadas simultneamente. Esto se realiza mediante un anlisis factorial y con el uso de vectores ortogonales, de forma similar a como lo hace el Diseo de Experimentos. Entre los conceptos aportados por Taguchi se encuentran a robustez y la funcin de prdida de calidad. Robustez Un diseo, proceso, o sistema es robusto si contina funcionando dentro de unos parmetros aceptables a pesar de la variabilidad del ambiente (variables impredecibles). Funcin de Prdida de Taguchi Se dene prdida de calidad como la prdida nanciera de la compaa despus de que un producto es rechazado. Dentro de estas prdidas se incluye: La mala calidad lleva a la insatisfaccin del cliente Costes de reparaciones y servicios de los productos defectuosos, algunos en el campo Disminuye la credibilidad del fabricante en el mercado El fabricante pierde la fraccin del mercado, al menos eventualmente.

3.5. Normalizacin

29

En la contabilidad tradicional, una pieza es defectuosa y por lo tanto incurre en una prdida econmica si est fuera de tolerancia de diseo, si no, no hay prdida para la compaa. Sin embargo, para Taguchi, la desviacin respecto al objetivo de diseo ya constituye un prdida de calidad por insatisfaccin del cliente. Si Y es el valor medio de la fabricacin, T es el valor objetivo de diseo, s es la desviacin tpica, la funcin de prdida se puede representar como una parbola con vrtice en la funcin objetivo y 0 perdida de calidad, y en sus extremos (en el Lmite de Control Inferior (LCI) y en el Limite de Control Superior )LCS)) de tolerancia de diseo adquiere el valor de sustitucin de una pieza: Coste de prdida = k (Y T )2 + s2 con lo que la constante k de la parbola tiene un valor de: k= Coste de sustitucin (LCI T )2 (3.2) (3.1)

3.5.

Normalizacin

Las caractersticas del mercado global han creado la necesidad de establecer una homogeneidad internacional mediante consenso de unos mtodos para el establecimiento de la calidad, abilidad y seguridad de los productos.

3.6.

Normativa de la ISO 9000ISO 9001 Modelo de aseguramiento de la calidad en el diseo, produccin, instalacin y servicio ISO 9002 Modelo para el aseguramiento de la calidad en la produccin y en la instalacin ISO 9003 Modelo para el aseguramiento de la calidad en la inspeccin nal y en los ensayos ISO 9004 Gestin de la Calidad y elementos de un sistema de calidad: Lneas de actuacin

La serie ISO 9000 incluye las siguientes normas:

3.7.

Normativa ISO 14000

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

30


Las actividades que regula esta norma abarcan desde la produccin hasta la retirada de servicio del producto, e incluye los efectos sobre el entorno que producen estas actividades como son la polucin, la generacin de desechos y su disposicin, ruido, impacto sobre los ecosistemas y los recursos naturales, y el uso de la energa.

Captulo 4

Introduccin a los procesos de mecanizado

4.1.

Introduccin histrica

Las tcnicas de corte de metales han sufrido una notable evolucin hasta llegar a las mquinas herramienta de control numrico de nuestros das, que son capaces de llevar a cabo operaciones de corte complicadas mediante la ejecucin de un programa. El desarrollo de estos procesos ha venido marcado por factores tales como la obtencin de mecanismos capaces de articular el movimiento de corte, la aparicin de mquinas de generacin de energa como la mquina de vapor, la implantacin de tcnicas de control numrico y la investigacin acerca de nuevos materiales para herramientas. El empleo de los procesos de arranque de material para la fabricacin de componentes se remonta a la Prehistoria. Los primeros materiales que fueron conformados por arranque de material fueron la piedra y la madera. Existen evidencias arqueolgicas de que los egipcios emplearon mecanismos rotatorios formados por palos y cuerdas para realizar taladros. Posteriormente se trataron de aplicar los procesos que se haban desarrollado para el corte de materiales como la madera, para la conformacin de piezas metlicas. Una de las primeras mquinas para el corte de metales es el torno de prtiga, que se invent alrededor de 1250. A principios del siglo XV se dise un torno con transmisin por correa y accionamiento mediante una manivela. Durante esta poca se produjeron avances como el diseo de un torno para roscar por Leonardo da Vinci, la construccin de una mquina cepilladora en 1550 por Marx Lobsinger, la introduccin del contrapunto 31

