Resumen de Fabricaión Aeroespacial

Resumen de Fabricaión Aeroespacial
Agustı́n de Gabriel Puentes
*
15 de junio de 2014
*
Basados en los apuntes y diapositivas de Fabricación Aeroespacial de la ETSIAE
1
Índice
1
NOTA
4
2
Mecanizado
2.1 Caracterı́sticas . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2 Mecanizado de alta velocidad . . . . . . . .
2.3 Elementos de una operación de mecanizado
2.3.1 Pieza . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3.2 Herramienta . . . . . . . . . . . . .
2.4 MOVIMIENTO RELATIVO . . . . . . . .
2.5 Clasificación de Máquina Herramienta . . .
2.6 Descripciones Breves . . . . . . . . . . . . .
2.6.1 Torno . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.6.2 Taladro . . . . . . . . . . . . . . . .
2.6.3 Fresado . . . . . . . . . . . . . . . .
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4
4
4
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5
5
5
6
6
7
7
Tolerancias
3.1 Tipos de ajuste . . . . . .
3.2 Tolerancias Geométricas .
3.3 Operaciones con cotas . .
3.3.1 Worst Case . . . .
3.3.2 Root Sum Squares
3
4
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Soldadura
4.1 Oxigás . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2 Eléctrica Por Arco . . . . . . . . . . . . .
4.2.1 Convencional . . . . . . . . . . . .
4.2.2 Sumergido . . . . . . . . . . . . . .
4.2.3 Tungsten Inert Gaswelding (TIG)
4.2.4 Metal Inert Gaswelding (MIG) . .
4.2.5 TIG vs MIG . . . . . . . . . . . .
4.3 Resistencia . . . . . . . . . . . . . . . . .
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19
21
23
23
5
Acabado Superficial
25
5.1 Parámetros y Elementos Geométricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
6
Metrologı́a
28
6.1 Tolerancia e Incertidumbre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
7
Fundición
7.1 Proceso General de Fundición . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.2 Materiales Empleados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.3 Diseño Dimensional de Modelos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
30
30
31
32
7.4
7.5
7.6
7.7
7.8
7.9
8
Sistema de distribución, alimentación y control térmico
Clasificación general de Procesos de moldeo . . . . . . .
Moldeo en Arena . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.6.1 Caracterı́sticas del Moldeo en Arena . . . . . . .
Moldeo en Cáscara . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.7.1 Caracterı́sticas del Moldeo en Cáscara . . . . . .
Moldeo a la Cera Perdida . . . . . . . . . . . . . . . . .
Moldeo en Coquilla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.9.1 Caracterı́sticas del Moldeo en Coquilla . . . . . .
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42
42
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44
44
Procesos de Deformación Plástica
9.1 Comportamiento Plástico de los Materiales . . . . .
9.2 Deformación Homogénea . . . . . . . . . . . . . . . .
9.3 Análisis Local de Tensiones . . . . . . . . . . . . . .
9.4 Análisis mediante campos de lı́neas de deslizamiento
9.5 Análisis Lı́mite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.6 Procesos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.6.1 Laminado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.6.2 Forja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.6.3 Extrusión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.6.4 Conformado Superplástico . . . . . . . . . . .
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57
10 Resolución de Problemas
10.1 Problemas de Mecanizado . . . . . . . . . . . . . . .
10.2 Problemas de Tolerancias . . . . . . . . . . . . . . .
10.3 Problemas de Acabado Superficial . . . . . . . . . .
10.4 Problemas de Metrologı́a . . . . . . . . . . . . . . . .
10.5 Problemas de Conformado por deformación plástica
10.5.1 Bloques Rı́gidos . . . . . . . . . . . . . . . .
10.5.2 Lı́neas de Campo . . . . . . . . . . . . . . . .
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58
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60
60
60
60
61
9
Sinterización
8.1 Obtención de Polvos . . . . . . . . . . .
8.1.1 Procesos Mecánicos . . . . . . .
8.1.2 Procedimientos Fı́sico-Quı́micos .
8.2 Desgasificación . . . . . . . . . . . . . .
8.3 Consolidación . . . . . . . . . . . . . . .
8.4 Sinterizado . . . . . . . . . . . . . . . .
8.4.1 Sinterizado Sin Presión . . . . .
8.4.2 Sinterizado Con Presión . . . . .
8.5 Operaciones de Acabado . . . . . . . . .
8.6 Aplicaciones . . . . . . . . . . . . . . . .
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3
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1. NOTA
Se hace saber de antemano que estos apuntes están sacados de las diapositivas proporcionadas por los profesores, y el libro de fabricación aeroespacial. Por lo tanto pueden
existir errores de transcripción y, en menor medida de conceptos.
2. Mecanizado
El mecanizado consiste en la obtención de la geometrı́a de una pieza final (su forma)
mediante la eliminación de materia.Existen dos tipos de mecanizado:
Mecanizado Convencional: Aquel que elimina materia mediante el movimiento relativo Pieza/Herramienta
Mecanizado No Convencional: Aquel que elimina materia con otros medios (Quı́micos,
2.1. Caracterı́sticas
El mecanizado se caracteriza por su versatilidad, la capacidad para alcanzar tolerancias estrechas, un coste bajo en comparación con otros procesos , , automatizado
y de alta velocidad, con una gran difusión, de aplicación en la industria Aeroespacial.
2.2. Mecanizado de alta velocidad
Sustituyen pocas pasadas lentas de gran profundidad por muchas, rápidas y de poca
profundidad. el movimiento principal lo lleva la herramienta y se alcanzan grandı́simas
velocidades de corte y avance. Las herramientas menos adecuadas para este proceso
serı́an las de aleación de base niquel porque tienen velocidades de limitación por desgaste bajas.
Las principales ventajas de estos procesos son las reducciones (↓) de tiempo, tensiones de la pieza y calentamiento de la pieza, la mejora del acabado superficial y
posibilidad de uso de herramientas de menor tamaño (micromecanizado).
2.3. Elementos de una operación de mecanizado
Pieza: Elemento que sufre la eliminación de material
Herramienta: Elemento conformador de alta dureza y que sufre un gran calentamiento.
Máquina Herramienta: Conjunto de dispositivos que posibilitan el mecanizado (utillaje)
Control: Elemento que controla la ejecución de la operación.
4
2.3.1.
Pieza
La pieza se compone de un material cuya composición quı́mica, estructura y comportamiento térmico definen su maquinabilidad, mientras que es la geometrı́a que se
desea obtener (tamaño, tolerancias, acabado superficial,...) la que define el proceso a
usar.
En la Industria Aeroespacial, se utilizan Aceros → grandes dimensiones, Aleaciones Termoresistentes → complejidad geométrica y Aleaciones ligeras → tolerancias estrechas
2.3.2.
Herramienta
La herramienta utilizada en un proceso de mecanizado se caracteriza por tener una
arista que penetra en el material con un ángulo de incidencia α. las herramientas pueden
ser monofilo o multifilo, y de un material u otro dependiendo del proceso a realizar (se
hablará más tarde de este tema).
2.4. MOVIMIENTO RELATIVO
Responsable de
Caracterı́stica
Parámetro
Sı́mbolo
Principal
Eliminar Material
Consume la potencia
del proceso
Velocidad de corte
v (m/min)
Avance
Arranque continuo
de material
Marca la trayectoria
de la herramienta
a) Avance b) Velocidad de avance
a) f (mm) b)vf
(mm/min)
Penetración
Cantidad eliminada
Posiciona pieza y
herr-amienta
Profundidad de pasada
aP (mm)
2.5. Clasificación de Máquina Herramienta
Pieza
Rotación
Herramienta
Máquina Herramienta
Torno [Monofilo (1)]
Taladro [Multifilo(2)]
Fresadora (2)
Mandrinadora (1)
Rectificadora (2)
Herramienta
Limadora (1)
Mortajadora (1)
Brochadora (2)
Pieza
Cepillo (1)
Traslación
0
En esta sección es recomendable que se miren las diapositivas para ver las fotografias y esquemas de
cada uno de las máquinas
5
2.6. Descripciones Breves
Mandrinadora: Equivalente a la fresadora pero con monofilo, normalmente con eje
horizontal, capaz de realizar multiples agujeros coaxiales.[Video Mandrinadora]
Rectificadora: Utiliza una muela (herramienta “multifilo” que consiste en granos
de elemento abrasivo unidos por aglutinante) para producir acabados [Video Rectificadora]
Limadora: Permite mecanizado de superficies planas o de ranuras en una dirección
paralela al desplazamiento de la herramienta monofilo [Video Limadora]
Mortajadora: Limadora de eje vertical (monofilo) [Video Mortajadora]
Brochadora: Uso de herramienta multifilo para el mecanizado de ranuras de forma
[Video Brochadora]
Cepillo: Similar a la limadora pero con movimiento de la pieza (util para piezas de
mayor tamaño. [Video Cepillo]
2.6.1.
Torno
El Torneado es el conjunto de operaciones realizadas en el torno, que como se ve
en el esquema anterior su movimiento proncipal es de rotación y genera geometrı́as de
revolución Las principales operaciones que se pueden realizar con el torno son:
(Nomenclatura: N = velocidad angular, D = diámtero , AC = sección de viruta indeformada,b =ancho
de corte,FC = Fuerza de corte, tm tiempo de mecanizado, le/s = longitud de entrada/salida, l = longitud a cilindrar, kr = ángulo de posición, aP =profundidad de pasada
[mm], ks = Presión de corte [MPa], v = Velocidad de corte [m/s],f = avance [mm/rev])
Cilindrado: Transformar la pieza en un cilindro
ż = Ac v = f aP v = baC v
v=
πN D
1000
Vf = f N
Ẇ = FC v = ks AC v
tm =
le +l+aP cot kr +ls
fN
Refrentado: Recortar la pieza
ż = Ac v = f aP = baC v
V =
πN D
1000
Vf = f N
Ẇ = FC v = ks AC v
tm =
D −D i
f
le +
+aP cot kr +ls
2
fN
6
Roscado: Generar una rosca en la pieza
Cajeado (Tronzado o de forma): Generar una rendija en la pieza
Taladrado: Agujerear la pieza
Moleteado: Otorgar a la pieza un motivo o estampado superficial.
2.6.2.
