34611454 libro upc tecnologia mecanica metalurgia

Xavier Salueña BernaAmelia Nápoles Alberro

Tecnología mecánica

EDICIONS UPC

Primera edición: octubre de 2000

Con la colaboración del Centre de Recursos de Suport a la Docència

© Los autores, 2000

© Edicions UPC, 2000 Edicions de la Universitat Politècnica de Catalunya, SL Jordi Girona Salgado 31, 08034 Barcelona Tel.: 934 016 883 Fax: 934 015 885 Edicions Virtuals: www.edicionsupc.es e-mail: [email protected]

Producción: CPDA Av. Diagonal 647, ETSEIB, 08028 Barcelona

Depósito legal: B-34139-2000ISBN: 84-8301-449-1

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p3Índice

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MÓDULO 1. INTRODUCCIÓN ........................................................................................................ 5

1. Introducción a la tecnología mecánica ........................................................................................ 72. Los materiales utilizados en la industria ...................................................................................... 73. Obtención de los metales ............................................................................................................ 84. Metales férricos............................................................................................................................ 95. Procedimientos tecnológicos para obtener piezas en bruto y acabadas .................................... 126. Fabricación flexible y técnicas avanzadas................................................................................... 19

Bibliografía ....................................................................................................................................... 20

MÓDULO 2. TRATAMIENTOS TÉRMICOS. CONFORMADO DE CHAPA EN FRÍO................... 21

TRATAMIENTOS TÉRMICOS.................................................................................................................. 231. Introducción ................................................................................................................................. 232. Tratamientos térmicos y termoquímicos más importantes .......................................................... 273. Tratamientos térmicos superficiales ............................................................................................ 314. Tratamientos superficiales por capa de sustrato......................................................................... 315. Tratamientos anticorrosión .......................................................................................................... 31

DEFORMACIÓN METÁLICA EN FRÍO ....................................................................................................... 331.Introducción................................................................................................................................... 332. Materiales utilizados .................................................................................................................... 333. Operaciones principales .............................................................................................................. 344. Evolución tecnológica en el conformado de chapa ..................................................................... 68

Bibliografía ....................................................................................................................................... 70

MÓDULO 3. MOLDEO DE PIEZAS METÁLICAS .......................................................................... 71

FUNDICIÓN Y MOLDEO......................................................................................................................... 731. Introducción al moldeo................................................................................................................. 732. Moldes desechables .................................................................................................................... 793. Moldeo con arena ........................................................................................................................ 814. Métodos de moldeo con moldes de arena................................................................................... 855. Moldes permanentes ...................................................................................................................1136. Hornos..........................................................................................................................................122

Bibliografía .......................................................................................................................................123

MÓDULO 4. CONFORMADO POR FORJADO EN CALIENTE.....................................................125

1. Introducción .................................................................................................................................1272. Comportamiento elástico-plástico de las piezas metálicas .........................................................1283. Proceso de forja o estampación en caliente................................................................................1304. Maquinarias utilizadas para la forja .............................................................................................1355. Volúmenes de deslizamiento y de fricción...................................................................................1386. Forjado con estampas .................................................................................................................142

Problemas resueltos ........................................................................................................................143Bibliografía .......................................................................................................................................155

p4 TECNOLOGÍA MECÁNICA

MÓDULO 5. MECANIZADO POR ARRANQUE DE VIRUTA ........................................................157

1. Introducción .................................................................................................................................1592. Materiales mecanizables .............................................................................................................1593. Procedimientos empleados en el arranque de material ..............................................................1614. Proceso de arranque de material por medio de cuchillas ...........................................................1645. Proceso de torneado....................................................................................................................1756. Operaciones en torneado según la cantidad de material arrancado por etapa ..........................1777. Cálculo de movimientos en torneado ..........................................................................................1778. Tiempo total del proceso..............................................................................................................1839. Número de filos por herramienta .................................................................................................18410. Costos del proceso ....................................................................................................................18511. Fuerza de corte..........................................................................................................................18712. Potencia de corte .......................................................................................................................18913. Taladrado...................................................................................................................................19714. Cálculo de movimientos en taladrado........................................................................................20115. Tiempos del proceso..................................................................................................................20516. Costos del proceso ....................................................................................................................20717. Máquinas de taladrado ..............................................................................................................20918. Taladrado de agujeros profundos..............................................................................................21019. Automatización de las máquinas herramientas .........................................................................218

Bibliografía .......................................................................................................................................227

p5555Módulo 1. Introducción

Módulo 1. Introducción

Xavier Salueña Berna


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La tecnología mecánica se puede definir como la ciencia encargada del estudio de la transformaciónde los materiales metálicos para la obtención de piezas o artículos de consumo. Como asignatura defabricación es de vital importancia para el ingeniero de organización. Antiguamente la fabricación eraconsiderada como un ente de la empresa desvinculada de la concepción y diseño del producto y queera la encargada de ejecutar unas ideas ya preconcebidas. Esto fomentaba un incremento deltiempo de ingeniería por necesidad de rediseños, por no poderse fabricar la pieza o por encarecer elproducto en la fabricación. La filosofía actual no puede concebir el diseño del producto sin pensar enla fabricación. Si el diseño no es adecuado, la fabricación puede ser costosa y eso supone que elproducto no será competitivo.

Actualmente debido a la competencia y a la guerra de precios, la variabilidad del producto, elaumento de la calidad del producto y la disminución de los tiempos de entrega se aplica un conceptodenominado ingeniería concurrente en el cual todos los departamentos implicados en un producto(Diseño, compras, ventas, fabricación...) deben intervenir en su concepción de manera paralela. Elingeniero de organización como elemento de ligazón de estos departamentos debe conocer comoingeniero cada parte de este todo y por tanto los métodos de fabricación.

Por otro lado se vinculará aún más en la fabricación cuando se le exija una disminución del tiempo deelaboración, un aumento de la calidad, una reducción de los elementos almacenados, una flexibilidad,una reducción de los costos, una redistribución de los puestos de trabajo, una disminución de los re-corridos de las piezas, una organización del mantenimiento de la planta, un entorno mediambien-talmente sostenible y sin riesgos para los trabajadores...

Debido a que en la actualidad los metales siguen siendo los materiales más utilizados en la fabri-cación esta asignatura es clave para obtener la base del conocimiento de los actuales métodos desu fabricación.

La asignatura parte de una introducción donde se plantean que metales se utilizan más en laindustria, la mayoría de los procesos más utilizados de elaboración de piezas metálicas existentes,nuevas técnicas de organización de la producción... A continuación se detalla la fabricación depiezas por deformación tanto en caliente como en frío, por fusión y colada y finalmente por arranquede viruta. Se trata también en la asignatura los tipos de tratamientos térmicos y anti-corrosión a quese someten las piezas. Con ello se obtendrá una visión generalizada de la tecnología mecánica, yaque su estudio completo comprendería toda una carrera.

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Si realizásemos un balance sobre los materiales más utilizados en la industria comprobaríamosque son los metales y aleaciones, los plásticos, las cerámicas, los elastómeros y los materialescompuestos. Dentro de estos y si nos basamos en una tabla que valora a los dos primeros grupos,deduciremos que no materiales férricos continúan siendo los más utilizados a nivel mundial.Observaremos además que la manipulación del resto de materiales metálicos también es im-portante, por lo que el ingeniero debe enfatizar el estudio de la obtención y fabricación de laspiezas metálicas.


Material Producciónmundial.(Tn *106)

Densidad(kg/m3)

Volumen producidomundial.(m3 * 106)

Coste relativo

Acero y fundición 768 7900 97 1

Aluminio 18 2700 6,7 3

Cobre 11 8900 1,2 5

Cinc 7 7100 1 4

Plomo 5 11300 0,41 3

Níquel 0,7 8900 0,08 10

Magnesio 0,4 1700 0,23 8

Tin 0,3 5800 0,05 20

Titanio 0,1 4500 0,02 26

Polímeros 85 900-2200 56 (Depende tipo)

En este módulo de introducción comentaremos cómo se obtienen algunos de estos metales, laclasificación de los aceros según la IHA y las normas UNE, y en que formatos llegarán estos metalesa nuestro taller procedentes de las metalurgias.

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Los metales se suelen obtener a partir de minerales extraídos de minas subterráneas si el mineral seencuentra en vetas o a cielo abierto si se presentan en grandes depósitos.

Metal Minerales

Hierro Magnetita, hematita, limonita, goetita, siderita, taconita

Aluminio BauxitaCobre Calcopirita, calcocita, cuprita, azurita, bornita, malaquita, cobre nativo.

Zinc Franklinita, willemita, cincita

Plomo GalenaNíquel Niconita, pentlandita, garnieritaMagnesio Agua de mar (no mineral)Titanio Anatasa, Brookita y Rutilo

No explicaremos en este curso los métodos de obtención de cada uno de los metales, ya que no esninguno de nuestros objetivos. Como ejemplo comentaremos de manera sintetizada la obtención delos metales férricos.


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Se obtienen fundiendo los minerales junto con carbón en los altos hornos. A veces también puedeobtenerse por reducción directa pero es menos común.

El hierro no existe en estado puro sino en minerales denominados mena. De las minas de hierroextraemos la ganga que consta de la mena y de tierra, barro y rocas. El contenido de hierro en lasmenas es de 40% en carbonatos y de 60% en óxidos. Es por eso que nos interesa trabajar conóxidos por lo que en caso de tener minerales de sulfuros o carbonatos primero los transformaremosen óxidos.

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� 1. Lavado, cribado y sinterizado

Separamos parte de la ganga (tierra y barro) y trituramos el resto.

� 2. Alto horno

Reducción del hierro mediante carbón de coque (carbón con afinidad por oxígeno) y extracción totalde la ganga con un fundente (cal, básica, si la ganga es ácida y sílice, ácido, si la ganga es básica)obteniendo el arrabio y la escoria. Separación por diferencia de densidades de la escoria del arrabio.El resultado es el arrabio que es hierro con un 2,5 a 5 % de carbono, 1 a 3% de silicio y azufre,fósforo, manganeso...

� 3. Afino del arrabio

Quemamos el Azufre y el fósforo y afinamos el tanto por ciento de carbono al material.

Entran Salen

Mineral...........2t Arrabio...............1tCoque............1t Escorias...........0,5 tFundente......0,5 t Gases................6 tAire................4 t

Las escorias se utilizan como abonos, aislantes térmicos...

Dependiendo del tanto por ciento de carbono del metal férrico obtendremos hierro, acero o fundición.Se considera como hierro el metal férrico con 0,05 a 0,08 % de C ; aceros con 0,08 a 1,8 % de C yfundición con 2,5 a 5 % de C. Debido a que el arrabio contiene impurezas y un alto contenido decarbono debemos afinarlo.


Afino del arrabio

Esquema:

Arrabio CUCHARA Afino del Acero Convertidor(Sin solidificar)

H. eléctrico

Afino del Acero(A. solidificado H. Martín-Siemensmás chatarra)

SURCOS Afino de fundición(A. Solidificado) Cubilote

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� Afino en convertidor o horno básico de oxígenoConsiste en quemar por medio de oxígeno tanto las impurezas (fósforo,azufre...) como el exceso decarbono del arrabio líquido.

Los problemas de estos convertidores es que producen óxido de hierro y nitrógeno por lo que losaceros obtenidos son de calidad media aptos para elaborar tubos, chapas, perfiles laminados,alambre.

� Afino en horno Martin-Siemens o de hogar abiertoSon hornos de gas que funden en su interior a 1800ºC lingotes de arrabio solidificado y chatarra. Alalcanzar dicha temperatura se destruyen todas las impurezas y se consiguen aceros de calidadaptos para fabricar piezas de maquinaria.

� Afino en horno eléctricoTransforman la energía eléctrica en calor por lo que alcanzan temperaturas superiores a losanteriores. Al no generarse llama sólo se queman las impurezas y no el metal. Los aceros son dealta calidad o aleados. Los dos tipos de hornos eléctricos son: De arco y de inducción. Una vezafinado el acero se recoge en cuchara y vierte en lingoteras obteniendo lingotes de acero que trascalentarse en pozos de inmersión se forjarán o laminarán para obtener piezas comerciales.

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� CubiloteEl cubilote es un horno cilíndrico en el cual se introducen capas alternadas de arrabio y de carbón decoque (tras encender con maderas) hasta sobrepasar la altura de las toberas. Una vezincandescente se añade el fundente y se inyecta aire por las toberas. El metal fundido cae en uncrisol y cuando está lleno se abre la piquera y se recoge el metal en cucharas de colada paradespués verter en los moldes de fundición.

La diferencia entre los aceros y la fundición en cuanto a propiedades se refiere:


Aceros Fundición

Dureza media Gran dureza (F blanca), dureza media (F gris)Resilencia Baja resilenciaSoldabilidad No soldablesForjables No forjablesDúctiles y maleables No dúctiles ni maleablesResistencia No resistenciaOxidan Resistencia a corrosiónNo colabilidad Colabilidad

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Una vez obtenidos los lingotes de acero y cuando aún están incandescentes se depositan en unosrodillos que llevan al lingote hacia unos cilindros donde se obliga a pasar el material entre ellosreduciendo su espesor y adoptando formas determinadas.

Es lo que se denomina laminación en caliente.

� Formas comerciales de aceros más comunes

Nombre Ancho (mm) Espesor (mm)Plano ancho 200 a 600 4 a 10Llanta (12) 10 a 200 10 a 120Pletina (13) 10 a 200 4 a 10Fleje (14) inf a 200 inf a 4Chapa sup a 600 >6 gruesa

3-6 media <6 fina

Redondo (7) D 5 a 200Cuadrado (8) L 8 a 100Vigas (1) Forma de IHexagonal (9) 5 a 70Pasamanos (10) segm circularMedio redondo (11) semicircular 10 a 25Perfil en U (2) Forma de UAngular (3 y 4) Forma de LCarril Vía del trenPerfil en Z (6) Forma de ZPerfil en T (5) Forma de TPerfiles especiales Distintas formas

� Secciones de algunas formas comerciales


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� Tubos

- Sin soldadura- Con soldadura

� AlambresSe obtienen por trefilado que consiste en hacer pasar a material por una hilera arrastrado porbobinas.

� Laminación en fríoOtro tipo de método para obtener perfiles es mediante laminación pero con el material no en estadoplástico. El material obtenido es más duro y de más resistencia.

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Se suelen obtener por extrusión. Consiste en presionar mediante un émbolo una masa de material abaja o alta temperatura forzándole a salir por una hilera o matriz .

� Cobre - Planchas, tubos, alambres y pletinas.� Latones - Redondos, hexagonales, planchas y tubos.� Bronces - Chapas, alambres, planos anchos y tubos.� Aluminio - Pletinas, chapas, redondos, alambres y perfiles.� Estaño - Chapas finas, láminas y alambres.� Zinc - Tubos y canalones.

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Los aceros son muy utilizados en la industria y por tanto también en esta asignatura. Es por ellonecesario tener unas tablas de aceros con las propiedades básicas de estos, temperaturas de forja,características de los tratamientos térmicos ... Debido a que los aceros más utilizados en laconstrucción mecánica son los aceros finos (con un porcentaje de impurezas no superiores a ciertoslímites) tendremos tablas sólo de estos aceros según normas IHA y UNE.

Los aceros finos se dividen además en tres grupos: aceros de construcción, aceros de herramientasy aceros inoxidables y resistentes al calor.

En esta asignatura trabajaremos sólo con las tablas de aceros de construcción e inoxidables.Las tablas están al final de este módulo.

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En este apartado describiremos esquemáticamente o enunciaremos cuáles son los procedimientospara obtener las piezas acabadas. La pieza en bruto se suele obtener normalmente en lassiderurgias o metalurgias en forma de lingote o productos comerciales. En las fundiciones, forja,...obtenemos productos semielaborados y finalmente tras el mecanizado tenemos la pieza final. El


alumno no debe profundizar en estos procesos, sencillamente es necesario que sea consciente desu existencia. En los más importantes ya profundizaremos en próximos módulos.

En este curso trataremos todos los apartados marcados con asterisco. (*)

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� Laminación

� Trefilado

� Fundición (*)

� Forja rápida

� Estampado en caliente o forja lenta (*)

Se hace pasar un lingote de material caliente (o frío) entre cilindrospara obtener chapa o barra con perfil.

Barra de laminado en frío se pasa por hilera de embocadura paraobtener alambre.

A partir de metal fundido y moldes se obtiene la pieza.

Se realiza un esbozo de la pieza en caliente mediante un martinete

Se imprime en caliente en estampa (con martillo o prensa) un elementoesbozado en forja rápida.


� Estampado en frío (*)

� Extrusión en caliente o frío

� Sinterización

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� Arranque de viruta

� Torneado (*)

� Taladrado (*)

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A partir de una chapa mediante troqueles y prensasmecánicas o hidráulicas. Corte, doblado y embutido...

Se Impele hacia fuera mediante fuerza el metal introducidoen una matriz para obtener un perfil.

Se Calienta y prensa polvos de metal para obtener las piezas.

Se crea un hueco cilíndrico en la pieza.

Se perfila alrededor de un eje un sólido de revolución la pieza.Máquinas: Tornos o centros de torneado.Operaciones: Cilindrado, refrentado, ranurado, tronzado, roscado ofileteado, mandrinado, perfilar o copiar en redondo.


Escariado, mandrinado

� Limado

� Cepillado o planeado

� Mortajado

� Brochado

Cilindrado interior de precisión.

Se arranca viruta horizontal de la pieza. Pieza fija

Se Arranca viruta horizontal en dos direcciones. Pieza móvil.

Acción de arrancar viruta verticalmente para conseguirranuras longitudinales. Dentaduras si se trata de engra-najes.

Se repasa con una brocha (herramienta de filos esca-lonados) un agujero cilíndrico o superficie exterior paratransformar el perfil de la pieza.


� Fresado

� Aserrado

� Dentado

� Roscadoras

Electroerosión

� Arranque de partículas

� Rectificado

Se arranca viruta de la pieza mediante herramientas circularesde cortes múltiples.

Se recortan piezas erosionando el material eléctricamente.Tipos: Hilo y penetración (ECM, EDM)Muy utilizado en matricería y moldes.

Consiste en la fabricación de engranajesPor: Dentadoras por fresa madre o mortajadoras Fellocus oMaag

Se corrige con precisión una superficie plana, cilíndrica,cónica,... con una muela .

Consiste en separar un trozo de una barra. Existen:- Sierras circulares (tubos ...)- Sierras de cinta- Sierras alternativas

Se utilizan para roscar agujeros.


� Bruñido o lapidado

� Afiladoras, pulidoras, esmeriladoras, rebabadoras, ultrasonidos

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� Cortar (*)

Consiste en separar las piezas

Aserrado mecánicoElectroerosiónPunzonadoLáserOxicortePor plasmaChorro de agua

� Soldadura

Consiste en unir piezas en una unión rígida no desmontable

� Arco eléctrico

� Resistencia

Se repasa con abrasivos de grano fino y aceite una super-ficie templada y rectificada o alisada.

Es un pulido, afilado ... sin precisión dimensional.


� Puntos y roldana

Puntos: Roldana:

� Autógena

� Láser

� Chorro de plasma

A. Electrodo D. Metal baseB. Enfriamiento E. Baño de fusiónC. Arco

� MIG


� MAG

� TIG

A. Boquilla E. ArcoB. Metal de aportación F. Cordón de soldaduraC. Electrodo G. Baño de fusiónD. Gas protector H. Metal de base

� Tratamientos térmicos y tratamientos anticorrosión (*)

� Medición y verificación (*)

� Máquinas de ensayos

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(Clase inagural)


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� Chevalier, Bohan: Tecnología del diseño y fabricación de piezas metálicas. Ed. LIMUSA Noriegaeditores. 1998.

� Neely: Materiales y procesos de manufactura Ed. LIMUSA Noriega editores. 1992.

� Ferré, R.: La fábrica flexible Productica Ed Marcombo. 1988.

p21Módulo 2. Tratamientos térmicos conformado de chapa en frío

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RATAMIENTOS TÉRMICOS

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Un tratamiento térmico es un proceso utilizado para modificar las características mecánicas deciertas aleaciones mediante ciclos de calentamiento y enfriamiento del material de tal forma que semodifiquen sus constituyentes. Para que sea efectivo el metal debe estar aleado por ciertos átomos.En un tratamiento termoquímico se pretende la inserción de partículas en las retículas cristalinas dela superficie para alear la superficie de la pieza y que el tratamiento térmico sea efectivo. Eltratamiento térmico puede realizarse sobre toda la pieza o en la superficie.

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Se suelen aplicar después de mecanizar la pieza. Debido a que al calentar la pieza acabada esta sedeforma tras el tratamiento debemos rectificar ciertas piezas para conseguir la calidad geométrica ydimensional necesaria. Actualmente y debido a la evolución de las técnicas de mecanizado podemosarrancar viruta de materiales desbastados y tratados térmicamente por lo que podemos evitaroperaciones innecesarias.

Mecanizado ---- Tratamientos térmicos --- Rectificado

� Consideraciones

Diferencia de resistencia a tracción y dureza entre metal puro y aleación. Podemos comprobar queuna aleación posee mayor resistencia a la tracción que un metal puro de la misma sección.

