Apuntes de Tecnología de Fabricación

5/25/2018 Apuntes de Tecnologa de Fabricacin

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Universidad Politcnica de CartagenaE.T.S. Ingeniera Industrial

Departamento de Ingeniera de Materiales y Fabricacin

UNIVERSIDAD

POLITCNICAD

ECARTAGEN

A

FechosAllendM

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Apuntes de Tecnologa de Fabricacin

Manuel Estrems Amestoy

Cartagena, 2003


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ndice general

ndice general i

1. Morfologa de los Procesos de Fabricacin 11.1. Aproximacin a la Ingeniera de Fabricacin . . . . . . . . . . . . . . 11.2. Introduccin a la morfologa de procesos de fabricacin . . . . . . . . 21.3. Estructura bsica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.3.1. Procesos bsicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.4. Flujo de material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.4.1. Estado del material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.4.2. Categora del proceso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.4.3. Tipo de flujo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.5. Flujo de energa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.5.1. Flujo de energa en procesos bsicos mecnicos . . . . . . . . 41.5.2. Flujo de energa en procesos bsicos trmicos . . . . . . . . . 51.5.3. Flujo de energa en procesos bsicos qumicos . . . . . . . . . 5

1.6. Flujo de informacin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2. Metrologa dimensional 92.1. Introduccin histrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.2. Introduccin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.3. Plan de Calibracin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.3.1. Definiciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.4. Cualidades de un instrumento de medida . . . . . . . . . . . . . . . 12

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2.5. Relacin entre tolerancia, incertidumbre y divisin de escala . . . . . 142.6. Errores en la medicin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.7. Medidas indirectas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.7.1. Ley de propagacin de varianzas . . . . . . . . . . . . . . . . 162.7.2. Calibracin de un instrumento de medida . . . . . . . . . . . 16

2.7.3. Mtodos de medida indirecta ms usuales . . . . . . . . . . . 182.8. Rugosidad superficial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202.9. Problemas de metrologa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

3. Introduccin a la Ingeniera de Calidad 253.1. Introduccin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253.2. Calidad del producto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253.3. Aseguramiento de la Calidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263.4. Ingeniera de calidad como filosofa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

3.4.1. Mtodos de Deming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273.4.2. Juran Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283.4.3. Taguchi Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

3.5. Normalizacin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

3.6. Normativa de la ISO 9000 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293.7. Normativa ISO 14000 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

4. Introduccin a los procesos de mecanizado 314.1. Introduccin histrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314.2. Introduccin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334.3. Generacin de superficies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344.4. Formacin de viruta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354.5. Geometra de corte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

4.5.1. Influencia de los ngulos de corte en el funcionamiento . . . . 414.6. Fuerzas de corte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

4.6.1. Energa especfica de corte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424.6.2. Fuerzas de friccin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

4.7. Temperaturas de corte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 444.8. Desgaste de herramientas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 454.9. Rugosidad superficial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 464.10. Problemas de mecanizado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

5. Procesos de conformado por deformacin plstica 515.1. Introduccin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 515.2. Deformacin permanente en metales . . . . . . . . . . . . . . . . . . 515.3. Curva del ensayo de traccin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

5.3.1. Modelizacin del material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 545.3.2. Punto de inestabilidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

5.4. Trabajo de deformacin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

5.5. Laminacin de chapa metlica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 555.6. Tecnologas de transformacin de chapa metlica . . . . . . . . . . . 56


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5.7. Problemas de deformacin plstica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

6. Proceso de conformado por fundicin 616.1. Introduccin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 616.2. Metal fundido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 626.3. Tecnologas de moldeo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 636.4. Colada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 636.5. Solidificacin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 646.6. Problemas de Fundicin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

7. Procesos de unin 677.1. Introduccin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 677.2. Clasificacin morfolgica de los procesos . . . . . . . . . . . . . . . . 687.3. Soldadura por fusin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

7.3.1. Soldadura por arco . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 687.3.2. Soldaduras por rayos de alta densidad energtica . . . . . . . 687.3.3. Soldadura termoqumica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

7.4. Soldadura por presin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

7.4.1. Soldadura en fro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 687.4.2. Soldadura por resistencia elctrica . . . . . . . . . . . . . . . 687.5. Procesos basados en materiales de relleno . . . . . . . . . . . . . . . 68

7.5.1. Soldadura blanda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 687.5.2. Soldadura fuerte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 687.5.3. Unin por adhesivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

8. Problemas 698.1. Problemas de metrologa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 698.2. Problemas de mecanizado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 708.3. Problemas de deformacin plstica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 748.4. Fundicin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 768.5. Control Numrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

9. Cuestiones de examen 79


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iv ndice general


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Captulo1

Morfologa de los Procesos deFabricacin

1.1. Aproximacin a la Ingeniera de Fabricacin

Uno de los hechos que ha diferenciado al hombre desde la Prehistoria, ha sido lacapacidad de procesar o transformar los materiales que la naturaleza ha puesto a sudisposicin, para la elaboracin de herramientas y tiles que le ayudaran a realizarciertas funciones que no podra llevar a cabo directamente con su esfuerzo fsico, ole 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 cantidadde recursos tanto humanos como materiales. De la conjuncin de estos recursosdepender la realizacin del producto final, actividad que exige la realizacin detres fases:

Fase de informacin, en la cual se lleva a cabo la adquisicin de los conoci-mientos para la ejecucin de los mismos, mediante un trabajo de investigacin.

Fase de diseo, que consiste en la concepcin del producto de acuerdo con losrequerimientos exigidos.

Fase de fabricacin, en que se efecta la transformacin de los materiales hastaobtener el producto terminado.

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2 Captulo 1. Morfologa de los Procesos de Fabricacin

En esta tercera fase es en la que se inserta la Ingeniera de Fabricacin, pero sinolvidar aquellos aspectos de las fases iniciales que en cierta forma tienen repercusinsobre la misma.

Una posible definicin de Ingeniera de Fabricacin podra ser la siguiente: con-junto de conocimientos referentes a procesos de conformacin de los ma-

teriales; a las mquinas, tiles, instrumentos y sistemas de fabricacinutilizados; y a los controles y verificaciones necesarias para asegurar pie-zas y productos acordes con las normas y especificaciones establecidas,bajo criterios econmicos y de rentabilidad.

1.2. Introduccin a la morfologa de procesos de fa-

bricacin

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 posi-bilidades 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 definir como el cambio en las propiedades de un objeto. Paraello 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 implicauna limitacin en los principios generales.

Todo objeto material tiene materia y forma, que son los principios constitutivosdel ente en la filosofa clsica. En nuestro caso a la forma es informacin sobreel objeto, como propiedades geomtricas, fsicas, caractersticas de funcionamiento,etc.

En la grfica siguiente viene representado un esquema en el que se puede observarla forma en que interactan los distintos elementos.

El material M1 tiene una informacin determinada, entre la que se incluye siest dividido o est todo en un solo bloque. Durante el proceso se le aplica unaenerga para transformarlo en M2 en donde parte de esta energa se pierde, y partedel material tambin puede perderse en forma de desecho Md. Adems de la infor-macin en el material de salida, tambin hay una informacin de control que enfuncin de datos recogidos en el material de entrada y salida, en la energa aporta-

da y desechada, tiene la facultad de variar los parmetros del proceso con el fin deoptimizar variables de coste, calidad y productividad.


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1.4. Flujo de material 3

ProcesoBsico

M1

E1

E2

M2

Figura 1.1: Esquema bsico de un proceso de fabricacin.

1.3.1. Procesos bsicos

Para obtener un componente, el material de entrada suele sufrir varias trans-formaciones. Cada una de estas unidades simples de transformacin se le denominaproceso bsico. De todos los procesos bsicos de una cadena de transformacin, hay

uno que es el principal, el ms crtico para los fines de la transformacin. A esteproceso se le llama proceso bsico primario, el resto de procesos bsicos son secun-darios, y su objetivo es preparar el material para el proceso bsico primario, o darun acabado a la pieza despus del proceso bsico primario.