Taladro
El taladro es una herramienta multifilo con velocidad variable en la arista de corte,
sección de viruta constante, y capaz de cumplir tolerancias dimensionales de posición y
orientación Las operaciones que se pueden llevar a cabo con un taladro son: (Nomenclatura: nf = número de filos)
Taladro con broca: hacer un agujero
D
AC = bac nf = fz nf D
2 =f 2
2
ż = π D4 f N = baC nf v
v=
πN D
1000
Vf = f N
Ẇ = FC v = Ks AC v
tm =
le +l+ D
cot kr +ls
2
fN
Escariado: realizar un preparado superficial de un agujero (entrar en tolerancias)
Avellanado: ampliar la sección superficial de un agujero (normalmente para alojar
la cabeza de un tornillo o tureca)
Roscado: para alojar tornillos
Mandrinado: Preparado superficial del agujero o ampliación del mismo.
2.6.3.
Fresado
El fresado es un proceso de mecanizado con una herramienta multifilo, sección de
viruta variable, fuerza de corte y potencia variable y corte intermitente. Las principales
operaciones de fresado son:
Planificado: Convertir una superficie en plana
Escalonamientos rectos o inclinados
Ranurado: Crear una ranura
Ranurado en T: Crear una ranura con anchos diferentes
Recanteado: ajustar las tolerancias de un canto saliente
7
Chaflanado: Hacer un chaflán
Perfilado: crear una superficie en concreto definida previamente
Para todas las operaciones existen dos tipos de opiciones de fresado:
Cilı́ndrico: Con la herramienta en “vertical” sobre la pieza (Izquierda)
ż = f N baP
vf = N f
Ẇ = ks baP f N v
√
le +l+2 aP (D−aP )+ls
tm =
fN
En oposición: aleja la pieza de la herramienta (como sale en la figura si el giro
es en sentido antihorario)
En concordancia: arrastra la pieza hacia la herramienta (si en la figura derecha
girase en sentido horario, aunque en la figura no se pudiese mecanizar)
Vibraciones
Sujecciones
Concordancia
Peor (↓)
Mejor (↑)
Oposición
Mejor(↑)
Peor (↓)
Frontal: (Derecha) con la herramienta “tumbada” sobre la pieza (Nomenclatura:
w = ancho de la pieza que esta siendo fresado
ż = waP f N
vf = N f
Ẇ = ks ż
tm =
le +l+D+ls
fN
8
3. Tolerancias
Las tolerancias son intervalos dentro de los cuales una cota funcional puede variar
sin perder la funcionalidad ni intercambiabilidad. 1 Cuando se otorga una Tolerancia
Dimensional ISO, se dan tres datos por ejemplo:
Valor nominal de la cota
z}|{
42
Grado de tolerancia IT
c
|{z}
z}|{
7
Posición
Valor nominal: determina la linea de referencia
Posición: limite superior o inferior del intervalo de tolerancia respecto a la linea de
referencia 2
Grado de tolerancia: Amplitud del intervalo de tolerancia
3.1. Tipos de ajuste
Un ajuste viene determinado por un valor nominal común, y dos tolreancias (agujero
por un lado , eje por otro).
Sistema Agujero base: todos los agujeros se fabrican con la posición H, los ejes
varı́an. (Más utilizado por facilidad de fabricación de ejes) [ ↑ Fabricación]
Sisemta E1je base: todos los ejes se fabrican con la posición h, los agujeros varian.
(Se utiliza por su facilidad de creación de calibres tampón)[ ↑ Verificación]
3.2. Tolerancias Geométricas
Son tolerancias de forma, orientación,... , particularmente dificiles de medir, suelen
ser más que de una dimensión.
1
2
Me he saltado toda la parafernalia legal
Recordar: H = agujero con lı́mite inferior 0
9
Estas tolerancias se suelen colocar en cajetines en los planos , señalando según el
orden:
1. Tipo de Tolerancia
2. Valor
3. Elemento/os (en ocasiones se coloca una flecha señalandolo, además en el caso de
que se haya prolongado la cota, quiere decir que se aplica en el eje.)
Para indicar el elemento de referencia se suele colocar una flecha invertida
10
3.3. Operaciones con cotas
En la realización de un plano se pueden tener ciertas medidas por su utilidad a la
hora de diseñar y calcular tolerancias, y sin embargo ser preferible para su producción
proporcionar otras. Por ello surgen las operaciones con cotas:
Adición: Permite conocer el valor de cotas que no aparecen en el plano
Sustitución: Permite rehacer la acotación del plano.
Y para resolver estas dos operaciones surgen los métodos:
Aritmético: Método del Worst Case (WC)
Estadı́stico: Método del Root Sum Squares (RSS)
T
6σ
Simplificación frecuente: Distribución normal y Capacidad de producción Cp =
=1
C
B
A
3.3.1.
Worst Case
Pasos para la resolución de Adición:
11
1. Resolver la Cota que no aparece en la cadena y obtener un valor (en el caso de que
faltase C):
X
X
C=
A−
B
2. Calcular las desviaciones superiores e inferiores.
X
X
Cmax =
Amax −
Bmin
Cmin =
X
Amin −
X
Bmax
Pasos para resolver el problema de Sustitución:
1. Resolver la ecuación de sustitución (suponiendo que se quiere sustituir B por la
cota que no está en el plano, C):
X
X
B=
A−
C
2. Calcular las desviaciones superiores e inferiores del mismo modo:1
X
X
Bmax =
Amax −
Cmin
X
X
Bmin =
Amin −
Cmax
3.3.2.
Root Sum Squares
Pasos para la resolución de Adición (suponiendo que faltase la cota C):
1. Hallar el valor de la cota que se dese añadir (igual que adición con WC)
2. Determinar el centro del intervalo sabiendo que ( siendo Y cualquier cota que
aparezca en el plano):
Ymax − Ymin
XY = Ymin +
2
X
X
XC =
XA −
XB
2 =
3. Calcular la desviación tı́pica de la población: σC
P
2 +
σA
4. Determinar la amplitud del intervalo de tolerancia (T ): Cp =
(redondeo siempre hacia arriba ↑)
P
2
σB
TC
6σC
' 1 → Habitualmente
Pasos para la resolución de Sustitución (suponiendo que se desea sustituir B por
C)
1
Se hace saber que aunque las operaciones parezcan iguales a las de adición los resultados son distintos,
Adición: 30+0,2
+0,1
−0,2
el ejemplo de las diapositivas lo ilustra muy bien A = 40+0,1
C=
−0,1 ; B = 10−0,1 :
Sustitución: 30+0
−0
12
1. Hallar el valor de la cota que se desea añadir mediante:
X
X
B=
A−
C
2. Determinar el centro del intervalo:
XB =
X
XA −
X
XC
2 =
3. Determinar la desviación tı́pica de la población: σB
P
2 +
σA
4. Determinar la amplitud del intervalo de tolerancia (T ): Cp =
(redondeo siempre hacia abajo ↓)
13
P
TC
6σC
2
σC
' 1 → Habitualmente
4. Soldadura
La Soldadura es la unión de piezas mediante la elevación de la temperatura, con
un aporte calorı́fico en las caras muy cercanas o puestas en contacto. En ocasiones el
material a soldar (llamado material base ) fundirá y en otras no. En ocasiones a parte
de dos piezas de material base (MB), también puede existir un tercero llamado material
de aporte (MA) La clasificación de la soldadura puede ser según:
Materiales empleados:
• Homogénea: El material base y el de aporte si fuera necesario es el mismo (en
el caso de no serlo serı́a Autógena.
• Heterogénea: Al menos uno de los materiales es distinto.
Comportamiento de los materiales y aporte energético:
• MB no funde pero MA sı́:
◦ Soldadura fuerte “Brazing” (TliqM A > 450o C):
Soldadura a la Plata: (600-800o ) El material de aporte penetra muy
bien por capilaridad, da muy buena estanqueidad y comportamiento
a corrosión
Soldadura amarilla: [Cu; Cu-Zn] Más barata que la anterior y con
menos capilaridad (uso en fontanerı́a)
◦ Soldadura blanda “Soldering” (TliqM A < 450o C): El material de aporte
suele ser Sn-Pb (250o ), [Sn-Zn en aluminio] mal comportamiento frente
a corrosión y baja resistencia estructural.
• MB funde y MA funde (es muy importante que ambos materiales sean compatibles y estables) seguún su aporte energético:
◦ Oxigás: Calor por combustión
◦ Eléctrica:
Por Arco: TIG,MIG, Convencional, Hidrógeno)
Por Resistencia: Puntos, Protuberancias, Costura
◦ Otros: (Haces de partı́culas, Aluminotérmica)
• MB no funde y sin MA: (gran importancia de la presión de los componentes)
Difusión, fricción, ultrasonidos, explosivos,...
Soldabilidad: Aptitud de un material para ser soldado. La soldabilidad mejora (↑)
cuando: El calor especı́fico (ce ↓) disminuye y la conductividad térmica (α ↓) disminuye.
Un gran problema de la soldadura es la pérdida de propiedades en el punto soldado,
debido a que se ha modificado el tratamiento térmico recibido en un principio. Tı́picos
ejemplos de esto son el acero inoxidable que enlaza permite la oxidación en el cordón de
soldadura, o la fragilidad del Al por absorción de Hidrógeno, enfriamiento rápido, etc.
14
4.1. Oxigás
Se suelen utilizar Oxı́geno puro (bombonas a 150atm) y Acetileno
mediante reacción de Carburo de Calcio con Agua). La reacción es:
3
(se obtiene
2C2 H2 + 5O2 → 4CO2 + 2H2 O + Energı́a
en el equipo se utiliza un manorreductor, para reducir la presión de salida, tubos de
conexión, un soplete equipado con válvulas antirretorno (para garantizar que la llama
no se propague hacia la bombona) , boquilla y elementos auxiliares para el operario.
Según el tipo de llama se obtendrá una u otra soldadura. El tipo de llama es según su:
3mm
Dardo (8-10mm)
Máxima
Temperatura
Penacho
Composición:
• Neutra: cuando la mezcla es estequiométrica
3
El Acetileno tiende a la polimerización formando benzeno, y si se somete por encima de cierta presión
se descompone de manera violenta
15
• Oxidante: cuando hay exceso de oxı́geno. Ello genera:
◦ Dardo Afilado y Penacho Corto
◦ Oxidación del Cordón de soldadura
◦ Mayor Temperatura de llama (puede producir Oxicorte)
• Carburante: Exceso de Acetileno:
◦ Dardo Alargado
◦ Aceramiento del cordón
◦ Menor Temperatura de llama
Presión:
• Baja: da lugar a una llama blanda, apta para soldar chapas finas
• Normal: (1-3 kg/cm2 en O2 )
• Dura: Presión más alta de la recomendada para soldar grandes espesores.