32

Captulo 4. Introduccin a los procesos de mecanizado

en el torno, el apoyo de la herramienta y el mandril alrededor de 1568 y el diseo de un torno con carro porta-herramientas conocido como torno de Vaucason en 1760. Algunos autores consideran que la primera mquina herramienta fue la mandrinadora de John Wilkinson, construida alrededor de 1774. La energa consumida por esta mquina perforadora era suministrada por medio de un accionamiento hidrulico y sin ella no habra sido posible fabricar la mquina de vapor de James Watt. Cuando James Watt dise su mquina de vapor en Inglaterra alrededor de 1763, uno de los problemas con que tropez fue la necesidad de que la supercie interior del cilindro presentara la precisin suciente para que el vapor no se escapase por el lateral del pistn. Hasta que apareci la mquina mandrinadora de John Wilkinson no existan mtodos adecuados para obtener tolerancias tan estrechas como las requeridas para la mquina de vapor de James Watt. Despus de los diseos elaborados por Leonardo da Vinci en el siglo XV y Besson en 1569, Henry Maudsley desarroll el primer torno cortador de tornillos en Inglaterra alrededor de 1800. Algunos autores consideran que la primera mquina cepilladora fue la construida por Roberts en 1817, pero en realidad esta categora corresponde a la mquina fabricada por Bramah en 1802. La primera mquina fresadora fue construida por Eli Whitney en Estados Unidos en 1818. En 1835, Whitworth fabric un taladro de columna y en 1836 James Nasmyth dise la primera mquina limadora. El primer torno automtico fue construido por Shipe en 1842. La mquina de vapor permiti automatizar el movimiento de avance de la herramienta, haciendo posible efectuar las operaciones de roscado con una precisin mucho mayor. En 1846 James Nasmyth construy una mquina de taladrar que hizo posible la ejecucin de agujeros de gran precisin y en 1851 Cocquilhat public el primer trabajo cientco sobre el corte de metales, estableciendo las primeras relaciones entre energa consumida y material separado en el taladrado. En 1860 Moseley fabric la primera recticadora cilndrica y Joesel llev a cabo las primeras experiencias sobre velocidades de corte y ngulos de lo recomendables para procesos de mecanizado, basndose en la relacin entre la cantidad de material separado y la energa absorbida. En 1861 la rma Brown y Sharpe construy la primera fresadora universal. En 1871 se empezaron a utilizar herramientas de acero aleado y en 1891 Acheson descubri el primer abrasivo articial, el carburo de silicio. Despus de los primeros estudios sobre formacin de la viruta, realizados por Time en 1870, y los estudios sobre la formacin de la viruta como un proceso de deformacin plstica, as como la inuencia de los lubricantes, llevados a cabo por Malloch en 1881, en 1893 Zovrykin efectu un estudio sobre la geometra de la viruta y de las fuerzas de corte. En 1898 la sociedad Pratt y Whitney construy un torno automtico con cargador automtico de piezas. La primera brochadora fue construida en 1899 por Smith y Coventry. En 1898 Taylor y White fabricaron las primeras herramientas de acero rpido y en 1906 se mejoraron las propiedades de estas herramientas con la adicin de vanadio. En 1907 Taylor y White publicaron el trabajo On the art of cutting metals y en 1925 Schlesinger llev a cabo la medicin de las fuerzas de corte y

4.2. Introduccin

33

estableci normas para la vericacin de mquinas-herramienta. Un ao despus, en 1926, Hebert demostr que la formacin de la viruta est unida a un proceso de cizallamiento. En 1930 la rma alemana Krupp comenz a fabricar herramientas de metal duro o carburo sinterizado. Estas herramientas estaban constituidas por carburo de tungsteno o compuestos similares que no se encuentran directamente en la naturaleza sino que se obtienen por metalurgia de polvos. El carburo de tungsteno fue fabricado por primera vez a nales del siglo XIX por el francs Henri Moissan, pero su importancia tecnolgica no fue apreciada hasta dos dcadas despus. En 1940 se estableci la teora de Ernst y Merchant sobre el corte de los metales y Palmer y Oxley publicaron Mechanics of the ortogonal machining. En esta poca, concretamente en 1943, Lazarenko descubri el mecanizado por electroerosin. Uno de los factores que han inuido considerablemente en el desarrollo de los procesos de mecanizado ha sido la aparicin de nuevos materiales para herramientas capaces de elevar la velocidad de corte y trabajar con materiales de propiedades mecnicas ms exigentes. En 1955 se empezaron a utilizar las primeras herramientas con recubrimiento cermico. La mayora de mquinas herramienta convencionales empleadas hoy en da responden al mismo diseo bsico de las versiones antiguas desarrolladas durante los dos ltimos siglos. El desarrollo del ordenador permiti la construccin de mquinas herramienta de control numrico y en los aos 50 se desarrollaron los centros de mecanizado, mquinas herramienta de control numrico capaces de realizar varias operaciones de corte. La aparicin de nuevos materiales de mayor dureza y resistencia hace necesario el empleo de procesos de mecanizado no convencional. Estos procesos comprenden, entre otros, el mecanizado por electroerosin, mecanizado ultrasnico y corte por chorro abrasivo, y permiten a su vez la obtencin de geometras complejas para las cuales no se pueden emplear los procesos de mecanizado convencional tales como el torneado, taladrado o fresado. En la actualidad los procesos de mecanizado en general estn siendo sometidos a un estudio exhaustivo de caractersticas tales como las fuerzas de corte y materiales para herramienta que permitan mejorar la productividad del proceso sin perjudicar el acabado de las supercies mecanizadas, determinar la inuencia de las fuerzas de corte en las vibraciones de las mquinas herramienta y establecer la relacin existente entre los mecanismos de desgaste de la herramienta y las condiciones de corte, as como disear herramientas que permitan reducir las tolerancias dimensionales y mejorar las condiciones de mecanizado de materiales de elevadas propiedades mecnicas y materiales compuestos.