1.4. Flujo de material

1.4.1. Estado del material

Los procesos bsicos se pueden clasificar 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 siguienteTabla presenta los procesos bsicos ms frecuentes en cada una de estas categoras:


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MECNICOS TRMICOS QUMICOSDeformacin plstica Fundicin Solucin/disolucinFractura frgil Solidificacin CombustinFractura dctil Condensacin EndurecimientoFlujo Calentamiento Precipitacin

Deformacin elstica Enfriamiento Transformacin de faseMezcla Evaporacin Deposicin electroqumicaColocacin ... DifusinTransporte ......

1.4.3. Tipo de flujo

Segn el tipo de flujo, los procesos se pueden clasificar en:

Flujo directos: La masa del objeto de entrada en el proceso es la misma quela 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 sloa la salida.

1.5. Flujo de energa

Para el anlisis del flujo de energa en los procesos de fabricacin se van a estudiarpor separado el flujo segn las distintas categoras, y las distintas fuentes de energautilizadas para cada tipo de procesos.

La primera distincin que se puede aplicar es que la energa se puede aplicar demodo 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 deenerga 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 mec-nico, 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


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1.5. Flujo de energa 5

Descarga entre electrodos: onda de choque en medio fluido

Campos electromagnticos: induccin en conformado de tubos

Efecto magnetoestrictivo: maquinado ultrasnico

Efecto piezoelctrico: maquinado ultrasnicoFuente de energa qumica para PB mecnicos:

Explosivos

Detonacin

Deflagracin en pistn

Fuente de energa trmica para PB mecnicos: Aprovecha la dilatacin o con-traccin de materiales con la temperatura para producir esfuerzos mecnicos. Esmuy 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 directamenteal material o a travs de un medio de transferencia.

Fuentes de calor de origen mecnico: Son los que proceden de la friccin entresuperficies, 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 exotr-micas, 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 energticasde las reacciones qumicas involucradas en el proceso.


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O2

O1

EA

Figura 1.2: Elementos en la impresin de informacin.

1.6. Flujo de informacin

El trmino flujo de informacincubre la impresin de forma geomtrica en elmaterial de trabajo. En la figura 2 se definen los elementos que intervienen: la piezade trabajoA, los elementos de transferencia O1y O2, y el mecanismo de impresin einformacinE. En muchos casos uno de los elementos de transferencia no transmiteinformacin 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 final de la pieza se genera a partir de la geometrade la herramienta y del patrn de movimientos entre la herramienta y la pieza.

Los principios bsicos de creacin de superficies se definen segn la cantidad deinformacin final de la pieza que posee la herramienta. De este modo se definencuatro posibilidades:

Conformacin libre: La herramienta O2 no contiene informacin geomtricaalguna de la pieza final. La geometra final se alcanza mediante principiosinternos de comportamiento de la pieza. Ej.: Torsin.

Conformado bidimensional: El elemento de transferencia contiene un puntoo un elemento de superficie de la geometra final deseada. La integracin detodos elementos generados dar lugar a la geometra final. Como es lgico, paragenerar una superficie bidimensional se requieren al menos dos movimientosrelativos entre la herramienta y la pieza. Ej.: Torneado.

Conformado unidimensional: El medio de transferencia contiene una genera-triz de la superficie final. Esta generatriz puede ser una lnea o una superficie a

lo largo de una lnea. Para generar la superficie slo se requiere un movimientorelativo entre la herramienta y la pieza. Ej.: Extrusin.


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1.6. Flujo de informacin 7

Conformacin total: El medio de transferencia contiene toda la informacingeomtrica de la superficie final, lo que significa que no se necesita ningnmovimiento relativo. Ej.: Colada.

El conocimiento de estos principios es muy til para idear nuevos procesos, oencontrar el proceso ms eficiente para generar una superficie determinada.


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Captulo2

Metrologa dimensional

2.1. Introduccin histrica

Aunque actualmente los sistemas de unidades cubren todas las magnitudes co-nocidas de la Fsica, como temperatura, intensidad luminosa, presin, corrienteelctrica 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 superficie. Es por ello que la metrologa no se conoca como tal, y losconocimientos y tcnicas de medida se englobaban dentro de la denominacin depesas y medidas. Dentro de un sistema de pesas y medidas es esencial el mximogrado de uniformidad posible. Al mismo tiempo, es imprescindible ponerse de acuer-do sobre la denominacin que se aplica a cada cantidad de referencia. Los sistemas

de unidades primitivos resolvieron todo ello introduciendo las unidades como canti-dades concretas de referencia que materializaron como prototipos o patrones que secustodiaban y diseminaban cuidadosamente. Muchos de estos patrones primitivostuvieron un origen antropomrfico, relacionndolos con dimensiones o capacidadesde personas egregias.

En Mesopotamia, se emplearon sistemas sexagesimales y decimales, con una grancoherencia entre los mltiplos y submltiplos de las unidades. Quiz el registro msantiguo de una unidad de longitud es el de la regla graduada existente en una estatuadel Louvre que data del 2130 a.C. La balanza de doble platillo para la medida demasas era un instrumento bien conocido por egipcios y sumerios dos milenios antesde nuestra era. Quiz la balanza ms antigua de la que se posee constancia es laencontrada 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 medianteel gnomon, una varilla que situada perpendicularmente al suelo permita deducir la

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10 Captulo 2. Metrologa dimensional

hora en funcin de la longitud y posicin de su sombra. Posteriormente estas dosculturas 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 con-troles o parmetros precisos para regular numerosas funciones de la vida cotidiana,

pero no para contribuir a un incremento del conocimiento cientfico. En relacincon la comparacin de masas, los romanos llevaron a cabo el perfeccionamiento dela balanza. A ellos se les atribuye la balanza de taras mviles y brazos desigualesque slo posea un platillo para la mercanca a pesar, aunque parece que ya eraconocida en Egipto y Mesopotamia hacia el ao 1300 a.C. En cuanto a las medi-das del tiempo, utilizaron la clepsidra (reloj de agua) con un sistema de regulacinautomtica.

Desde el siglo III, en el que se acentu el declive del imperio romano, hastael siglo XI, el desorden imperante en Europa no propici el desarrollo racional delos sistemas de pesas y medidas. A las unidades romanas se aadieron otras de losinvasores nrdicos, alcanzndose tal diversidad que resultaba frecuente encontrarunidades especficas, sin relacin entre ellas. A partir del siglo XI, coincidiendo conel punto mximo de la influencia islmica, se inicia en Europa una etapa de ciertoprogreso tcnico que se mantiene durante toda la Baja Edad Media y que preparael camino para la revolucin cientfica que comienza con el Renacimiento.

En el aspecto instrumental, durante la Edad Media las aportaciones ms signi-ficativas se producen sobre aparatos relacionados con la navegacin y astronoma,varios de ellos desarrollados o introducidos en Espaa por los rabes. As cabe desta-car el astrolabio plano, probablemente inventado en Alejandra, y muy utilizado porlos navegantes rabes para determinar la latitud. Los rabes desarrollaron impor-tantes estudios sobre el peso y densidad de los cuerpos y perfeccionaron la balanzahidrosttica.

Las exigencias de piezas ms precisas en la fabricacin mecnica, la navegacinastronmica 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 laspostrimeras del siglo XV hace surgir la nocin de calibre, lo que permite fabricarmunicin de reserva. El primer instrumento para medidas precisas de longitud esel micrmetro. El fundamento de este instrumento se piensa que fue descubierto en1637 por Willian Gascoigne, astrnomo ingls. James Watt utiliz para la fabrica-cin de su mquina de vapor un micrmetro construido por l mismo. La primerapatente de un micrmetro bsicamente semejante a los actuales fue desarrollada porel francs Jean Laurent Palmer, en 1848.