Materiales de aporte según el material base(Ejemplo)
MATERIAL BASE
Aceros al Carbono
Aceros Especiales
Aceros Inoxidables
Cobre
Aluminio
Mg, Ti, Be
MATERIAL DE APORTE
Aceros al Mg o Mn
Aceros CrV o CrMo
Aceros, Ti o W
Cu con Sn-Al o Sn
Aluminios, Al-Si
Idénticos
4.2. Eléctrica Por Arco
Fases de una soldadura eléctrica por arco:
1. Cortocircuito Inicial
2. Efecto Termoiónico: emisión de e− hacia el ánodo (+) que se encuentran con el
gas
3. Disociación de moléculas del gas generando iones positivos con masa que chocan
contra el cátodo(-) calentándose más y produciendo más electrones
4. Conductividad a través del gas, se establece el arco eléctrico (se dice que está“cebado”).
El reparto de energı́a aportada es: 23 al ánodo y 13 al cátodo , y se alcanzan temperaturas
de hasta 3500o C (por lo que permite soldar mayores espesores que la soldadura oxiacetilénica. La corriente que se le suministra al arco puede ser: Continua (↑ estabilidad y
precio), Alterna (↓ estabilidad y precio). Y en el caso de ser continua podrá ser:
16
Polaridad Directa(CCPD): La pieza es positiva (el electrodo, cátodo es el que
emite electrones lo cual es beneficioso por que está preparado para ello) se consiguen
arcos más estables y mayor fusión (la pieza absorbe más energı́a)
Polaridad Inversa(CCPI): La pieza es negativa arco menos estable, menor fusión
de la pieza (absorbe menos energı́a) pero produce un efecto de decapado mecánico
(destruye las posibles capas protectoras ) gracias al impacto de los iones cargados.
Una vez cebado el arco, la tensión en el mismo es baja (10V-30V) pero la intensidad es
muy elevada. La relación voltaje intensidad vendrá dada por:
V =a+b
l
I
Siendo V la tensión en voltios, a y b constantes en función del material y el gas y l la
longitud del arco.
Un elemento indispensable en la soldadura eléctrica por arco, es el electrodo cuya
misión principal es mantener el arco eléctrico, aunque en ocasiones realizan el aporte de
material los electrodos se pueden clasificar:
Refractorios (No Consumibles): suelen ser de W o grafito se emplean en procesos
de soldadura TIG
Consumibles: son material de aportación
• Revestidos: Electrodos recubiertos de polvo compactado (Rutilo, ácidos,...)
Tı́picos de soldadura convencional.
• Desnudos: Sin revestimiento , necesitan un gas protector o fundente externo
(soldadura MIG y soldadura por arco sumergido).
El tipo de revestimiento se escoge según una misión a mantener:
Eléctrica: Favorecen el arco eléctrico, contienen sustancias que facilitan la emisión
de electrones
17
Fı́sica: Favorecen la deposición de material aportado ademas de proteger el baño
Metalúrgica: Disuelve los óxidos y aporta aleantes mejorando las caracterı́sticas
metalúrgicas del cordón.
Sabiendo esto los tipos de revestimiento pueden ser:
Rutilo (T iO) Misión eléctrica.
Ácidos: Misión primaria eléctrica y secundaria metalúrgica
Básicos: Misión primaria metalúrgica (MALA misión eléctrica)
Volátiles: Misión fı́sica.
4.2.1.
Convencional
Elementos:
Fuente de alimentación: existen diferentes tipos
• Corriente Alterna: transformadores (baratos)
• Corriente Continua:
◦ Rectificadores (electrónicos) económicos y sin casi mantenimiento pero
con arco menos estable (a)
◦ Generadores: con arco más estable pero más caros y con necesidad de
mantenimiento (b)
Pinza portaelectrodos
Mordaza de masa
4
Equipos de protección
4
NOTA: Para que nos entendamos, la otra pinza
18
4.2.2.
Sumergido
Soldadura automática, hay un fundente que recubre el electrodo, y el aporte de
material se hace de manera automática. El electrodo es desnudo y está enrollado , poco
antes del arco una tolva lo recubre con fundente. (suele existir un sistema de aspiración
del polvo fundente sobrante.
VENTAJAS
Mayores espesores
No depende de la pericia del operario
Cordón uniforme
Aprovechamiento máximo de la varilla
4.2.3.
INCONVENIENTES
Puesta a punto más complicada
Equipo más caro
Solo útil en soldadura plana y horizontal
Tungsten Inert Gaswelding (TIG)
Utiliza como protección del arco un gas inerte y como electrodo uno refractario de
Tungsteno (W ) del tipo no consumible. El gas inerte suele ser Ar o He se necesita aparte
una varilla de aportación (desnuda). Para las distintas polaridades de corriente continua:
Directa (pieza → ánodo (+))
• Mayor penetración en la pieza
• Arco estable ( el W tiene una gran capacidad de emisión de e− )
• No hay decapación
Inversa (pieza → cátodo (-))
• USO EN ALUMINIO (uso de la decapación para romper la capa de alúmina)
• El ánodo se calienta más (electrodo) y por tanto es necesario un sistema de
refrigeración.
19
• Se necesita un elevado numero de voltios (200V) para permitir la emisión de
electrones por parte del aluminio
Para conseguir los beneficios de ambas se utiliza corriente alterna. Debido a que se
requiere el alto voltaje para que funcione la polaridad inversa, y un equipo que produjese
200V y 100A requeriria mucha potencia, se recurre al uso de dos ondas superpuestas:
1. Onda de soldeo: I=100A , V= 10 V
2. Onda de excitación I=mA y V=200V poca potencia, sin capacidad de fusiónpero
que facilita la emisión de e− desde el Al. (dado que esta onda debe estar presente
en todos los semiperiodos, deberá ser de alta frecuencia.
Por ello se deduce que los principales problemas de soldeo de Al son:
Presencia de Alúmina, que necesita ser eliminada → Uso de corriente alterna
Baja emisión de electrones, se necesitan altas tensiones para lograrlo → Uso
de ondas de alta frecuencia
Rápida oxidación del baño, en el caso de detener el proceso de soldado de
inmediato se oxida.→ POST-GAS
Alto coeficiente de expansión térmica: riesgo de grietas en el cordón. →
Control de la intensidad con temporizador o pedal
La soldadura TIG puede provocar interferencias con equipos de radiofrecuencia
Esquema TIG:5
1. Fuente de alimentación de alta frecuencia
2. Suministro de gas de protección
3. Suministro de agua de enfriamiento
5
El resto seria 6 Masa, 7 pedal de control de intensidad pero no lo especifica
20
4. Pistola
5. Material de aporte
Otro tipo de equipos TIG son:
TIG automático: No hay intervención por parte del operario, se pueden usar intensidades más altas y por lo tanto se pueden soldar espesores mayores. (Soldeo a
Izquierdas)
TIG de CCPD: No válido para Al, pero permite soldar espesores mayores de otros
metales.
TIG por puntos: Permite soldar a solape espesores de 1,5 mm y los parámetros
influyentes son Intensidad (I) y tiempo (t)
4.2.4.
Metal Inert Gaswelding (MIG)
En este tipo de soldadura, el electrodo, será muy parecido al del material a soldar,
siendo consumible y aportándose de forma automatizada. Es interesante que ocurra una
decapación de la pieza y un calenamiento del electrodo por lo tanto utilizará CCPI
(Inversa). Hay dos posibilidades de regulación del arco eléctrico.
Autorregulación: la velocidad de aporte es constante por lo tanto la fuente de
alimentación debe ser de caracterı́stica plana
Arco Regulado: Se mantiene la intensidad de arco constante y se hace variar la alimentación. Los cordones son mucho más uniformes, pero el sistema es
considerablemente más caro (debe detectar V y ajustar la velocidad de aporte)
El transporte del material al baño depende de la intensidad de corriente J. El Al establece
la frontera entre ambos casos (J=80A/mm2):
J<80: Régimen Globular: se provocan gotas que caen por acción de la gravedad a
la pieza. Se consigue poca penetración pero se regula la cantidad producida.
J>80: Régimen Rociado (Spray Arc): el material de aporte sale lanzado como
microgotas mejorando la penetración.
Se busca por tanto una “mezcla” de ambos efectos, combinando un buen tamaño de gota
y el rociado. por ello se suelen buscar densidades de corriente del tipo:
21
Por último en equipos MIG convencionales se tiene el siguiente esquema:
Aunque, al igual que con el MIG, existen variantes:
MIG manual:espesores de entre 5mm y 10mm
MIG automático (el que se ha considerado hasta ahora)
MIG de intensidad elevada:J ≈650A/mm2, que garantiza una mayor penetración,
pudiendo soldar espesores de entorno a 20mm
MIG por puntos: permite unir dos chapas, encontrándose la superior taladrada,
rellena el taladro y se funde con la chapa inferior (espesores menores a 5mm)
MAG: Utiliza un gas Activo C02 en lugar del gas inerte no vale para el Al ni aceros
InOx, se emplea para aleaciones ferreas debido a que es una opción más económica
(gas barato)
22
4.2.5.
TIG vs MIG
Electrodo
Corriente
Espesor (Al)
Control de baño
Velocidad
Coste
Dirección de Soldeo
TIG
Refractario (NO consumible)
Alterna+AltaFreq. o CCPD
<5mm
Bueno
Baja
Alto
Izquierdas
MIG
Consumible
CCPI
>5mm
No controlado
Alta
Muy Alto
Derechas
4.3. Resistencia
En la soldadura por resistencia (por puntos en este caso), se hace pasar corriente por
dos conductores, que al estar en contacto con las piezas a solape aumentan la temperatura
de las entrecaras por efecto Joule. El calor total suministrado será: Q = IRt.
En el diagrama, la Resistencia R3 debe ser mayor que R2 y R2’. R0 y R0’ son las
resistencias de los electrodos, que suelen ser mı́nimas (electrodos de cobre). Los parámetros principales del proceso son Intensidad, Tiempo y Presión. La relación intensidad
tiempo, da dos tipos de soldadura:
Rápida: Se alcanza una mayor producción de soldaduras, pero el material trabajará mal a fatiga debido a que no ha dado tiempo a la correcta difusión.
Lenta: Baja la producción pero mejora las propiedades estructurales de la unión
(mejor tenacidad, comportamiento a fatiga, etc).
La presión también juega un papel clave dado que si no se aplica suficiente presión (P ↓)
tanto R2 como R2’ (↑) y hay peligro de contaminación del electrodo. Si por el contrario
se aplicase demasiada presión (P ↑) R3 (↓) bajarı́a demasiado y no habrı́a fusión.
Hay que tener ciertas consideraciones en el caso del Al.