4.2.

Introduccin

Los procesos de mecanizado por arranque de viruta estn muy extendidos en la industria. En estos procesos, el tamao de la pieza original circumscribe la geometra nal, y el material sobrante es arrancado en forma de virutas. La cantidad de desecho

34


va desde un pequeo porcentaje hasta un 70-90 % de la pieza original. Comparando este tipo de fabricacin con otros mtodos para conseguir la geometra nal se incluyen ventajas e inconvenientes segn los casos. Entre las ventajas de este tipo de procesos de mecanizado, que son las razones por las que su uso est tan extendido, estn: Se consigue una alta precisin dimensional en sus operaciones Pueden realizar una amplia variedad de formas No cambia la microestructura del material por lo que conserva sus propiedades mecnicas Se consigue texturas superciales convenientes para los distintos diseos Son procesos fciles de automatizar siendo muy exibles Requiere poco tiempo de preparacin Poca variedad de herramientas Por otra parte, tambin tiene desventajas respecto a los otros procesos de fabricacin, sobretodo respecto a los de conformado por deformacin plstica y los de fundicin: Genera material de desecho en muchos casos no reciclable Requieren una mayor energa de proceso Los tiempos de produccin son elevados El tamao de las piezas est limitado al permitido por la mquina herramienta Suelen ser poco econmicos cuando el tamao de lote es muy elevado

4.3.

Generacin de supercies

El principio de generacin de supercies en este tipo de procesos es el bidimensional, ya que la geometra de la herramienta slo posee informacin de un punto o elemento de supercie de la geometra nal. Esto tiene como ventaja la exibilidad para generar mucha variedad de supercies con la misma herramienta. Para generar la supercie se requieren al menos dos movimientos relativos entre la pieza y la herramienta. La geometra de la pieza nal se origina mediante la combinacin de dos elementos: La geometra de la herramienta, y el patrn de movimientos relativos entre la pieza y la herramienta. Las mquinas herramienta son las encargadas de generar esos movimientos relativos aportando la energa necesaria al proceso.

4.4. Formacin de viruta

35

De los dos movimientos relativos mnimos para generar la supercie, suele haber uno que es el que consume la mayor parte de la potencia de la mquina. Este movimiento se le suele denominar movimiento primario o de corte. El otro movimiento se usa combinado con el movimiento de corte para ayudarle a eliminar el material sobrante, este movimiento es llamado movimiento de avance. Estos movimientos pueden ser a su vez lineales o circulares, pueden llevarlos la herramienta o las piezas indistintamente. Esto hace que haya mucha variedad de mquinas herramientas para generar las supercies: A modo de ejemplo veamos cmo se combinan estas variables en las mquinas herramientas ms usuales: Herramienta Mov. Tipo mov. Portador Limadora Mc Lineal Herramienta Ma Lineal Pieza Cepilladora Mc Lineal Pieza Ma Lineal Herramienta Torno Mc Circular Pieza Ma Lineal Herramienta Fresadora Mc Circular Herramienta Ma Lineal Pieza Taladradora Mc Circular Herramienta Ma Lineal Herramienta

4.4.