Con el gran desarrollo de los mtodos de fabricacin que se fue produciendo apartir de la Revolucin Industrial, se hizo necesario asegurar con mayor exigencia lasmedidas de las magnitudes caractersticas de los productos industriales. Al mismotiempo, 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


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2.2. Introduccin 11

Revolucin Industrial hacia sistemas de unidades, tal y como se conocen hoy en da,segn dos modelos que se distinguen histricamente: los sistemas evolutivos, comoel Imperial Britnico, que creci ms o menos fortuitamente debido a su uso, y lossistemas planificados, tales como el actual Sistema Internacional (SI), que es de usogeneral por la comunidad cientfica internacional y la mayor parte de las naciones.

La especializacin del trabajo y la demanda de mayores series de productos igua-les impusieron la necesidad de la intercambiabilidad. Esta intercambiabilidad no sealcanz hasta el presente siglo con la introduccin de las tolerancias en la especifi-cacin de los componentes de cierta responsabilidad. Los primeros antecedentes dela 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 sistemainternacional para la definicin de tolerancias. Nace el sistema ISA (InternationalFederation of the National Standardizing Association), que en 1947 fue sustitui-do por la normativa ISO de la recin constituida International Organization forStandarization (1946).

2.2. IntroduccinEl 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 especificaciones de producto, y la mejora contnua de la Calidad.

Este tema ocupa el primer lugar del temario por su carcter de finalidad dentrode 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 num-ricos ordenados. Para que la pieza cumpla bien su funcin se requiere que todas lasdimensiones tengan un rango de valores fuera de los cuales no se puede asegurar quela 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 pro-cede a la medicin de cotas para comprobar que las dimensiones estn dentro delas tolerancias permitidas en el diseo. Esta comprobacin se realiza mediante uninstrumento 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 dimensionesconcretas, 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 susrespectivos instrumentos de medida.

2.3.1. Definiciones

Patrones: Son aquellos objetos o instrumentos que permiten materializar y re-producir 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 apatrones nacionales o internacionales, por medio de una cadena ininterrumpida decomparaciones teniendo todas las incertidumbres determinadas.

Diseminacin de unidades: Proceso que, en sucesivos escalones, tiene por objetofacilitar a empresas y organismos a partir de patrones primarios u otros aceptadoscomo tales, patrones de nivel de precisin inferior.

Mediante un plan de calibracin adecuado se puede tener controlado el gradode 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 posiblescontingencias.

Patrones de Calibracin. Realizan la diseminacin y abastecen a distintossectores

Patrones de Transferencia. Son mviles y establecen el enlace con los labora-torios locales.

Patrones de Calibracin de Laboratorio. Abastecen a una zona.

Patrones Industriales. Cada taller tiene los suyos. Con ellos se calibran losinstrumentos que realizan directamente la medida.

2.4. Cualidades de un instrumento de medida

A continuacin se expone un extracto del vocabulario usado en metrologa, re-lativo al instrumento de medida:

Campo de medida: Intervalo de valores que puede tomar la magnitud a medircon un instrumento de manera que el error de medida, operando dentro de lascondiciones de empleo, sea inferior al mximo especificado para el instrumento. Unaparato puede tener varios campos de medida.

Alcance: Valor mximo del campo de medida.

Escala: Conjunto ordenado de signos en el dispositivo indicador que representanvalores de la magnitud medida.


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2.4. Cualidades de un instrumento de medida 13

Divisin de escala: Intervalo entre dos valores sucesivos de la escala. Hay ins-trumentos de divisin constante y de divisin variable

Sensibilidad: Se expresa por el cociente entre el incremento observado de lavariable (en el lugar de apreciacin) y el incremento correspondiente de la magnitudmedida. Est relacionado con el sistema de amplificacin usado para apreciar las

diferencias de magnitud.Precisin: Cualidad que caracteriza la aptitud de un instrumento para dar in-dicaciones prximas al valor verdadero de la magnitud medida, teniendo en cuentatanto los errores sistemticos como los aleatorios.

Incertidumbre: Ha sido prctica usual llamar precisin a la expresin cualitativade los errores de medida. La tendencia moderna es emplear incertidumbre para laexpresin cuantitativa.

Repetitibilidad: Grado de concordancia entre los resultados de mediciones sucesi-vas 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 detiempo suficientemente cortos.

Reproducibilidad: Grado de concordancia entre los resultados de mediciones suce-sivas 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 suficientemente grandes compa-rados con la duracin de un medicin, en diferentes condiciones de empleo de losinstrumentos de medida, etc.

Dispersin: Grado de separacin o diseminacin que presentan las observacioneso medidas de una serie. Normalmente se estima en por el valor mximo absoluto delas desviaciones de dicha serie.

Reversibilidad: Diferencia de indicaciones de un instrumento de medida cuandose mide el mismo valor de la magnitud, bien creciendo o bien decreciendo sta.

Fiabilidad: Facultad de un elemento, servicio o proceso para realizar una funcinrequerida 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 elmismo patrn, por el mismo operador y en el mismo lugar

Ejemplo de clculo: Un instrumento para medida de longitudes entre 25 y 50mm, tiene una escala en la que cada trazo representa 0.01 mm y se encuentradibujado a una distancia de 2 mm del trazo contiguo. Se toman 20 medidas sobreun 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= 0.01mm Sensibilidad = 2/0.01= 200 Sesgo: 0.03 mm

Todos los instrumentos de medida deben estar sometidos a un plan de calibra-cin, que garantice la trazabilidad de sus medidas.

En un laboratorio de metrologa debe haber un diagrama de niveles en el queestn incluidos todos sus instrumentos de medida. En este diagrama habra un

nivel de referencia en el que estaran los instrumentos calibrados en laboratoriosexternos y son lo que calibran a algunos instrumentos de niveles inferiores. Todos


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U U

Tol. de diseo

Tol. fabr.

Figura 2.1: Tolerancia de fabricacin

los instrumentos del laboratorio deben ser trazables con ese nivel de referencia. Losinstrumentos del ltimo nivel son aquellos que son calibrados pero que no calibranningn otro instrumento.

Todos los instrumentos deben poseer:

Posicin dentro del diagrama de niveles

Fichero de instruccionesArchivo de datos. Histrico de todas sus calibraciones

Etiquetas de calibracin

Carta de trazabilidad.

2.5. Relacin entre tolerancia, incertidumbre y di-

visin 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 unintervalo de control para determinar si una pieza cumple la especificacin. El anchode este intervalo suele ser la tolerancia de diseo menos dos veces la incertidumbrede la medicin, segn la figura 2.1

Se recomienda que la relacin entre la tolerancia de diseo y la incertidumbredel instrumento de medida con el que se compruebe guarde cierta relacin:

3< T

2U


21/87

2.6. Errores en la medicin 15

Por otra parte la divisin de escala del instrumento de medida debe guardarcierta relacin con la divisin de escala del mismo:

Si UE

< 0,5 Medida sencilla, muy repetitiva en la que es imposible tomar unamedida fuera distinta de la dimensin real de la pieza.

Si 1 UE

10 Divisin de escala muy desarrollada. A la medida tomada le sobra almenos un dgito.

2.6. Errores en la medicin

Una medicin no indica la magnitud exacta de una dimensin debido a impre-cisiones tanto en la pieza a medir como en el instrumento de medida.

Sobre la precisin de fabricacin de componentes mecnicos se suelen aplicar losprincipios de Causalidad y de Imperfeccin. El primero establece que todo error tieneuna causa y que las mismas causas producen los mismos errores. Si las causas sonconocidas, stas producen una desviacin que es por lo tanto corregible, por lo tanto,

para eliminar los errores dimensionales o geomtricos en procesos de mecanizadose necesita avanzar en el conocimiento (si es posible cuantitativo) de los factoresque influyen en el proceso y las causas que han podido dar lugar a estos errores. ElPrincipio de Imperfeccin establece que ningn fenmeno o sistema es totalmenteperfecto ni perfectamente conocido. Esto se traduce que siempre se podr mejoraren los mtodos de resolucin de problemas de precisin en procesos de mecanizadocon el fin de obtener mejores prestaciones de los componentes fabricados. Los errorescorregibles se denominan errores sistemticos o sesgos, el resto de errores son losaleatorios, 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. Deaqu que las medidas entre puntos de esas dos entidades sean entre puntos cuyadistancia es una variable aleatoria con una distribucin estadstica desconocida conuna media y una varianza.