23
Problema de conductividad
Intervalo de fusión y zona de trabajo fino
La alúmina posee R3 alta y por lo tanto R2 y R2’ altas
Coeficiente de Contracción alto, riesgo de grietas internas dificilmente detectables
Por ello se diseña un esquema de Presión (discontinua) Intensidad(continua) Tiempo
que consta de 3 fases:
1. Arrimado, contacto sin intensidad y alta presión (rompe alúmina)
2. Soldadura disminución ligera de la presión y se eleva intensidad)
3. Forja, se vuelve a aumentar la presión para mejorar la difusión.
Y como en los casos anteriores, sus variantes son:
Por puntos
Por Protuberancias se suelda en unos resaltes de las chapas
Por costura: dos rodillos (en lugar de electrodos) generan la unión.
VENTAJAS
Rapidez
No hay deformación
No hay concentración de tensiones
Trabaja bien a fatiga (Lenta)
Aplicable a muchos materiales
Variante de soldeo a tope
INCONVENIENTES
Dificil verificación
Necesita accesibilidad
Debe ser a solape (salvo excepciones)
Necesita un buen estado superficial
24
5. Acabado Superficial
El acabado superficial estudia las caracterı́sticas microgeométricas de las superficies
y su efecto sobre la funcionalidad de las mismas, siendo los posibles comportamientos
funcionales:
Tribologı́a: Desgaste
Corrosión y fatiga
Efectos aerodinámicos
Reflexión de ondas electromagnéticas
Recubrimientos electrolı́ticos
Se define Perfil como el lugar geométrico de los puntos de intersección entre la superficie considerada y un plano perpendicular a la misma. Para el estudio de perfiles ser
realiza primeramente un filtrado con un filtro de longitud de onda (Filtro de onda larga+Filtro de onda corta) que acotan las frecuencias de oscilación observadas en el perfil,
obteniéndose:
Perfil obtenido
Primario (P)
Rugosidad (R)
Ondulación (W)
Perfil al que se aplica
Efectivo
Primario
Primario
Filtro Aplicado
Onda corta (λS )
Onda larga (λC )
Onda corta (λC ) y Onda larga (λf )
Cuando se estudia una superficie con un Rugosı́metro para la obtención de un perfil, se
distinguen 3 longitudes:
Longitud de exploración: (la más grande) recorrido del palpador
Longitud de medición: En la que se generan medidas (lm )
Longitud(es) Básica(s): en la que se calculan los parámetros (ls )
Existen ademas dos tipos de lineas: central (paralela al eje X)[zcentral = b] y media (no
paralela)[zmedia = ax + b]. 6
6
Aunque no sale en las diapositivas, la determinación de la b se hace con:
Rl
Pn
Z(x)
Área del perfil
0
i=1 zi
b=
=
→
l
l
n
25
5.1. Parámetros y Elementos Geométricos
Se llamará pico a los máximos del perfil y valles a los mı́nimos. Los parámetros de
rugosidad son (se muestran dos ecuaciones dado que puede ser discreto o continuo):
Rugosidad Máxima: (RZ ) Suma de altura máxima de pico y profundidad máxima
del valle contenidos en la longitud básica
Rugosidad Total: (Rt ) Suma de altura máxima de pico y profundidad máxima del
valle contenidos en la longitud de medición
Rugosidad Media Aritmética: (Ra ) Media aritmética de los valores absolutos de
las ordenadas Z(x) d elos puntos que componen el perfil en la longitud considerada
7
1
Ra =
l
Z
l
|Z(x)|dx
0
n
1X
Ra =
|zi |
n
i=1
Rugosidad Media Cuadrática: (Rq ) Es la media cuadrática de las ordenadas Z(x)
de los puntos que componen el perfil en la longitud considerada
s
Z
1 l
Rq =
Z(x)2 dx
l 0
v
u n
u1 X
Rq = t
zi2
n
i=1
Tasa Media del Perfil Portante: (Rmr (c)) para una altura c, es el cociente expresado
en tanto por ciento, entre la longitud de intersección del perfil con una lı́nea paralela
a la dirección general del perfil y la longitud de evaluación.
P
li (c)
Rmr (c) =
· 100
lm
7
Recordar: Para la rugosidad aritmética, se pueden simplemente sumar las áreas graficamente
26
La representación en los planos es tal y como muestra la siguiente figura:
Ra
27
6. Metrologı́a
La metrologiı́a es la ciencia que estudia la medición de magnitudes fı́sicas con exactitud. “Se busca un valor verdadero x0 , se realiza una o varias medidas xi y se obtiene
un intervalo de magnitud x+U
−U donde U es la incertidumbre de medida”. El instrumento
de medida (ejemplo con regla estándar de 30cm), que se utilice tendrá las siguientes
propiedades:
División de Escala (d): mı́nima cantidad de magnitud que el instrumento es capaz
de medir (1mm).
Campo de Medida (C): rango de valores de la magnitud en los que el instrumento
funciona de acuerdo con las especificaciones del fabricante (0-30 cm).
Incertidumbre (U): semiamplitud del intervalo asociado a la medida, dentro de
la cual se espera encontrar el verdadero valor de la magnitud medida (0.5mm)
[U ≥ d2 ]
A la hora de medir se pueden producir una serie de errores, por ejemplo de contacto
(los puntos de contacto de la herramienta de medición no son adecuados, en cuyo caso
habrá que utilizar otra herramienta) de posicionemiento (un reloj comparador inclinado
un ángulo α otorgará medidas menores [error de coseno drecto = dinclinado
cos α ]).
Otro útil en el campo de la metrologı́a es el Patrón, un objeto que materializa una unidad
de medida, cuyas propiedades deben ser:
Unicidad: Debe ser una medida única. (serı́a deseable la existencia de un único
patrón pero ello es imposible)
Invariablilidad: No debe variar por temperatura, tiempo, etc.
Trazabilidad: Accesible
Y puede ser primario (si su materialización se realiza a partir de la definición fundamental recogida en el Sistema Internacional de Unidades) y secundario (en caso contrario)
6.1. Tolerancia e Incertidumbre
Para la medida de un instrumento conuna tolerancia adecuada sin incrementar el
gasto en exceso (sin ganar a pensa precisión en la medida) y teniendo una medida útil,
se deberá cumplir:
T
≤ 10
3≤
2U
Por otro lado si se supone una producción de una pieza con medida nominal x0 tolerancia
dimensional T , una distribución normal de la producción de la misma y unas mediciones
realizadas con un instrumento de incertidumbre U , se tiene:
28
Y por lo tanto se puede calcular el numero de piezas de cada tipo:
Correctas:
(
α=
2Φ
h
T /2−U
σ
i
− 1 → En distribución normal
2F [T /2 − U ] − 1 → En distribución uniforme
Defectuosas:
(
β=
2 − 2Φ
h
T /2+U
σ
i
→ En distribución normal
2 − 2F [T /2 + U ] → En distribución uniforme
Dudosas:
(
δ=
2Φ
h
T /2+U
σ
i
− 2Φ
h
T /2−U
σ
i
→ En distribución normal
2F [T /2 + U ] − 2F [T /2 − U ] → En distribución uniforme
29
7. Fundición
El Condormado por Fundición y Colada se define como el conjunto de operaciones
que permite dar forma a los materiales metálicos mediante su fusión, colado sobre el olde
apropiado y posterior solidificación en él.
Ventajas:
• Complejidad: permiten el conformado de piezas con zonas de difı́cil acceso,
inviables por otros medios
• Precio: las piezas obtenidas suelen ser más económicas que las estampadas y
las mecanizadas, además de tenerse un mayor aprovechamiento del material
Desventajas: (Divididas en 3 subgrupos)
• Material:
◦ Menor Resistencia mecánica (Salvo coquilla y moldeo a presión)
◦ No es posible asegurar la homogeneidad de la pieza ni entre otras piezas
• Geometrı́a:
◦ Tolerancias más amplias (Salvo cera perdida y coquilla)
◦ Peor aspecto y calidad superficial (Salvo Yeso, cera perdida y coquilla)
• Producción:
◦ Poca flexibilidad en la fabricación (Salvo arena)
◦ Equipos costosos y utillaje de preparación engorrosa (según proceso)
7.1. Proceso General de Fundición
1. Se parte de las especificaciones de la pieza (geometrı́a y material)
2. Se define el plano de desmoldeo
3. Diseño y Fabricación del Modelo y Cajas de Machos (o Cajas de Noyos)
4. Fabricación del Molde de los Machos o Noyos (Modelo hueco de geometrı́a similar
al componente a obtener)
5. Fusión de metal o aleación. (contemporáneo a los 2 procesos previos)
6. Colada: Vertido del material en estado lı́quido dentro del molde.
7. Enfriamiento y Desmoldeo de la pieza: Extracción de pieza del molde por rotura
del mismo (habitualmente).
8. Operaciones de acabado: Eliminación de conductos (bebederos, mazarotas,..) limpieza superficial (granallado).
30
9. Control de la Calidad:Tanto de dimensiones como de materiales (Si no concuerda
con la calidad establecida, se deberá revisar el proceso)
10. Otras operaciones posteriores del proceso general: Deformación plástica, mecanizado, tratamientos térmicos, etc.
7.2. Materiales Empleados
Para que un material sea apto para fundición, debe ser fácil de fundir, tener Colabilidad, y una baja contracción/dilatación y siendo importante pero de manera más
secundaria, su maquinabilidad, estabilidad quı́mica y facilidad para desprenderse del
molde. Los materiales empleados en procesos de fundición son:
Aleaciones férreas:
• Fundiciones (material)
◦ Ordinarias
Blancas (Todo el carbono es cementita)
Grises:
Ordinarias
Ferrı́ticas
Perlı́ticas
Atruchadas (Entre gris y blanca)
Aleadas
◦ Especiales:
Maleables
Corazón blanco
Corazón negro
Perlı́ticas
Nodulares
• Aceros
Aleaciones no férreas:
• Aleaciones de Cobre
◦ Bronces (Cu-Sn)
◦ Bronces al Aluminio
◦ Latones (Cu-Zn u otros)
• Aleaciones Ligeras
◦ de Aluminio
◦ de Magnesio
◦ de Zinc
• Aleaciones Antifricción
31
7.3. Diseño Dimensional de Modelos
A la hora de diseñar un modelo (la pieza que es parecida), se deben tener en cuenta
aspectos como las contracciones del material, las creces para el mecanizado, favorecer el
desmoldeo, posibles deformaciones durante enfriamiento, consideración o no de detalles.
Por ello los modelos tienen:
Dimensiones mayores que la pieza: para compensar contracciones (recogidos en
Normas) que dependen del tamaño velocidad de enfriamiento, mateial del molde,
etc.