Si calentamos las probetas anteriores a 850ºC y enfriamos bruscamente observaremos que laprobeta de metal puro no modifica sus propiedades mientras que la aleada con carbono aumenta suresistencia considerablemente.


La dureza y resistencia se incrementan en la segunda probeta aleada. ¿A qué se debe? Estudiemosbrevemente la composición de los metales y de sus aleaciones.

� Estado metálico

Los metales en estado sólido presentan una estructura cristalina en los cuales los átomos aparecenformando redes cristalinas. En el caso de metales puros, a temperatura ambiente, se presentasiempre la misma estructura. En cambio en aleaciones puede darse para este caso estructurasdiferentes según sea la velocidad de enfriamiento. Esto se debe a que el metal puro de hierro, porejemplo, no contiene carbono y el aleado sí. En el aleado al enfriarse sus átomos de carbono al sermayores a los de hierro quedan aprisionados en la retícula cristalina por lo que forman granos máscompactos, duros y resistentes. La cantidad de átomos encerrados en la retícula dependerá de lavelocidad de enfriamiento del metal.

� Diagrama Hierro – carbono simplificado


Veamos las estructuras cristalinas del metal de hierro a 1100°C y a temperatura ambiente.

� Estructura del acero en estado pastoso a 1100°C, austenita, red cúbica centrada en las caras

� Estructura del hierro a temperatura ambiente , red cúbica centrada

Si realizo un enfriamiento lento 20ºC a 40ºC por hora la austenita se transforma en perlita - ferrita operlita – cementita dependiendo del porcentaje de carbono del acero. La estructura de red cúbicacentrada en las caras pasa a cúbica centrada con la posibilidad que los átomos de carbono salgande la retícula cristalina. Si los átomos de carbono escapan el metal será menos duro y menosresistente.

Si realizo un enfriamiento más rápido 30ºC a 50ºC por minuto la austenita se transforma enestructura más fina que es la troostita. Quedan más átomos de carbono encerrados.

Si el enfriamiento es muy rápido 200ºC a 500ºC por segundo la austenita se transforma enmartensita. La estructura de red cúbica centrada en las caras pasa a cúbica centrada y la mayoría delos átomos de carbono quedan aprisionados en el interior de la retícula cristalina.

A mayor velocidad de enfriamiento el carbono tendrá menos tiempo para escapar de la retículacristalina y se conseguirá una estructura más dura, más resistente pero también más frágil.

� Diagramas de Bain (TTT)

Para estudiar la transformación de la austenita al enfriarse se construyeron unas gráficas experimentalesde temperatura-tiempo-transformación denominadas de Bain. Como se ve consta de dos curvas unainicio de transformación y otra de fin de transformación. Primero el metal debe calentarse a temperaturacrítica y después enfriarse hasta la curva de inicio de transformación. En el tramo entre las dos curvas latemperatura debe mantenerse constante (en un baño salino) y después volver a enfriarse.


� Influencia de la velocidad de enfriamiento.

Esta propiedad de los aceros de modificar sus propiedades como la dureza y la resistencia a latracción se utiliza mucho en fabricación.


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� Temple� Revenido� Bonificado� Recocido� Normalizado

� Cementación� Nitruración� Carbonitruración� Cianuración� Sulfinización

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� Temple

Se transforma la austenita en martensita mediante un enfriamiento muy rápido con velocidad superior a lacrítica. Esto provoca que la pieza gane la máxima dureza pero también mayor fragilidad. El enfriamientose suele realizar con agua si se quiere un enfriamiento más brusco, mayor dureza, o aceite si no sequiere tanta brusquedad, menor dureza. A mayor temperatura de temple también se conseguirá mayordureza o resistencia o viceversa.


� Temple

En piezas muy gruesas y debido a que el enfriamiento debe ser desde 850ºC a temperatura ambienteen menos de 2 segundos, hace que esta no se transforme totalmente en martensita. Esto crea tensionesinternas en casos de piezas con partes gruesas y delgadas.

La dureza y la resistencia mecánica aumentan cuanto mayor es el porcentaje de carbono en elacero.

� Revenido

Como hemos visto en el temple las piezas adquieren fragilidad (resilencia) y cuando tienen partesfinas y gruesas se pueden crear tensiones internas. Para dar una mayor tenacidad a las piezas yeliminar estas tensiones se realiza el revenido. El revenido consiste en calentar la pieza hasta unatemperatura por debajo de la crítica hasta que la estructura se transforme en una menos dura que lamartensita (sorbita o martensita revenida). A mayor temperatura de revenido, menor dureza


El conjunto de temple y máximo revenido se denomina Bonificado.

En el temple y revenido lo que pretendemos es llegar a un compromiso entre la resilencia y la durezaque debe tener nuestro material. Cuanta más dureza tenga el material más frágil será y viceversa.

� Recocido

Cuando sometemos al material a elaboraciones plásticas (laminados, forjados, embutidos...) o enfria-mientos en malas condiciones se producen desmenuzamientos de los cristales y su compenetración,deformándose la retícula y creando tensiones internas. La finalidad del recocido es el eliminar estastensiones internas obteniéndose estructuras más blandas y de fácil mecanización.

Se distinguen dos tipos

� Recocido de ablandamiento (recocido)� Recocido de regeneración (normalizado)

� Recocido de ablandamiento

Se calienta la pieza por encima de la temperatura crítica y se deja enfriar lentamente en el mismohorno donde se calentó. Se obtiene una estructura más blanda de perlita-ferrita (normal).


� Normalizado

Se calienta la pieza por encima de la temperatura crítica y se deja enfriar en aire en reposo. Seconsigue una estructura más fina y homogénea que el recocido.

Comparación entre los diferentes métodos.

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� Cementación

Hemos comentado antes que cuanto más carbono tenga la aleación más dureza podemos alcanzar.En el caso de aceros dulces y extradulces se carbura superficialmente la pieza en presencia decementante. Después dicha pieza se templa obteniéndose así una pieza superficialmente dura perocuyo núcleo (no cementado) es tenaz. Se utiliza para piezas con gran resistencia al desgaste y a lavez elevada resilencia (engranajes, cigüeñales, rodillos, levas, crucetas, articulaciones...).

� Nitruración

Se utiliza para endurecer superficialmente las piezas y protegerlas de la corrosión por absorción denitrógeno a una temperatura determinada por parte del acero. (herramientas como brocas...)

� Carbonitruración

Se utiliza en piezas de gran espesor. Consiste de endurecer superficialmente las piezas y evitar sucorrosión (en caliente) gaseando por carbonitruración los aceros tanto de bajo contenido en carbonocomo incluso los de aleación media. El acero absorbe así tanto carbono como nitrógeno.

� Cianuración

Igual que el método anterior pero con baños de cianuro.

� Sulfinización

Se incorpora a la capa superficial de algunos metales, acero, carbono, nitrógeno y sobre todo azufremediante un baño a una temperatura determinada.

Se aumenta la resistencia al desgaste de los metales y se disminuye su coeficiente de rozamiento.


Imagenes de diferentes tipo de grano

Bainita Troostita Sorbita Martensita

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En estos sistemas se realiza un temple solamente de la superficie de la pieza y no del núcleo. Deesta forma conseguimos piezas resistentes al desgaste exterior pero tenaces interiormente.Enumeraremos los tipos que dependen principalmente de la forma de calentar la superficie de lapieza:

� Temple a la llama oxiacetilénica� Temple por inducción� Temple por láser� Temple por haz de electrones� Temple en vacío por plasma

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Se consigue endurecer la superficie de la pieza aleándola pero sin aplicar ningún tratamiento térmico.

� Pulverización catódica� Recubrimiento iónico� Implantación iónica� Deposición química

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Se recubre la pieza externamente sin modificar su estructura para evitar la corrosión

� Pintado� Plastificado


� Ejemplo

Se requiere de un acero al carbono de gran elasticidad para la construcción de muelles cuya resistencia,tras un temple y un revenido para los intervalos recomendados según tablas, pueda alcanzar una resis-tencia de aproximadamente 150 kg/mm2.

� a. Determinar de qué acero se trata.

� b. Determinar para que condiciones se conseguiría la máxima dureza según tablas.

Condiciones %C= ....... Ttemple = ......... ºC TRevenido = ......... ºC temple en agua o aceite?

� c. Determinar en que condiciones se conseguiría la resistencia requerida en los muelles tras eltemple y el revenido.

Condiciones %C= ....... Ttemple = ......... ºC TRevenido = ......... ºC temple en agua o aceite?

Resolución

� a. En este apartado debemos recurrir a la tabla de los aceros, exactamente al apartado de aceros degran elasticidad. De estos aceros existen dos que son al Carbono propiamente dicho: El F-141 y el F-142 según IHA. De estos dos tipos el único que nos asegura la resistencia de 150 kg/mm2 es el F-142.

IHA Designación % C Temple ºC Revenido ºC R ( kg/mm2 )F-141 Acero al C de temple en aceite para

muelles0,60,8

815 - 825Aceite

350 - 650Aire

130 - 140

F-142 Acero al C de temple en agua paramuelles

0,40,6

800 - 820Agua

350 – 650Aire

115 - 160

La tabla nos da la información siguiente respecto a los valores de la resistencia del material tras eltratamiento.

1.En las condiciones más propicias para aumentar la resistencia, es decir:% C MáximoTemperatura de temple máxima con enfriamiento en agua (más brusco que el aceite)Temperatura de revenido mímimaLa resistencia será de 160 kg/mm2

2.En las condiciones más propicias para disminuir la resistencia, es decir:% C MínimoTemperatura de temple mínima con enfriamiento en agua (Ya que lo marca la tabla podría ser menorcon la utilización de aceite)Temperatura de revenido máximaLa resistencia será de 115 kg/mm2

� b. Así para conseguir la máxima resistencia , o sea dureza las condiciones son:

Condiciones %C= 0,6 Ttemple = 820 ºC enfriamiento en: (agua) TRevenido = 350 ºC (aire)

� c. Para conseguir 150 kg/mm2 debido a que está más próxima a 160 que a 115 kg/mm2 trataremosde conseguir el valor máximo de resistencia mediante temple y ajustaremos por revenido. Siaumentamos la temperatura de revenido la resistencia disminuirá. El valor de temperatura derevenido es apro-ximado. Otra temperatura de revenido como 500ºC se aceptaría pero no la de 600o 650 ºC ya que dis-minuiríamos demasiado la resistencia ya que el valor conseguido en el caso de650 ºC estaría próximo al valor medio de entre 160 y 115 kg/mm2 .

Condiciones %C= 0,6 Ttemple = 820 ºC enfriamiento en: (agua) TRevenido = 450 ºC (aire)


$EFORMACIÓN METÁLICA EN FRÍO

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La deformación metálica en frío consiste en conformar o cortar un material de un poco espesor,normalmente inferior a 15 mm, sin calentamiento de este (excepto la embutición de chapas de aceroduro o semiduro de espesor mayor a 7mm en que se trabaja en caliente).

Debido a este pequeño espesor y por tanto a su baja resistencia a ser trabajado, no es necesarioaumentar la temperatura del material hasta un estado plástico como en el caso de la forja paratrabajarlo. Dada la precisión dimensional de este método, no sólo es utilizado en chapa sino que seutiliza para acabar piezas obtenidas por otros procedimientos. Además de la precisión dimensional ybuen acabado conseguimos mayor resistencia mecánica y dureza que en el caso de deformación encaliente.

Debido al gran uso de la chapa para la fabricación de piezas, carrocerías, trabajos de caldereríacomo tuberías, material eléctrico, latas o objetos tan cotidianos como ollas, cubertería, fregaderos,estuches metálicos, agujas de hilo... su estudio se realiza de forma independiente según el grosor dela chapa. Así se llama hojalatería o calderería fina si el espesor es menor a 1 mm, chapistería de 1 a3 mm y calderería gruesa si es mayor a 3 mm. En nuestro estudio nos referiremos al trabajo enchapa en general que como se sabe se obtiene por laminación en caliente en las metalurgias.

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Los materiales de las chapas utilizadas en la conformación en frío deben ser materiales con lassiguientes características:

� La plasticidad que es la capacidad que debe tener el material para deformarse de forma permanentesin romperse. Es importante que el material sea dúctil y maleable es decir que sea plástico altraccionarse y al comprimirse respectivamente.

� Un límite elástico bajo, es decir, que debe poderse deformarse con facilidad, ya que un material sóloconsigue deformarse permanentemente si se ejercen esfuerzos superiores a dicho límite.


Existe por encima del límite elástico un punto, denominado de ruptura, donde el material se rompe.Al deformarse el material se va endureciendo progresivamente hasta llegar a este punto. Si cesamosel esfuerzo en un punto de la zona no elástica próximo al punto de rotura por unos instantes y se-guimos con el mismo esfuerzo, reemprenderemos la deformación con la dureza que teníamos antesde parar y por lo tanto al aumentar el esfuerzo se romperá la chapa. Si después de pararrecociéramos la chapa, eliminando las tensiones internas y por lo tanto reblandeciendo el material,nos alejaríamos del punto de ruptura aun conservando la deformación conseguida. Esto nos per-mitiría conseguir mayores deformaciones ya que restauraríamos su plasticidad.

Otro parámetro a tener en cuenta en algunas operaciones como el doblado es que los materialestienen una recuperación elástica, es decir, que aunque se deformen permanentemente suelenretroceder hacia su antigua posición algunos grados. Por eso al doblarse se debe hacer con unosgrados por exceso para compensar este hecho.

Teniendo en cuenta todas estas consideraciones, los materiales más idóneos en el trabajo de chapa son:

� Aceros dulces y extradulces (bajo contenido en carbono.)� Aceros austeníticos inoxidables.� Latón y cobre.� Aleaciones ligeras y de aluminio-cobre.

En el caso de chapas de aceros realizadas por laminación en caliente y que deban trabajarse en frío, esconveniente realizar previamente un decapado químico (ataque con HCl o HSO4) para eliminar el óxido yun recocido para reblandecer el material. Normalmente y para evitar la corrosión, algunas chapas segalvanizan con cromo o zinc.

Estas chapas se obtienen de las metalurgias en forma de carretes de chapa enrollada o de láminas.

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Se nombran algunas de las operaciones que realizamos mediante deformación en frío y que estudiaremosa continuación:

� Cizallado� Doblado o estampado� Aplanado� Rebordeado, plegado o perfilado� Perfilado� Troquelado� Embutido� Entallado� Otras

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Previamente a cualquier trabajo es preciso cortar la chapa con unas dimensiones de ancho ylargo en función de la pieza final a obtener (en caso de calderería) o sólo en función del anchopara que las tiras de chapa denominadas bandas se adapten a las guías del útil de trabajo dechapa (matriz).


El corte de la chapa en línea recta es el cizallado y se realiza por medio de una cizalladora que esuna máquina que contiene dos cuchillas metálicas que al cerrarse cortan la chapa. En el esquemaadjunto se muestran las cuchillas durante el corte mostrando la cara de corte y los respectivosángulos correspondientes. Siendo α el ángulo de incidencia, β el ángulo de corte y γ el ángulo dedesprendimiento. Estos ángulos dependen de la dureza del material a trabajar y la de la propiacuchilla. En las cuchillas de acero al carbono empleadas para cortar planchas de acero dulce, dichosángulos son: α = 6º ; β = 80º y γ = 4º.

Existen varios tipos de montajes según la orientación de las cuchillas: Cizallas de cuchillas y deoblicuidad constante. En ambas la fuerza de corte es igual a la sección de corte S por el esfuerzo acortadura σt. La sección de corte es menor en el caso de cuchillas de oblicuidad constante por loque requiere de máquinas cizalladoras menos potentes para el mismo grosor s y ancho a de chapa.El esfuerzo a cortadura σt = 0,8 σr. donde σr es la resistencia a la rotura. En las cuchillas deoblicuidad constante se recomienda un ángulo de inclinación λ = 10º.

a. Paralelas b. oblicuidad constante

En que el esfuerzo de corte es:

F= S.σt = a.s. σt (Cuchillas paralelas)

F = 0,25 s2 σt / tg λ (λ = 10º) (Cuchillas oblícuas)


Para el cálculo de la fuerza de corte se muestran los valores del esfuerzo de corte σt.

MATERIALES Res. a la cortadura en Kg/mm2

σσσσt

Laminado RecocidoAcero lam. 0,1 % C 32 25Acero lam. 0,2 % C 40 32Acero lam. 0,3 % C 48 35Acero lam. inoxidable 60 52Acero lam. al silicio 56 45Aluminio 13 - 15 6 - 7Anticorodal 25 - 29 9 - 10Alpaca laminada 45 - 46 28 - 36Bronce 40 - 60 32 - 40Cinc 20 12Cobre 25 - 30 18 – 22Duraluminio 30 - 36 13 – 16Estaño - 3 – 4Latón 35 - 40 22 – 30Plata laminada 23,5 23,5Plomo - 2 – 3

Las velocidades de corte suelen ser V = 1 a 2 m/min.

Luego la potencia absorbida en corte N = F. V

Cizallado en bobinas Cizallado en formatos

3.2. Doblado

Consiste en doblar las planchas de chapa mediante máquinas dobladoras (a base de rodillos) o pren-sas con moldes o estampas (macho y hembra) de material duro y resistente como aceros aleados o alcarbono endurecidos. En el esquema se muestra una estampa para doblar.


1. Punzón2. Chapa3. Estampa o matriz

Elegiremos los radios de curvatura siguientes:

Rmín = s (aceros)Rmín = (0,4 - 0,5).s (Aleaciones ligeras) Donde s es el espesor de la chapa.

Hemos de tener en cuenta que al cesar la fuerza de doblado la chapa puede enderezarse en partedebido al retorno elástico. Por ello no se puede prever mucha exactitud en la forma final de la pieza.

El esfuerzo necesario para doblar

F

R bs

as= 3

2

2

Donde Rs = Carga unitaria en el lím elástico.

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Este proceso se utiliza para la obtención de chapas finas a partir de chapas procedentes de la si-derurgia. El aplanado se produce traccionando la chapa mientras se la conduce a través de unosrodillos de acero endurecido.


03�"�7��8��9��

Se unen por plegado los bordes de junta de una chapa formando superficies cerradas o perfiladas.

a. Plegadob y c. Rebordeadod. Plegado acanalado

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� Troquelado, corte y punzonado

Consiste en agujerear o recortar una banda de chapa por medio de un útil que corta por presión. Siel trozo recortado de la chapa es la pieza que aprovechamos decimos que hacemos un recorte. Si eltrozo que agujereamos en la chapa es el residuo entonces hacemos un agujero. La operación derecortar se denomina corte mientras que la de agujerear punzonado. Los diámetros de los agujerostroquelados son como mínimo 0,8 veces el espesor de la chapa por lo que utilizaremos otrosmétodos para agujeros más pequeños.

El útil de troquelado consta de un punzón y de una matriz de acero especial rectificado. Estoselementos se fijan a una prensa balancín o excéntrica. La matriz se fija a la bancada y el punzón a laparte móvil de la prensa. Realmente el punzón, o juego de punzones, no va unido directamente a laprensa. Los punzones se fijan a una placa que se denomina portapunzones y que va unida a la partemóvil de la prensa por un mango situado en el centro de presiones de los punzones. El material delas matrices suele ser acero templado F-552, F-551, F-514 (para pequeñas series) según IHA oaceros moldeados al manganeso (para útiles de grandes dimensiones). La longitud máxima delpunzón se calcula a pandeo.


Esquema del útil de troquelado

Esquema del troquelado

� Matriz: Útil donde se apoya la chapa. El agujero tiene una parte que es la que corta llamada zona devida (A) cuya longitud es de 3 a 4 mm si trabajamos con chapa hasta 1,5 mm de espesor y de 4 a 8mm para espesores mayores. A partir de la zona de vida el agujero es cónico con α entre 0,25º y 2ºpara facilitar el desprendimiento del material sobrante.

� Punzón.� Prensachapas (Elemento que impide que el punzón arrastre chapa por presión, utilizado en troque-lado

de precisión)� Chapa.

Es necesario que exista un juego entre la matriz y el punzón que está en función del espesor y elmaterial de la chapa así como del diámetro nominal del agujero o recorte.


� Fuerza total y potencia de troquelado

El esfuerzo total en troquelado es:

FT = F + Fext

Donde:F es la fuerza de troquelado

F = p . s . σt . k

p = perímetro recortados = espesor de la chapaσt = resistencia a la cortadurak = coeficiente de seguridad (1,1)

Fext es la fuerza de extracción de la pieza, ya que la tira de chapa se queda enganchada al punzóny debemos hacer una fuerza suplementaria al subir el punzón mientras presionamos conprensachapas o también denominados extractores.

Fext = 2 - 7 % F (Dependiendo del perímetro que haga fuerza contra el punzón.)

Debido a que la chapa se corta antes de que el punzón baje la profundidad correspondiente alespesor de la chapa, debemos calcular la carrera (activa) en la cual el punzón está cortandorealmente la chapa. La carrera activa del punzón c en función del espesor de la chapa s es:

Materiales tenaces: c = 0,6.sMateriales duros: c = 0,4.s

Como regla general cogeremos c = 0,5.sSi escogemos un punzón biselado con una cierta inclinación, entonces c = s (aprox.)La potencia absorbida es:

N = T.c / t donde t es el tiempo que tarda el punzónen completar un ciclo.