Por otro lado se han de aadir los errores propios del instrumento de medida elcual habr sido previamente sometido a un proceso de calibracin que proporcionasu exactitud y su incertidumbre global.

Estudiando conjuntamente los dos errores y suponiendo que las medidas siguenuna distribucin normalN(, ), si te tomann medidas un estimador del valor realy su desviacin tpica ser:

x=

xin

2 s2 =

(xi x)2n 1

(2.2)

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


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de la dimensin . Para ello existe una distribucin t-Student para determinar unintervalo de valores (intervalo de seguridad) entre los que se encuentra el valor realcon una probabilidad 1 (nivel de confianza). As queda:

Pr x t

s

n< < x

t

s

n= 1

(2.3)

El valor de t se puede obtener mediante tablas en funcin de los grados delibertad n 1y el nivel de confianza 1 .

Esta sera la forma de obtener la incertidumbre de una medicin para un de-terminado nivel de confianza. Sin embargo, la distribucin no suele ser Normal, yel valor medio del muestreo tampoco es una Normal alrededor del valor real, puesel instrumento de medida tiene en s un sesgo. Los sistemas de medicin industria-les han establecido otros procedimientos para determinar las incertidumbres de lasmedidas.

2.7. Medidas indirectas

Para estimar el valor real de una medida en relacin al patrn internacionalcorrespondiente, se tiene que los errores de comparacin se van propagando en cadauna de las calibraciones. Lo que interesa al medidor es garantizar que el valor realest en un intervalo de seguridad (dado por el valor medio y la incertidumbre) con unnivel de confianza adecuado (dado por el factor de coberturaKde la incertidumbre).

2.7.1. Ley de propagacin de varianzas

Cuando una variable aleatoria y depende de otras variables aleatorias xi in-dependientes unas de otras, suponiendo que todas siguen una ley de distribucinNormal, se puede estimar la varianza de y determinando la media cuadrtica de loserrores debidos a cada una de las variables xi:

u2y =

y

x1

2x1

u2x1+ +

y

xn

2xn

u2xn (2.4)

Cuando alguna variable xi es discreta (obtenida por muestreo) su varianza uxise estimar porsi, y

yxi

por 1ni

.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 mayorprecisin previamente calibrado.


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2.7. Medidas indirectas 17

En el proceso de calibracin se realizan nc medidas sobre un bloque patrnobteniendo un valor medio Xc y un estimador de la desviacin tpica sc.

El sesgo o error sistemtico del instrumento Xc = X0 Xc. Siendo X0 lamedida nominal del bloque patrn.

La incertidumbre de la medida ser calculada a partir de la incertidumbre aso-

ciada al bloque patrn U0 y aplicando la ley de propagacin de varianzas:U

K

2=

U0K0

2+ s2c

1

nc+

1

n

(2.5)

Como se puede observar, la incertidumbre de la medida es mayor que la delpatrn. Para obtener mayor precisin se requiere valores bajos desc y altos de nc.Y cuanto mayor sea el nmero de medidas nmenor ser la incertidumbre.

Para simplificar el procedimiento se suele proceder a establecer la incertidumbreglobal del instrumento de medida para todo el campo de medida de ste. Para elloel sistema de calibracin industrial (SCI) ha establecido el siguiente procedimiento:

1. Se escogen bloques patrn cuyas medidas van a representar el campo de me-dida del instrumento. Cada uno de estos bloques patrn tendr una medidax0 y una varianza u0

2. Se establece el nmero de medidas calibradoras que se van a realizar sobrecada bloque patrn nc.

3. Despus de realizar las nc medidas sobre cada bloque se obtienen valoresmedios xci y las desviaciones tpicas sci de las medidas realizadas.

4. Mediante un criterio de control (por ejemplo el de Chauvenet) se compruebanque las medidas realizadas pertenecen a la misma distribucin estadstica.

5. A partir de las desviaciones parciales en cada bloque patrnXci= X0xcise obtiene el sesgo global del instrumento Xc = (Xci)/n

6. La incertidumbre local en la medida de cada bloque patrn ser calculada apartir de la varianza. Es decir:

u2i =u20+

s2cinc

(2.6)

Ui= K ui (2.7)

7. Para hallar la incertidumbre se calcula primero la desviacin de la media encada bloque patrni= XcXci. La incertidumbre global del instrumentoser:

U2 =mx{2i + U2i } (2.8)


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H2

H1

L

r

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 utilizadoKentre parntesis.

El criterio de Chauvenet, sealado en el punto 4 del procedimiento, consiste enrechazar las medidas (y por lo tanto volverlas a tomar) que se desven de la mediams de una relacin con el estimador de desviacin tpica. Ej.: Para una calibracinrealizada con nc = 10 una vez calculada la media xc y la desviacin tpica sc, serechazarn todos los valores xi que cumplan| xi xc|> Knsc siendo Kn un valortabulado que toma un valor de Kn = 1,96para nc = 10.

2.7.3. Mtodos de medida indirecta ms usuales

Se exponen a continuacin algunos mtodos para la determinacin de ngulos yradios de modo indirecto.

Regla de senos

sen= H1+ d1 H2 d2

L (2.9)

Conicidad exterior

tg(/2) = M1 M22(L1+ r1 L2 r2) (2.10)


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2.7. Medidas indirectas 19

M

r

L

Figura 2.3: Mtodo para medir conicidad exterior

H1

H2r1

r2

Figura 2.4: Mtodo para medir conicidad interior


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bR

c

Figura 2.5: Funcionamiento de la sonda de rodillos fijos

Conicidad interior

sen

2 =

r2 r1H1+ r1 H2 r2

(2.11)

Sonda de rodillos fijos

R=b2 2rb + (c/2)2

b (2.12)

2.8. Rugosidad superficial

La rugosidad de una superficie se suele obtener mediante un rugosmetro queexplora dicha superficie y obtiene un perfil de la superficiez(x)siendoxla dimensinde la longitud explorada. A partir de este perfil se definen los siguientes parmetrosque caracterizan la rugosidad superficial.

Longitud de exploracin,L: Es la longitud del perfil geomtrico explorado porel rugosmetro.

Longitud bsica,l: Es la longitud del perfil geomtrico elegida para evaluar larugosidad. Suele coincidir con la longitud de exploracin.

Lnea media de perfil: 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 perfil efectivo,de manera que entre los lmites de la longitud bsica, la suma de las reas


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2.9. Problemas de metrologa 21

encerradas por encima de esta lnea y el perfil efectivo, es igual a la suma delas reas encerradas por debajo de sta lnea y el citado perfil, a nuestra lneade referencia. Se calcula de la siguiente forma:

z0= 1

l l

0

z(x)dx (2.13)

Rugosidad media, Ra: Es la media de la desviacin del perfil respecto a lalnea mediaz0. Su clculo matemtico sera:

Ra=1

l

l0

|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 ladesviacin del perfil respecto de su media.

Rs =1

l

l0

(z(x) z0)2 dx (2.16)

Para caracterizar la rugosidad superficial se usar Rt,Ra, oRsdependiendo delfin para el cual se est caracterizando. El ms sencillo de calcular es Rt, pues norequiere el empleo de ningn clculo especial. El ms usado es Ra pues su medidaes mucho ms repetitiva que la de la rugosidad total, y es el parmetro cuya re-presentacin est normalizada. La desviacin tpica de alturas Rs es un valor msrepetitivo 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. Enlos estudios de mecnica de contacto se suele caracterizar la superficie por Rs.

2.9. Problemas de metrologa

1. Para calibrar un instrumento de medida en un punto de su escala, se empleaun patrn de 30 mm e incertidumbre U0 = 0,4 mm (K0 = 3) obtenindoselos 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 obtenindoselas medidas: 29.998, 30.001, 30.004.