Creces para el mecanizado: Necesarias en aquellas superficies que requieran un
proceso adicional de mecanizado.
Facilidad de Desmoldeo:Tiene que ser posible la extracción del molde sin causar
desperfectos en el mismo. (suelen ser con salida positiva [izq], pocas veces sin salida
[medio] y solo cuando el molde es flexible o esta dividido es a contrasalida [der.])
Consideraciones para evitar problemas por el enfriamiento (En las zonas con mayor
Superficie
Volumen se produce un mayor enfriamiento)
Reproducción de aquellos detalles que el proceso pueda reproducir.
7.4. Sistema de distribución, alimentación y control térmico
Los objetivos de estos sistemas son: Tiempos de llenado óptimos (sin solificación
prematura y con mı́nima turbulencia), controlados y uniformes (para todas las coladas);
Alimentación limpia de impurezas con posibilidad de aporte adicional y que garanticen
una solidificación controlada y direccion—’al. Un esquema tı́pico de estos sistemas es :
32
1. Cono de colada o cavidad de vertido
2. Filtros
3. Bebedero
4. Pozo en la base del bebedero
5. Canal de colada o de distribución
6. Ataques o entradas
7. Vientos
8. Respiraderos, mazarotas
9. Enfriadores o templaderas
33
7.5. Clasificación general de Procesos de moldeo
Modelo Recuperable
Molde Desechable
Modelo Desechable
Molde Permanente
En Coquilla
En Matriz
Moldeo
Moldeo
Moldeo
Moldeo
Moldeo
Moldeo
en Arena
en Cáscara
al CO2
en Cemento
en Yeso
en Cerámica (Proc. SHAW o UNICAST)
Moldeo a la Cera perdida
Moldeo al Molde lleno
Colada por gravedad
Colada a Presión o Inyectada
Fundición Centrı́fuga
Fundición Semicentrı́fuga
Colada Centrifugada
7.6. Moldeo en Arena
El Moldeo en arena [Video: Moldeo en Arena] Para la obtención de los moldes se
emplean arenas de moldeo , basicamente mezclas de sı́lice y arcilla , con la ayuda del
modelo previamente obtenido. El proceso de construcción del molde comienza con la
colocación del medio modelo y la caja de moldeo sobre un tablero de moldeo junto
con desmoldeante. Posteriormente se aplica desmoldeante de nuevo y se aplica arena
de moldeo (más fina para captar mejor detalles) y se completa con arena de relleno,
compactando para enrasar la caja de moldeo pinchando la arena para generar vientos.
Tras esto se le da la vuelta al conjunto, se aplica de nuevo desmoldeantes y se repite el
proceso con el otro medio modelo añadiendo los elementos del sistema de alimentación
(bebederos, mazarotas,...). Por último se extrae el modelo, se introducen los machos
y se cierran ambas partes. Durante la colada, se aplicaran ciertos útiles pesados para
compensar la presión metalostática.
El tipo de arena utilizado durante el proceso es muy importante. Existen dos tipos:
Verde: Arenas con arcilla con alto porcentaje de humedad (Enfriamiento más rápido)
Secas: El molde se seca antes de utilizarlo para aumentar su cohesión y permeabilidad.
7.6.1.
Caracterı́sticas del Moldeo en Arena
Ventajas
34
• Amplia Variedad de tamaños
• Geometrı́as de complejidad media
• Válido para cualquier aleación corriente
• Piezas sin tensiones residuales
3
• Económico y Flexible para series cortas o prototipos
Inconvenientes
• Tolerancias dimensionales Amplias
• Aspecto y calidad superficial Pobre
• Piezas con resistencia mecánica reducida
3
• Necesidad de mano de obra especializada
• Cadencias de producción bajas
• Almacenaje de moldes limitado
7.7. Moldeo en Cáscara
[ Video Moldeo en Cáscara]Se trata de una variante del moldeo en arena, utilizando
arenas preparadas a base de sı́lice con resinas (fenólicas habitualmente) que curan con
el contacto del modelo (habitualmente de metal y caliente). El proceso de obtención del
molde comienza aplicando desmoldeante al modelo caliente (180-300o C) y se deposita
la arena con la resina sin curar. En función del tiempo y la temperatura se formara
una cáscara de 6mm a 10mm de espesor. Cuando se ha generado la cáscara, se procede
a voltear el conjunto, para recuperar la arena intacta del proceso. Se repite el proceso
con el otro medio molde generándose dos cáscaras que al unirse forman el molde. Los
bebederos y otros sitemas de alimentación, suelen situarse en el plano de desmoldeo.
3
La arena es poco conductora térmica , producirá un enfriamiento lento y estructuras de grano grueso
con poca resistencia mecánica pero requiere menores conductos
35
7.7.1.
Caracterı́sticas del Moldeo en Cáscara
Ventajas
• Mayor precisión dimensional
• Disminución de defectos superficiales
• Limpieza de superficies mı́nima o inecesaria
• Baja capacidad calorı́fica de la cáscara (enfriamiento lento, menores conductos
de alimentación y distribución)
• Aplicable a todo tipo de aleaciones
• Permite alto grado de automatización (Mano de obra menos cualificada)
• Menor porcentaje de rechazos por piezas defectuosas
• Elevada cadencia de producción
• Moldes estables (puede almacenarse)
• Moldes y machos mas ligeros y manipulables
Inconvenientes
• Tamaño de las piezas limitado (pesos menores a 50Kg)
• Caracterı́sticas mecánicas pobres en las piezas
• Necesidades de modelos metálicos
• Solo económico en fabricación de series elevadas
• Arenas menos económicas (pero parcialmente recuperables)
7.8. Moldeo a la Cera Perdida
El Moldeo a la Cera Perdida [Video Moldeo a la Cera Perdida] comienza con el Diseño
del modelo patrón, con el cual se formará un molde patrón para la futura creación de
modelos de cera (este proceso solo se realiza una vez). En este molde patrón se inyecta
cera para generar el modelo. Se producen varios modelos de cera que serán unidos en
un “racimo” (unidos por un bebedero colectivo). El racimo se recubre por inmersión o
pulverización de un material de molde (cerámico habitualmente) Se funde y extrae la
cera (100-120o C) previo al curado del molde (1000o C). Posteriormente se procede a la
colada y finalmente tras el enfriamiento, se desmoldea y se procede al acabado. Este
tipo de moldeo es habitual para series de piezas pequeñas de geometrı́a complicada y sin
exigencias estructurales 8
8
Nota del autor: Recomiendo ver el video, es del programa ası́ se hace
36
7.9. Moldeo en Coquilla
El modeo en coquilla [ Video Moldeo en Coquilla ] utiliza moldes metálicos recuperables y se emplea para series muy grandes, dado que el proceso realiza un ciclo repetitivo
con el mismo molde y machos. El molde se denomina coquilla y está básicamente formado por dos placas con elementos de maniobra.
El proceso comienza con la limpieza del molde, luego se recubre con un recubrimiento
refractario y desmoldeante, se colocan los machos y se cierra. Una vez cerrado, se procede
a la colada y solidificación y por último el desmoldeo.
7.9.1.
Caracterı́sticas del Moldeo en Coquilla
Ventajas
• Muy buena precisión y repetibilidad dimensional
• Buen acabado superficial
• Limpieza de superficies mı́nima o inecesaria
• Estructuras de grano fino (buenas caracterı́sticas mecánicas
• Una vez puesto a punto el proceso, se obtiene menor n’umero de defectos que
con otros procesos de moldeo
• Cadencias de producción elevadas
• Fácil inserción de postizos metálicos
Inconvenientes
• Tamaño de las piezas limitado (pesos menores a 150Kg)
• Debido a la alta velocidad de enfriamiento, se debe recurrir normalmente a
tratamientos térmicos que alivien tensiones
• Solo económico en fabricación de series muy grandes
• No adecuado para aleaciones férreas
• Las mejores prestaciones se obtienen en piezas de geometrı́a simple
37
8. Sinterización
La sinterizacion [ Video: Sinterización ] consiste en la obtención de piezas mediante
el moldeo de materiales en estado de polvo. Cuando el material es metálico se considera
Pluvimetalurgia (PVM). Este proceso permite obtener componentes porosos de menor
peso especı́fico, e incluso materiales de difı́cil procesado por otros métodos.
Para la obtención de piezas sinterizadas se distinguen los siguientes pasos:
1. Obtención de Polvos
(Desgasifciación si fuera necesaria)
2. Consolidación para obtener la preforma
3. Sinterizado (Microsoldaduras por difusión)[Puede ser fusionado con el anterior denominándose compresión en caliente o sinterización por presión)
4. Calibrado (Mejora de la precisión de la superficie por deformación plástica)
8.1. Obtención de Polvos
Los métodos empleados pueden ser clasificados de la siguiente manera:
38
Proceso
Tipo
Materiales
Molinos Bolas
Materiales
frágiles
Rodillos
Mecánicos
Martillo
Aleaciones
mecánicas
Hametag
Caracterı́sticas
Bajo rendimiento
Etapa final
Disminuye la segregación
y el tamaño de las fases
intermetálicas
Procesos de solidificación rápida
Fe, Sn, Pb, Zn,
Cd, Bronce, Al
Grano fijo
Retención de aleantes
Formación de
precipitados
Reducción
Óxidos
de
nuevos
Polvo muy fino
W, Mo
Fı́sico-quı́micos
Fe, Sn, Ob, Cu,
Ni, Co, Ag
Electrólisis
Gran pureza
Molido Posterior
Descomposición
Térmica
de
carbonilos
Zn, Fe, Ni
Gran pureza y finura
Condensación
Mg,Zn,Cd
Polvo muy fino y esférico
Corrosión intergranular
Aceros
bles
Tamaño de grano muy
fino
39
inoxida-
8.1.1.
Procesos Mecánicos
En los procesos mecánicos nos encontramos el Molido y el proceso de enfriamiento
rápido.
El Molido emplea máquinas llamadas Molinos para ir reduciendo el tamaño de las
partı́culas del material mediante trituración. Normalmente su uso se limita a materiales
frágiles dado que los dúctiles se aglutinan. Los molinos suelen utilizar rodillos, bolas o
martillos para la trituración. Destaca el Molino de Hametag, que utiliza dos chorros de
aire que chocan entre sı́ y arrastran trozos de material que al impactar reducen su tamaño
por lo que el campo de aplicación de este tipo de molino no depende de la dureza de
las bolas, rodillo o martillo (limitación existente en molinos convencionales). El Molido
Presenta un rendimiento bajo, suele ser un complemento final para otros procesos.