A veces nos interesa hacer varios troquelados a la vez para no perder la posición el uno con losotros. Otras veces aprovechamos el descenso y fuerza de la prensa para realizar en diferenteszonas agujero y recorte. En el caso de cortes sucesivos en que se utilizan varios punzones a la vezse pueden utilizar matrices progresivas o escalonadas. En las matrices progresivas todos lospunzones cortan al mismo tiempo por lo que la fuerza total es igual a la suma de las fuerzas queejercen cada uno de ellos mientras que en la disposición escalonada y debido a su diferencia dealtura, los punzones cortan uno a uno por lo que la fuerza total que se necesita en la prensa es lafuerza máxima de estos.


Matriz progresiva

� Relación entre el punzón y la matriz en caso de agujero y recorte

Debido a que al realizar el troquelado la chapa penetra en la matriz desgastando las aristas si no hayjuego y como necesitamos una gran precisión en la pieza final, debemos dejar la holgura necesariaentre el punzón y la matriz. Sus dimensiones dependerán de que parte de la pieza recortamos. Siqueremos hacer un agujero, entonces el punzón tendrá las medidas de este y la matriz debe sermayor. Si es un recorte, entonces sus dimensiones serán las de la matriz y el punzón será menor. Laholgura entre la matriz y el punzón es el juego. En la siguiente gráfica se presenta la relación entrepunzón y matriz en función del espesor y el material de la chapa.


Gráfico para hallar el juego entre matriz y punzón

� Disposición de las figuras a cortar en la chapa

Debemos disponer las figuras a cortar con el fin de maximizar el aprovechamiento el material yconseguir un buen rendimiento.

� Bandas y avance de la chapaPartimos de unas bandas o tiras de chapa donde cortaremos las figuras. En primer lugar avanzamosla chapa hasta la posición del punzón, cortamos y volvemos a avanzar la chapa dejando un espaciosuficiente entre posición y posición. A este espacio que avanzamos se le denomina paso. El paso pse define como la distancia entre dos posiciones homólogas de la pieza para dos posicionesconsecutivas, Normalmente suele ser la longitud de la pieza más una separación. Por otro lado la tirade chapa debe ser más ancha que la pieza. Esta anchura es el ancho de la banda a . Exactamente,el ancho de la pieza más una cierta separación a cada lado. La separación está en función delespesor y nunca debe ser inferior a 1 mm. Generalmente si la separación es entre un lado de lapieza y el fin de la tira o un lado paralelo de la otra pieza está separación S = 2 . s donde s es elespesor de la chapa. Si la separación es entre una esquina o un lado curvo y el fin de la tira u otrolado de la otra pieza entonces S = s .


Métodos para marcar el pasoExisten básicamente dos mecanismos para marcar el paso de la tira de chapa. Mediante un punzónauxiliar o mediante un mecanismo de balancín. Con el primer método realizamos una muesca en labanda con la longitud del paso. En el siguiente movimiento la chapa avanzará hasta un tope y por lotanto el paso. El problema de este sistema es que disminuimos el rendimiento de material, pero es máspreciso y muy utilizado. En el segundo sistema aprovechamos un agujero de la pieza o un agujeropequeño realizado mediante un punzón y un dispositivo tipo gatillo. El gatillo o balancín detiene lachapa tras avanzar el paso ya que choca con la pared del agujero y se bloquea. Para un nuevo avancedesbloqueamos para dejar pasar la chapa, avanzamos y volvemos a bloquear para parar la chapa.

Paso mediante punzón auxiliar Paso con mecanismo de balancín


� Rendimiento de materialEl rendimiento es la relación entre la chapa gastada y el número de piezas realizadas. Lo calculamospara un sólo paso ya que será igual en toda la banda.

η(%) =( Spieza / Sutilizada ) . 100

Donde:

Spieza es la superficie de la piezaSutilizada = p . a donde p es el paso y a es el ancho de la banda

Para que el rendimiento aumente, es decir que la cantidad de chapa residual disminuya podemosdisponer las figuras en la chapa según diferentes disposiciones según la forma o utilizando diferen-tes punzones dependiendo de la importancia de la serie.

� Disposiciones según la forma

� Disposición normalCuando las piezas se pueden inscribir en un rectángulo, esta es la mejor organización de las figuras.Consiste en colocarlas unas tras otras sin girarlas.

� Disposición oblicuaCuando las piezas pueden inscribirse en un triángulo rectángulo, la mejor organización es una confi-guración oblicua, es decir, las piezas giradas. Si la pieza queda inscrita en un triángulo rectángulo de ca-tetos iguales entonces se gira la pieza 45º.


� Disposición invertidaConsiste en realizar una serie de piezas en posición normal en un sentido y después realizar el corteen sentido opuesto. Sólo se utiliza un punzón por operación.

� Disposiciones según la importancia de la serie.

� Disposición simpleCuando las series son pequeñas no compensa duplicar o multiplicar el número de útiles. Por lo tantose utilizará un sólo punzón por operación.

� Disposición múltiplePara series medianas y grandes y para mejorar el aprovechamiento del material se construye un útilde punzonado capaz de cortar varias piezas a la vez. Por ello se habla en estos casos de juegos depunzones. En el esquema una disposición de tres punzones al tresbolillo.


� Posición del mango. Centro de presiones

Conocida la disposición de los punzones en el portapunzones debemos situar el mango en el centrode presiones para evitar que existan momentos de flexión que produzcan la deformación delconjunto o aparezcan fuerzas innecesarias. Escogemos un punto del punzón y a continuacióncalculamos los momentos respecto de este. La suma de momentos de cada una de las fuerzas debeser igual a la fuerza resultante por la distancia a ese punto. Esta distancia situará el centro depresiones.

Momentos respecto de A

F es la fuerza de troquelado

F = p . s . σt . k

p = perímetro recortados = espesor de la chapaσt = resistencia a la cortadurak = coeficiente de seguridad (1,1)


Calculamos el centro de presiones en x:

En x: MAx = Ft . xt = F1 .x1 + F2 .x2+ F3 .x3+ F4 .x4+ F5 .x5+ F6 .x6 + F7 .x7

xt = (F1 .x1 + F2 .x2+ F3 .x3+ F4 .x4+ F5 .x5+ F6 .x6 + F7 .x7) / Ft

xt = s. σt . k (l1 .x1 + l2 .x2+ l3 .x3+ l4 .x4+ l5 .x5+ l6 .x6 + l7 .x7) / s. σt . k . p

xt = (l1 .x1 + l2 .x2+ l3 .x3+ l4 .x4+ l5 .x5+ l6 .x6 + l7 .x7) / p

Calculamos el centro de presiones en y:

En x: MAy = Ft . yt = F1 .y1 + F2 .y2+ F3 .y3+ F4 .y4+ F5 .y5+ F6 .y6 + F7 .y7

yt = (F1 .y1 + F2 .y2+ F3 .y3+ F4 .y4+ F5 .y5+ F6 .y6 + F7 .y7) / Ft

yt = s. σt . k (l1 .y1 + l2 .y2+ l3 .y3+ l4 .y4+ l5 .y5+ l6 .y6 + l7 .y7) / s. σt . k . p

yt = (l1 .y1 + l2 .y2+ l3 .y3+ l4 .y4+ l5 .y5+ l6 .y6 + l7 .y7) / p

Donde l son los perímetros de corte de los diferentes tramos y (x,y) son las coordenadas respecto alpunto A. Para conocer donde está situado el centro de gravedad de cada uno de los tramos nospodemos ayudar con esta tabla:

Centro de gravedad o de presiones para diferentes formas de útiles de corte.

� Costes del troquelado

El troquelado es muchas veces el método más económico, pero el principal problema es laamortización del útil de corte, la maquinaria y que existe un material de desperdicio. Es por ello quemuchas veces sólo es rentable para grandes series. Con los métodos modernos de software deaprovechamiento de chapa, hoy en dia pueden troquelarse series más pequeñas de forma rentable.Los costes se pueden calcular:


Ct = Cmat + Cútil + Cmáq

DondeCmat = Costes de las chapas (incluido el residuo)Cútil = Costes de amortización de los útilesCmáq = Costes de la maquinaria y mano de obra

� Ejemplo 1Se ha de fabricar, por troquelado la pieza indicada en el croquis adjunto. El material de la chapa es aceroinoxidable recocido de 2 mm de grosor. El paso se asegura mediante un mecanismo de balancín.

Se solicita:

� a) Suponiendo que el recorte del agujero es desperdicio, calcular el rendimiento de material parauna posición normal JJJ y para la posición de máximo rendimiento utilizando el diseño máscompacto de la placa matriz para dos punzones. Hacer el croquis con las medidas del ancho dela banda y del paso para ambas posiciones.

Para el caso de posición de los punzones normal JJJ:

� b) Represente esquemática y gráficamente como estarían dispuestos los dos punzonesindicando el avance de la chapa y las medidas reales de los punzones.

� c) Calcular la fuerza de corte necesaria si la matriz es progresiva y la posición del centro depresiones para este caso respecto al punto A de la banda de chapa (más cercano a la primeraposición de troquelado).


Resolución

El problema se realiza en todos los apartados para un solo juego de punzones que son dospunzones, uno para realizar el agujero y otro para el recorte.

� Croquis de la diferentes posiciones

Posición normal (JJJ)


Posición de máximo rendimiento

Rendimiento de material

100*Su

Sp� =

S pieza = 40*75 + 30*5 + 40*20 + 80*20 - π*10^2/2 = 5392,74 mm2

1. caso a. Posición normal (JJJ)

η = 5392,74/11232 = 48%

2. caso b. Posición máx rendimiento

η = 5392,74/9043,9 = 59%

Queda claro que en la segunda posición aprovechamos mejor la chapa para un solo juego depunzones.

� Disposición y medidas de los punzones

El juego para el caso de acero inoxidable y espesor de chapa de 2 mm.


� Fuerzas de corte y centro de presiones

Fuerzas de corte (sin coeficiente de seguridad).

Fc = σt * per * e

σt = 52 Kg / mm2 (acero inoxidable recocido)e = 2 mmper = 100 + 100 + 40 +20 + 20 + 50 + 10 + 80 + 40 + 20 + π*10 = 511,4 mm

Fc = 520 * 2 * 511,4 = 531,856 kN

Centro de presiones

En x:


Σ l*s = 77161,07per = 511,4

cdpx = 77161,07 / 511,4 = 150,88 mm

En y:

Σ l*s = 20478,2per = 511,4

cdpy = 20478,2 / 511,4 = 40,04 mm

El alumno puede practicar realizando el mismo ejercicio para dos juegos de punzones.

� Ejemplo 2Se quiere obtener por troquelado la pieza de chapa de acero al carbono suave C.25.K, recocido delcroquis 40x40x10 mm. y 2 mm. de grosor, con una matriz de un solo punzón que recorta la figura. Elútil dispone del sistema de posicionado y centrado de balancín.

Se pide:

� 1. Considerando los márgenes adecuados por tener una salida continua y ligada del recorte,determine y dibuje la posición relativa del punzón y la tira de material que comporte mayorrendimiento (%) del material empleado, que se ha de calcular. Compare este rendimiento con elde la posición "Normal : LLLLL...".

� 2. Determine la fuerza de corte necesaria y la fuerza de la prensa suponiendo que la matriz tieneun prensachapas.

� 3. Determine (croquis) las medidas de la planta del punzó y de la placa matriz, considerando eljuego adecuado.

� 4. Determine la posición del c.d.p. (centro de presiones), respecto al extremo de la pieza.� 5. Determine - dibujando el croquis - el rendimiento del material para una hipotética disposición

capiculada (dos punzones), para realizar una serie de piezas importante.


� 6. Determine gráficamente el nuevo c.d.p. (Cotas sobre el croquis anterior).� 7. Determine a partir de que serie de piezas mínima es rentable la construcción de una matriz de

dos punzones respecto a una simple LLL sabiendo que:

El coste de la matriz "simple" (1): 500.000,-pts. , incluidos gastos de mantenimento.Duración o vida de la matriz: indefinida, al menos 2.000.000 de piezas.Coste horario de la prensa necesaria: 3900 pts/h.

El coste de la matriz "doble" (2): 750.000,-Pts. incluidos gastos de mantenimento.Duración o vida de la matriz: indefinida, al menos 2.000.000 de golpes (4.000.000 de piezas)Coste horario de la prensa necesaria (doble fuerza que la 1): 4500 pts/h.

Tiempos de ciclo:1 seg para ambas matrices. Precio del coste del material:150 pts/kg. δM=7,8 gr/cm3

.

CROQUIS DE LA PIEZA (mm)

Resolución

1. Posición normal “LLLL”

Cálculo del ancho de la banda y separaciones


� Ancho de banda:

a = L+2* s L: Longitud vertical de la pieza.s: Separación entre contorno de piezas y borde de la plancha.

a = 40 + 2* 4 = 48 mm s = s1 = s2 = 2 * e = 2*2 = 4 mm

� Paso - Distancia entre troquelados sucesivos:

p = 40 + 4 = 44 mm

� Rendimiento de material:

100*Su

Sp� = Sp : área de la pieza = l * h = 40 * 10 + 30 * 10 = 700 mm2

Su: área a utilizar = p * a = 44 *48 = 2112 mm2

100*2112

700� = = 33 %


Posición oblicua

� Ancho de banda

S1= 2 * e = 4 mm

S2= 1 * e = 2 mm

222 40•24040=L mm=+ (Hipotenusa = 2 * Cateto)

a = + =40 2 2 2 6057· · . mm

� Paso (Distancia entre troquelados sucesivos)

p S= +2 10 1·( ) 8.1914•2p == mm

� Rendimiento

η =S

Sp

u

·100 donde: Sp Área de la pieza = l * h

Su Área a utilizar = p * a

Sp = 40·10+30·10=700 mm2

Su =1199 mm2

%58100•1199

700 ==η El rendimiento es mejor en esta posición.


2. Si la matriz tiene prensachapas, en el momento del corte, cuando el punzón se retira la chapatiende a ir en el sentido de este, por lo tanto el prensachapas ejerce una fuerza contraria. Para aevitarlo, la Fc se incrementa un 20%.

En la tabla interpolando el acero 0.25% y recocido encontramos la resistencia σC.

σ c

F

A= donde: A es el área recortada

σ c Kp mm= + =32 35

2335 2. / Ya que en tablas para acero 0,20%, σC = 32 Kg/ mm2

y para acero 0,30 %, σC = 35 Kg/ mm2

Ft = P ·e· σC donde: P perímetro P = 40+40+10+10+30+30 = 160 mm

Ft= 160·2·33.5 = 10720 Kp = 107 KN

FPR= Ft + Fprensachapas = 1,2 Ft

Fuerza de la Prensa FPR= 10720 · 1.20 = 12864 Kp = 13 Tn = 130 KN

3. Para hallar la medida del punzón y la matriz debemos consultar el gráfico que relaciona el juegoentre el punzón y la matriz, según el tipo de acero y el espesor de la chapa.

Juego = 0,12 mm (este juego es el valor total es decir (D – d ) )

Debido a que realizamos un recorte la matriz tendrá las dimensiones de la pieza y el punzón serámenor.

Croquis y medidas del punzón y la placa matriz

4. Centro de presiones: Lugar a colocar el mango de la placa porta punzón.El eje del mango ha de coincidir con la posición de la resultante de los diversos esfuerzos decorte.


En x:x = (40*0 + 10*5+30*10+40*20+30*25+10*40)/160cdpx = 2300 / 160 = 14,38 mm

En y:y = ( 40*20 + 10*40 + 30*25 + 40*0 + 30*10 + 10*5)/160cdpy = 2300 / 160 = 14,38 mm

5. Posición “Capiculada” utilizando dos punzones.

p = L + s1 = 40+ 4 = 44 mm S1 = 2 * e = 4 mma = L1 + L2 + s1 + 2 *s2 = 40 +10 + 12 = 62 mm S2 = 2 * e = 4 mmSu = a * p = 2728 mm2 Sp= 2 * 700 = 1400 mm2 (Dos Punzones por lo tanto Dos piezas)

51100•2728

1400 ==η %

Menor rendimiento que en la posición oblícua, no siempre los punzones capiculados ofrecen elmayor rendimiento, depende de la geometría de la pieza.

ps1

s2

a

55

A) Punzones con condiciones de corte poco óptimas B) Punzones separados la máxima distancia

L1

L2


6. C d g para dos punzones

Coordenadas respecto del punto C del cdg

cdg x = 50 mm

cdg y = -27 mm

7. Número de piezas mínimo.

Esquema matriz 1. (paso p= 44mm./,ancho de banda a= 48mm.)

Material necesario por pieza: p*a*s*δM = 4,4*4,8*0,2*7,8 = 32,94gr.Coste CM = 0,03294 * 150 = 4,94 pts/p.Coste CM = 4,94 * nCostes proceso CPR = n * 1seg/pieza * 1h/3600seg * 3900 = 1,083 * nCostes de amortización de la matriz CAM = 500000 pts

CT.1 = CPR + CAM + CM= 1,083 n + 500000 + 4,94 n = 500000 + 6,023 n

Esquema matriz 2. (paso p= 44mm./,ancho de banda a= 62mm.)

Material necesario por 2 piezas: p*a*s*δM = 4,4*6,2*0,2*7,8 = 42,55gr. Coste CM = 0,04255 * 150 = 6,38 pts/ 2 piezas = 3,19 pts/p. Coste CM = 3,19 * n Costes proceso CPR = n * 1seg/2 piezas * 1h/3600seg * 4500 = 0,625 * n Costes de amortización de la matriz CAM = 750000 pts

CT.1 = CPR + CAM + CM= 0,625 n + 750000 + 3,19 n = 750000 + 3,815 n

Condición del problema CT2≤ CT1

750000 + 3,815 n ≤ 500000 + 6,023 n

Nº de piezas mínimo = 113225 piezas

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� Útiles de embutición

Operación mediante la cual se transforma una lámina plana en una pieza cóncava. Para ello seemplean prensas equipadas con moldes o estampas (punzón y matriz). Estos útiles son de acerostemplados y rectificados F-552 (según IHA), aceros moldeados a manganeso o bronces al aluminio.En la embutición se deben evitar cantos vivos que cortarían la chapa en lugar de embutirla. En teoríano se debe alterar el espesor de la chapa en ningún punto.


Hemos de intentar para ello que el material sea lo más dúctil y maleable posible, por ello se procede enalgunos casos a recocidos previos y calentamientos finales para eliminar las tensiones internas. El útilde embutición consta de los siguientes elementos:

1. Punzón 2. Prensachapas 3. Chapa 4. Matriz 5. Extractor

� En embutición debe existir un juego entre el punzón y la matriz

Una aproximación que podría realizarse sería:

Para chapas de acero D = d + 2,45 sPara chapas de aleaciones ligeras D = d + 2,25 s

El mínimo juego sería de D = d + 2 s .

Normalmente el valor del juego se deduce empíricamente.

Un ejemplo de juego sería el de la embutición para acero dulce deducida empíricamente.

Espesor de la chapa (mm) Juego (D – d) (mm)

0,5 a 1,25 0,1

1,25 a 2,25 0,2

2,25 a 3,25 0,3

3,25 a 4,25 0,4

4,25 a 5,25 0,455,25 a 6,5 0,5

6,5 a 7,5 0,6

7,5 a 8,5 0,65

8,5 a 9,5 0,75

9,5 a 10,5 0,8


� En embutición debe evitarse el corte de la chapa

� Todas las superficies de contacto deben ser redondeadas. El radio de la matriz estará entre loslímites 0<r< (D-d)/2. El radio del punzón será 3r<R<5r. Se deducirá empíricamente.

� El rozamiento debe ser mínimo por lo que las superficies deben estar muy bien pulidas y lubricadascon aceites, polvo de jabón...

� En embuticiones profundas se requieren varias etapas o embuticiones previas y por lo tanto tambiénvarios punzones y matrices.

� Diámetro del disco a embutir

Para realizar la pieza embutida debemos partir de un recorte. Normalmente se parte de un disco dechapa. En teoría se puede considerar el disco de chapa inicial de igual superficie a la de la piezafinal resultante. En las siguientes tablas se muestran como hallar los diámetros primitivos de algunasformas.


� Esfuerzo necesario para la embutición

Normalmente la embutición suele hacerse en varias etapas para evitar el corte de la chapa. Parasaber el número de etapas necesarias recurrimos a la siguiente tabla:

MATERIAL K1 K2 o Kn

Chapa de acero 0,56 0,75Latón 0,52 0,75Cobre 0,50 0,75

Aluminio 0,55 0,80Acero inoxidable 0,60 0,80

Cinc 0,75 0,90

Partimos del diámetro del disco inicial Di y avanzamos hasta diámetro final de la pieza Df.

D1 es el primer diámetro al cual se puede llegar.

D1 = Di . K1D2 = D1. K2D3 = D2. K2 ..... hasta llegar a un valor inferior a Df.


A partir de los diámetros anteriores e igualando áreas se obtienen las diferentes alturas para ladiferentes embuticiones.