Se pide medida e incertidumbre de la pieza.R: 30,004 0,011mm (K=3)


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2. Un taller va a mecanizar el exterior de un eje cilndrico con dimensiones es-pecificadas 2R= 50 0,025mm. En la fase de preparacin se mecaniza unapieza y se comprueba un radio situando sta sobre un mrmol y aproximndo-le dos varillas calibradas por ambos lados, tomando la cota M entre las partesexternas de los rodillos.

Los rodillos tienen un radio de 10 mm con incertidumbre de 2 m conK= 2,y el aparato de medida tiene una incertidumbre de 3 m con K= 2. La cotaM da un valor de 83.858 mm.

Calcular el radio de la pieza fabricada e incertidumbre del procedimiento.

R

r

M

R: D = 50,973 0,0214mm (K=2)3. Calcular la conicidad del cono de la figura cuandoM1= 100,r = 8, yL1= 20.

Si se toma otra medida con L2 = 10, resulta que M2 = 75. (Las unidadesvienen en mm)

Si adems se sabe que la incertidumbre de L es UL = 0,006 + 0,001 L (conKL= 2), y que UM = 0,02(con KM = 2). Determinar la incertidumbre de lamedida de la conicidad para un K= 3.

M

r

L

4. Se pretende medir un ngulo mediante una regla de senos y bloques patrn, talcomo se muestra en la figura. 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


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2.9. Problemas de metrologa 23

H2

H1

L

r

R: = 0,45559 0,001959rad (K=2)5. En la medida de una conicidad interior se han utilizado una sonda de profun-

didad y dos esferas calibradas tal como se indica en la figura. Si la incerti-dumbre del instrumento de medida es de UH = 0,01 y las de las esferas sonUR= 0,007Rcalcular la conicidad y su incertidumbre en grados. Todas lasunidades vienen en mm. Todas las incertidumbres se calculan conK= 2

H1

H2

r1

r2

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


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Captulo3

Introduccin a la Ingeniera deCalidad

3.1. Introduccin

Antes de entrar un producto en el mercado en el mercado, o transferir los compo-nentes para su montaje, los productos son inspeccionados en algunas de sus carac-tersticas. Esta inspeccin tiene especial importancia para asegurar que las partesvan a ajustar adecuadamente durante el montaje, y para identificar productos cuyamala calidad puede acarrear serios daos en la seguridad del trabajador, en la eco-noma de la empresa u otra fatalidad cualquiera. Ejemplos tpicos son la fracturade cables, de frenos, de labes de turbinas, etc.

En este captulo se describen algunos mtodos sencillos muy usados para ins-peccionar los productos fabricados.

3.2. Calidad del producto

Usamos trminos comocalidad pobreoalta calidadpara describir in produc-to particular, cierto almacn, . . . . Qu es la calidad? Aunque la podemos reconoceren algunos productos, tcnicamente es muy difcil de establecer con precisin.

Calidad se puede definir por:

La adecuacin de un producto para su uso

La totalidad de caractersticas que determinan sobre la capacidad de un pro-ducto para satisfacer una necesidad determinada. Ms recientemente , algunas

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26 Captulo 3. Introduccin a la Ingeniera de Calidad

dimensiones de la calidad han sido identificadas, incluidas las prestaciones delproducto, dimensiones, durabilidad, fiabilidad, esttica, y calidad percibida.

La calidad tiene factores que se pueden definir tcnicamente, pero tambin de-pende de opiniones subjetivas.

Normalmente, todas las mejoras en la planificacin 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 calidadpobre trae consigo:

Coste por insatisfaccin del cliente, que puede hacer que se pierda

Aumenta las dificultades en el montaje y en el mantenimiento de los compo-nentes

Aumenta el nmero de reparaciones en campo.

3.3. Aseguramiento de la Calidad

ElAseguramiento de Calidadse puede definir como todas las acciones nece-sarias para garantizar que se cumplirn todos los requisitos de calidad. Es el esfuerzototal que un fabricante hace para garantizar que su producto es conforme a un con-

junto detallado de especificaciones y normas. Mientras queControl de Calidadesel 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

Identificar todos los materiales y las variables del proceso que pueden sercontroladas

El aumento de la competencia global ha hecho que el aseguramiento de la ca-

lidad sea cada vez ms importante. La calidad abarca ahora todas las fases delciclo del producto (diseo, produccin, montaje, venta, servicio post-venta,. . . ). Elaseguramiento de la calidad requiere evaluar tanto el producto como la satisfaccindel cliente. La suma de todas las actividades se denomina Total Quality Mana-gement(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 traba-

jadores con el objeto de mejorar y mantener al calidad del producto en todoslos pasos de proceso de fabricacin


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3.4. Ingeniera de calidad como filosofa 27

3.4. Ingeniera de calidad como filosofa

Algunos expertos en control de calidad han descrito su propio concepto de ca-lidad estableciendo como unos primeros principios de los cuales derivan todas laselaboraciones prcticas que presentan sus sistemas de calidad. Entre estos expertoscabe destacar Deming, Juran y Taguchi por el impacto que han tenido y siguenteniendo en la industria actual.

3.4.1. Mtodos de Deming

W.E.Deming (1900-1993) es famoso por las conferencias que imparti a empre-sarios japoneses despus de la 2da guerra mundial, y a l se atribuye el despegueindustrial de Japn. Posteriormente es recordado por sus 14 puntos por los cualesidentifica a la fbrica que produce productos de alta cualidad.

1. Crear un ambiente de constancia en el propsito de mejorar la calidad de losproductos y servicios

2. Adoptar la nueva filosofa3. 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 deprecios

5. Mejorar constantemente y siempre el sistema de produccin y servicio, paramejorar 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 efectivamente9. Romper las barreras entre departamentos

10. Eliminar slogans, exhortaciones, y objetivos para el cero defectos y los nuevosniveles de productividad

11. Eliminar las cuotas de produccin y la direccin por nmeros, objetivos nu-mricos. 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 trans-formacin


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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 altadireccin

Fomentar una cultura corporativa de responsabilidad

Entrenar a todo el personal en planificar, controlar y mejorar la calidad

Su libro Manual de Control de Calidad en dos tomos es ampliamente uti-lizado en la industria y ha sido la base para el establecimiento de la normas decalidad 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 involucradosen un proceso o operacin y sus interacciones son estudiadas simultneamen-te. Esto se realiza mediante un anlisis factorial y con el uso de vectoresortogonales, de forma similar a como lo hace el Diseo de Experimentos.

Entre los conceptos aportados por Taguchi se encuentran a robustez y la funcinde 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 imprede-cibles).

Funcin de Prdida de Taguchi

Se define prdida de calidad como la prdida financiera de la compaa despusde 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 elcampo

Disminuye la credibilidad del fabricante en el mercado

El fabricante pierde la fraccin del mercado, al menos eventualmente.


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3.5. Normalizacin 29

En la contabilidad tradicional, una pieza es defectuosa y por lo tanto incurre enuna prdida econmica si est fuera de tolerancia de diseo, si no, no hay prdidapara la compaa. Sin embargo, para Taguchi, la desviacin respecto al objetivo dediseo ya constituye un prdida de calidad por insatisfaccin del cliente.

Si Y es el valor medio de la fabricacin, Tes el valor objetivo de diseo, s es

la desviacin tpica, la funcin de prdida se puede representar como una parbolacon vrtice en la funcin objetivo y 0 perdida de calidad, y en sus extremos (enel Lmite de Control Inferior (LCI) y en el Limite de Control Superior )LCS)) detolerancia de diseo adquiere el valor de sustitucin de una pieza:

Coste de prdida= k

(Y T)2 + s2 (3.1)con lo que la constante k de la parbola tiene un valor de:

k=Coste de sustitucin

(LCI T)2 (3.2)

3.5. Normalizacin

Las caractersticas del mercado global han creado la necesidad de establecer unahomogeneidad internacional mediante consenso de unos mtodos para el estableci-miento de la calidad, fiabilidad y seguridad de los productos.