Los Procesos de enfriamiento rápido consisten en la solidificación de material (normalmente en estado lı́quido) que es enfriado a gran velocidad y dispersado en pequeñas
gotas de diferente tamaño y geometrı́a por la acción de un chorro de agua, gas o sistema
mecánico. Tipos de procesos:
Atomización por gas: El metal se pulveriza mediante la acción de chorros de gas. En
Al y aleaciones suele ser Argón (El uso de Helio es posible pero es más peligroso)
Atomización por agua: Análogo al anterior pero empleando chorros de agua
Electrodo rotatorio: se toma una barra de metal que gira a alta velocidad a la vez
que se genera un arco con un electrodo no consumible de wolframio.
Velocidad de solidificación rápida: El metal fundido se vierte sobre una copa o disco
rotatorio produciendose su dispersión por acción de la fuerza centrı́fuga. Antes de
caer se hace incidir una corriente de gas frı́o que solidifica las gotas antes de caer.
Copa giratoria rápida: como el anterior pero con la copa llena de lı́quido refrigerante
40
8.1.2.
Procedimientos Fı́sico-Quı́micos
Los procesis fı́sico-quı́micos son solo aplicables a ciertos metales y en general resultan
más costosos, pero también pueden generar una mayor pureza y finura del grano en polvo.
Reducción de Óxidos: Se utiliza cuando el óxido es más frágil que el metal. Se
muele el óxido y se reduce calentando en atmósfera reductora (Uso casi exclusivo
de W y Mo)
Electrólisis: Se pretende obtener un depósito poroso del material, mediante una
electrólisis en la que se utilizan altas densidades de corriente, se calienta el baño
electrolı́tico y se añaden elementos para formar soluciones coloidales. Una vez obtenido el depósito poroso, se muele con procedimientos mecánicos.
Descomposición Térmica: Se obtiene el metal con el radical carbonilo CO haciendo pasar una corriente de CO sobre un metal poroso a temperatura y presión
adecuadas. Al descomponerse el carbonilo se produce un polvo de gran finura y
pureza (es un proceso caro utilizado para la fabricación de imanes).
Condensación: El metal se calienta hasta la fase de vapor y a continuación se
condensa. (Obviamente solo resulta rentable si la temperatura de ebullición del
metal es baja y el óxido que forma no permite el reagrupamiento de los granos).
Uso casi exclusivamente para el Zn
Corrosión intergranular: Se utiliza principalmente para aceros inoxidables 610
Cr y 16-20 Ni o austenı́ticos 18-8. Controlando el tamaño de grano durante la
fabricación, se eleva el procentaje de carbono de forma intencionada, para que se
produzca una alta precipitación intergranular mediante un recocido y eliminar el
carburo precipitado mediante ataque con reactivos apropiados.
8.2. Desgasificación
Este paso es imprescindible para la fabricación de piezas sinterizadas de aluminio,
dado que los polvos de aleaciones de Al tienen tendencia a absorber agua, y durante el
proceso de sinterizado, genera hidrógeno produciendose problemas de porosidad y riesgo
de explosión. Existen dos técnicas principales de desgasificación:
Can Vacuum Degasing La técnica más utilizada. Se aumenta la densidad del
polvo comprimiendo isostáticamente en frı́o, hasta una densidad del 15-80 %. La
densificación no debe ser excesiva o habrá problemas para evacuar el gas. Posteriormente se encapsula el polvo prensado, se suelda una tapa con el tubo de evacuación
a la lata y se calienta en vacı́o hasta que se desgasifique (la temperaturá final de
desgasificación deberá tener en cuenta el posible crecimiento de grano)
Desgasificación depurativa: Una vez desgasificado en vacı́o el polvo es barrido
por un gas depurativo (N2 extraseco). Después de varios barridos el contenido en
agua e hidrógeno es menor.
41
8.3. Consolidación
La consolidcación consiste en la compresión en frı́o de los polvos metálicos para que
entre los granos aparezcan ligaduras superficiales como si fueran pequeñas soldaduras
en frı́o. La compactación se realiza normalmente en matrices de acero templado o de
carburos metálicos mediante el empleo de presnas hidráulicas. También puede realizarse
mediante rodillos de laminación con lo que se consigue una compactación contı́nua de
los polvos. (este último caso es el utilizado para cojinetes antifricción de automoción)
Las presiones tı́picas se sitúan en el rango de 2 a 6 Tn/cm2 .
La densidad aparente de la preforma tiende a parecerse a la del metal (rondando el 90 %
en materiales dúctiles y menores al 70 % en materiales frágiles).
La compresión se deja sentir de forma más importante en zonas próximas a la matriz,
para evitar este problema, se suele utilizar la Compresión Isostática en Frı́o (Cold
Isostatic Pressure CIP ) que consiste en aplicar alta presión a temperatura ambiente a
través de un método fluido (agua o aceite) con valores de 210-410 MPa obteniendose
densidades aparentes del 60-80 % de la real. De este método existen dos técnicas:
“Bolsa Seca”: Molde elastomérico es reutilizable y está fijo al depósito de presión
(series y formas pequeñas , sencillas)
“Bolsa Húmeda”: Molde elastomérico se saca de la vasija de presión. (series pequeñas o medias y piezas grandes)
8.4. Sinterizado
La Sinterización es la dase final del proceso y consiste en calentar las preformas
previamente consolidadas para que las pequeñas soldaduras en frı́o en el contacto intergranular se propaguen por difusión. Existen dos tipos principales de sinterización: Sin
Presión y Son Presión.
8.4.1.
Sinterizado Sin Presión
La preforma compactada obtenida en la fase anterior de compactación se calienta
hasta conseguir la soldadura de la masa. La temperatura debe controlarse para que sea
suficientemente alta como para que los granos puedan combinarse entre sı́ pero sin llegar
a la fusión del metal. (el tiempo de permanencia también es vital en este proceso) En
general la temperatura de sinterización será del orden de 32 a 34 de la temperatura de
fusión del metal y los tiempos comprendidos entre 15 minutos y 2 horas.
El sinterizado de una pieza se complica cuando los polvos no son de un único material y
estos tienen temperaturas de fusión muy distintas. En estos casos se suele sobrepasar la
temperatura de fusión más baja pero nunca más de un 30 % ya que en caso contrario se
podrı́an producir deformaciones. (Se ha de tener en cuenta que una mayor permanencia
a altas temperaturas, producirá un indeseable crecimiento de grano).
Los hornos de sinterizado son del tipo continuo, solo para calentamiento, y por lo general,
suelen trabajar con atmósferas controladas (reductoras), para evitar o limpiar de óxido
42
los bordes de los granos. (El agente reductor suele ser hidrógeno, aunque su utilización
resulta peligrosa). El horno sigue un ciclo de calentamiento-enfriamiento en el interior
del horno según la zona del mismo. Inicialmente se eleva la temperatura hasta la de
sinterización, a continuación se mantiene durante el tiempo establecido y por último se
reduce la temperatura. (si el material no depende de la atmósfera se puede realizar un
horno con alimentación contı́nua que proporcione una producción en serie.
8.4.2.
Sinterizado Con Presión
También denominado consolidación en caliente, se emplea cuando se precisa obtener
productos muy compactos. En algunos casos puede obviarse la falta de compactación en
frı́o de los polvos. Existen vrios procedimientos:
Forja en Caliente: Deformación plástica de una preforma consolidada y sinterizada en al menos dos direcciones con temperaturas superiores a la de cristalización
del material.
Compactación en Caliente con Vacı́o: Se emplea debido a la facilidad de
contaminación de los polvos con el O2 y N2 en la compactación en caliente (Es
ideal para la compactación de polvos de Berilio y Titanio). El vacı́o generado es
bajar la presión hasta 1 o 2 mmHg.
Extrusión: Existen varios métodos según encapsulen o no los polvos. Destaca la
técnica del “lingote relleno” (Filled Billet) con la que pueden conseguirse reducciones de 25:1 y produci piezas de geometrı́as complicadas. (La ventaja de este
método es que los hornos y prensas de extrusión convencionales son válidas para
la sinterización)
Compresión Isostática en caliente (HIP): Consiste en aplicar presión isostática a los polvos a través de un medio gaseoso y a elevada temperatura. Los polvos
se encapsulan en una lata que posee el tubo de salida de aire para desgasificar
en caliente. Acontinuación se cierra el tubo y se intrduce en la prensa isostática
a alta temperatura. (las presiones son del orden de 100MPa durante 2-4 horas
con diversos ciclos indicados en la figuraal igual que la temperatura, la cual varı́a
dependeiendo del material)
43
8.5. Operaciones de Acabado
Las operaciones de acabado en piezas sinterizadas pueden ser tales como tratamientos térmicos, limpieza, tratamientos superficiales, mecanizados o unión de partes, igual
que en piezas conformadas por otros procedimientos, aunque teniendo consideraciones
especiales por la orosidad de estas piezas. (Por ejemplo en cojinetes antifricción se debe
evitar la absorción de lı́quidos tales como sales de fusión o lı́quidos para mecanizado)
8.6. Aplicaciones
Las principales aplicaciones de la sinterización son para:
Piezas difı́ciles de moldear mediante otros métodos (Por ejemplo Widia, placas de
Carburo de Wolframio, Titanio, Vanadio y Cobalto como aglutinante
Productos porosos de aplicaciones en filtros o cojinetes de fricción
Producción de grandes series (Engranajes)
Obtención de aleaciones que no pueden conseguirse por metalurgia convencional
Y en concreto en la industria aeronáutica:
Filtros de aceite (Br, Acero InOx, Ni)
Componentes estructurales (Al, Be, Ti, Fe, Li)
Blindajes Térmicos (Ti, Superaleaciones)
Blindajes Magnéticos (Al, Ni, Co)
Medidores de Deriva (Al)
Combustibles Sólidos para cohetes (Al)
44
9. Procesos de Deformación Plástica
Los Procesos de Conformado mediante Deformación Plástica (PCDP) son métodos
de obtención de componentes mecánicos sin eliminación de materia, que aprovechan el
comportamiento plástico de los materiales cambiando la geometrı́a del material mediante la aplicación de fuerzas exteras suficientes o por la transmisión de energı́a mecánica
mediante impactos.
El principal motivo que hace destacar a los PCDP es la obtención de piezas con mejores
caracterı́sticas mecánicas que las obtenidas con otros procesos. Los PCDPs son:
Laminación
Remachado
Extrusión
Repulsado
Estirado
Forja
Conformado Superplástico / Soldadura por difusión
Conformado de chapa metálica
Etc.