La fuerza máxima para no agujerear la pieza es:

Fe = Perímetro . espesorchapa . σc . m

Y σc es la resistencia a la cortadura:

MATERIALES Res. a la rotura en Kg/mm2

σr

Res. a la cortadura en Kg/mm2

σc

Laminado Recocido Laminado RecocidoAcero lam. 0,1 % C 40 31 32 25Acero lam. 0,2 % C 50 40 40 32Acero lam. 0,3 % C 60 44 48 35Acero lam. inoxidable 75 65 60 52Acero lam. al silicio 70 56 56 45Aluminio 16 - 18 7,5 - 9 13 - 15 6 - 7Anticorodal 32 - 36 11 - 13 25 - 29 9 - 10Alpaca laminada 56 - 58 35 - 45 45 - 46 28 - 36Bronce 50 - 75 40 - 50 40 - 60 32 - 40Cinc 25 15 20 12Cobre 31 - 37 22 - 27 25 - 30 18 - 22Duraluminio 38 - 45 16 - 20 30 - 36 13 - 16Estaño - 4 - 5 - 3 - 4Latón 44 - 50 28 - 37 35 - 40 22 - 30Plata laminada 29 29 23,5 23,5Plomo - 2,5 - 4 - 2 - 3

σc = 0,8 σr

Donde m es 1 en todas las embuticiones excepto en la última embutición donde (d/D=Kn) = (m=1) y(d/D = 1) = (m=0) y d/Dn sigue una progresión lineal. Por lo que hallaremos el valor de m porinterpolación lineal.

Como ejemplo para el caso de una embutición de acero K1=0,56:

Valores de m d/D m

0,56 10,60 0,860,70 0,720,75 0,600,80 0,50

1 0

Sería cuestión de calcular d/D en la etapa final (imaginemos que fuera 0,7) y obtendríamos m (seríapara d/D = 0,7 el valor m=0,72).Luego sumamos las fuerzas de embutición de todas las etapas.

El trabajo de embutición será la suma de todos trabajos.

Wemb = Femb . h Donde h = alturas parciales de las diferentes etapas.

En la pieza final se observa


Al principio más fuerza por deformación y después más fuerza por rozamiento.

� Ejemplo

Calcular el número de embuticiones necesarias para embutir una pieza como la del croquis a partirde un disco de φ 62 mm.

Calcular también la fuerza necesaria en cada una y el trabajo si la velocidad de producción es de 1embutición por segundo.

Resultats

� Número de embuticiones

Si es necesaria una sola embutición → K1 = 0,56

d ------ = 0,56 D

como d (diámetro final de la pieza) = 22 mm y D (diámetro inicial del disco) = 62 mm

d = 22 __________ = 0,35 < 0,56 se necesita más de una embutición D = 62


� 1ª embutición

62 · K1 = 62 · 0,56 = 34,72 mm → d1 = 34,72 mm (Diámetro final en primera embutición)

Se halla h1:

π π ____ · 62 2 = ____ · 34,72 2 + π · 34,72 · h1

4 4

h1 = 19 mm (Altura en primera embutición)

� 2ª embutición

34,72 · K1 = 34,72 · 0,75 = 26,04 mm → d2 = 26,04 mm

Se halla h2:

π π ____ · 62 2 = ____ · 26,04 2 + π · 26,04 · h2

4 4

h2 = 30,4 mm


� 3ª embutición (final)

26,04 · K1 = 26,04 · 0,75 = 19,53 mm → d3 = 19,53 mm < 22 mm (diámetro final)

Se halla h3 para d3 = 22 mm:

π π ____ · 62 2 = ____ · 22 2 + π · 22 · h3

4 4

h3 = 38,2 mm

Son necesarias tres embuticiones.

Fuerza necesaria

Donde el perímetro de embutición es: per = π . D (circunferencia)

� 1ª embutición_ (m = 1) σc (acero 0,1 % C, recocido) = 25 Kg/mm2

e =1,5 mm

Fe1 = 34,72 · π · 1,5 · 25 · 1 = 4090 kg → 40900 N

We1 = 40900 · h1 = 40900 · 0,019 = 777 W (si 1 embutición/seg)

� 2ª embutición_ (m = 1)

Fe2 = 26,04 · π · 1,5 · 25 · 1 = 3067 kg → 30670 N

We2 = 30670 · h2 = 30670 · (0,0304 – 0,019) = 350 W (si 1 embutición/seg)

Fe = per · e · σc · m


� 3ª embutición_ (m = ?)

1 – 0,75 1 – 0,84 ___________ = ___________ → x = 0,64 → m = 0,64 1 – 0 x - 0

Fe3 = 22 · π · 1,5 · 25 · 0,64 = 1658 kg → 16580 N

We3 = 16580 · (0,0382 – 0,0304) = 129 W (si 1 embutición/segundo)

Si sólo utilizásemos una prensa, la potencia necesaria en la prensa será la máxima de lascalculadas.

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Es un embutido al torno. Se utiliza para la embutición de pequeñas series a bajo costo. Se realiza ladeformación de un disco de chapa sobre un molde giratorio aplicando una presión localizada medianteuna herramienta.

d/D = 0,75 → m = 1 · · · ·22/26,04 = 0,84 → x · · · · 1 → 0


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� Deformación

� Estampado por impactoSe utiliza para embuticiones poco profundas de piezas grandes. En vez de prensar se impacta con laestampa sobre la chapa por lo que la prensa puede ser menos potente que la que se necesitaríapara embutir prensando.

� Conformación por explosiónSe deforma una chapa contra una matriz por la presión producida por una carga explosiva como laamonita en un líquido. Se utiliza para pequeñas series.

� MagnetohechuradoEs un proceso similar al anterior pero en vez de carga explosiva utilizamos impulsos electromagnéticos.

� Conformado electrohidráulicoUna descarga eléctrica empuja a la chapa contra la matriz mediante un medio fluido.

� Estampación con matriz flexible e hidroconformadoLa estampación en matriz flexible es un proceso de conformación de chapas metálicas en las quehay una sola matriz rígida y una membrana flexible bajo la acción de un líquido a presión. Al empujarcon una fuerza uniforme la membrana flexible, esta, adapta la chapa contra la matriz rígida y formala pieza. Al descomprimir el líquido la membrana vuelve a su posición inicial y se retira la pieza. Coneste método se consiguen tolerancias estrechas y bajos costes para series menores a 10000 piezas.Para series más largas en que se requiera un punzón se utiliza el hidroconformado. En este sistemano hay membrana y la presión hidrostática se aplica sobre la misma chapa.


� Procesos de corte

� OxicorteAplicable en metales oxidables.Consiste en calentar el metal con un soplete oxiacetilénico y una vez caliente a 1000°Cdirigir un chorro de oxígeno sobre la línea de corte. Las chapas pueden ser de hasta150 mm.

� Corte con plasmaAplicable en metales conductores.Cortamos una chapa de hasta 150 mm calentando un gas mediante un arco eléctrico hasta suionización. A partir de ese momento los gases se dirigen a gran velocidad contra el material que sefunde.

� Corte con láserConsiste en transformar la electricidad en un haz de luz de alta coherencia que funde y vaporiza elmaterial. Podemos cortar chapa de hasta 20 mm.

� Corte con chorro de agua a presiónConsiste en impulsar agua con abrasivos a una presión de 4000 bar y a través de un orificio de entre0,1 y 0,5 mm de diámetro contra la chapa de espesores elevados para cortarla.

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En las últimas décadas se ha evolucionado hacia sistemas “justo a tiempo” más completos y flexiblesen que se intenta que sean económicas incluso las series más cortas. Se intenta integrar todos lostrabajos: cizallado, troquelado, doblado, soldado... de chapa en un sistema único utilizando técnicasflexibles y flujos de información y materiales automáticos. El operario ya no se dedica al transportede la chapa sino que prepara la máquina mientras sistemas de transporte como alimentadores,pinzas neumáticas, cintas, palets o mordazas de ventosa transportan y posicionan la chapa.


El primer paso es el diseño de la pieza mediante sistemas CAD/CAM. Debemos optimizar el diseñode la pieza para su posterior implantación en la línea de producción. Debemos repartir las piezasrealizadas para mejorar el rendimiento de material y disminuir el desperdicio mediante programasespeciales. Una serie de piezas para diferentes aplicaciones pero de iguales características podríantrabajarse con los mismos punzones en una flexiprensa o utilizando una única punzonadora detorreta, por lo que es rentable unificar las formas. En los programas CAD/CAM se nos permitefácilmente elaborar el útil a partir de las piezas a trabajar, programar las máquinas de CN demecanizado por fresadora, electroerosión, taladrado ... e incluso la fabricación de prototipos o deherramientas-rápidas mediante técnicas STL.

Los materiales también se han mejorado siendo más dúctiles, de mejores propiedades mecánicas,algunos poseen recubrimientos fosfatados permitiendo mayores profundidades de embutición ymenores rotura de chapa, algunos proceden de las siderurgias con zonas diferentes espesores ...

Mejoras de vida de los útiles mediante mejores lubricantes.

Los nuevos sistemas de producción son más flexibles ya que permiten el cambio automático detroquel en función de los diferentes lotes de series de piezas que se deseen obtener.

Nuevos métodos existentes para realizar de forma rentable series de piezas más pequeñas o seriesde piezas mayores con mayor precisión y acabado.


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� P. Molera Solà, La deformación metálica. Ed GPE 1996.

� Neely, Materiales y procesos de manufactura. Ed. Limusa Noriega editores 1992.

� Lasheras, J.M., Tecnología Mecánica y Metrotecnia. Ed Donostiarra 1987.

� P.M.Hernández Castellano y M.D.Monzón Verona, Conformación de la chapa. Ed. Universidad deGran Canaria. 1998.

� J. Blanco A., Profundos conocimientos de matricería. Ed. Cedel 1977.

� J. Beddoes y M.J.Bibby, Principles of metal manufacturing proceses, Ed Arnold 1999.

� Tecnología 2.1 Matricería y moldes. Ed. Bruño – edebé 1978.

Otros:

� Revista Deformación metálica Ed. Elsevier.

p71Módulo 3. Moldeo de piezas metálicas

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El proceso de fundición o moldeo metálico consiste en fundir un metal e introducirlo, ya sea porgravedad o mediante presión, en una cavidad con la forma del objeto a fabricar de tal manera que alsolidificarse el metal obtengamos el objeto deseado.

Dicho proceso de denomina moldeo ya que los útiles que contienen la cavidad donde vertemos elmetal se les llama moldes.

El principio básico en que se basa este proceso puede parecer a priori simple: Fundimos un metal,llenamos un molde y lo dejamos enfriar para obtener el objeto. Pero existen una serie de factores yde parámetros que debemos tener en cuenta para obtener unas piezas sanas, con las dimensionesdeseadas y con procesos económicamente viables.

En el dibujo se muestra con un ejemplo particular como se moldea una pieza. Se vierte el metalfundido por el bebedero, en este caso por gravedad, hasta la cavidad del molde mediante loscanales de alimentación. El molde en este caso consta de dos bloques para que sea más fácil elmoldeo (realizar la cavidad) aunque como puede intuirse este molde deberá destruirse para obtenerel sólido resultante después de la colada (existen moldes en que esto no es necesario.) Si se desearealizar un agujero o hueco en la pieza debe utilizarse un elemento sólido, noyo, que no permita queel metal llegue a esa zona. A veces, dependiendo del material y del tipo de moldeo, se añaden a loscanales de alimentación un depósito denominado mazarota que se llena en la colada con el metalfundente y que va aportando material a las cavidades de la pieza conforme estas se van enfriandoevitando así rechupes y poros internos en la pieza.

Muchas veces se utiliza el propio bebedero como depósito El sólido obtenido consta en este caso dedos piezas y de los canales de alimentación que deben separarse de estas, es lo que se denominadesbaste.


Los talleres especializados donde se funden los metales, se desarrollan los procesos de moldeo y serealiza el desbarbado o limpieza de la pieza, se les conoce como fundiciones. Estas fundicionespodríamos catalogarlas en dos grupos diferenciados: las de metales férreos y metales no férreos yambas acostumbran a trabajar para terceros. Aún así es común encontrar ciertas fábricas dondetambién se realizan procesos de colada. En una fundición se obtienen normalmente lingotes oformas. Dichos lingotes de acero o metales dúctiles se transforman en piezas en otros talleres comoson los de forja o laminado.

Nos centraremos en el moldeo de formas, piezas en bruto, por diferentes procedimientos, proponiendoun método de elección en función del tamaño, material, precisión, forma y volumen de producción delas piezas. Estas piezas en bruto obtenidas mediante moldeo deben “acabarse” en talleres demecanizado y tratamientos térmicos o superficiales. Es obvio que las superficies que deban estar encontacto con otras piezas o agujeros pequeños… deben mecanizarse para obtener las piezas finales.Así mismo algunas piezas se suelen recocer para eliminar tensiones internas, zincar … etc.

Mazarota

Bebedero

Canal de alimentación

Pieza

Piezas de aluminio obtenidas por fundición con molde de arena .

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La principal ventaja del método de moldeo es que la pieza adquiere directamente su forma definitivay sólo debemos realizar tras el desbarbado, pequeños “retoques” para terminar la pieza. Muchaspiezas constituyen incluso por sí mismas productos de consumo como piezas de instalacioneshidráulicas, calefacción, sanitarios, mobiliario urbano…

Es por ello que la técnica de moldeo es más económica para piezas de geometría compleja tantoexternas como internas, permitiendo además la libertad de diseño, respetando siempre lasrestricciones propias del proceso. Un ejemplo claro es el pensar como fabricaríamos un bloque de unmotor o las canalizaciones interiores de una grifería mediante otro método. Otra ventaja es que se


pueden fabricar desde piezas muy pequeñas de algunos gramos a piezas muy grandes de más de100 Tn. Esta industria además, como ya explicaremos, dispone de técnicas muy variadas quepermiten la adaptabilidad, flexibilidad y la producción en masa de grandes series con la minimizaciónde despilfarro de material. Incluso en algunas técnicas para aleaciones ligeras como en el moldeo apresión y a la cera perdida no es necesario el mecanizado posterior. Y quizás una característica quele hace adquirir mayor importancia es que cualquier material que pueda fundirse es moldeable y esoincluye a todos los materiales técnicamente importantes (incluidos materiales no metálicos tanimportantes como los polímeros). Recordar que en general las piezas obtenidas por fundición sonmenos costosas que las forjadas, estampadas o soldadas.

Existen, ciertamente, una serie de limitaciones respecto a las piezas obtenidas mediante procesosde moldeo como su porosidad, el no poder absorber grandes esfuerzos (como lo harían las piezas deforja), baja precisión dimensional, peor acabado superficial además de los problemas que comportandichos procesos como riesgos de seguridad para trabajadores y repercusiones medio ambientales.Por otro lado debemos tener en cuenta los costes, los moldes de inyección deben tener acabadossuperficiales excelentes y deben resistir la corrosión por lo que se incrementa el coste para pequeñasseries.

Algunas piezas obtenidas por fundición metálica:

� Bloques, estátors, pistones, poleas, camisas de cilindro, cajas de cambios, cabezas de motores,carcasas, volantes, culatas, carros portaherramientas, montantes, cojinetes, y bancadas de má-quinas…

� Productos domésticos y de edificación: Elementos sanitarios, griferías, radiadores…� Instalaciones hidráulicas: Tubos, ruedas, álabes en grandes series, bastidores de bombas, algunos

engranajes y levas …� Farolas, campanas, estatuas, tapas de alcantarillas…� Joyería, prótesis dentales …

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A partir de los años noventa debido a la exigencia, competitividad y a la globalización del mercado,que supone para la industria del moldeo elevar la productividad y calidad de sus productos así comola flexibilización de la producción, aparecen una serie de mejoras y cambios radicales en las técnicasde fabricación.

Las grandes industrias como la de automoción se convierten en cadenas de montaje subcontratando aproveedoras como las fundiciones a quienes añaden a su “cadena de valor”. Se les exige el rediseñode sus productos, reducción de tiempos de entrega, reducción de costes, pruebas y certificación de losutillajes, fabricación de pre-series, variedad de productos, mejora y verificación de la calidad … etc.Esto hace que a su vez que muchos de estos talleres dejen en manos de terceros, moldistas, el diseñoy la calidad de los moldes y se dediquen únicamente a la fabricación de piezas.

Los fundidores exigen a los moldistas:

� Reducción de costes y tiempos de fabricación.� Precisión y calidad dimensional.� Moldes que permitan la producción de series cortas de prototipos para rápidos tests y evaluaciones.� Facilidad de cambios y mejoras en el diseño.� Esto exige que los moldistas apliquen:� Técnicas computerizadas lo que aporta la flexibilización del diseño, de la fabricación y la reducción de

tolerancias (CAD-CAM).� Técnicas de simulación del proceso (CAE) como del vaciado del molde y de la solidificación.


� Confección rápida de prototipos, ahorro de tiempo de construcción de modelos, moldes e útiles(Rapid prototyping o Rapid tooling).

� Nuevas técnicas de fabricación como la mecanización a alta velocidad y el pulido automático.� Formación de sus trabajadores.

Las fundiciones aplican en sus empresas:

� Automatización de grandes series tanto de moldes como de machos.� Automatización de la limpieza de las piezas (Cortes de bebederos, repaso, limado y pulido de la

pieza.)� Adopción de hornos especiales para el llenado de moldes.� Calidad de los materiales por fusión, aleación e inoculación.� Uso de lubricantes y aislantes para la mejora de la calidad superficial.� Dosificación automática de la colada.� Automatización de la fabricación de piezas en serie en aleaciones ligeras a presión o transferencia a

prestos.� Métodos de ensayo no destructivos como rayos X.� Acabado automático mediante CAD-CAM� Ensayo de nuevas tecnologías tanto de simulación “Solid Freeform Manufacturing” como de

fabricación: “Thixomoldeo” o moldeo de aleaciones semisólidas, “Squeeze casting”o moldeo pujante,moldeo integral… etc.

� Reingeniería de procesos para mejorar la calidad del trabajo invirtiendo en la confortabilidad deltrabajador (Polvo, humos, temperatura, ruidos ...). Además se intenta ser respetuoso con el medioambiente como fórmula de calidad total.

El empleo de estas técnicas conlleva en ambos casos la modificación de la organización y métodosde producción.

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En todos los procesos de moldeo existen una serie de etapas comunes que describiremos acontinuación:

Normalmente en una primera fase el moldista a partir de la pieza que se desea obtener diseña elmolde y los elementos de moldeo. Existen muchos factores que determinan el molde como elmaterial de fabricación, el número de piezas, la calidad y precisión de la pieza a obtener ... A partirdel tipo de molde escogido se determinarán las dimensiones de la cavidad principal, partes y tipo demolde, elementos de moldeo como puedan ser el modelo, insertos, mazarotas, sistemas y entradasde alimentación de material fundido, temperatura del material, enfriadores, noyos, sujetadores de


noyo, cajas de noyo, tipo de colada. Es muy importante que el moldista calcule cual será la velocidadde enfriamiento del material y si este llegará en condiciones a todas las partes de la pieza así mismodebe prever el desmoldeo y limpieza de la pieza. También debe tener en cuenta los rechupes debidosa la contracción de material, escape de gases y incluso el tipo de grano que se formará en zonas querequieran esfuerzos o haya desgaste mecánico. La conjunción de tantos parámetros hace necesarioque el moldista se apoye en un sistema prueba y error o bien en una herramienta de simulación.

Molde permanente de fundición paramoldeo manual por gravedad

Otro aspecto a tener en cuenta es la fundición del metal. Dependiendo del punto de fusión delmaterial y de su pureza se escogerá el tipo de horno ya sea de fusión como de mantenimiento detemperatura y la forma como se llevará este material hasta el molde.

Una vez se ha diseñado el molde se procede a fundir el metal mientras se prepara el molde. Estoconsiste en fabricarlo y sólo se realiza en caso de moldes desechables. En caso de moldespermanentes este se fabrica una sola vez.

Tras tener el molde a punto se procede al moldeo vertiendo el metal fundido en el interior del molde.Esto puede hacerse por gravedad o aplicando cierta presión.

Al salir del molde el resultado es un sólido que además de la pieza sobredimensionada contiene losconductos de alimentación de metal y en algunos casos otros elementos como puedan ser mazarotas.Es preciso cortar estas partes sobrantes. A este proceso se llama desbaste y se suele automatizarutilizando sierras radiales o tronzadoras con útiles de apoyo.

El siguiente paso es la limpieza de las superficies de arena incrustada, rebabas... mediante sistemascomo por ejemplo el arenado.

Es muy importante realizar una inspección ya sea visual o por rayos X ... para despreciar o reciclarlas piezas defectuosas antes de realizar cualquier otra operación. De hecho, en cada operación seríarecomendable una inspección visual.

Dependiendo del uso de la pieza esta debe tratarse térmicamente para mejorar sus propiedadesmecánicas.

Tras la anteriores etapas la pieza debe finalizarse mediante mecanizado y en algunos casos debetratarse química o eléctricamente para conseguir un efecto anti-corrosión o de embellecimiento.