3.6. Normativa de la ISO 9000

La serie ISO 9000 incluye las siguientes normas:

ISO 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 enla instalacin

ISO 9003 Modelo para el aseguramiento de la calidad en la inspeccin final yen los ensayos

ISO 9004 Gestin de la Calidad y elementos de un sistema de calidad: Lneasde actuacin

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. Lasactividades que regula pueden ser internas o externas a la compaa.


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Las actividades que regula esta norma abarcan desde la produccin hasta laretirada de servicio del producto, e incluye los efectos sobre el entorno que producenestas 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.


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Captulo4

Introduccin a los procesos demecanizado

4.1. Introduccin histrica

Las tcnicas de corte de metales han sufrido una notable evolucin hasta llegara las mquinas herramienta de control numrico de nuestros das, que son capacesde llevar a cabo operaciones de corte complicadas mediante la ejecucin de unprograma. El desarrollo de estos procesos ha venido marcado por factores talescomo la obtencin de mecanismos capaces de articular el movimiento de corte,la aparicin de mquinas de generacin de energa como la mquina de vapor, laimplantacin 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 compo-

nentes se remonta a la Prehistoria. Los primeros materiales que fueron conformadospor arranque de material fueron la piedra y la madera. Existen evidencias arqueo-lgicas de que los egipcios emplearon mecanismos rotatorios formados por palos ycuerdas para realizar taladros.

Posteriormente se trataron de aplicar los procesos que se haban desarrolladopara el corte de materiales como la madera, para la conformacin de piezas metli-cas. 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 accio-namiento mediante una manivela. Durante esta poca se produjeron avances como

el diseo de un torno para roscar por Leonardo da Vinci, la construccin de unamquina cepilladora en 1550 por Marx Lobsinger, la introduccin del contrapunto

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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 deun torno con carro porta-herramientas conocido como torno de Vaucason en 1760.

Algunos autores consideran que la primera mquina herramienta fue la mandri-nadora de John Wilkinson, construida alrededor de 1774. La energa consumida poresta mquina perforadora era suministrada por medio de un accionamiento hidru-

lico 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 superficie interiordel cilindro presentara la precisin suficiente para que el vapor no se escapase porel lateral del pistn. Hasta que apareci la mquina mandrinadora de John Wilkin-son no existan mtodos adecuados para obtener tolerancias tan estrechas como lasrequeridas para la mquina de vapor de James Watt.

Despus de los diseos elaborados por Leonardo da Vinci en el siglo XV y Bes-son en 1569, Henry Maudsley desarroll el primer torno cortador de tornillos enInglaterra alrededor de 1800. Algunos autores consideran que la primera mquinacepilladora fue la construida por Roberts en 1817, pero en realidad esta catego-ra corresponde a la mquina fabricada por Bramah en 1802. La primera mquinafresadora 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 pri-mera mquina limadora.

El primer torno automtico fue construido por Shipe en 1842. La mquina devapor permiti automatizar el movimiento de avance de la herramienta, haciendoposible efectuar las operaciones de roscado con una precisin mucho mayor. En 1846James Nasmyth construy una mquina de taladrar que hizo posible la ejecucinde agujeros de gran precisin y en 1851 Cocquilhat public el primer trabajo cien-tfico sobre el corte de metales, estableciendo las primeras relaciones entre energaconsumida y material separado en el taladrado. En 1860 Moseley fabric la pri-mera rectificadora cilndrica y Joesel llev a cabo las primeras experiencias sobrevelocidades de corte y ngulos de filo recomendables para procesos de mecaniza-do, basndose en la relacin entre la cantidad de material separado y la energa

absorbida.En 1861 la firma Brown y Sharpe construy la primera fresadora universal.

En 1871 se empezaron a utilizar herramientas de acero aleado y en 1891 Achesondescubri el primer abrasivo artificial, el carburo de silicio. Despus de los primerosestudios sobre formacin de la viruta, realizados por Time en 1870, y los estudiossobre la formacin de la viruta como un proceso de deformacin plstica, as como lainfluencia de los lubricantes, llevados a cabo por Malloch en 1881, en 1893 Zovrykinefectu 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 carga-dor automtico de piezas. La primera brochadora fue construida en 1899 por Smithy Coventry. En 1898 Taylor y White fabricaron las primeras herramientas de acerorpido 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 cuttingmetals y en 1925 Schlesinger llev a cabo la medicin de las fuerzas de corte y


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4.2. Introduccin 33

estableci normas para la verificacin de mquinas-herramienta. Un ao despus,en 1926, Hebert demostr que la formacin de la viruta est unida a un proceso decizallamiento.

En 1930 la firma alemana Krupp comenz a fabricar herramientas de metal du-ro o carburo sinterizado. Estas herramientas estaban constituidas por carburo de

tungsteno o compuestos similares que no se encuentran directamente en la natu-raleza sino que se obtienen por metalurgia de polvos. El carburo de tungsteno fuefabricado por primera vez a finales del siglo XIX por el francs Henri Moissan, perosu importancia tecnolgica no fue apreciada hasta dos dcadas despus.

En 1940 se estableci la teora de Ernst y Merchant sobre el corte de los metalesy 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 influido considerablemente en el desarrollo de losprocesos de mecanizado ha sido la aparicin de nuevos materiales para herramientascapaces de elevar la velocidad de corte y trabajar con materiales de propiedadesmecnicas ms exigentes. En 1955 se empezaron a utilizar las primeras herramientascon recubrimiento cermico. La mayora de mquinas herramienta convencionalesempleadas hoy en da responden al mismo diseo bsico de las versiones antiguasdesarrolladas durante los dos ltimos siglos. El desarrollo del ordenador permitila construccin de mquinas herramienta de control numrico y en los aos 50 sedesarrollaron los centros de mecanizado, mquinas herramienta de control numricocapaces de realizar varias operaciones de corte.

La aparicin de nuevos materiales de mayor dureza y resistencia hace necesarioel empleo de procesos de mecanizado no convencional. Estos procesos comprenden,entre otros, el mecanizado por electroerosin, mecanizado ultrasnico y corte porchorro abrasivo, y permiten a su vez la obtencin de geometras complejas para lascuales no se pueden emplear los procesos de mecanizado convencional tales como eltorneado, taladrado o fresado.

En la actualidad los procesos de mecanizado en general estn siendo sometidosa un estudio exhaustivo de caractersticas tales como las fuerzas de corte y ma-

teriales para herramienta que permitan mejorar la productividad del proceso sinperjudicar el acabado de las superficies mecanizadas, determinar la influencia delas fuerzas de corte en las vibraciones de las mquinas herramienta y establecer larelacin existente entre los mecanismos de desgaste de la herramienta y las condi-ciones de corte, as como disear herramientas que permitan reducir las toleranciasdimensionales y mejorar las condiciones de mecanizado de materiales de elevadaspropiedades 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 geometrafinal, y el material sobrante es arrancado en forma de virutas. La cantidad de desecho


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va desde un pequeo porcentaje hasta un 70-90% de la pieza original.Comparando este tipo de fabricacin con otros mtodos para conseguir la geo-

metra final 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 propiedadesmecnicas

Se consigue texturas superficiales convenientes para los distintos diseos

Son procesos fciles de automatizar siendo muy flexibles

Requiere poco tiempo de preparacin

Poca variedad de herramientas

Por otra parte, tambin tiene desventajas respecto a los otros procesos de fabri-cacin, sobretodo respecto a los de conformado por deformacin plstica y los defundicin:

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 superficies

El principio de generacin de superficies en este tipo de procesos es el bidimen-sional, ya que la geometra de la herramienta slo posee informacin de un punto oelemento de superficie de la geometra final. Esto tiene como ventaja la flexibilidadpara generar mucha variedad de superficies con la misma herramienta. Para gene-rar la superficie se requieren al menos dos movimientos relativos entre la pieza y laherramienta.