Formacin de viruta

En el estudio de la formacin de viruta se va a suponer que la herramienta es un diedro que desliza sobre la supercie que est generando. Esta supercie est un poco por debajo de la supercie de la pieza original, de forma que su movimiento provoca el desprendimiento de la viruta del material base. La interseccin de los dos planos del diedro es una recta que es el lo S de la herramienta. Las dos caras de este diedro son: Cara de incidencia o anco de la herramienta A , que es el plano ms cercano a la supercie generada Cara de desprendimiento A que es el plano por el que desliza la viruta Esta herramienta desliza sobre la supercie con una velocidad vc que es la velocidad de corte, se puede denir como la velocidad instantnea del movimiento de corte respecto la pieza y suele medirse en m/min. Si esta velocidad es perpendicular al lo, se dice que el corte es ortogonal, en otro caso se dice que el corte es oblicuo. El corte ortogonal es ms sencillo de estudiar que el corte oblicuo ya que se presenta un estado de deformacin plana. La supercie generada por encima de la cual se elimina el material por la cara de desprendimiento es el plano de lo Ps y viene denido por el lo S y la velocidad de corte. Otras deniciones de conceptos importantes son:

36


Avance: Es el movimiento que agregado al de corte conduce a la eliminacin progresiva de material. Suele medirse en mm/s, mm/rev, mm/diente, mm/pasada, . . . . Espesor de viruta sin deformar ac : Es el espesor de la viruta medido perpendicular al lo y en un plano perpendicular al corte. Espesor de viruta deformado ao : Es el espesor de viruta medido despus del corte. Relacin de corte rc : es el cociente entre el espesor de viruta no deformado y ac el espesor de viruta deformado. rc = ao < 1. Ancho de viruta aW : es el ancho de la viruta medido en la direccin del lo. rea de corte Ac : es el rea perpendicular la velocidad de corte que es barrida por la herramienta. rea de avance Af : es el rea perpendicular a la velocidad de avance barrida por la herramienta. Tasa de arranque ZW : Volumen de material de la pieza arrancado por unidad de tiempo. Tiene unidades de caudal. Si se analizan los fenmenos ocurridos en torno al arranque de viruta se observara que: La viruta es ms dura y frgil que el material base ao > ac por lo que rc < 1 siempre La cara de la viruta que ha estado en contacto con A es lisa y brillante mientras que la otra es oscura y rugosa La viruta cambia de color al desprenderse del material Se producen grandes incrementos de temperatura en la zona de corte La forma de la viruta depende de la velocidad del material El arranque de viruta en materiales dctiles se produce mediante la deformacin plstica que ocurre en una franja estrecha llamada plano de cizalladura. El material deformado desliza sobre la cara de desprendimiento venciendo fuerzas de rozamiento elevadas. Se distinguen tres tipos bsicos de viruta: Viruta discontinua: se produce cuando se mecanizan materiales frgiles, y con materiales dctiles a velocidades muy bajas de corte. El corte se produce a base de pequeas fracturas del material base.

4.5. Geometra de corte

37

Viruta con protuberancias o corte con recrecimiento de lo: se produce en materiales muy dctiles, o a velocidades de corte bajas. Cuando la friccin entre la viruta y la herramienta es muy alta, se produce una adhesin muy fuerte entre el material de la viruta y la supercie de la herramienta, con lo que la viruta empieza a deslizar, no directamente sobre la cara de desprendimiento sino sobre material adherido sobre ella. Este lo recrecido puede llegar a un tamao en el cual se desprenda el material adherido sobre la pieza o sobre la viruta dejando en todo caso un acabado supercial muy deciente. Viruta continua: Es el rgimen normal de corte y es el que mejor acabado supercial deja. Hay materials que pueden presentar los tres regmenes de corte citados dependiendo de la velocidad de corte tomada.

4.5.

Geometra de corte

Para estudiar la geometra de la herramienta se va a seguir el sistema de la recomendacin ISO/DIS 3002. Esta norma establece un sistema de planos a partir de los cuales se van a denir los ngulos de corte. La norma distingue entre geometra herramienta en mano y geometra herramienta en uso. El primer sistema se usa con nes de fabricacin y alado de herramientas, mientras que el segundo se dene cuando la herramienta est realmente cortando. Esta es una forma de tener en cuenta los efectos de los grandes avances y los posicionamientos de las herramientas en las mquinas distintos de los estndares. Lo nico que puede distinguir un sistema de otro es la direccin de la velocidad resultante y la direccin de la sujecin en el montaje. De este modo en un punto del lo O de la herramienta se puede denir un sistema de ejes cartesianos en el cual el eje OX sea la direccin del la sujecin de la herramienta (en el caso del torno, la direccin del vstago) y como eje OY como el de la velocidad de corte. El eje OZ se obtendr de los dos anteriores y suele coincidir con el el eje Z del sistema de la mquina herramienta. Tanto el eje OX como el eje OZ son positivos en el sentido en el que la herramienta se aleja de la pieza. Este sistema de coordenadas es intrnseco a la mquina herramienta que es la que produce los movimientos relativos entre pieza y herramienta( eje OY ), y la que sujeta la herramienta (eje OX). Con esta construccin se denen los siguientes planos herramienta en mano: Plano de referencia Pr : es el plano XOZ y es el que fsicamente representa el plano perpendicular a la velocidad de corte Plano de trabajo Pf : contiene al eje OY y el movimiento de avance terico. (En el cilindrado es el plano Y OZ y en el refrentado Y OX)