Fabricación de un grifo por moldeo por gravedad en coquilla. Cortesía de grifería TRES

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Las fundiciones se especializan en función de los metales a fundir con que realizan las piezas o de lafinalidad de las piezas fabricadas. Dependiendo del material a colar, distinguimos claramente dosgrandes grupos: fundición de materiales férreos y no férreos. La gran diferencia entre estos dos gruposse basa en que la temperatura de fusión de los materiales férreos es mayor que la de los metales noférreos, hecho que determinará la forma realizar las piezas y el tipo de maquinaria utilizada. Otraclasificación se basa en la finalidad de las piezas fabricadas en que distinguiríamos las fundiciones querealizan piezas para instalaciones hidráulicas, productos de catálogo, cilindros de laminación...

En esta publicación se clasificará el moldeo según el tipo de molde empleado. Esto depende del metalque se va a colar, el tamaño de la pieza y el número de piezas a realizar, por lo que se cree que puedeser la clasificación más adecuada. Así distinguiremos entre moldeo con moldes desechables y moldespermanentes dependiendo si su utilización es de una única colada (un único uso) o si puede hacersecon él múltiples coladas (varios usos) respectivamente.

Los moldes a su vez pueden dividirse en abiertos o cerrados dependiendo de si su cavidad estádescubierta por una de alguna de sus caras por donde se llena ésta (molde abierto) o por lo contrariono existe ninguna cara descubierta por lo que el metal llega a la cavidad por medio de conductosinternos (molde cerrado).


Los moldes abiertos son sencillos y económicos pero dan piezas muy bastas y al solidificarse laparte superior de la pieza adquiere forma cóncava debido a la contracción y falta de realimentaciónde metal fundido y se oxidan superficialmente. Se utiliza en piezas muy voluminosas y en productossemielaborados como lingotes que posteriormente se refundirán, laminarán o forjarán (aceros).

En los moldes cerrados la masa líquida queda sometida a la presión hidrostática dada por el moldepor lo que las piezas obtenidas son de estructura más fina y compacta y con mejor aspectosuperficial. En estos moldes debemos trazar en todos los casos los bebederos de colada, losconductos de alimentación y respiraderos.

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Son moldes de un solo uso ya que se destruyen después de hacer la colada para poder extraer lapieza. El material que se utiliza normalmente para la construcción de estos moldes es arena, aunquea veces también se utilizan moldes de yeso o material cerámico. Las piezas realizadas por esteprocedimiento suelen ser piezas de todo tipo excepto piezas con altas exigencias dimensionales oformas y superficies incompatibles con este tipo de producción.

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La fabricación de moldes desechables sea manual o automática consta de una serie de etapas yelementos comunes. En este apartado definiremos escuetamente estos para obtener unas ideasbásicas con que entender los diferentes tipos de moldes. Posteriormente y dentro de cada tipologíaampliaremos estos conocimientos.

Para obtener la cavidad del molde realizaremos una huella con un sólido patrón con la forma de lapieza a fabricar. Este sólido patrón lo denominaremos modelo. Las dimensiones de este modelo sesobredimensionan respecto a la pieza original para contrarrestar la contracción de la pieza alsolidificarse y para que haya un exceso de material en las superficies que deban mecanizarse. Estemodelo puede ser sólido si está hecho de una sola pieza o dividido si consta de dos piezas o más.


A veces para series muy grandes, se suele adherir varios modelos divididos a unas placas, denominadasplacas de acoplamiento, que tienen unos agujeros de posición en sus extremos que permitenfabricar las dos cavidades del molde con herramientas diferentes en paralelo o en serie. Además enestas placas se suelen incluir los canales de distribución y la mazarota.

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� Moldes de arena

Es uno de los pocos procesos adecuado para metales férreos (Acero o fundición), níquel o titanio, yaque poseen temperaturas de fusión muy altas para fabricarse con moldes permanentes odesechables de yeso. Además de los citados materiales, este proceso se utiliza también para lafusión de aleaciones de cobre (tales como bronces), aluminio y sus aleaciones. En cambio seríainapropiado para grandes series de piezas de metales no férreos o que precisen de cierta precisióndimensional (piezas que no queramos mecanizar o hacerlo mínimamente posteriormente.) Losmoldes pueden realizarse manualmente para pequeñas series o automatizarse para series mayores.En el siguiente apartado trataremos este tipo de moldes con más detalles.


� Moldes de yeso

Estos moldes están realizados con yeso y con aditivos como arena o talco para aumentar suresistencia, reducir agrietamientos y controlar la contracción y la velocidad de fraguado. Los moldes seconstruyen a partir de modelos de plástico o metal, vertiendo el yeso humedecido, dejándolo fraguar 20minutos y cociéndolo posteriormente para deshidratarlo. Las ventajas de este tipo de moldes es elbuen acabado superficial, la precisión dimensional y que pueden realizarse piezas de muy pocoespesor, las desventajas del método es que la humedad del molde debe controlarse rigurosamentepara no se produzcan defectos en la pieza por exceso de agua o se agriete por defecto y que debido ala impermeabilidad del yeso los gases son difícilmente expulsables, pudiéndose crear imperfeccionesen la pieza. Existen formas de solucionar el problema de la impermeabilidad, la primera es crear elvacío en el interior del molde antes de colar y las demás se basan en aumentar la permeabilidad delmolde ya sea creando poros mediante mezcla con materiales permeables como la arena o ya seagenerándolos mezclando el yeso con aire mediante batido.

Debido a que el yeso no resiste temperaturas tan altas como la arena se utiliza para materiales debajo punto de fusión como el aluminio, el magnesio o aleaciones de cobre.

� Moldes cerámicos

Son similares a los moldes de yeso pero con la ventaja de que al fabricarse con materialescerámicos refractarios pueden utilizarse para el moldeo de materiales férricos. Se utilizan paraproducir piezas con buena precisión dimensional y acabado superficial.

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El moldeo de arena continúa siendo el método más utilizado y más importante en la fundición demetales. Recordemos que se realiza el moldeo con un molde desechable que es la arena. La huellade la pieza en la arena se realiza con un modelo o terraja.

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La arena de moldeo, que se utiliza para realizar los moldes, requiere una serie de cualidades:

� Refractariedad: Debe resistir altas temperaturas ya que está en contacto con el metal fundido. Elsílice resiste altas temperaturas.

� Plasticidad: Se debe adaptar a la forma del modelo. Esto dependerá de la finura y calidad de susgranos, la cantidad de arcilla y la humedad de esta. Debe tener cierta fluencia en el desmoldeo en lassuperficies con despullas.

� Permeabilidad: Es la propiedad de dejar evacuar los gases de la colada a través suyo, muyimportante para evitar los poros internos en las piezas. Depende del tamaño y regularidad de losgranos de arena, la cantidad de arcilla, la intensidad de apisonado. Esta permeabilidad puedeincrementarse realizando agujeros para salida de gases o secándolas.

� Cohesión: Deben conservar en todo momento la forma de la cavidad y tener cierta resistencia, por loque se utilizan aditivos aglutinantes orgánicos, resinas fenólicas o resinas foránicas.

La composición de las arenas será de un 70 a un 80% de sílice, entre un 5 a un 15% de arcilla, un 3a un 5% de impurezas (óxido de hierro, materias alcalinas y orgánicas) y un 7 a un 10 % de agua.


En el caso de la arena verde esta contiene muy poca humedad y un decapante de negro mineral deentre un 2 a un 6%. En el caso de moldeo en verde del magnesio se mezcla con un 5-15% de azufrey un 5-20% de borax.

También existen arenas sintéticas a partir de sílice puro, con arcilla, cierta humedad y aglomerantes.Incluso en el casos de fundición de aceros difíciles se pueden llegar a mezclar con cemento Porland.Antiguamente se utilizaban tierras de moldeo.

Deben realizarse ensayos previos para comprobar la calidad y características de las arenas nuevas.Así mismo debe también comprobarse esta arena cuando se recicla para volver a ser empleada.Esto se desarrolla en una o más máquinas normalmente en la propia fundición donde sedespelmaza, extrae metales de la colada, seca, tritura y tamiza la arena para su reutilización.


Uno de los parámetros que permite valorar la calidad granulométrica de la arena es el índice definura. Veamos para el caso de tamices AFS o DIN

Tamiz AFS Tamiz DIN

NºAbertura de malla

en mmFactor de índice de

finura NºAbertura de malla

en mmFactor de índice de

finura6 3,36 3 1 3 312 1,68 5 2 1,5 620 0,84 10 3 1 930 0,59 20 4 0,6 1740 0,42 30 5 0,4 3150 0,297 40 6 0,3 4170 0,21 50 7 0,2 52100 0,149 70 8 0,15 71140 0,105 100 9 0,1 103200 0,074 140 10 0,075 146270 0,053 200 11 0,06 186

Fondo - 300 Fondo - 271

El índice en AFS es proporcional a la inversa del diámetro medio. Así pues un índice de finura de 20será el correspondiente a un grano muy grueso y un índice de 270 a uno muy fino. Los índices definura se clasifican en intervalos de 10 en 10 ; 20/30, 30/40, 40/50, 50/60 ...

� Ejemplo1:

Determinamos la granulometría de una arena, se pesan 20 g después de desecada y una vezeliminada la arcilla por decantación, el peso del residuo seco es de 16,96 g. Este se tamiza y el pesode los granos retenidos en los tamices AFS es:

Tamiz nº 6 12 20 30 40 50 70 100 140 200 270 Fondog. De arena 0 0 0 0,8 2,4 7,3 4,46 1,04 0,42 0,3 0,18 0,06

Con los datos anteriores calcular: 1. Contenido de arcilla AFS, 2. Porcentajes de arena en cadatamiz, 3. Indice de finura AFS, 4. Diámetro medio del grano

1. %Arcilla = 100.(20-16,96) / 20 = 15,20%

2. %Arena = 100.16,96 / 20 = 84,8%

100(0,8/20) +100(2,4/20)+ 100(7,3/20) +100(4,46/20) +100(1,04/20) +100(0,42/20) +100(0,3/20)+100(0,18/20) +100(0,06/20) = 4% (Tamiz 30) + 12% (Tamiz 40) + 36,5% (Tamiz 50) + 22,3%(Tamiz 70) + 5,2% (Tamiz 100) + 2,1% (Tamiz 140) + 1,5% (Tamiz 200) + 0,9% (Tamiz 270) + 0,3%(Tamiz Fondo)

3. I. F. ( AFS ) se calcula multiplicando los porcentajes de arena retenida en cada tamiz por el factorde índice de finura correspondiente.I. F. ( AFS ) =( 4 . 20 + 12 . 30 + 36,5 . 40 + 22,3 . 50 + 5,2 . 70 + 2,1 . 100 + 1,5 . 140 + 0,9 . 200 +0,3 . 300 ) / 84,8 = 4848 está dentro del intervalo 40/50

4. El diámetro medio de grano de arena estará comprendido mirando la tabla para Tamiz AFS entre:


Factor de índice de finura 40 Æ 0,297 mmFactor de índice de finura 50 Æ 0,210 mm

Al ser de 48 estará más próximo a 0,21 mm

Esquema de instalación automatizada para la preparación de arena de moldeo.

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Las cajas de moldeo son marcos rígidos que soportan las arenas de moldeo. Estas cajas se rellenany compactan con la arena donde se practicará el negativo de la pieza con el auxilio del modelo.Estos marcos deben ser sólidos, ligeros si las operaciones son manuales, inconfundibles entre sí,rugosos para que la arena no resbale y de bajo coste. Suelen ser de acero moldeado, fundición,aluminio o madera.


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Los noyos son partes del molde que se preparan aparte en unas cajas denominadas cajas de noyo.Estos noyos deben reunir las siguientes características:

� -permeabilidad para facilitar la evacuación de los gases� resistencia a deshacerse antes del moldeo, debido a su manipulación, pero capaz de permitir

posteriormente el vaciado de arena de la pieza.� refractabilidad� compresibilidad para permitir la contracción de la pieza al enfriarse.

Dichas arenas se componen de arenas magras o silíceas de tamaño de grano deseado, secadas y alas que se les añade un aglomerante como melazas, harinas, arcillas o resinas.

Noyo (partido, ya que debería tener la forma de la cavidad de la caja de noyos)

Caja de noyos Cavidad de caja de noyos.

Fabricación de noyos. Foto cortesía de grifería TRES

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Existen varios métodos de moldeo con moldes de arena dependiendo del número, dimensiones,características y material de la pieza. Comentamos en este apartado algunos de ellos.

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� Moldeo en verde

En este tipo de moldeo la arena del molde posee cierta humedad. Es pues el menos costoso ya queno requiere secado. Se utiliza para piezas sencillas de escasa importancia que necesitan pocotratamiento de hasta 2000 kg. Las piezas son precisas y sin rebabas pero debido al enfriamientorápido pueden endurecerse superficialmente o producirse defectos.

Es aplicable en materiales como fundición ordinaria y maleable, acero, aleaciones de cobre y aluminio.Se puede utilizar en colada continua de piezas ejecutadas en máquina con bastidores desmontables.Se pueden fabricar elementos de radiadores, empalmes, codos, bañeras ...


� Moldeo en verde con secado de la huella

Es un método menos rápido que el verde pero que evita el temple o los defectos en las piezas, asícomo la mejora en la rugosidad de las superficies de las piezas. Se seca la huella con quemadoresde gas o con infrarrojos. Sirve para fundición, acero y aleaciones de cobre o aluminio. Puedeautomatizarse y se realiza en bastidores o en fosa.

� Moldeo en arena desecada

Suele hacerse a mano (caja de moldeo) con bastidores o fosa para piezas importantes y de formascomplicadas. Las paredes del molde son mejores que en verde pero los costes aumentan debido alsecado y las piezas resultan menos precisas. Apto para moldeo de fundición, acero, aleaciones decobre y raramente de aluminio.

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Cuando se trabaja con un número de piezas pequeño el moldeo con arena se suele realizar conmétodos manuales. La impresión de la pieza se realiza con modelos de plantilla o terraja para una odos piezas y con un modelo sólido de dos mitades para series de hasta 30 piezas. Dicha impresiónse efectúa de forma manual o por mediante máquinas especiales de moldear.

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Si las series son mayores de hasta 1000 piezas o más, el moldeo requiere de una instalación demoldeo en continuo en que el moldeo es automático y su impresión es mediante modelos de placa deacoplamiento o especiales. Se describe el esquema general de una instalación de moldeo en continuo.


Detalle de impresión de bloques de arena, dosificación de metal fundido y enfriamiento.

Para realizar la operación de moldeo de arena para grandes series existen otros métodos que acontinuación comentaremos.

� Moldeo en concha o cáscara

El moldeo en concha es indicado para grandes series de piezas de tamaño pequeño y medio.Consiste en fabricar una cáscara de arena aglutinada a partir de un modelo metálico y una caja devolteo y utilizar esta como molde. El inconveniente de este sistema es el coste del modelo. Su


principal ventaja es que se pueden obtener piezas de gran precisión dimensional (tolerancias de 0,25•m) y de buen acabado superficial (Ra = 2,5 •m) con lo cual en muchas piezas nos ahorraremos elmecanizado posterior.

Se utiliza en fundiciones de acero de hasta 10kg tales como engranajes, cuerpos de válvulas, árbolesde levas ...

[1] Calentamiento del modelo. [2] Volteo de la caja vertiendo la arena mezclada con resina sobre el modelo. [3] Parte de lamezcla queda adherida al modelo por la cura de la resina, el resto queda en el fondo tras el nuevo volteo. [4] Se acaba decurar la resina por calentamiento. [5] Se desprende la cáscara formada del modelo. [6] Se unen dos mitades de las conchasfabricadas sostenidas por arena o granalla metálica y se procede al vaciado del metal fundido. [7] La pieza final obtenida.

� Moldeo al vacío

Procedimiento de moldeo de arena en seco en el cual no se necesitan aglutinantes por lo que sefacilita la recuperación de la arena. Se describe el proceso con láminas de plástico aunque a vecesno precisemos de ellas y si de una cámara de vacío.


[1] Se construye un modelo metálico con pequeños orificios para poder succionar una hoja de plástico y se dispone esta sobreel modelo. [2] Se coloca una caja de moldeo sobre el modelo. [3] Se cubre la parte superior de la caja con una segunda hojade plástico. [4] Se realiza el vacío en el interior del molde de arena para mantener la arena ligada. [5] Se juntan los moldes yse vierte el metal fundido.

� Fundición con poliestireno expandido

En este sistema de fundición el modelo está hecho con poliestireno expandido. Este modelo incluyeademás bebedero, canales de alimentación, mazarota y en algunos casos incluso un noyo de arena ensu interior. El molde es de arena que se compacta entorno a este. Una vez moldeado, se vierte elmetal fundido por el bebedero y se vaporiza el modelo dejando espacio al metal que lentamenteocupará la cavidad para crear la pieza. La ventaja de este sistema es que el modelo no debe extraersepor lo que no hay que prever partición del molde ni despullas. Para mejorar el acabado superficial de lapieza se rocía el modelo con un compuesto refractario. Este sistema también puede utilizarse parapiezas únicas donde el modelo se realiza de forma artesanal a base de tiras de poliestireno pero esmás normal utilizarlo en grandes series donde la fabricación del modelo se realiza de formaautomatizada. Este sistema se utiliza en fundiciones de motores de automóvil en masa.


[1] Fabricación del modelo de poliestireno y su recubrimiento con material refractario. [2] Compactación de la arena en elmolde. [3] Vertido del metal fundido con la vaporización del modelo.

� Fundición por revestimiento

En este tipo de fundición sucesora del moldeo a la cera perdida utilizada por egipcios y griegos seutiliza en la actualidad normalmente para la fabricación de piezas pequeñas. Este método permiteconseguir piezas muy complejas con precisión dimensional de 0,075 •m, buen acabado superficial yque no necesitan de mecanizado posterior. Se fabrica un modelo con cera de la pieza a obtener y serecubre con material refractario para formar una cáscara con su forma. A continuación se derrite lacera y en la cavidad obtenida se vierte el metal fundido.


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� Dimensiones y características del modelo

Para el diseño del modelo se tendrán en cuenta los siguientes factores:

� Debido a la contracción que sufre el metal durante la solidificación y el enfriamiento de la piezacuando está en el molde, el modelo debe sobredimensionarse linealmente según el material de lapieza. Inicialmente el noyo no cede durante la solidificación pero llega un momento en que quiebradebido a la presión a la que está sometido por la contracción de la pieza. Como es difícil calcular enque momento cede el noyo, dimensionaremos las medidas exteriores del modelo como si el noyo noexistiera. A continuación se muestra la tabla con la contracción lineal que sufre cada material en elcaso de que el molde sea de arena y la colada se realice por gravedad. Estos valores sonorientativos.


Material % contracción

Acero 0,30 C 1,68

Acero 0,8% C 1,55

Aluminio 1,7

Bronce (10% Sn) 0,77

Bronce (20% Sn) 1,54

Fundición gris 1

Fundición blanca 1,5

Fundición maleable 1,4

Fundición esferoidal 0,8

Aleaciones ligeras 1,4

Latón (30% Zn) 1,58

Plomo 1,1

Estaño 0,7

Zinc 1,6

De cara a nuestra asignatura y para simplificar los cálculos sobredimensionaremos a contracción:

Un 1% en FUNDICIÓN GRIS o ESFEROIDAL, PLOMO, ESTAÑO Y BRONCE (Sn<15%).Un 2 % en los demás METALES.

Los nervios y las partes delgadas (< 10 mm) de la pieza no se sobredimensionarán a contracción.


En el caso de moldeos especiales por gravedad y siempre que la pieza sea inferior a 250 mm elsobredimensionamiento se corrige multiplicado por estos factores:

Método de moldeo factor de correcciónArena (poliestireno, vacío...) 1

Concha 0,6Revestimiento 0,4

� Las superficies que deban MECANIZARSE se sobredimensionarán si su longitud es inferior a 300 mm.

Material pieza Exceso mecanizadoFundición 2,5

Aceros 3,5Aleaciones ligeras 1,5

Aluminio 1,5Bronce 1,5Latón 1,5

En nuestra asignatura y para simplificar los cálculos tomaremos como exceso de material para mecanizado.

3 mm si el material es ACERO2,5 mm si es otro METAL

Los nervios de la pieza no se mecanizan.

� Si el modelo debe desmoldearse, este debe tener cierta conicidad de salida de entre 2º y 4º para queal hacerlo no destruyamos el molde de arena. A esta conicidad se le denomina despulla.

� Si el modelo necesita NOYO se diseñará el modelo con unas PORTADAS de unos 25 mm y con unaconicidad de 7º para piezas de hasta 300 mm.

� Todos los cantos del modelo deben ser redondeados para que no se produzcan enfriamientosrápidos en las esquinas que afecten a la estructura de la pieza.

� El modelo correcto depende del número de piezas a fabricar. Recordemos que para series mediasde piezas el modelo se divide en dos mitades y que estas se unen mediante unos elementosposicionadores llamados espigas.


� Atención!!!: En el modelo el trazo rayado en rojo no es parte del modelo. Se utiliza para compararla pieza con el modelo.

� Dimensiones y características del noyo y de la caja de noyos

� El noyo se coloca cuando queremos obtener el agujero de la pieza directamente desde la fundición ocuando la forma de la pieza sea comprometida como en el caso de poleas. Esto sólo podrá hacersecuando el diámetro del agujero sea superior a un diámetro mínimo que exige el método escogido. Enel caso de ser inferior a los diámetros mínimos marcados por tabla, se realizarán mediante mecani-zado posteriormente.