La geometra de la pieza final se origina mediante la combinacin de dos ele-mentos: La geometra de la herramienta, y el patrn de movimientos relativos entre

la pieza y la herramienta. Las mquinas herramienta son las encargadas de generaresos movimientos relativos aportando la energa necesaria al proceso.


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4.4. Formacin de viruta 35

De los dos movimientos relativos mnimos para generar la superficie, suele haberuno que es el que consume la mayor parte de la potencia de la mquina. Este movi-miento se le suele denominar movimiento primario o de corte. El otro movimientose usa combinado con el movimiento de corte para ayudarle a eliminar el materialsobrante, este movimiento es llamado movimiento de avance.

Estos movimientos pueden ser a su vez lineales o circulares, pueden llevarlos laherramienta o las piezas indistintamente. Esto hace que haya mucha variedad demquinas herramientas para generar las superficies: A modo de ejemplo veamoscmo se combinan estas variables en las mquinas herramientas ms usuales:

Herramienta Mov. Tipo mov. PortadorLimadora Mc Lineal Herramienta

Ma Lineal PiezaCepilladora Mc Lineal Pieza

Ma Lineal HerramientaTorno Mc Circular Pieza

Ma Lineal HerramientaFresadora Mc Circular Herramienta

Ma Lineal PiezaTaladradora 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 esun diedro que desliza sobre la superficie que est generando. Esta superficie est unpoco por debajo de la superficie de la pieza original, de forma que su movimientoprovoca el desprendimiento de la viruta del material base. La interseccin de losdos planos del diedro es una recta que es el filo Sde la herramienta. Las dos carasde este diedro son:

Cara de incidencia o flanco de la herramienta A, que es el plano ms cercanoa la superficie generada

Cara de desprendimiento Aque es el plano por el que desliza la viruta

Esta herramienta desliza sobre la superficie con una velocidad vc que es la ve-locidad de corte, se puede definir como la velocidad instantnea del movimiento decorte respecto la pieza y suele medirse en m/min.

Si esta velocidad es perpendicular al filo, se dice que el corte es ortogonal, en otrocaso se dice que el corte es oblicuo. El corte ortogonal es ms sencillo de estudiar queel corte oblicuo ya que se presenta un estado de deformacin plana. La superficiegenerada por encima de la cual se elimina el material por la cara de desprendimiento

es el plano de filo Psy viene definido por el filoSy la velocidad de corte.Otras definiciones de conceptos importantes son:


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Avance: Es el movimiento que agregado al de corte conduce a la elimina-cin 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 perpen-dicular al filo y en un plano perpendicular al corte.

Espesor de viruta deformado ao: Es el espesor de viruta medido despus delcorte.

Relacin de corte rc: es el cociente entre el espesor de viruta no deformado yel espesor de viruta deformado. rc =

acao

ac por lo que rc < 1 siempre

La cara de la viruta que ha estado en contacto con A es lisa y brillantemientras 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 deformacinplstica que ocurre en una franja estrecha llamada plano de cizalladura. El materialdeformado desliza sobre la cara de desprendimiento venciendo fuerzas de rozamientoelevadas.

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 abase de pequeas fracturas del material base.


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4.5. Geometra de corte 37

Viruta con protuberancias o corte con recrecimiento de filo: se produce enmateriales muy dctiles, o a velocidades de corte bajas. Cuando la friccinentre la viruta y la herramienta es muy alta, se produce una adhesin muyfuerte entre el material de la viruta y la superficie de la herramienta, con lo quela viruta empieza a deslizar, no directamente sobre la cara de desprendimiento

sino sobre material adherido sobre ella. Este filo recrecido puede llegar a untamao en el cual se desprenda el material adherido sobre la pieza o sobre laviruta dejando en todo caso un acabado superficial muy deficiente.

Viruta continua: Es el rgimen normal de corte y es el que mejor acabadosuperficial deja.

Hay materials que pueden presentar los tres regmenes de corte citados depen-diendo 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 larecomendacin ISO/DIS 3002. Esta norma establece un sistema de planos a partirde los cuales se van a definir los ngulos de corte.

La norma distingue entre geometra herramienta en mano y geometra herra-mienta en uso. El primer sistema se usa con fines de fabricacin y afilado de herra-mientas, mientras que el segundo se define cuando la herramienta est realmentecortando. Esta es una forma de tener en cuenta los efectos de los grandes avances ylos posicionamientos de las herramientas en las mquinas distintos de los estnda-res. Lo nico que puede distinguir un sistema de otro es la direccin de la velocidadresultante y la direccin de la sujecin en el montaje.

De este modo en un punto del filo O de la herramienta se puede definir unsistema de ejes cartesianos en el cual el eje OXsea la direccin del la sujecin de

la herramienta (en el caso del torno, la direccin del vstago) y como eje OY comoel de la velocidad de corte. El eje OZ se obtendr de los dos anteriores y suelecoincidir con el el eje Zdel sistema de la mquina herramienta. Tanto el eje OXcomo el eje OZ son positivos en el sentido en el que la herramienta se aleja de lapieza. Este sistema de coordenadas es intrnseco a la mquina herramienta que esla que produce los movimientos relativos entre pieza y herramienta( eje OY), y laque sujeta la herramienta (eje OX). Con esta construccin se definen los siguientesplanos herramienta en mano:

Plano de referenciaPr: es el plano X OZy es el que fsicamente representa elplano perpendicular a la velocidad de corte

Plano de trabajo Pf: contiene al eje OYy el movimiento de avance terico.(En el cilindrado es el plano Y OZy en el refrentadoY OX)


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Vstago

Eje de laherramienta

Flanco principal

Filo principal

Cara

Filosecundario

Flancosecundario

Punta de laherramienta

Figura 4.1: Nomenclatura en una herramienta de torneado

Plano longitudinal PL: Es el plano perpendicular a los dos anteriores. Encondiciones normales (lavccoincide con el ejeOY) contendra a la velocidadde corte y sera perpendicular al avance.

Junto a los planos anteriores se definen otros planos que tienen en cuenta lageometra de la herramienta, llamados planos de situacin:

Plano de filo Ps: Es el plano que contiene al filo Sy a la velocidad de cortevc. Por contener a vc este plano es perpendicular a Pr.

Plano normal Pn: el plano normal al filo S.

Cara de desprendimientoA: es la cara de la herramienta por la que desliza

el material situado por encima del plano de filo.Cara de incidencia A: es la cara de la herramienta ms cercana al plano delfilo.

Los tres ltimos planos son intrnsecos a la geometra de la herramienta y sonindependientes de su posicin en la mquina herramienta.

Con este sistema de planos ya se pueden definir los ngulos de corte. Estos serepresentan con una letra griega y un subndice que indica el plano sobre el cual semiden.

En el plano normal Pn se definen los siguientes ngulos:

ngulo de desprendimiento n: es el que forman Ay Pr

ngulo de incidencian: es el que forma A y Ps


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4.5. Geometra de corte 39

X

Z

Y

O

Pr

PfPl

Figura 4.2: Definicin de planos en una herramienta de torneado

n

n

n

r

r

s

Ps

Ps

Pn

Pn

Pf

Pr

Pr

A

A

Figura 4.3: Geometra en una operacin de cilindrado


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s

Pf

Pr

Pr

S

v

Figura 4.4: Geometra en una operacin de fresado frontal

ngulo de filo n: es el que forma A y A y es complementario a los dosanteriores

En el Plano de referencia Pr se mide el ngulo de posicin de filo principal r

que es el ngulo que hay entre Ps y Pf, medido sobre el Pr.En el Plano de filo Ps se define el ngulo de inclinacin de filo s que es el

formado entreSy Pr. Si s= 0el corte es ortogonal.

Cuando la herramienta termina en punta, suelen intervenir dos filos en el corte.El principal, que es el que mayor parte de carga lleva, y el secundario. Las magni-tudes referidas al filo secundario se denominan colocando un smbolo despus delsmbolo. As se denomina r, . . .