38


Vstago

Punta de la herramienta

Filo secundario Flanco secundario Cara

Eje de la herramienta Filo principal Flanco principal

Figura 4.1: Nomenclatura en una herramienta de torneado Plano longitudinal PL : Es el plano perpendicular a los dos anteriores. En condiciones normales (la vc coincide con el eje OY ) contendra a la velocidad de corte y sera perpendicular al avance. Junto a los planos anteriores se denen otros planos que tienen en cuenta la geometra de la herramienta, llamados planos de situacin: Plano de lo Ps : Es el plano que contiene al lo S y a la velocidad de corte vc . Por contener a vc este plano es perpendicular a Pr . Plano normal Pn : el plano normal al lo S. Cara de desprendimiento A : es la cara de la herramienta por la que desliza el material situado por encima del plano de lo. Cara de incidencia A : es la cara de la herramienta ms cercana al plano del lo. Los tres ltimos planos son intrnsecos a la geometra de la herramienta y son independientes de su posicin en la mquina herramienta. Con este sistema de planos ya se pueden denir los ngulos de corte. Estos se representan con una letra griega y un subndice que indica el plano sobre el cual se miden. En el plano normal Pn se denen los siguientes ngulos: ngulo de desprendimiento n : es el que forman A y Pr ngulo de incidencia n : es el que forma A y Ps

4.5. Geometra de corte

39

Pf

Pl

X Z Pr O Y

Figura 4.2: Denicin de planos en una herramienta de torneado

gn an Aa Ag Pr

bn

Pn

kr Pf Pn kr Ps Pr

Ps ls

Figura 4.3: Geometra en una operacin de cilindrado

40


Pr ls

S

v

Pr

Pf

Figura 4.4: Geometra en una operacin de fresado frontal

ngulo de lo n : es el que forma A y A y es complementario a los dos anteriores

En el Plano de referencia Pr se mide el ngulo de posicin de lo principal r que es el ngulo que hay entre Ps y Pf , medido sobre el Pr . En el Plano de lo Ps se dene el ngulo de inclinacin de lo s que es el formado entre S y Pr . Si s = 0 el corte es ortogonal. Cuando la herramienta termina en punta, suelen intervenir dos los en el corte. El principal, que es el que mayor parte de carga lleva, y el secundario. Las magnitudes referidas al lo secundario se denominan colocando un smbolo despus del smbolo. As se denomina , . . . r Esta geometra puede cambiar en las condiciones de uso debido a la inuencia de los avances o la desviacin en el posicionamiento de la herramienta. En este caso se denen las mismas magnitudes aadiendo el subndice e a las magnitudes denidas anteriormente: ne , re , se , etc. La traslacin de un sistema a otro se realiza mediante clculos geomtricos, a partir del nuevo posicionamiento del eje OY en lnea con la velocidad.

4.6. Fuerzas de corte

41

4.5.1.

Inuencia de los ngulos de corte en el funcionamiento

Si el ngulo de desprendimiento ne es grande las fuerzas de corte disminuyen pues el material se deforma menos plsticamente y la herramienta se desgasta mucho en la cara de desprendimiento al aumentar la fuerza de friccin, y la velocidad relativa de la viruta sobre la cara de la herramienta. Si el ngulo de incidencia ne es grande la herramienta puede fracturar su punta debido a las altas fuerzas de corte, pero cuanto ms pequeo sea mayor desgaste sufrir la punta aumentando las prdidas por rozamiento de la herramienta con la supercie de la pieza. El ngulo de inclinacin de lo se inuye en la direccin de la viruta en su salida por la cara de desprendimiento. Toma valores positivos cuando echa la viruta fuera de la pieza. Y toma valores negativos cuando tiende a hacer chocar la viruta de nuevo con la pieza. Cuando se mecanizan materiales duros y frgiles se usan se < 0. Un ngulo de posicin de lo re distinto de 90 permite un mejor aprovechamiento de la longitud de lo sobre todo cuando se tiene limitada la profundidad de pasada. Tambin se usa para evitar fuerzas de impacto al inicio del corte, suavizando la entrada de la herramienta en el corte.

4.6.