Método de moldeo Diámetro mínimoArena 12

Concha 1,0Revestimiento 1,0

� El material con que se hace el noyo es una mezcla de tierra magra, arena silícea y aglomerantescomo aceites, harinas o resinas; esto permite que el noyo pueda destruirse tras la solidificación de lapieza por lo que no se debe prever su desmoldeo. El secado y la forma del noyo se realizageneralmente en la caja de noyos.

� La parte de la pieza en contacto con la superficie del noyo no sufre contracción hasta que el noyoquiebra. Como es imposible precisar en que momento en que esto ocurre de cara a realizar loscálculos no se tendrá en cuenta el sobredimensionado por solidificación en dicha superficie decontacto. Es decir que el noyo tendrá las dimensiones del agujero de la pieza en semielaborado.

� Si la superficie interior del agujero de la pieza debe que mecanizarse deberá disminuirse el tamañodel noyo en 3 mm por superficie a mecanizar en caso de ACEROS y de 2,5 mm para el resto de losmetales. La longitud del noyo será la de la pieza más un incremento debido a la conicidad de lasdespullas. Así pues, por convenio y para nuestras piezas, la longitud del noyo sin contar las portadasserá la de la longitud de la pieza más 1 mm.

� El noyo tendrá unas portadas de 25 mm de longitud con 7º de conicidad para evitar su movimientodurante la colada. Si es preciso, se fijará con sujetadores. El diámetro menor de la portada sedeterminará por trigonometría.


� El molde necesario para la construcción del noyo se denomina caja de noyos e internamente sucavidad es idéntica al noyo. Sus dimensiones son tales que sus paredes no sean ni demasiadodelgadas como para que se rompan al presionarlas con arena ni exageradamente gruesas. Porconvenio en la asignatura el grosor será de 20 mm.

� Ejemplo 2

Dada la pieza mecanizada que se ve representada en el croquis adjunto:

� 1. Dibujar de forma esquemática como es la pieza en bruto de fundición que llega al taller mecánico(Indicar claramente modificaciones y medidas prescindiendo de las conicidades).

� 2. ¿Cuál es el coeficiente de contracción en % de una pieza de fundición gris?. Teniendo en cuenta laposición de moldeo más lógica y sencilla, dibujad el croquis completo del modelo más adecuado parala fabricación de 50 piezas, indicando: medidas con exactitud de 0,5 mm, partición, conicidades,portadas... incluyendo el correspondiente noyo y la caja de noyos.

Material: Fundición gris


RESULTADOS:

� 1. Pieza en bruto.

Para la realización de la pieza en bruto y como el material es fundición gris se añade una sobremedidade 2,5 mm para mecanizar, el resultado puede verse en el siguiente croquis:

� 2. Modelo y caja de noyos

Modelo

Para el dimensionado del modelo se tendrán en cuenta los siguientes factores:

� La contracción por medida lineal será de un 1% al tratarse de fundición gris.� Se realizará con despullas de 2 a 4º.� Se incluirán portadas de 25 mm con una conicidad de 7º.� Estará formado por dos mitades simétricas, una de ellas con sus espigas.

Noyo


Caja de noyos

La caja de noyos adecuada para esta pieza tendrá las siguientes dimensiones:

� Ejemplo 3

La pieza mecanizada que se ve representada en el croquis adjunto se quiere fabricar de bronce enun molde de arena convencional.

� a. Dibujar de forma esquemática como es la pieza en bruto que llega al taller mecánico. Indicarclaramente todas las medidas y modificaciones prescindiendo de las conicidades.

� b. ¿Cuál es el coeficiente de contracción lineal en % que utilizamos en los bronces? Teniendo encuenta la posición de moldeo más lógica y sencilla, dibujar el croquis del modelo más adecuado parala realización de 40 piezas sin indicar medidas, pero indicando todos los elementos característicosdel modelo (partición, despullas, ... ).

� c. Hacer un croquis del noyo con todas sus medidas con una precisión de 0,5 mm.


RESULTADOS:

� a. Croquis de pieza en bruto.Para determinar las medidas del semielaborado de bronce será necesario añadir 2,5 mm a las partesque más tarde se mecanizan.


� b. Diseño del modelo.El modelo se realizará teniendo en cuenta la contracción que sufre la pieza durante la solidificación,en este caso al tratarse de bronce el coeficiente de contracción lineal es de un 2%.

Estará formado por dos mitades iguales y se tendrán en cuenta en su diseño los siguientes factores:

� Cantos redondeados� Portadas� Despullas y conicidades (2º a 4º)� Espigas

En el siguiente croquis puede verse el modelo:


� c. Diseño del noyo

El noyo se realizará teniendo en cuenta:

� Las portadas� La conicidad y longitud de portadas

Las medidas del noyo son:

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� Mazarota

Cuando colamos el material en el molde debe tenerse en cuenta que al solidificar el material sufreuna contracción y que pueden producirse rechupes. La mazarota es un depósito situado en loscanales de alimentación que se llena inicialmente de metal fundido y que provee de este a la piezacubriendo así de material los rechupes y retrasando la solidificación de la pieza para que todas laspartes de estas queden alimentadas antes de su enfriamiento. La utilización de la mazarota espropia de sistemas de moldeo por gravedad , en este apartado determinaremos cuando es necesariay cuales serán sus dimensiones. El primer aspecto a tener en cuenta es cual será la contracciónvolumétrica de la pieza en función del material que la componga.

Contracción volumétrica en %.

Fundición gris: 3 - 5 % Cobre: 4 - 5 %Fundición blanca: 6 - 7 % Aluminio: 5 - 7 %Fundición nodular: 4 - 5 % Aleación ligeras: 5 - 8 %Aceros no aleados: 5 - 7 % Aleaciones de Mg: 4 - 5 %Aceros muy aleados: 8 - 10 % Níquel: 5 - 6 %Bronces de Sn: 5 - 7 % Cuproníquel: 5 - 5,5 %Bronces de Al: 4 - 5,5 % Cinc: 4 - 4,5 %Latones: 6 - 7 %


� Tipo de solidificación

Otro aspecto muy importante es como solidifica el metal que fundimos al enfriarse. Este puedehacerlo de forma continua en que sólo existe una temperatura de solidificación debido a que el metales puro o está poco aleado, en cuyo caso se producirán fuertes rechupes, o lo hace en formadiscontinua en que existen varias temperaturas de solidificación, una por metal de la aleación, ydonde la solidificación no es tan espontánea y no hay rechupes.

� Forma continua

� Forma discontinua

Necesitamos mazarota cuando tenemos contracción importante en el líquido y solidificación en formacontinua y:

� La pieza es gruesa ( > 15 mm).� Queremos que la pieza tenga resistencia o estanqueidad.� Requiera mecanizado o taladrado.


� Cálculo de la mazarota

CRITERIOS PARA EL CÁLCULO DE LA MAZAROTA

� 1er Criterio de volumenSe determina el diámetro, D1, correspondiente al volumen mínimo que debe de tener la mazarotapara cubrir la contracción de la pieza.

VMAZ. MIN. = VPIEZA(PARTES GRUESAS) · c · k

Las partes delgadas no se cuentan porque enfrían muy rápido y, la mazarota no las puede alimentar.

� c, es el coeficiente de contracción volumétrica del metal.

Metal o aleación c Metal o aleación c

Fundición gris 3-5 % Cobre 4-5 %Fundición blanca 6-7 % Aluminio 5-7 %Fundición nodular 4-5 % Aleaciones ligeras 5-8 %Aceros no aleados 5-7 % Aleaciones de Mg 4-5 %Aceros muy aleados 8-10 % Níquel 5-6 %Bronces de Sn 5-7 % Cuproníquel 5-5,5 %Bronces de Al 4-5,5 % Cinc 4-4,5 %Latones 6-7 %

� k, es el coeficiente de seguridad.

1 ≤ k ≤ 3 k = 3 si el camino de la mazarota a la pieza es largo

normalmente se toma k = 2.

� 2º Criterio de móduloEl módulo de enfriamiento es un parámetro geométrico, que de alguna forma representa la velocidado el tiempo de enfriamiento de la pieza, suponiendo un valor uniforme del coeficiente de transmisiónde calor en toda la superficie. Se determina a partir de la siguiente expresión:

VolumenMóduloenfriamiento = ----------

Superficie

En el caso de la esfera su valor es máximo y vale M = R/3, con lo cual, tiempo máximo deenfriamiento.

Puede deducirse que la mazarota ideal sería la esférica pero presenta dificultades de moldeo, es porello, que se deriva a formas cilíndricas con cúpula o cilíndricas sencillas, siempre con una relaciónelevada V/S o H/D ≈ 1; 1,5; 2; ...

El módulo, M, es determinante en el cálculo de las mazarotas, ya que éstas tienen que enfriar y, portanto, solidificar, más lentamente que la pieza que alimentan.

Se trata de determinar el diámetro, D2, para que la mazarota solidifique después que la pieza.

Entre D1 y D2 se escoge el diámetro mayor.


Es necesario también tener cuidado con la posición de la mazarota, siempre más elevada que lapieza para un correcto traspaso de líquido y facilitar la separación de la pieza sólida, frecuentemente,se intercala en el sistema de distribución.

PROCESO DE CÁLCULO DE LA MAZAROTA

� 1. Cálculo del volumen de la pieza afectado por la mazarota → VPIEZA(PARTES GRUESAS)

� 2. Cálculo del volumen mínimo de la mazarota para cubrir la contracción de la pieza → VMAZ. MIN.


Se debe cumplir que VMAZ. TEORICO > VMAZ. MIN.

Se calcula el diámetro, D1, para este volumen.

� 3. Cálculo del módulo de la pieza considerando los noyos necesarios para el moldeo que afectan alcoeficiente del enfriamiento superficial → MPIEZA

Debido a que la arena del noyo no tiene humedades, tiene el grano refractario y una capa de resina,es más aislante que la arena del moldeo, por lo cual, la superficie de la pieza en contacto con elnoyo se enfría más lentamente, lo que quiere decir que su superficie de contacto se cuenta como lamitad por convenio.

VPIEZA

MPIEZA = ------ SPIEZA

donde:

VPIEZA = VPIEZA(PARTES GRUESAS)

SPIEZA = S en contacto con la arena de moldeo + 0,5· S en contacto con el noyo

� 4. Se calcula el módulo de enfriamiento de la mazarota tal que ésta solidifique después que la pieza.

Se escoge uno de los siguientes tipos de mazarotas:

Mazarota esférica

Mazarota cilíndrica con H = 2D


Mazarota mixta, donde:

Se calcula el módulo de la mazarota a partir del de la pieza:

MMAZ. TEORICO = 1,2 · MPIEZA

conocido el módulo se determina el diámetro, D2, de la siguiente forma:

VMAZ. TEORICO. = MMAZ. TEORICO · SMAZ. TEORICO → D2

� 5. Elección de las dimensiones correctas:

� Se escoge el diámetro máximo, D, entre D1 y D2.� Se calcula el volumen de la mazarota para este diámetro:

VMAZ = f (D)

� En cuanto a la altura de la mazarota, ha de comprobarse que:

HMAZ > HPIEZA

HMAZ < HCAJA MODELO

� 6. Matizaciones relacionadas con los siguientes conceptos:

� El rendimiento puede mejorarse de dos formas:Colocando un collarín aislante, es decir, recubriendo la mazarota con arena de noyo, deforma que el módulo aumentaría el doble o, lo que es equivalente, la superficie de la piezaen contacto con este collarín valdría la mitad ya que el enfriamiento es menor:

Scontacto = S1/2

Que la mazarota alimente a varias piezas a la vez, el número de piezas que podrá alimentar sedeterminará de la siguiente forma:

VMAZ.

nº piezas = ____________________

VMAZ. TEORICO.

� Los canales de distribución se hallarán de la siguiente forma:

VCANALES = 1/10 · (nº piezas ·VPIEZA RNTERA)

� El rendimiento de la colada se determinará de la siguiente forma:

H = DH = 1,5DH = 2D


nº piezas · VPIEZA RNTERA

η = _______________________________________________________________________

(nº piezas · VPIEZA RNTERA)·VMAZ. · VCANALES

� Velocidad de enfriamiento

Es importante escoger el molde adecuado en función de los cristales que se deseen obtener.Generalmente se prefieren equiaxiales para evitar grietas. Otra manera de evitarlas es que aunquesean cristales columnares los bordes del molde sean redondeados. Si la velocidad de enfriamientoen fundiciones es rápida se favorece la formación de la cementita lo cual comporta mayor durezapero a la vez mayor fragilidad (fundiciones blancas). Es por ello que buscamos que la velocidad deenfriamiento sea lo más lenta posible favoreciendo la formación de grafito (fundiciones grises) yhaciendo el producto de mayor uniformidad aunque de menor resistencia.

� Forma de entrada del metal líquido en el molde

Como es previsible, el método de entrada del metal líquido de forma directa produce cierta erosiónpor lo que se buscan otros métodos de alimentación. El problema es que algunos de ellos son dedifícil ejecución. En el sistema de distribución y alimentación se debe tener en cuenta cual va a ser eltiempo de llenado que depende de la temperatura de entrada del material, forma de la pieza, tipo dearena... Los tiempos límites para evitar defectos superficiales son menores en los métodos de coladadirecta o ataque horizontal que en sifón. La elección será un compromiso entre ambos aspectos.


� Ejemplo 4

Dada la pieza (mecanizada) del croquis adjunto, se pide:

� Anotar las medidas del semielaborado y las del modelo.� Para la posición del modelo vertical dibujar la caja de moldeo.� Calcular el rendimiento de la colada calculando la mazarota (si fuera necesaria).

Resolución

� Anotar las medidas del semielaborado y las del modelo.

� SemielaboradoPara determinar las medidas del semielaborado será necesario añadir 2,5 mm a las partesque más tarde se mecanizarán.

SOPORTE DEACOPLAMIENTOESCALA (CROQUIS)MATERIAL:

Acero inoxidable 18/8F.314 AISI 302


Mecanizado + Por mecanizar = Semielaborado100 2,5 x 2 105

φ125 2,5 x 2 φ1308 No mecanizado 830 2,5 32,5

15 / 1540 No mecanizado 4050 No mecanizado 50

En el siguiente croquis aparecen las medidas del semielaborado:

� Modelo A (posición horizontal)Además de los 2,5 mm del mecanizado, el modelo se sobredimensionará teniendo en cuentala contracción, que en este caso, por tratarse de acero inox., se aplicará un 2%.

Mecanizado + 2% solidificación = Semielaborado32,5 0,65 33105 2,1 107130 2,6 13315 0,3 15,5 40 No contr. (noyo) 40 50 1 51


Gráficamente el modelo será:

Caja de noyos

Las medidas de la caja de noyos, realizada en madera, pueden verse en la siguiente figura:

� Para la posición del modelo vertical dibujar la caja de moldeo

� ModeloLas medidas del modelo en posición vertical son:


� Caja de moldeo:La caja para la realización del moldeo estará dividida en dos partes y, en ella se encuentranel molde, el noyo, el bebedero y la mazarota, como puede verse en la siguiente figura:

� Calcular el rendimiento de la colada calculando la mazarota (si fuera necesaria).

La mazarota será necesaria si se cumple que:

� Metal solidifica en capa continua → Si� Coeficiente de contracción del líquido es alto → 9 % Si� La pieza tiene gruesos → Si� Mecanizar o taladrar → Si

La mazarota es necesaria, para calcularla se aplicarán los dos criterios, el de volumen y el de módulo deenfriamiento.

� 1º Criterio de volumen


donde:c = 9% (acero muy aleado)k = 2 (coeficiente de seguridad)

El volumen de la pieza teniendo en cuenta únicamente las partes gruesas es:


con lo cual el volumen mínimo de la mazarota valdrá:

substituyendo valores se tiene que el volumen mínimo de la mazarota es:

VMAZ. MIN. = 406·0,09·2 = 73 cm3

es necesario un volumen mínimo de metal de 73 cm3 para compensar el volumen que sepierde por contracción del metal.Como volumen teórico de la mazarota se tomará un valor mayor que el volumen mínimo.

� 2º Criterio del módulo de enfriamientoEl módulo de la mazarota se determina a partir de la siguiente expresión:

MMAZ. TEORICO = 1,2 · MPIEZA

El módulo de la pieza vale:

VPIEZA

MPIEZA = ____________

SPIEZA

Superficie de la pieza:

SPIEZA = S en contacto con la arena de moldeo + 0,5· S en contacto con el noyo

Superficie en contacto con la arena de moldeo:

La superficie de contacto con la arena de moldeo se halla a partir de la siguiente expresión:

Superficie en contacto con el noyo:

S en contacto con el noyo = 4·(40·33) = 53 cm2

Substituyendo valores se tiene que la superficie de la pieza es:

SPIEZA = 384 + 0,5 · 53 = 410 cm2

3322

)( 4064056663340332

133cmmmV GRUESASPARTESPIEZA ==⋅−⋅

⋅= π

222

moldeo de arena la co contactoen 38433133402

1332 S cm=⋅⋅+

−

⋅⋅= ππ


para un volumen de la pieza de VPIEZA = 406 cm3 el módulo de la pieza es:

406MPIEZA = ________ = 0,99 cm

410

por lo tanto:

MMAZ. TEORICO = 1,2 · MPIEZA= 1,2 · 0,99 = 1,188 cm

La mazarota elegida será del tipo mixta con las siguientes dimensiones:

Según el criterio del volumen:

VMAZ. MÍNIMO = VMAZ. TEÓRICO

de aquí puede hallarse el diámetro, D1, necesario de la mazarota:

1173 = ______ · π· D1

3 → D1 = 3,7 cm 24

Según el criterio del módulo de enfriamiento:

despejando D, se obtendrá D2:

33332

. 24

11

24

2

8

3

23

4

2

1

2

3

2DDD

DD

DV TEORICOMAZ ⋅⋅=⋅⋅+⋅⋅=

⋅⋅⋅+⋅⋅

= ππππ

cmD

DDD

D

S

VM

TEORICOMAZ

TEORICOMAZTEORICOMAZ 188,1

24

2

1

2

3

2

24

11

22

3

.

.. =

⋅⋅⋅+⋅⋅⋅+

⋅

⋅⋅==

πππ

π

cmDDD

DM TEORICOMAZ 8,5188,1204,0

4

924

11

2. =→=⋅=⋅

⋅=


Como valor de D se tomará el mayor de los obtenidos por ambos métodos, es decir, D = D2 = 5,8 cm,con lo cual, las dimensiones de la mazarota serán:

D = 5,8 cmH = 11, 6 cm

Se ha de comprobar que se cumple:

H < 200 mm (altura de la caja)H > 30 mm (altura parte gruesa de la pieza)

El número de piezas que esta mazarota podrá alimentar se calcula de la siguiente forma:

Volumen real de la mazarota:

Volumen mínimo de la mazarota:

VMAZ. MÍNIMO = 73 cm3

El número de piezas que puede alimentar es:

281n = _______ ≈ 3,8 → 3 piezas 73

- Rendimiento de la colada

nº piezas · VPIEZAS ENTERAS nº piezas · VPIEZAS ENTERAS

η= ________________________________________________ = ___________________________________________________________________________

V MAT. EMPLEADO (nº piezas · VPIEZAS ENTERAS) + VMAZ. + VCAN. DISTRIB.

donde el volumen de la pieza entera es:

Despreciamos los nervios.

el volumen de los canales de distribución es:

VCAN. DISTRIB. = 10% (nº piezas · VPIEZAS ENTERAS) = 0,1·(3·480) = 144 cm3

333. 9,28082,5

24

11

24

11cmDVMAZ =⋅⋅=⋅⋅= ππ

3)( 48074406)33107())4040())5151(( cmxxxVV GRUESASPARTESPIEZAENTERAPIEZA =+=−−+=


substituyendo valores se tendrá que el rendimiento vale:

3 · 480η= _____________________________________ = 0,77 ⇒ 77 % (3 · 480) + 281 + 144

7��!#�$��9$'�)�$�&$�

Como se ha visto en los apartados correspondientes a moldes desechables, hemos de fabricar poreste procedimiento el molde para cada nuevo moldeo por lo que el método es lento y requiere degrandes instalaciones. Además la superficie del molde debido a su composición tiene ciertarugosidad y por tanto se producen malos acabados superficiales y poca precisión dimensional. Parapaliar este problema se construyen los moldes permanentes los cuales permiten una mayor rapidez,trabajo en células y piezas con mejor precisión dimensional, acabado superficial y de mayorresistencia.

Los moldes permanentes se pueden utilizar para realizar hasta varios miles de piezas. A partir deese momento el molde pierde precisión y debe cambiarse. Estos moldes se construyen con acero ofundición recubiertos de material refractario por lo que se suelen utilizar para el moldeo de piezasmetálicas con menor temperatura de fusión que los materiales férricos como pueden ser aluminio,aleaciones de cobre, latón, zinc, magnesio, estaño, zamag, plomo ... también se puede moldearfundición gris pero refrigerando el molde. Si se quiere fundir piezas de alto punto de fusión como elacero se utilizan moldes de grafito.