Esta geometra puede cambiar en las condiciones de uso debido a la influenciade los avances o la desviacin en el posicionamiento de la herramienta. En estecaso se definen las mismas magnitudes aadiendo el subndice e a las magnitudesdefinidas anteriormente: ne, re, se, etc. La traslacin de un sistema a otro se

realiza mediante clculos geomtricos, a partir del nuevo posicionamiento del ejeOY en lnea con la velocidad.


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4.6. Fuerzas de corte 41

4.5.1. Influencia de los ngulos de corte en el funcionamiento

Si el ngulo de desprendimiento ne es grande las fuerzas de corte disminuyenpues el material se deforma menos plsticamente y la herramienta se desgasta muchoen 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 incidencianees grande la herramienta puede fracturar su puntadebido a las altas fuerzas de corte, pero cuanto ms pequeo sea mayor desgastesufrir la punta aumentando las prdidas por rozamiento de la herramienta con lasuperficie de la pieza.

El ngulo de inclinacin de filo se influye en la direccin de la viruta en susalida por la cara de desprendimiento. Toma valores positivos cuando echa la virutafuera de la pieza. Y toma valores negativos cuando tiende a hacer chocar la virutade nuevo con la pieza. Cuando se mecanizan materiales duros y frgiles se usanse< 0.

Un ngulo de posicin de filo re distinto de 90 permite un mejor aprovecha-miento de la longitud de filo sobre todo cuando se tiene limitada la profundidad de

pasada. Tambin se usa para evitar fuerzas de impacto al inicio del corte, suavizandola 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 esun factor econmico importante habitualmente, es necesario su conocimiento paraser capaces de estimar la cantidad de potencia necesaria para realizar la operacindebido a las limitaciones impuestas por la mquina disponible. La capacidad deestimar 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 enel menor nmero de pasadas posible. Por otra parte, las fuerzas de corte tambinintervienen en fenmenos como el calentamiento de la pieza y la herramienta, eldesgaste de la herramienta, la calidad superficial y dimensional de la pieza, el diseodel amarre y utillajes necesarios, etc.

La interaccin entre la herramienta, la viruta y la pieza, se traduce en unaserie de presiones sobre la superficie de la herramienta. Este sistema de fuerzas ypresiones se puede reducir a una fuerza resultante F. El momento resultante sepuede 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, unaen la direccin de la velocidad de corte que ser la fuerza de corte Fc, y la otra enla 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 lade mantener la posicin del filo de la herramienta en el plano el filo Ps.


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4.6.1. Energa especfica de corte

Se define la energa especfica de corte ps como la energa necesaria para remo-ver una unidad de volumen de material. Este valor relaciona la potencia Pm y lavelocidad de arranque de material Zw.

ps= Em

V = E

m/tV /t

= Pm

Zw(4.1)

Si se tiene el valor de ps junto con el valor de la potencia disponible en lamquina, se puede calcular la tasa de arranque mxima de la operacin, o sea, elvolumen mximo de material que se puede arrancar por unidad de tiempo. Esta tasade arranque tiene unidades de caudal, y se puede calcular integrando el productoescalar del rea de barrido por la velocidad de barrido. De modo simplificado sepuede usar el rea de corte o el rea de avance para su clculo. Siendo el rea decorteAcel rea barrida por la herramienta perpendicular a la velocidad de corte, yel rea de avanceAfel rea barrida por la herramienta perpendicular a la velocidadde 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

corteAc, por lo que tambin se le suele llamar fuerza especfica de corte Ks.

ps =PmZw

= Fc vAc v =

FcAc

(4.3)

Los experimentos pueden decir cmo vara ps con las condiciones de corte. Enconcreto, se va a estudiar el efecto de la velocidad de corte y del espesor de virutasobre el valor deps.

A velocidades bajas, la energa especfica de corte es muy alta, disminuyendoconforme aumenta la velocidad hasta un valor a partir del cual pspermanece cons-

tante. Esto se debe al recrecimiento de filo que aparece a bajas velocidades de cortey cuando la friccin es alta. Normalmente se debe trabajar en el tramo en el que pses constante ya que tambin es la ms econmica.

psdisminuye al aumentarac, muchos fabricantes de herramientas proporcionanuna expresin de esta variacin. El aumento de ps al disminuirac se debe al efectode tamao, ya que las fuerzas de friccin en la cara de incidencia y aplastamientode la punta redondeada representan un porcentaje mayor en la energa consumidaal disminuirac.

4.6.2. Fuerzas de friccin

La friccin en las operaciones de mecanizado tiene ciertas peculiaridades que ha-

cen 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 superficies metlicas:


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4.6. Fuerzas de corte 43

Contacto dbil.

Las superficies metlicas en estado normal tienen una capa de xido que re-cubre los tomos metlicos, esta capa tiene la funcin de proteger el metal deposteriores oxidaciones. La tensin de cizallamiento entre capas de xido esmuy bajo, con lo que si adems la presin normal es pequea, el bajo valor

del rea de contacto real har que el el coeficiente de rozamiento del orden de= 0,1para los aceros.

Contacto con microsoldaduras.

Cuando entre dos superficies metlicas rugosas, la presin normal es algoelevada, 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 superficie, se forma una uninmetlica interatmica, hay coalescencia entre los dos materiales. Al fin y alcabo la soldadura ocurre entre las dos superficies a nivel microscpico. Lassuperficies soldadas son la de los picos de las asperezas, que suman el reareal de contacto Ar, que es menor que el rea aparente de contacto Aa que

se observa macroscpicamente. Para conseguir deslizar una superficie sobre laotra se han de cizallar las micro soldaduras las cuales tienen una tensin deresistencia a la cizalladura de sl, de forma que la fuerza de rozamiento totalser:

FR=i

Ai sl = Ar sl (4.4)

Por otra parte se sabe que en superficies con distribuciones alturas de aspe-rezas gaussiana y para cargas ligeras,Ar es proporcional a la presin normalaplicada, que en un rea determinada ser la fuerza normal FN, con lo que:

Ar =C FN (4.5)

FR= sl Ar=sl C FN =FN (4.6)

con lo que se cumple la ley de la friccin de Coulomb de proporcionalidadentreFRy FN, siendo el coeficiente de rozamiento.

Contacto pleno.

Cuando las fuerzas de contacto son muy elevadas la proporcionalidad empiezaa fallar hasta que el contacto entre las superficies 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.


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En el deslizamiento de la viruta sobre la cara de desprendimiento, las superficiesestn libres de capas de xidos, ya que la de la viruta est recin creada y no hatenido contacto con el aire ni con nada sino con la cara de la herramienta, y la carade desprendimiento ha estado rozando anteriormente con viruta ya desprendidaque 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 tensinde fluencia de la pieza, por lo que el contacto entre superficies ser pleno.

Esto explica lo observado en los experimentos:

La fuerza de rozamiento es independiente de ne

Al aumentarnedisminuye la fuerza de corte pero no la fuerza de rozamiento.Por otro lado, aumenta la velocidad de deslizamiento de la viruta sobre laherramienta aumentando de manera considerable el calentamiento y desgastede la herramienta.

La fuerza de rozamiento es menor cuanto ms disimilares sean los materialesde 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 alcanzadasdurante el mecanizado. La potencia consumida en el corte se invierte en la deforma-cin plstica de la viruta y en los distintos rozamientos. Estos trabajos se conviertenen calor que se invierte en aumentar las temperaturas de la viruta, la herramien-ta y la pieza de trabajo. La herramienta pierde resistencia conforme aumenta sutemperatura, aumentando su desgaste y por lo tanto disminuyendo su vida til.Por otro lado, un calentamiento excesivo de la pieza de trabajo puede variar laspropiedades del material debido a cambios microestructurales por efectos trmicos,

tambin puede afectar a la precisin del mecanizado al estar mecanizando una piezadilatada que a temperatura ambiente se puede contraer.

Aunque no se va a estudiar a fondo el fenmeno t

Apuntes de Tecnología de Fabricación

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