Con este tipo de conformado, se deben tener en cuenta ciertas consideraciones térmicas y estructurales.Es posible conseguir estados plásticos en los materiales metálicos de
forma que puedan conformarse mediante la acción de fuerzas o presiones exteriores razonables, situándose la temperatura dentro de la cual se consigue este comportamiento
entre la temperatura de recristalización (la menor temperatura a la que un material
enun estado de deformación modifica su microestructura granular) y la de fusión. El
análisis de los PCDPs comienza por “la Teorı́a de Plasticidad”. Aunque se poseen métodos numéricos basados en la teorı́a de la plasticidad, los métodos analı́ticos sencillos
pueden proporcionar de forma rápida y cómoda órdenes de magnitud de los parámetros
buscados.
9.1. Comportamiento Plástico de los Materiales
Previamente a la descripción de los métodos de analisis PCDP, conviene hacer un
inciso sobre las definiciones de tensión y los comportamientos plásticos de los materiales.
Las deformaciones producidas en un material (por ejemplo en un ensayo de tracción)
serán dε = dll . Dado que en estos procesos, se buscan grandes deformaciones, conviene
expresar la deformación como:
Z
lf
ε=
l0
lf
dl
= ln
l
l0
|{z}
dε
45
Si aplicáramos una fuerza al material se observa que se genera una deformación. Si
la fuerza es pequeña el material tendrá un comportamiento elástico (y lineal en mayor o
menor medida) y recuperará sus dimensiones iniciales. Sin embargo, superado un cierto
nivel de tensión el material no recupera su dimensión original, quedando una deformación
plástica. En el caso de volver a aplicar carga menor o igual a la que consiguió deformarlo,
el material tendrá un comportamiento elástico. A este fenómeno se le conoce como
endurecimiento por deformación. La tensión umbral para la cual se obtiene la primera
deformación plástica se donomina ‘tensión de fluencia’. Para estados de carga no
uniaxiales, hay que conocer una función de los esfuerzos, que determine un criterio de
fluencia del material. En un caso real, este criterio requerirı́a datos de temperatura,
velocidad de deformación, tiempo, etc. pero es una buena aproximación como hipótesis
simplificativa.
Los criterios más generalizados son (en función de las tensiones principales σ1 ≥ σ2 ≥ σ3 ):
Tresca: σ1 − σ3 = σf
q
Von Mises: 12 [(σ1 − σ2 )2 + (σ1 − σ3 )2 + (σ2 − σ3 )2 ] = σf
2
, el criterio de Von
Cuando se considera una situación de deformación plana σ2 = σ1 +σ
2
Mises otorga:
2
σ1 − σ3 = √ σf = S
3
Ligeramente distinto al de Tresca. Para materiales dúctiles se suele escoger el de Von
Mises, por adaptarse mejor a las determinaciones experimentales realizadas sobre ellos.
(Y por ello se utilizará esta en los siguientes apartados). La interpretación anteriror del
criterio de fluencia da lugar al concepto de tensión equivalente, que utilizando el criterio
de Von Mises, se define como:
r
1
2 + τ2 + τ2 )
σ=
(σx − σy )2 + (σx − σz )2 + (σy − σz )2 + 6(τxy
xz
yz
2
46
Y de forma análoga, se puede definir un incremento de deformación equivalente:
s
2
3
p 2
p 2
p
p 2
p
p 2
p
p 2
p 2
dε = √
(dεx − dεy ) + (dεx − dεz ) + (dεy − dεz ) + (dγxy + dγxz + dγyz )
2
3
Con estos valores es posible comparar cualquier estado de tensión con el diagrama obtenido en el ensayo uniaxial.
Por último, se considera el endurecimiento por deformación como:
σf = H(ε)
R
Donde ε = dε. También cabe a mencionar los distintos comportamientos que puede
tener un material siendo sus gráficas de σ vs ε en cada caso:
9.2. Deformación Homogénea
La energı́a invertida en un proceso de deformación plástica puede subdividirse en
tres tipos:
Homogénea
Distorsión Interna
z}|{
z}|{
W =
Wh + Wr
+
Wdi
|{z}
Rozamiento
Siendo en el caso simplificado de estudio, Wr = Wdi = 0 y se considera que :
Z
lf
Wh =
σdε
li
47
Como ejemplo se considera un proceso de forja libre entre estampas planas (con las
consideraciones previas):
Se prescinde de la profundidad definiendo
b=
b0 h0
h
trabajando en unidades de profundidad. Por otro lado la tensión necesaria para comenzar
la deformación será la deducida con deformación plana y el criterio de Von Mises
2
σ1 − σ3 = √ σf = S
3
donde σ1 = 0 y σ3 es la tensión normal aplicada sobre las estampas. La fuerza por unidad
de profundidad será por tanto:
b0 h0
F (h) = S
h
Y la energı́a de deformación necesaria para alcanzar la altura hf será por tanto:
Z
hf
Z
hf
S(h)
F (h)dh =
W =
h0
h0
b0 h0
dh →
h
hf
Sb0 h0 ln
= b0 h0 Sε
h0
|
{z
}
Rigido-plástico perfecto con S constante
9.3. Análisis Local de Tensiones
Mediante el análisis en el supuesto caso de deformación homegenea únicamente, no
resulta posible el cálculo de fuerzas que consideren los efectps del rozamiento. Para
tener en cuenta estos efectos disipativos se modelizan según dós hipótesis las fuerzas de
rozamiento:
Coulomb: FRoz = µq donde q es el módulo de la fuerza normal (esta hipótesis es
aplicable cuando las fuerzas normales no son muy grandes)
Semiadherencia: σRoz = mK donde m es el factor de rozamiento y K es la Tensión
de fluencia a cortadura del material.
48
Para el análisis local de tensiones se sigue manteniendo la hipótesis de deformación
homogénea a pesar de que la presencia del rozamiento haga menos adecuada su consideración. Con esta hipótesis ( y dado que el rozamiento será pequeño, utilizando el modelo
de Coulomb)se obtiene:
El proceso a seguir para el estudio es el cálculo de la distribución de presiones q(x)
sobre las estampas y a partir de ella el esfuerzo total que se ejerce.
Considerando el equilibrio de fuerzas sobre el elemento diferencial de espesor dx, se
tiene:
2µ
(σx + dσx )h − σx h − 2µq(x)dx = 0 → dσx =
q(x)dx
h
Si al material le aplicamos el criterio de plastificación:
σ1 − σ3 = S → dσx − (−q(x)) = S
Y diferenciando la ecuación:
dσx = −dq(x)
49
que al sustituir en la ecuación de equilibrio anterior:
dq(x)
2µ
= − dx
q(x)
h
cuya integral inmediata es:
ln q = −
2µ
x + cte.
h
Las condiciones que permiten determinar el valor de esa constante son para x =
σx = 0 y por tanto q = S Por ello el valor de esa constante es
cte. = ln S +
b
2
,
µb
h
Y finalmente:
2µ b
q(x)
= e h ( 2 −x)
S
La división por S tiene como objetivo adimensionalizar el resultado, haciéndole independiente del material. (Siendo S = √23 σf . La forma de variación de q(x) sobre la matriz
es:
La carga total sobre cada una de las estampas puede calcularse por integración sobre
la superficie de contacto.
Z
F = 2S
b
2
2µ
b
e h ( 2 −x) dx → F = S
0
h µb
eh −1
µ
Cuando el rozamiento es pequeño, como lo es en este caso bajo la hipótesis considerada, la función exponencial puede sustituirse por sus primeros términos de su desarrollo
en serie, quedando la fuerza por unidad de profundidad:
µb
F = Sb 1 +
2h
50
Y se deduce que el trabajo mecánico W =
rando la invariabilidad de volumen b =
Z
hf
W = Sb0 h0
h0
R hf
h0
F (h)dh = S
R hf h0 b 1 +
µb
2h
dh conside-
b0 h0
h
"
#
hf
1
µb0 h0
b20 h20 1
1
1+
dh = Sb0 h0 ln
+ Sµ
−
h
2h2
h0
4
h20 h2f
Siendo el segundo sumando el que recoge la energı́a de rozamiento.
9.4. Análisis mediante campos de lı́neas de deslizamiento
En aquellas situaciones en que sea posible considerar la hipótesis de deformación
plana para el proceso, se puede emplear para su análisis el métodoo denominado campo
de lı́neas de deslizamiento.
El fundamento teórico del método reside en la suposición de que la deformación del
materiral se produce por discontinuidades según lı́neas de máxima tensión cortante. Estas
lı́neas, tangentes en cada punto a una dirección de tensión cortante máxima, forman dos
familias de curvas ortogonales entre sı́ y en plasticidad se las conoce como lı́neas de
deslizamiento Cada una de estas familias se denotan por α y β respectivamente. Para
identificar de que tipo de lı́nea se trata se aceota como criterio que al girar en sentido
positivo (antihorario) desde una lı́nea α a una lı́nea β se encuentra entre ambas la
dirección de la mayor tensión principal algebraica (σ1 ).
Para la situación de deformación plana, se pueden expresar las tensiones en un punto
y para una dirección determinada, deducidas a partir del cı́rculo de Mohr correspondiente, en función de la presión hidrostática P (nótese que P es la distancia al centro del
cı́rculo de Mohr), de la tensión de fluencia a cortadura del material K y del ángulo Φ
que es necesario girar para alcanzar una lı́nea de tensión cortante máxima. Si estas expresiones se introducen en las ecuaciones de equilibrio interno para deformación plana y
se integran considerando los ejes coincidentes con una lı́nea α o una lı́nea β se obtienen
51
las correspondientes “ecuaciones de Hencky” para cada una de ellas.
∆P − 2K∆Φ = Cα → sobre una lı́nea α
∆P + 2K∆Φ = Cβ → sobre una lı́nea β
Y en el caso de borde libre, las constantes Cα = Cβ = 0
En el ejemplo propuesto:
PM − PN = 2K(ΦM − ΦN ) = 0
Y dado que la presión ejercida por la estampa es
q = σ3 = −2K
Como indica el circulo de Mohr, en cuyo extremo libre σ1 = 0 (Radio del cı́rculo de
Mohr = K) Obteniéndose el mismo resultado que en el análisis sin rozamiento mediante
deformación homogénea. Esto puede comprobarse al considerar el criterio de Von Mises
en un ensayo de cortadura pura donde:
1
K=√
3
Siendo por tanto 2K = S. El cálculo de fuerza y energı́a serı́a análogo a métodos anteriores.