El problema de este tipo de moldeo es que necesitan de orificios en el molde para la evacuación degases y si este tema no está bien resuelto puede aparecer excesiva porosidad en las piezas. Además losmoldes deben calentarse para evitar enfriamientos bruscos que puedan agrietar la pieza.

El sistema de moldes utilizados son normalmente de dos mitades, ya que debe poder extraerse lapieza. El sistema de apertura y cierre de estos moldes debe ser rápido ya que los moldes no seretraen como la arena y debe abrirse el molde antes de que se enfríe la pieza para evitaragrietamientos de la pieza. Por tanto ya puede deducirse de que el tamaño de la cavidad será másparecido a la pieza final que en el caso del molde de arena. Existen dos tipos claramentediferenciados de moldeo permanente:

� Moldes de vaciado por gravedad o a baja presión.� Moldes de inyección

7%��4��/�1��

En los moldes de vaciado o hueco se utilizan dos moldes normalmente de acero, fundición o grafito,que se aproximan, manual o automáticamente, generando en la unión la cavidad con la forma de lapieza y que se separan para expulsarla. El metal fundido se vierte en el interior de la cavidad porgravedad o a baja presión por efecto sifón. El resultado, son piezas con baja porosidad, buen acabadoy alta exactitud dimensional. Es ideal para lotes moderados de pocos miles de piezas con forma decasco como juguetes, ornamentos, bases de lámparas ...

Como ventaja respecto a otro sistema de moldeo permanente es la facilidad del sistema de llenadode los moldes. El inconveniente es en el caso de baja presión es la contaminación del metal porfusión de parte del crisol y del molde. Es por ello que sólo se utiliza en aleaciones de plomo, estaño yaluminio y en casos en que las impurezas de hierro no perjudiquen al uso de la pieza.


� Fundición en hueco por gravedad

[1] Se abre el molde manualmente o mediante un cilindro hidráulico y se rocía el interior con lubricantes para evitar que la piezase pegue al molde y disminuir rozamientos que desgastarían este.[2] Se sitúa el noyo en caso necesario y se cierra el molde.[3] Se vierte el metal fundido en la cavidad del molde por gravedad.[4] Se separan las dos partes del molde para evacuar la pieza.[5] Pieza final.

� Fundición a baja presión


Es un moldeo en hueco como en el caso anterior pero el metal entra en el molde a presión por efectosifón. Para conseguir que el metal entre en el molde ponemos el crisol en una cámara hermética einsuflamos aire a presión.

7+��2��

Es un moldeo con moldes permanentes pero en que el metal se introduce a altas presiones en suinterior. Esto se realiza mediante unas máquinas especiales de inyección a presión. En este procesotan importante es introducir a presión el metal líquido como mantener unidas las dos mitades delmolde por lo que están constituidas por un grupo de inyección y otro de cierre. Estos grupos sonaccionados por bombas y acumuladores hidráulicos movidos por electromotores. La inyección puederealizarse mediante dos procedimientos diferentes:

� Máquinas de cámara de presión caliente� Máquinas de cámara de presión fría

� Máquinas de cámara de presión en caliente

En este procedimiento la cámara de presión está en el interior de un horno de mantenimiento en quese encuentra el metal a inyectar fundido. Es importante que el metal no ataque a dicha cámara,fabricada de acero o fundición, por lo que sólo utilizamos este proceso para aleaciones de cinc,estaño, magnesio o plomo y en pocos casos de aluminio. La inyección se suele realizar mediantepistón a presiones de entre 7 y 35 Mpa.


� Máquinas de cámara de presión en frío

En este sistema el metal fundido para inyectar se suministra a la cámara mediante una cuchara odispositivo de alimentación procedente de un horno de mantenimiento. El inconveniente respecto alsistema anterior es que hay un tiempo de carga que relentiza la producción y que la cámarainicialmente está “fría”. La gran ventaja es que se puede trabajar con cualquier metal con bajo puntode fusión: Aleaciones de aluminio, latón, magnesio... además de cinc, plomo y estaño. Las presionesutilizadas en este procedimiento son entre 14 y 140 Mpa. Normalmente se utiliza la cámara en fríopara series medias y altas de piezas y la cámara en caliente para series pequeñas y medias.

Pieza obtenida por inyección

7��

La matriz o molde en los moldes permanentes suelen realizarse mediante mecanizado y pulido deaceros aleados a base de cromo, vanadio o wolframio. Actualmente se mecaniza medianteprocedimientos de arranque de viruta convencionales como fresas o centros de mecanizado o porelectroerosión. En fase de introducción aparecen nuevas técnicas de “utillaje rápido” que construyen


moldes mediante sinterización a partir de técnicas STL. Al diseñar la matriz, debemos tener encuenta factores como son los excesos de material para mecanizado posterior, la contracción de lapieza por solidificación y además la dilatación de la matriz. La contracción depende de muchos otrosfactores como es la temperatura y el tipo de metal, la velocidad de producción, tiempo de espera enla matriz, el diseño de la pieza ...

Ya es evidente que las dimensiones de la matriz son muchas veces fruto de la experiencia. De todosmodos se da una tabla para realizar estimaciones rápidas de la contracción lineal de la pieza ydeterminación del sobredimensionamiento de la matriz.

En caso de moldes permanentes con alimentación mediante gravedad podemos aproximar lacontracción a la referida en la de fundición con moldes de arena por gravedad.

Contracción lineal de piezas fundidas mediante inyección.

MetalAleación de

plomoAleación de

estañoAleación de

zincAleación de

aluminioAleación demagnesio

Aleación decobre

Contracciónlineal %

0,3 – 0,5 0,2 – 0,4 0,5 – 0,7 0,4 – 0,6 0,5 – 0,7 0,7 – 1,2

� Partes de la matriz

La matriz es la parte fundamental de la inyección a presión. Normalmente consta de dos partes, unaparte fija denominada matriz de cubierta y una parte móvil llamada matriz de eyección. Inicialmentese cierra la matriz fuertemente, uniendo estas dos partes.

En caso de existir noyos móviles, estos se sitúan donde debe haber un agujero en la pieza. El metalfundido entra a presión a través de la boquilla de colada y se distribuye por la cavidad de la matrizpor los canales de colada. El aire contenido en el interior de la cavidad se expulsa por unos surcosde ventilación. Una vez solidificada la pieza se retiran automáticamente los noyos móviles, sedesplaza la matriz de eyección y la pieza se desprende de la matriz de cubierta adherida al noyodeflector. Finalmente mediante unos mecanismos expulsores desprendemos la pieza de la matriz deeyección.


La matriz suele ser de acero por lo que al calentarse se dilata, Es importante que ambas partes de lamatriz permanezcan a la misma temperatura y se dilaten por igual. Para conseguirlo refrigeramos lamatriz con agua.

Para realizar agujeros, aberturas... en la pieza necesitamos noyos. Estos pueden ser fijos o móvilespara que no dificulten la extracción de la pieza. Debe tenerse en cuenta para su dimensionamientosolamente la pendiente de conicidad y el dimensionamiento a mecanizado. Los noyos suelen sertambién de acero muy aleado.

La matriz se sobredimensiona para mecanizado entre 0,3 a 1 mm por superficie para piezas inferioresa 300 mm.

Tanto la matriz como los noyos deben tener unas conicidades mínimas para facilitar la evacuaciónde la pieza. Se presentan en la siguiente tabla:

Conicidades %Aleaciones de

plomo oestaño

Aleaciones dezinc

Aleaciones dealuminio

Aleaciones demagnesio

Aleaciones decobre

Superficiesinteriores o deNoyos fijos

0,2 % 0,4 % 1 % 0,6 % 4 %

Noyos móviles 0,1 % 0,2 % 0,5 % 0,3 % 2 %

Superficiesexteriores 0 a 0,1 % 0 a 0,2 % 0,2 a 0,5 % 0 a 0,3 % 1 a 1,5 %

� Ejemplo 5

Para la fabricación de 100.000 piezas como la mostrada en el croquis adjunto se construye una matriz deacero al cromo-wolframio altamente aleado. Dimensionar de forma aproximada como deberá ser dichamatriz de inyección en cámara en frío. Suponer que en cada matriz sólo se obtiene una pieza.


Resolución

Calculamos cómo será la pieza semielaborada (antes de la mecanización) dejando un exceso dematerial de 1mm por superficie a mecanizar. En la pieza existirá cierta conicidad y redondeo de lasesquinas que no se ha dibujado.

Para calcular el sobredimensionamiento del molde para contrarestar la contracción sumamos uncoeficiente de contracción lineal del 0,5%. En cuanto a la conicidad tomamos 0,4% para lassuperficies exteriores y un 0,5% para el noyo móvil.


La precisión excesiva de las cotas se da para que el alumno pueda comprobar sus conocimientos.

7,��:-�4�

Este sistema de moldeo permanente consiste en producir la pieza mediante la rotación de la matrizcon el fin de que la fuerza centrífuga impulse el metal contra sus paredes. Es un método que aplicapresión con sencillez de construcción y es apto para piezas grandes como tuberías de fundición opara serie medias y pequeñas de piezas muy pequeñas de paredes delgadas en las cuales unprocedimiento de colada por gravedad sería inapropiado, ya que el metal se enfriaría antes derepartirse por toda la pieza y un moldeo por inyección o por hueco resultaría demasiado caro ycomplicado.

Obtención de tubos por colada centrífuga


Obtención de piezas pequeñas

77��1��

Para que el tiempo de vida de las matrices aumente debemos precalentarlas y rociarlas conlubricantes antes de la colada.

7;�9��4��

Dada la complicación de evaluar las dimensiones del modelo, del noyo, el llenado del molde, latemperatura de fusión, el flujo de metal en la pieza, el enfriamiento, los rechupes, las tensionesinternas ... existen en el mercado programas de simulación que pueden ayudar al ingeniero en eldiseño de un sistema de moldeo.

Cortesía de SIMTEC 2000


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Los hornos son utilizados para fundir o mantener en estado líquido el metal con que alimentaremosel molde. Estos se eligirán en función de la temperatura de fusión del metal, de la calidad de la piezay de los costes de su calefacción.

Metal Fundición Acero Al. de cobre Al. deAluminio

Al. deMagnesio

Al. de Zinc Al de plomo Al. deestaño

Temp. Fus °C 1535 1535 1150 658 649 419 327 232

Como observamos en la tabla las aleaciones férricas funden a alta temperatura por lo que los hornosque utilizaremos serán diferentes a los de las aleaciones ligeras.

� Aleaciones férricas

� CubiloteHorno cilíndrico utilizado para fusionar la fundición. Se combustiona carbón, fundentes y se funde elarrabio procedente de los altos hornos y la chatarra. El metal obtenido es de baja calidad.

� Horno eléctricoUtilizado normalmente para fundir aceros de calidad media. El calor procede de un arco eléctrico.

� Horno de inducciónUtilizado normalmente para fundir aceros y fundiciones de alta calidad.

� Aleaciones no férricas

� Hornos de fusión de metales ligerosEn estos hornos el material no está en contacto con el combustible sino en un recipientedenominado crisol. El combustible suele ser gas, aceite o electricidad (resistencia).


Forma de construcción Calefacción Producto Material del crisol

Cobre y sus aleaciones

Plomo, estaño, zinc ysus aleaciones

Grafito

Fundición gris, aceromoldeado, hierro

forjadoAceiteGas

Aluminio y susaleaciones

Aleaciones especialesde metal ligero

Grafito

Fundición gris, aceromoldeado

Hornos de fusión decrisol, fijos o basculantes

Resistencia


Aleaciones especialesde metal ligero, plomo,

zinc, estaño y susaleaciones

Grafito

Fundición gris, aceromoldeado, hierro

forjado

Hornos de fusión desolera, fijos o

basculantes, conantecámara y/o cámara

de colada o sin ella

AceiteGas

Resistencia


Hornos de fusiónrotatorios, de tambor

AceiteGas

Cobre y sus aleacionesVirutas de aluminio y

sus sales

Cuadro orientativo de los distintos tipos de hornos para fundir y sus principales funciones (excluidoslos cubilotes, los eléctricos a arco y los de inducción)

��#�!<')�=)

� Deslandes y Vandenberghe: Modelos y moldes para fundición. 1966. Ed Uteha.

� A. Biedermann: Fundición a presión de metales no férreos. 1952. Ed Montesó

� E. Brunhuber: Fundición a presión. 1972 Ed Gustavo Gili

� Groover: Procesos de Manufactura moderna. M.P 1997 Ed Mc Prentice Hall.

� J Hibout, M Roger, G Florez Anton: Mecanización sin virutas 1961 Ed TEA.

� D. Lucchesi: Técnica de la forja, embutición, corte y soldadura. 1971 Ed Labor.

� JM de la Poza Lleida: Hornos para fundir metales y aleaciones. 1993. Ed Oikos Tau.

� R. Hänchen: Fundición de piezas de máquinas. 1982. Ed Urmo.

� A Las Heras: Tecnología Mecánica y Metrotécnia. 1990. Ed Donostiarra.


� Coca-Rosique: Tecnología Mecánica y Metrotécnia. 1990. Ed Pirámide.

� Neely: Materiales y procesos de manufactura. 1992. Ed Limusa.

� J Beddoes, M.J. Bibby: Principles of metal manufacturing processes. 1999 Ed Arnold.

p125125125125Módulo 4. Conformado por forjado en caliente

Módulo 4. Conformado porforjado en caliente

Amelia Nápoles Alberro


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Como se ha visto en capítulos anteriores, existen diversos métodos de conformación de piezas, loscuales se pueden dividir en dos grandes grupos:

� Procesos de Conservación de masa, por ejemplo: Laminado, Fundición y Pulvimetalurgía, en los queel material puede estar en estado sólido, líquido y granular.

� Procesos de reducción de masa, por ejemplo: Oxicorte, Fresado, Electroerosión, en los que el materialse encuentra en estado sólido.

Dentro de los procesos del primer grupo, en este capitulo se estudiará la fabricación de piezas mediantela forja.

La conformación por deformación plástica de los metales es el proceso utilizado para fabricar piezasmediante la transformación plástica de un cuerpo sólido y en la cual se mantiene inalterado elvolumen del cuerpo. Esta transformación se realiza sometiendo a los metales, calientes o fríos, bajola acción de fuerzas exteriores de diferentes tipos: compresión, tracción, flexión, etc.

Existen diversos procedimientos de conformado dependiendo del tipo de esfuerzo principal empleado yde la pieza a deformar.

� Tipos de procesos de conformado por deformación plástica según el tipo de esfuerzo alque se someten las piezas.

� Conformación por compresión:

� Forja libre.� Forja con estampa.� Extrusión.� Laminación.

� Conformación por compresión y tracción:

� Extrusión de perfiles.� Trefilado de alambre.� Embutición profunda.� Embutición con estirado por tracción

� Conformación por flexión:

� Doblado.

� Conformación por torsión:

� Retorcido.


� Clasificación de los procesos de conformación según el tipo de pieza a deformar.

Tipo de piezaa trabajar

TransformaciónPrincipal

Proceso

RepujadoDesplazamiento Laminado

Alisado

Trefilado de alambres yperfiles

Estirado a tracción desuperficies y tubos

Embutición profunda

Alargado(a tracción)

Acuñado hueco

Doblado rectoDoblado

Doblado curvo

ParedesDelgadas

Ej. Chapa

Arrollado Retorcido

Forja libre

Forja con estampa

Extrusión

Paredesno delgadasEj. Lingotes

Desplazamiento

Laminado plano y de forma

El proceso de conformación por deformación requiere que el material tenga determinadas propiedadesplásticas, para su mejor elaboración.

Las piezas metálicas frente una acción externa, se comportan indistintamente, dependiendo fundamental-mente de sus características geométricas y metalúrgicas, así como también de la magnitud y dirección dela fuerza que actúa.

Existen dos tipos de esfuerzos básicos, a los que pueden estar sometidas las piezas, ellos son: Tracción yCompresión, ante los cuales estas manifiestan, primero, un comportamiento elástico y posteriormenteplástico.

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La deformación elástica de las piezas se caracteriza por la recuperación de la geometría inicial de las mismas,después de retirada la fuerza exterior aplicada, es decir las deformaciones que ocurren son reversibles.

Sin embargo en la deformación plástica, la geometría de partida no se recobra, una vez retirada laacción de la fuerza, por lo que es irreversible. Esta conducta es el principio físico en el que se basanlos procesos de conformación de piezas por deformación plástica.

La plasticidad de los metales, desde el punto de vista de los estados de la materia (líquido, sólido ygaseoso), puede valorarse como una etapa transitoria entre el estado sólido y el líquido, es por elloque para conformar las piezas, conviene trabajarlas en caliente.


Principalmente se calientan aquellas piezas de volumen considerable, con el objetivo de aumentarsu capacidad plástica y disminuir su resistencia a la deformación. Esto es debido a que a mayortemperatura, las fuerzas de atracción intermolecular que se oponen a la deformación son menores.

En frío la fuerza necesaria para producir dicha deformación sería muy elevada, por lo que en estascondiciones se efectúan operaciones donde el esfuerzo requerido es menor, como es el caso depiezas, cuya masa a deformar es relativamente menos significativa, por ejemplo: Doblado y Curvadode la chapa.

Para conocer las propiedades elásticas y plásticas de un material se realizan los ensayos de traccióny compresión sobre probetas normalizadas. Como hemos visto la mayoría de los procesos pordeformación trabajan a compresión, y para comprender como ocurre este fenómeno, a continuaciónse describen, las fases por las que atraviesa la pieza, primeramente, durante la tracción, realizandola analogía correspondiente a la compresión.

� Ensayos de tracción y compresión

En los ensayos de tracción y compresión, como sus nombres lo indica, una fuerza axial de tracción ycompresión, respectivamente, actúa sobre la probeta normalizada en condiciones de temperaturaambiente, y a medida que la carga aumenta, se produce la deformación de la misma. En el caso dela tracción ocurre el alargamiento y la extricción, y en la compresión, sucede el acortamiento y elaumento de la sección transversal. En la figura 1 está representado este comportamiento.

Conociendo que la probeta tiene una sección transversal “A”, se puede calcular los esfuerzos queesta soporta (σ=F/A), a medida que la fuerza aplicada “F” aumenta, así como las deformaciones(ε=∆l/l) que ocurren.

En la figura 1, se observa que en ambos ensayos existen dos etapas bien definidas:� Zona elástica: OA y OA|.� Zona plástica: AD y A|D|

Figura 1. Gráfico de Esfuerzo contra Deformación a temperatura ambiente.

C

A|O

A B D

C|

σ

ε

- σ

-ε

D|

TRACCIÓN

COMPRESIÓNB|

Curva ideal

Curva real


� Ensayo de tracción.

A medida que la carga aplicada aumenta, la probeta comienza a alargarse, proporcionalmente a esta,hasta llegar al punto A, denominado Límite de Proporcionalidad o de Elasticidad, por lo que sí se retirala carga la probeta recupera su longitud inicial. A partir de este punto, si seguimos aumentando lacarga, la probeta continúa deformándose, pero ahora plásticamente, producto del desplazamientomolecular. En este instante este desplazamiento a su vez, provoca el autoendurecimiento del materialy por ende, mayor resistencia de este a dejarse deformar, es por eso que en la curva de deformaciónse observan fluctuaciones, cuyo límite es el punto B, llamado Límite de Fluencia. La zona AB nosiempre queda bien definida, esto depende del tipo de material.

Si continuamos aumentando la carga, la probeta sigue alargándose uniformemente hasta alcanzar elLímite Máximo de Carga C, punto a partir del cual, sin necesidad de ascender la carga, la probetaprosigue variando su longitud y comienza a disminuir su sección transversal, manifestándose unaextricción acusada, es decir se forma un cuello. Instantes después la probeta se rompe.

Por medio de una máquina de ensayo de tracción se puede conocer cual es el valor de la carga a laque ocurre la rotura, correspondiente al punto D, llamado Límite de Rotura, que como lo indica lagráfica es menor que la carga máxima.

� Ensayo de compresión.

En la primera fase del ensayo de compresión, al aumentar la carga aplicada, la probeta comienza aacortarse (disminuye la altura), proporcionalmente a esta, hasta llegar al punto A|, denominadoLímite de Elasticidad. Luego, si aumentamos la carga, la probeta continúa deformándose,plásticamente y autoendureciéndose, alcanzando el punto B|, llamado Límite de Fluencia.

Si continuamos aumentando la carga, la probeta sigue acortándose y aumentando su seccióntransversal, hasta alcanzar el punto C|, punto a partir del cual, a pesar de que se eleveconsiderablemente la carga, la probeta apenas se comprime. Este punto depende de la relación queexiste entre el diámetro y la altura de la probeta, [C| = f (H/D)]. Por último en el punto D| la probeta nose comprime más ya que ha llegado a su límite de compresión. Todo este comportamiento no sólodepende de las propiedades plásticas del material, sino que además, está influenciado por otrosparámetros. Es decir, si los cuerpos fueran perfectamente plásticos y sólo sufrieran esfuerzos detracción y compresión, se deformarían según una ley ideal, de manera que mantendrían su formaigual a la inicial. En la practica vemos que sucede lo contrario, en la tracción la probeta se alargauniformemente hasta que aparece el cuello y en la compresión se acorta hasta que abombea.