Fuerzas de corte

Aunque el coste de la potencia consumida en una operacin de mecanizado no es un factor econmico importante habitualmente, es necesario su conocimiento para ser capaces de estimar la cantidad de potencia necesaria para realizar la operacin debido a las limitaciones impuestas por la mquina disponible. La capacidad de estimar la potencia de una operacin es importante sobretodo en las operaciones de desbaste ya que lo que interesa es realizar la operacin en el menor tiempo y en el menor nmero de pasadas posible. Por otra parte, las fuerzas de corte tambin intervienen en fenmenos como el calentamiento de la pieza y la herramienta, el desgaste de la herramienta, la calidad supercial y dimensional de la pieza, el diseo del amarre y utillajes necesarios, etc. La interaccin entre la herramienta, la viruta y la pieza, se traduce en una serie de presiones sobre la supercie de la herramienta. Este sistema de fuerzas y presiones se puede reducir a una fuerza resultante F . El momento resultante se puede despreciar ya que el rea sobre el que se aplica la fuerza es muy pequea. Una primera descomposicin de esta fuerza es en dos direcciones ortogonales, una en la direccin de la velocidad de corte que ser la fuerza de corte Fc , y la otra en la direccin perpendicular a la velocidad de corte que ser la fuerza de empuje Ft . De las dos fuerzas, la nica que consume potencia es Fc , siendo la funcin de Ft la de mantener la posicin del lo de la herramienta en el plano el lo Ps .

42


4.6.1.

Energa especca de corte

Se dene la energa especca de corte ps como la energa necesaria para remover una unidad de volumen de material. Este valor relaciona la potencia Pm y la velocidad de arranque de material Zw . ps = Em /t Pm Em = = V V /t Zw (4.1)

Si se tiene el valor de ps junto con el valor de la potencia disponible en la mquina, se puede calcular la tasa de arranque mxima de la operacin, o sea, el volumen mximo de material que se puede arrancar por unidad de tiempo. Esta tasa de arranque tiene unidades de caudal, y se puede calcular integrando el producto escalar del rea de barrido por la velocidad de barrido. De modo simplicado se puede usar el rea de corte o el rea de avance para su clculo. Siendo el rea de corte Ac el rea barrida por la herramienta perpendicular a la velocidad de corte, y el rea de avance Af el rea barrida por la herramienta perpendicular a la velocidad de avance. Zw = Ac vc = Af vf (4.2)

Por lo tanto, el valor de ps tambin relaciona la fuerza de corte Fc y el rea de corte Ac , por lo que tambin se le suele llamar fuerza especca de corte Ks . ps = Pm Fc v Fc = = Zw Ac v Ac (4.3)

Los experimentos pueden decir cmo vara ps con las condiciones de corte. En concreto, se va a estudiar el efecto de la velocidad de corte y del espesor de viruta sobre el valor de ps . A velocidades bajas, la energa especca de corte es muy alta, disminuyendo conforme aumenta la velocidad hasta un valor a partir del cual ps permanece constante. Esto se debe al recrecimiento de lo que aparece a bajas velocidades de corte y cuando la friccin es alta. Normalmente se debe trabajar en el tramo en el que ps es constante ya que tambin es la ms econmica. ps disminuye al aumentar ac , muchos fabricantes de herramientas proporcionan una expresin de esta variacin. El aumento de ps al disminuir ac se debe al efecto de tamao, ya que las fuerzas de friccin en la cara de incidencia y aplastamiento de la punta redondeada representan un porcentaje mayor en la energa consumida al disminuir ac .

4.6.2.

Fuerzas de friccin

La friccin en las operaciones de mecanizado tiene ciertas peculiaridades que hacen que sus leyes sean distintas de las que siguen los fenmenos de friccin normales. Para ello se van a distinguir tres tipos de deslizamiento entre supercies metlicas:

4.6. Fuerzas de corte

43

Contacto dbil. Las supercies metlicas en estado normal tienen una capa de xido que recubre los tomos metlicos, esta capa tiene la funcin de proteger el metal de posteriores oxidaciones. La tensin de cizallamiento entre capas de xido es muy bajo, con lo que si adems la presin normal es pequea, el bajo valor del rea de contacto real har que el el coeciente de rozamiento del orden de = 0,1 para los aceros. Contacto con microsoldaduras. Cuando entre dos supercies metlicas rugosas, la presin normal es algo elevada, la capa pasiva de las puntas de las asperezas en contacto es eliminada, entrando en contacto directo los dos metales sin ningn xido que los separe. Al entrar en contacto los tomos de una y otra supercie, se forma una unin metlica interatmica, hay coalescencia entre los dos materiales. Al n y al cabo la soldadura ocurre entre las dos supercies a nivel microscpico. Las supercies soldadas son la de los picos de las asperezas, que suman el rea real de contacto Ar , que es menor que el rea aparente de contacto Aa que se observa macroscpicamente. Para conseguir deslizar una supercie sobre la otra se han de cizallar las micro soldaduras las cuales tienen una tensin de resistencia a la cizalladura de sl , de forma que la fuerza de rozamiento total ser: FR =i