Si se considerase el rozamiento en este método, es necesario modificar el campo de lı́neas
de deslizamiento de forma que verifique las condiciones de contorno. En este caso las
lı́neas no incidirán con un ángulo de π4 sobre la superficie, sino con un ángulo en función
de dicho rozamiento. En el caso de rozamiento de tipo Coulomb:
τxy = µq = K cos 2Φ → cos 2Φ =
52
µq
K
Y en el caso de tipo Semiadherencia:
τxy = Km = K cos 2Φ → cos 2Φ = m
En este caso se observa que no es necesaria la hipótesis del rozamiento débil por lo que
se amplia el campo de aplicación de este método.
9.5. Análisis Lı́mite
El análisis lı́mite se basa en expresiones deducidas a partir de la teorı́a de plasticidad,
que acotan superior e inferiormente la energı́a necesaria para la deformación. En general
se puede considerar de mayor interés la acotación superior desde un punto de vista
práctico de dimensionado de máquinas y equipos.
Si se considera un campo de velocidades de desplazamiento cualquiera, que verifique
las ecuaciones de compatibilidad y sea cinemáticamente admisible (debe cumplir las
condiciones de contorno de en velocidad y mantener la invariabilidad volumétrica) se
puede llegar a la expresión del Teorema del lı́mite superior:
Z
Z
Z
Z
∗ ∗
∗
Ti Vi ds ≤
σij ε̇ij dvol +
K|VS | ds −
Ti Vi∗ ds
SV
V ol
SS
ST
El significado de la ecuación se puede expresar diciendo que: Para todo campo de velocidades cinemáticamente admisible, la potencia desarrollada por las tensiones asociadas
en el volumen y en las discontinuidades de velocidad, menos la potencia desarrollada
por las fuerzas conocidas sobre el contrno de tensiones, es mayor o igual que la potencia
desarrollada por las fuerzas desconocidas sobre el contorno de velocidades conocidas.
La aplicación más fundamental se lleva a cabo sobre el “Teorema de bloques rı́gidos”.
Por ejemplo, definiendo el siguiente problema:
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Donde se deberá cumplir:
X
F · V1 ≤ K
Aij · Vij = KA12 · V12
ij
Donde A12 =
h0
sin φ
y V12 =
V1
cos φ
, por lo tanto:
F · V1 ≤ K · V1 ·
h0
h0
= S ·V1 ·
sen φ cos φ |{z}
sen 2φ
K/2
En el caso del modelo con rozamiento de Semiadherencia:
F · V1 ≤ K
X
Aij + mK
ij
X
Viroz Airoz
iroz
Por ello en el ejemplo antes explicado este último sumando corresponde a:
mK[V1 L1 + V1 L3 + V2 L2 + V2 L4 ] = mK[V1 (2L1 + hf ) + V2 (2L2 + h0 )]
Y si V2 = V1 hhf0 se cumplirá finalmente que la fuerza teniendo en cuenta el rozamiento:
h0
h0
(2L2 + h0 )
F ≤S
+ mK 2L1 + hf +
sen 2φ
hf
54
9.6. Procesos
Una vez estudiadas las ecuaciones que rigen el comportamiento plástico, se procede
a explicar brevemente algunos procesos.
9.6.1.
Laminado
PCDP que obtiene la geometrı́a deseada del material mediante la acción de dos
cilindros que giran en sentidos opuestos, haciendo pasar el material entre ellos. Los
objetivos que se pretenden conseguir con la laminación son:
Disminuir la sección y alargar
Mejorar las caracterı́sticas mecánicas
Conformar la sección final
Y en una segunda fase de acabado (tı́picamente en frı́o), dejar la sección final dentro de
las tolerancias.
Este proceso puede conseguir diversas formas mediante cilindros acanalados:
55
9.6.2.
Forja
Proceso de conformado sin eliminación de material, realizado generalmente en caliente, que obtiene la geometrı́a en el material mediante la aplicación de fuerzas de
compresión, bien contı́nua o por impactos. Los motivos principales de aplicación son:
Reducir pérdidas de material
Reducir tiempos de mecanizado
Mejorar las caracterı́sticas mecánicas y metalúrgicas del material trabajado.
Las forjas se clasifican seún:
Fuente energética:
• Manual
• Mecánica
Forma de aplicar fuerza:
• Impacto (Martillo Pilón)
• Continua (Prensa Hidráulica)
Geometrı́a del utillaje:
• Libre
• Con Estampa
La forja sigue un ciclo térmico que consta de:
• Calentamiento: (se evita elevar la temperatura bruscamente para no producir
grietas longitudinales) Una vez superada la temperatura de recristalización,
cuanto más se eleva menor esfuerzo requerirá la deformación del material,
pero mayor será el crecimiento de grano posterior.
• Forja: Donde es importante tanto la manera de aplicar la fuerza (ya sea presión
continua o por impactos) como la velocidad de deformación o el tiempo de
contacto con las estampas
• Enfriamiento: Dependiendo de las caracterı́sticas del material deben cuidarse
las velocidades de enfriamiento y la aparición de diferencias importantes de
temperatura que suelen ser causa de grietas transversales
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9.6.3.
Extrusión
La extrusión consiste en obtener secciones constantes haciendo fluir un material a
través de una matriz. Existen diferentes tipos de extrusión:
En frı́o
En caliente
Hidrostática
Y dentro de cada una de ellas se distinguen otras tres categorı́as : Directa [Derecha]
(cuando la fuerza aplicada es en en el sentido en el que fluye el material), Inversa [Izquierda] (cuando la fuerza aplicada es en el sentido contrario al que fluye el material) y
Simultánea (cuando fluye en ambos sentidos)
9.6.4.
Conformado Superplástico
El conformado superplástico solo se da cuando ocurren las siguientes caracterı́sticas:
Tamaño de grano pequeño (≈ 10 µm )
Alta temperatura (0.5-0.7Tf us
Baja velocidad de deformación 10−5 − 10−2 s−1
Ausencia de sustancias insolubles
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Existe una variente del proceso que primero suelda por difusión dos planchas y luego las
deforma
10. Resolución de Problemas
Veo aconsejable dedicarle al menos una sección a la resolución de problemas, para
tener claras unas pautas a seguir:
10.1. Problemas de Mecanizado
Los problemas de mecanizado no deberı́an suponer ningún problema, solo se han
de sustituir los valores en las ecuaciones, solo es IMPRESCINDIBLE poner bien las
unidades de cada dato. Fórmulas:
Torno:
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• Cilindrado: Transformar la pieza en un cilindro
ż = Ac v = f aP v = baC v
D
v = πN
1000
Vf = f N
Ẇ = FC v = ks AC v
tm = le +l+aPf Ncot kr +ls
• Refrentado: Recortar la pieza
ż = Ac v = f aP = baC v
D
V = πN
1000
Vf = f N
Ẇ = FC v = ks AC v
tm =
D −D i
f
le +
+aP cot kr +ls
2
fN
Taladro:
D
AC = bac nf = fz nf D
2 =f 2
2
ż = π D4 f N = baC nf v
v=
πN D
1000
Vf = f N
Ẇ = FC v = Ks AC v
tm =
le +l+ D
cot kr +ls
2
fN
Fresado:
• Cilı́ndrico:
ż = f N baP
vf = N f
Ẇ = ks baP f N v
√
le +l+2 aP (D−aP )+ls
tm =
fN
• Frontal:
ż = waP f N
vf = N f
Ẇ = ks ż
s
tm = le +l+D+l
fN
10.2. Problemas de Tolerancias
En la subsección de Operaciones con cotas (3.3) se explican la resolución de problemas
tipo
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10.3. Problemas de Acabado Superficial
Para estos problemas siempre es necesario tener en mente:
El cálculo previo de la altura de la lı́nea media zlm , sin esto el problema esta
perdido.
La posibilidad de resolverlo sin uso de integrales (sumando áreas graficamente)
[solo para Ra ]
Definir bien la función altura a trozos (a continuación se mencionan dos ecuaciones
de utilidad):
• Ecuación de la Recta punto-pendiente (conocida la pendiente y un punto
(A, B)): y − B = m(x − A)
• Ecuación de la parábola: Resolver el sistema para a, b, c que otorgan tres
puntos de la forma (Ai , Bi ): Bi = a(Ai )2 + bi (Ai )2 + c
La estimación de la tasa de perfil portante puede resultar engorroso, se deben tener
claras las siguientes pautas:
• Si hay una linea horizontal en la gráfica de rugosidad, habrá otra en la tasa
del perfil portante (Mucha longitud del perfil pasa a tener esa longitud)
• Rectas en la gráfica de rugosidad, generarán rectas en la tasa de perfil portante, por lo que si se halla l(z)
lm (el porcentaje para una altura) para dos z
distintas se puede trazar la recta que las une.
10.4. Problemas de Metrologı́a
En la sección de Metrologı́a (6) se explica la resolución de este tipo de problemas.
10.5. Problemas de Conformado por deformación plástica
Existen dos tipos de problemas principales, aquellos con teorı́a de bloques rı́gidos o
Análisi mediante campos de lı́neas de deslizamiento.
10.5.1.
Bloques Rı́gidos
En este tipo de problemas hay que tener claro que, al dibujar la hodógrafa:
Todas las velocidades Vi tendrán su origen en el mismo punto.
Las velocidades Vij tendrán la misma dirección que las fronteras entre bloques, es
decir si la frontera ij forma un ángulo con la velocidad Vi , la velocidad Vij también
lo formará.
Las velocidades Vij van desde la punta de Vi hasta la punta de Vj
Fuera del dibujo de la hodógrafa es muy importante recordar que S = 2K y que V1 · h0 =
Vf ·hf donde Vf es la velocidad que atraviesa la sección final de altura hf por continuidad.
60
10.5.2.
Lı́neas de Campo
En este tipo dr problemas hay que tener claro:
Cómo identificar las lı́neas α y β (en el giro antihorario de α a β encontramos σ1 )
Las ecuaciones de Henky para cada tipo de lı́nea:
∆P − 2K∆Φ = Cα → sobre una lı́nea α
∆P + 2K∆Φ = Cβ → sobre una lı́nea β
Que en un borde libre Cα = Cβ = 0 y en el punto del borde libre Pborde libre = K
Es muy importante definir una dirección para el giro de Φ y coger siempre la misma
parte de la lı́nea (como indica la figura)
Фb
Фa
En caso de rozamiento las lı́neas inciden con unángulo distinto a
de incidencia determinado por:
• Coulomb:
τxy = µq = K cos 2Φ → cos 2Φ =
µq
K
• Semiadherencia:
τxy = Km = K cos 2Φ → cos 2Φ = m
Y como en el caso anterior, recordar que S = 2K
61
π
4
siendo el ángulo