Ai sl = Ar sl

(4.4)

Por otra parte se sabe que en supercies con distribuciones alturas de asperezas gaussiana y para cargas ligeras, Ar es proporcional a la presin normal aplicada, que en un rea determinada ser la fuerza normal FN , con lo que: Ar = C FN FR = sl Ar = sl C FN = FN (4.5)

(4.6)

con lo que se cumple la ley de la friccin de Coulomb de proporcionalidad entre FR y FN , siendo el coeciente de rozamiento. Contacto pleno. Cuando las fuerzas de contacto son muy elevadas la proporcionalidad empieza a fallar hasta que el contacto entre las supercies llega a ser pleno, es decir, Ar = Aa , con lo que la fuerza de friccin tambin llega a ser constante FR = Aa sl , e independiente de la fuerza o presin normal aplicada.

44


En el deslizamiento de la viruta sobre la cara de desprendimiento, las supercies estn libres de capas de xidos, ya que la de la viruta est recin creada y no ha tenido contacto con el aire ni con nada sino con la cara de la herramienta, y la cara de desprendimiento ha estado rozando anteriormente con viruta ya desprendida que a los primeros metros ha dejado desnuda a la herramienta de cualquier capa de xido. Por otra parte las presiones normales son elevadsimas, por encima de la tensin de uencia de la pieza, por lo que el contacto entre supercies ser pleno. Esto explica lo observado en los experimentos: La fuerza de rozamiento es independiente de ne Al aumentar ne disminuye la fuerza de corte pero no la fuerza de rozamiento. Por otro lado, aumenta la velocidad de deslizamiento de la viruta sobre la herramienta aumentando de manera considerable el calentamiento y desgaste de la herramienta. La fuerza de rozamiento es menor cuanto ms disimilares sean los materiales de la herramienta y de la pieza. De donde viene la importancia de recubrir bien los materiales de herramienta, con capas cermicas.

4.7.

Temperaturas de corte

Una de la limitaciones de los procesos de corte son las temperaturas alcanzadas durante el mecanizado. La potencia consumida en el corte se invierte en la deformacin plstica de la viruta y en los distintos rozamientos. Estos trabajos se convierten en calor que se invierte en aumentar las temperaturas de la viruta, la herramienta y la pieza de trabajo. La herramienta pierde resistencia conforme aumenta su temperatura, aumentando su desgaste y por lo tanto disminuyendo su vida til. Por otro lado, un calentamiento excesivo de la pieza de trabajo puede variar las propiedades del material debido a cambios microestructurales por efectos trmicos, tambin puede afectar a la precisin del mecanizado al estar mecanizando una pieza dilatada que a temperatura ambiente se puede contraer. Aunque no se va a estudiar a fondo el fenmeno termodinmico, s que conviene tener algunos conceptos claros respecto a la inuencia de los distintos parmetros de corte en las temperaturas de la herramienta y en la pieza y, por los tanto, en la economa y calidad del proceso. Generacin de calor La potencia consumida en una operacin de corte Pm se convierte en calor principalmente por los siguientes mecanismos: Deformacin plstica en la zona de cizalladura de la viruta. El calor generado por unidad de tiempo tiene un valor se puede calcular en funcin de la velocidad de cizallado y la fuerza de cizallado: Ps = Fs vs .

4.8. Desgaste de herramientas

45

Friccin entre la viruta y la herramienta. El ujo de calor generado ser Pf = F r vo Friccin entre la herramienta y la pieza. Su valor, al igual que los anteriores ser el producto de la fuerza de rozamiento por la velocidad relativa entre la herramienta y la pieza: Pf w = sl V B aw v. Esta fuente de calor depender del desgaste V B que ser nulo cuando la herramienta est recin alada.

4.8.

Desgaste de herramientas

Desgaste es la prdida de material por friccin que hace cambiar la geometra de la herramienta hasta llegar a inutilizarla. Los mecanismos de desgaste en las operaciones de corte son principalmente tres: Adhesin: Debido a las microsoldaduras, los tomos de la supercie de la herramienta son arrastrados por la viruta. Abrasin: La pieza de trabajo contiene inclusiones de partculas muy duras que rayan la supercie de la herramienta. Difusin: A temperaturas elevadas, los tomos de aleacin se difunden hacia donde existe menos concentracin. Por este mecanismo la supercie de la herramienta se empobrece de elementos de aleacin debilitndose. Estos mecanismos se agravan cuando aumenta la temperatura, y cuando los materiales son ms anes. El desgaste en la herramienta de corte es de dos tipos principalmente: En la cara de desprendimiento se produce un crter, normalmente en el punto donde la temperatura alcanza su mximo. En la cara de incidencia se produce un achaanamiento de la punta debido al rozamiento de la herramienta con la supercie mecanizada. El desgaste por craterizacin se caracteriza por los parmetros KT , KM , y KB. Mientras que el desgaste en la cara de incidencia se caracteriza por V B, y por N B. Para estimar la gravedad del desgaste se suele utilizar V B y KT . Un valor excesivo de V B produce inestabilidades en el contacto con vibraciones adems de aumentar las prdidas por friccin en la cara de incidencia. Un valor excesivo de KT aumentara el riesgo de fractura de la punta de la herramienta. La norma ISO TC29 establece unos valores mximos de V B KT como criterio de vida de la herramienta, para cada tipo de material de herramienta. Entre las distintas especicaciones destaca la limitacin de V B a un valor de 0.3 mm de valor medio a lo largo del lo, o a un valor mximo de 0.6 mm. El valor V B sigue una evolucin lineal con el tiempo, pero la pendiente de esa recta depende de la velocidad. Existe para una herramienta una relacin entre el

46


la velocidad de corte y el tempo en que V B tarda en alcanzar el valor de 0.3 mm (llamado vida de herramienta t). Esta relacin se aproxima mucho a la llamada ley de Taylor la cual establece que vtn = C. C y n son obtenidos experimentalmente y dependen del material de la herramienta y de la pieza a mecanizar, geometra de corte, refrigeracin, . . . . La vida de la herramienta segn KT depende de ne . Debido a que a partir de un valor de ne el desgaste puede ser catastrco, por lo n est limitado para lo distintos tipos de materiales. Para los metales duros su valor suele es de 3.5, para los aceros rpidos su valor est comprendido entre 0 y 14 cuando mecaniza materiales duros, y entre 14 y 30 cuando mecaniza materiales dctiles.

4.9.

Rugosidad supercial

Segn la informacin de la geometra de la herramienta y el patrn de movimientos se puede conocer la rugosidad supercial ideal. Sin embargo, debido a efectos microestructurales, recrecimiento de lo, . . . , la rugosidad supercial natural es mayor que la ideal, aproximndose a sta conforme la velocidad aumenta. La rugosidad natural puede tambin variar por diversas irregularidades en el corte. Se va estudiar la rugosidad supercial dejada en la pieza segn sea la huella de tipo angular, o de tipo circular.

4.10.

Problemas de mecanizado

1. Una herramienta de torno con punta angular, donde r = 60 y f = 0,05 mm/rev. Cul debe ser el ngulo de lo secundario para obtener una rugosidad media Ra = 3 m bajo condiciones ideales? R: r = 15,57 2. En una operacin de torneado de un cilindro 70 300 mm el avance es de 0.25 mm/rev y la velocidad de corte de 1 m/s. La fuerza de corte est limitada a 3 kN y la energa especca de corte del material es de 2000 MPa. Calcular: a) El tiempo de realizacin de la operacin. b) La profundidad mxima de pasada. R: 263.9 s; 6 mm 3. En una operacin de taladrado con una broca de dos los, la velocidad angular nt = 300 r.p.m., el avance es f = 0,2 mm/rev, el ngulo de lo principal r = 60 , el dimetro de la broca es dt = 12 mm. Si la energa especca de corte del material que est cortando es ps = 3000 MPa. Calcular: a) La tasa de arranque.

4.10. Problemas de mecanizado

47

b) El espesor de viruta no deformado. c) El par motor de la taladradora. R: 113.1 mm3 /s; 0.087 mm; 10.8 Nm 4. En una operacin de cilindrado la vida de la herramienta obedece a la siguiente ecuacin de Taylor t = v 3 f 0,8 a0,1 estando v, f , y ap en unidades S.I. p Estimar el efecto en % sobre la vida de la herramienta, al duplicar la tasa de arranque incrementando: a) La velocidad. b) El avance. c) La profundidad de corte. R: 87 %; 43 %; 7 % 5. En una operacin de torneado, se reduce el dimetro de un cilindro 40 70 a 35 mm. Primero mediante una pasada de desbaste hasta un dimetro de 36 mm y despus mediante una pasada de acabado hasta el dimetro nal. La herramienta tiene un radio de punta de 2 mm y el ngulo de posicin de lo es r = 75 . La mquina tiene una potencia mxima de 5 kW. La energa especca de corte viene dada en funcin del espesor de viruta mediante la siguiente expresin: 0,4 ac0,29

ps = 3000 viniendo acmax en mm, y ps en MPa Determinar:

a) El avance mximo en la pasada de desbaste si la velocidad de corte es

Apuntes de Procesos de Fabricacion Alumno

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