Por lo tanto como las deformaciones no son regulares, se deducen que intervienen otros factores,los cuales se relacionan a continuación: Teoría de los volúmenes de fricción y deslizamiento, segúnla relación H/D y de la Velocidad de golpeo, dependiendo de si la compresión se efectúa por presióncontinua o por martilleo. Estos parámetros se estudiarán en el apartado 4.5.6.

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� Reseña histórica

Este procedimiento es uno de los más antiguo utilizado para la conformación de los metales. En Egipto,Grecia, Persia China y Japón alrededor del año 550 a. de J.C. ya se fabricaban armas y utensiliosdomésticos de cobre y sus aleaciones, mediante forja.

Como valor histórico de la época medieval, hoy en día se conserva en Compludo, ubicado muy cercade Ponferrada, en la comarca del Bierzo, provincia de León, una interesante reliquia de la ingenieríadel medievo, declarado monumento nacional. Se trata de una herrería, como muestra la foto de lafigura 2, en la que se forjan los metales con un mazo, que es accionado mediante la fuerza motriz,


generada por el cauce artificial de un arroyuelo proveniente del río Si, que impulsa un perfectoengranaje de madera en cuyo eje está el martillo.

Figura 2. Operación de forjado y corte de madera en la herrería de Compludo.

En la actualidad este tipo de proceso tiene gran importancia en la industria, ya que por este métodose obtienen distintos tipos y tamaños de piezas, como por ejemplo tuercas, tornillos, llaves, rotoresde turbinas, alternadores, bielas, engranajes, cigüeñales.

La forja es el conjunto de operaciones necesarias para la conformación de piezas metálicas, mediante ladeformación plástica del material, aplicando esfuerzos violentos de compresión repetidos (martilleo) ocontinuos (compresión), después de haberlas calentado por encima de la temperatura de recristalización,pero inferiores a la de fusión, por lo que existe una temperatura máxima y mínima.

� Características de las piezas forjadas

Las piezas forjadas se caracterizan por ser simples y macizas, a diferencia de las piezas fundidas sinagujeros pasantes, los cuales se hacen en operaciones posteriores de mecanizado.

Las piezas conformadas por forja pueden ser:

� Piezas acabadas: La forja da la forma definitiva.� Piezas de desbaste: La forja da la forma aproximada, con un exceso de material de 3 mm y pos-

teriormente se mecaniza.

� Materiales forjables

Para realizar la deformación plástica sobre los metales es imprescindible la utilización de materialescon propiedades plásticas, que les permitan experimentar una deformación permanente y significativa,sin destrucción de los enlaces moleculares.

La mayoría de los metales pueden ser forjados pero no así sus aleaciones que aveces resultan pocosmaleables, demasiado frágiles y se rompen antes de alcanzar el grado de deformación deseado.

Los materiales forjables a temperatura ambiente son aquellos que tengan compuestos químicosplásticos y los no forjables aquellos que por el contrario, sus compuestos químicos son no plásticos.Son muy forjables todos los aceros al carbono, con preferencia, los de bajo contenido de carbono,así como los metales no férreos maleables.


En el caso de los metales no aleados, se puede discernir, a través del diagrama Hierro- Carbono dela figura 3, que a temperatura ambiente son forjables, aquellos cuyos constituyentes son la ferrita yen parte la perlita, sin embargo no son forjables los que contengan cementita.

Pero a la temperatura de forja y para materiales con porcentaje de carbono menor de 1.76, estosconstituyentes se transforman totalmente en austenita, que es muy plástica y por lo tantoperfectamente forjable.

Figura 3. Diagrama Hierro-Carbono (líneas de enfriamiento para los aceros).

De aquí que las fundiciones, que a temperatura de forja están constituidas por austenita y cementita,no sean forjables, ya que esta última tiene una elevada fragilidad y por ello, son inadecuadas para laconformación, excepto las fundiciones de grafito esferoidal que pueden hacerlo en caliente.

Por otra parte el cobre debe forjarse en frío ya que en caliente es muy frágil; mientras que el aluminioy muchas aleaciones ligeras admiten forjado en caliente y en frío.

� Temperaturas de forja

Como se ha visto anteriormente para ejecutar la deformación de tipo plástico (el material no recuperasu forma primitiva), los materiales se calientan o no, dependiendo del tipo de proceso.

Ferrita FerritaProeutectoide

+Perlita

210

721

Perlita+

CementitaProeutectoide

TEMPERATURADE FORJA

0.025Perlita

+Cementita

Proeutectoide+

CementitaEutectica

AUSTENITA

0.008 0.89 1.76 4.3 6.67

Hierro Acero Fundición

SÓLIDO

LÍQUIDO

Austenita+

Líquido

CementitaProeutectica +

Líquido

Perlita+

CementitaProeutectica

+Cementita

Proeutectoide+

CementitaEutectica

Austenita+ Ferrita

Austenita+


Austenita+


+Ledeburita

CementitaProeutectica

+Cementita

Proeutectoide+

Ledeburita

910

1539

1600

MATERIALESFORJABLES

1130

% C

PERLITA


Las temperaturas a la que deben calentarse los metales y aleaciones en la forja, están comprendidospara cada material, entre una temperatura mínima y otra máxima. Estas temperaturas estáncondicionadas por la de recristalización, esta última es la temperatura a la que ocurre la reorganizacióndel cristal, la formación del grano nuevo, por lo tanto en el caso de los aceros, es igual a la temperaturade austenización: 721ºC. La temperatura mínima siempre debe ser superior a la de recristalización, yaque por encima de esta temperatura, los metales pueden deformarse significativamente y conpequeños esfuerzos, sin que este se endurezca por Acritud, debido a que las deformaciones son detipo fluido, o sea son deformaciones intergranulares.

Mientras que a temperatura menores que la de recristalización hay acritud ya que las deformacionesocurren en el cristal o en el interior del grano, es decir son deformaciones transcristalinas.

Recordemos que la acritud es el endurecimiento y aumento de la resistencia del metal por causa dela deformación plástica una vez liberada la carga.

Relación entre la T recristalización(Tr) y T fusión (Tm).

Tr ≈ [0,5 o 0,75] * Tm

En algunos casos se aplica una forja con temperaturas por debajo de la de recristalización,denominada forja en tibio (Tt) donde, Tt ≥ 0,3 Tm < Tr.

Si se trata de conformado en frío tenemos que Tf < Tt.

El metal debe volverse a calentar cuantas veces sea necesario, pero procurando que sean lasmenos posibles, si en el transcurso de la operación de forja, la temperatura desciende por debajo dela minina.

Una vez superada la temperatura mínima, cuanto más alta sea la temperatura a la que se calienta elmetal, menor será la resistencia que este ofrece a su deformación, pero mayor será el crecimientode su grano, hasta que llegue a fundirse, por ello se fija para cada metal o aleación una temperaturamáxima que no conviene superar.

En el caso de los aceros, existe una zona de temperaturas, que se debe evitar, comprendidas entrelos 300 y los 500 ºc, entre los cuales, adquieren una fragilidad, llamada fragilidad azul, por lo quetanto en el calentamiento como en el enfriamiento debe pasarse lo más rápidamente posible y nuncaforjar en ella.

Temperaturas de forja para distintos materiales

Material TemperaturaAcero al carbono 850º a 1050ºBronce 800º a 900ºLatón ( Zn < 46%) 600º a 700ºAluminio 350:500ºMagnesio y sus aleaciones 350

� Beneficios aportados a la estructura del metal con la aplicación del proceso de forja

Existen dos razones por las que se forjan los metales:

� Para perfeccionar la calidad del metal, eliminando la fragilidad de los lingotes y corrigiendo la forma ydisposición de los cristales.

� Para fabricar el producto final de forma aproximada o precisa.


Las piezas forjadas se utilizan, en menoscabo de las mecanizadas, que parten de perfiles laminados,por varias motivos:

� No se corta el fibrado.� Menores tiempos de mecanizado.� Menor desperdicio de material.� Adecuado para piezas de compromiso con gran resistencia.� Optimas características mecánicas con las menores secciones y pesos, obtenidos por el compac-

tado, fibrado y tratamiento térmico posterior.

Con el forjado se mejoran las siguientes propiedades mecánicas de las piezas:

� Afino de grano.� Orientación de la fibra.� Mejores propiedades en la dirección de la fibra.� Disminución de las sopladuras y segregaciones.� Mejor homogeneidad del metal.

La dureza después de forja de las piezas debe ser parecida a la obtenida por normalizado, no obstantepuede requerirse un proceso de tratamiento térmico posterior.

El afino de grano de los metales en la forja, se produce por el desmenuzamiento del mismo y la reedifi-cación inmediata en tamaño más pequeño como se muestra en la figura 4.

Siempre y cuando la temperatura de forja no sea menor que la de recristalización, cuanto más baja sea esta ymás enérgicamente se golpee el metal, mayor será este afino, y por el contrario el crecimiento del granocomenzaría, si se interrumpiese el martillado del metal antes de que descienda la temperatura de recris-talización.

Figura 4. Afino de grano en la forja.

Las propiedades mecánicas de los metales, así como la microestructura, mejoran con el afino delgrano, principalmente sí estos contienen muchas impurezas y por ende son muy defectuosos.

Durante el forjado las fibras metálicas adoptan una disposición gradual de la forma final de la pieza,como se puede observar en la cabeza recalcada de la figura 5.

a) b)

Figura 5. Recalcado de un tornillo.a) Barra laminada, b) Cabeza de tornillo recalcada


Si en la fabricación del metal, durante la solidificación, quedan cavidades, es decir, sopladuras, estas me-diante el forjado son aplastadas y soldadas, al ponerse en contacto íntimo a temperaturas elevadas. Debecumplirse que las paredes de la cavidad estén limpias y exentas de oxido, como se muestra en la figura 6.

Figura 6. Presencia de sopladuras en los metales.a) Antes del forjado. b) Después del forjado.

� Defectos en la forja

En la forja se pueden producir tres clases de defectos:

� En el momento de la forja aparecen inclusiones de cuerpos extraños.� Ausencia de material en zonas de la pieza.� Aparición de pliegues.� Presencia de grietas producidas por un aumento exagerado de la temperatura, por un sobre-esfuerzo

local o por un inadecuado forjado.

� Ciclo de ejecución de la forja:

Calentamiento del material hasta la temperatura de forja. Se calienta el material hasta la temperatura deaustenización y se mantiene en el horno durante un periodo de tiempo, para tener la seguridad de quedicha temperatura es constante en todo el material. La velocidad de elevación de la temperatura debe serlenta y paulatina para evitar diferencia de temperatura entre núcleo y superficie y por tanto tensiones. Amayor temperatura menor resistencia a que el metal se oponga a la deformación, pero el tiempo depermanencia a esta temperatura máxima no debe excederse para evitar el crecimiento del grano.

Operaciones de deformación o forja. Por golpes o por presión.

Enfriamiento hasta la temperatura ambiente. Puede ser al aire pero es más aconsejable sobre todopara los aceros dulces hacerlo en el horno o en un lecho de ceniza.

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� Máquinas para calentar.� Máquinas para forjar.

� Máquinas para el calentamiento del material

La pieza debe calentarse lentamente para que así toda ella alcance una temperatura uniforme y evitarque se produzcan tensiones internas. Por otra parte no se debe sobrecalentar.

Los hornos utilizados para calentar las piezas son:

� Fraguas utilizadas para bajo número de piezas y sobre todo pequeñas y de poca responsabilidad.

a b

Sopladuras


� Hornos de reverbero para piezas grandes o para un gran número de piezas al mismo tiempo(también se usa el horno de combustible líquido o gas.

� Fraguas

Son hornos abiertos en los que se quema carbón provocando su combustión por medio de aireinyectado por una tobera gracias a la acción de un ventilador centrífugo. Las piezas se introducen enlas brasas procurando que no estén encima de la entrada de aire para así evitar su oxidaciónsuperficial. Se dividen en portátiles y fijas.

� Hornos de reverbero

Se utilizan para piezas que van a ser forjadas a máquina. El combustible está en un hogar y lasllamas de su combustión camino hacia la chimenea calientan la bóveda. El calor acumulado por labóveda reverbera se trasmite a las piezas, situadas debajo de ella y sobre la solera, como muestra lafigura 7.

Figura 7. Horno de reverbero.

� Máquinas para forjar

� Forja manual

Este método actualmente no se utiliza pero nos va a servir de fundamento para estudiar la forja mecánica.

Herramientas utilizadas:

� Herramientas de apoyo: Yunque y Bigornia.� Herramientas de golpeo: Martillo y Mazas.� Herramientas de manipulación: Tenazas.� Herramientas auxiliares: Punzones, claveras, asentadores, estampas.

Tipos de forja

A mano: No se utiliza ningún medio mecánico para forjar.

A maquina: Se utiliza una máquina para realizar el trabajo.


Operaciones de forja manual:

� Estirado: Aumentar longitud de la pieza reduciendo su sección.� Degüello: Producir un cambio de sección brusco.� Recalcado: Aumentar la sección transversal� Estampado: El material se coloca entre dos estampas y se obliga a la pieza a adquirir la forma de

su contorno interior.� Curvado y doblado: Deformar la pieza según un ángulo redondeado, como se muestra en la foto de

la figura 7.

Figura 7. Operación manual de curvado y doblado.

� Forja mecánica

Las máquinas empleadas en la forja mecánica son de dos tipos dependiendo de la forma de aplicarlos esfuerzos de compresión:

� Martinetes o Martillos: Se aplican esfuerzos mediante golpes sucesivos (choque). Su acción es mássuperficial por lo que suele utilizarse para piezas pequeñas o de poco espesor.

Tipos de martinetes:

- Hidráulicos.- Mecánicos.- Neumáticos.- De vapor.

� Prensas: Los esfuerzos por presión son de forma continua y progresiva. Producirá deformacionesiguales en toda la pieza incluso en las partes internas por lo que se utiliza en piezas grandes o degran espesor.

Tipos de prensas:

- De Fricción.- Excéntricas.- Hidráulicas.

Las prensas pueden realizar básicamente dos tipos de trabajo:

- Forjado, o forja sin estampa (libre), que no es más que conformar con una superficie totalmenteplana donde la pieza puede deformarse libremente hacia los lados.


- Estampado, o forja con estampa, es decir deformar el material obligándolo a adaptarse aun molde o matriz metálica.

En la foto se muestra una prensa hidráulica de forjado de 800 toneladas (a) y otra de estampado de1000 toneladas (b), ambas con control numérico, cortesía de José Iturrospe Prensas, S. A.

a) b)

Figura 8. Prensas hidráulicas.

A continuación se profundiza en los fenómenos que ocurren en el proceso de conformado pordeformación plástica.

En apartados anteriores se ha visto que existen dos parámetros importantes que afectan la resistenciadel metal a la deformación, ellos son: La Teoría de los volúmenes de fricción y deslizamiento y laVelocidad de golpeo, los cuales se describirán a continuación.

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En la curva del ensayo de compresión del apartado 4.2.1, vemos que el esfuerzo real para comprimir laprobeta, aumenta sin que disminuya significativamente su altura, desviándose este comporta-miento delque correspondería, según una ley ideal, por lo que se plantea buscar las causas que lo ocasionan.

El origen de las desviaciones de la ley teórica radica en los siguientes aspectos:

� Fricción entre las caras en contacto y generación de los volúmenes de fricción.� Aproximación de estos volúmenes en la dirección de la fuerza aplicada, producto del desplazamiento

de las zonas más externas.

De lo anterior se deduce que ocurren dos fenómenos que son coexistentes pero no idénticos: Fricción yDeslizamiento.


� Fricción

Cuando se aplica una fuerza de compresión P sobre un cuerpo que está en reposo, entre las carasen contacto de la pieza y el útil se produce una ligazón debido a que las asperezas de ambassuperficies penetran unas dentro de las otras, por lo que surge una fricción que origina una fuerza derozamiento R, la cual se opone a la fuerza F necesaria para el desplazamiento de los granos máspróximos a la superficie del elemento a trabajar, como lo indica la figura 9.

Se ha demostrado que esta resistencia depende del coeficiente de rozamiento µ de cada material ydel valor de la fuerza aplicada P, donde tenemos que:

Figura 9. Rozamiento entre las superficies en contacto.

Sabiendo que para la gama de materiales forjables, en condiciones estáticas y sin lubricación, el coeficientede rozamiento alcanza como máximo un valor de 0,6, se puede calcular que el mayor ángulo de rozamientoposible es ρ = 30 grados.

Debido al comportamiento descrito antes y suponiendo que los granos de la masa a deformar trabajancomo elintrados entre sí, se originan dos volúmenes en contacto con los útiles, cuyos lados son, la base delas estampas y unas superficies laterales inclinadas un ángulo próximo al de rozamiento.

Veamos en la figura 10 este comportamiento en dos tipos semiproductos utilizados en la forja de losaceros:

Figura 10. Volúmenes de fricción.

Por lo anterior se concluye que la fuerza de rozamiento también depende de la distancia al extremodel útil, comportándose mayor en el centro de la pieza.

Barra de seccióncuadrada o rectangular

Barra de sección circular

30º

Conos de friccióny desplazamiento

R = µ * PR = P * tan ρρ = arc tan µ

ρ

ρ

F


Por lo tanto se puede calcular la altura de los conos o prismas de fricción y deslizamiento, como sigue:

x = tan 30 * d/2

� Deslizamiento

Experimentalmente se ha observado que se originan unos volúmenes similares a los de fricción.Sobre las caras laterales de un prisma se ha trazado una cuadrícula, al cual se le ha aplicadodiferentes etapas de forjado y si se unen los puntos de inflexión del nuevo cuadrilátero, se obtienenlíneas de deslizamiento que forman un ángulo respecto al eje de simetría del prisma de aproximada-mente 60º, como vemos en la figura 11.

Figura 11. Conos de deslizamiento.

Por otra parte la magnitud de la deformación no es la misma en las dos direcciones longitudinal ytransversal del lingote, hay mayor desplazamiento de los granos que están más alejados del centrodel semiproducto y de las caras de contacto.

En el conformado, los granos que están en la periferia y fuera de los volúmenes de fricción, son los primerosen ser aplastados y empujados hacia el contorno de la superficie de presión, o sea en la dirección de menorresistencia, como se observa en la las tres vista (alzada, planta y perfil) de la figura 12.

Figura 12. Deformación en las direcciones longitudinal y transversal del lingote.

De la figura se observa que hay mayor desplazamiento en las zonas 1 y 2, es decir en la dirección enla que está la sección más pequeña del prisma. La deformación en las zonas 3 y 4 es muy pequeñapara realizar desplazamientos en el sentido longitudinal del cuerpo.

donde se debe cumplir que 2x < H

21 3 4

1

2

3 4


� Condiciones límites para los volúmenes de fricción y el pandeo

Los volúmenes de fricción engendran los volúmenes de deslizamientos, ambos fenómenos son los que ocu-rren en el ensayo de compresión, donde, como condición de ensayo se establece que las dimensiones de laprobeta cumplen que la relación entre el diámetro y la altura es igual a uno, es decir que el volumen homolo-gado es para H = D, en cuyas circunstancias los conos de fricción y deslizamiento están en la posición límitepara que la probeta comience a manifestar una mayor resistencia a la deformación, a temperatura ambiente.

Tomando como referencia las experiencias de Riedel, que demuestran que a partir de una relaciónH/D> 1,43, la resistencia a la deformación comienza a aumentar, y para trabajar con un margen deseguridad, se establece que los semiproductos a forjar tienen que cumplir que:

� H/D > 1,5 --- Los conos de fricción y deslizamiento están suficientemente separados.� H/D < 2,5 --- Caracterización de esbeltez de la pieza, condición para que no ocurra pandeo.

� Curva de Alzada (H vs σ)

Como sabemos que la máxima deformación de las piezas depende del efecto de los volúmenes defricción y deslizamiento, y estos a su vez de la relación base–altura, conviene trazar una Curva de Alzada(H) en función de la Resistencia a la deformación (σd), con el objetivo de conocer cual es la altura mínimaa la que se pueden comprimir, cuando la resistencia alcanzada por el material se iguala al límite deresistencia en estado de normalizado.

El comportamiento de la Curva de Alzada es similar al de una parábola equilátera en la que se cumpleque H * σd = constante. Esta curva es específica para cada pieza y proceso, que en el caso de que nose pueda obtener experimentalmente, se calculan los puntos a partir del valor teórico de resistenciadado para la probeta homologada (D=H), tal como se muestra en la siguiente tabla para el caso deforja lenta.

Resistencia a la deformación (daN/mm2) por compresión, dada para forja lenta (prensa),que presentan las probetas homologadas con D=H, forjadas en calientes y a diferentestemperaturas, en las que los volúmenes de fricción están suficientemente separados.

MATERIAL

Aceros al CarbonoAcerosAleados

AcerosMoldeables

Fuertesaleados

Aleacionesde Cobre

Aleacionesde

AluminioTemp.º C

Suaves≤ 0,3 %

C

SemisuavesSemiduros

0,3: 0,5 % C

Duros0,5 / 0,6

%C≤ 4% > 0,4 % Cu Cu/Zn/Sn Al

Al +4%Cu

1200 1,8 2,5 3,5 : 4,0 6,0 8,01100 2.0 3,8 5,0 8,0 10,01000 3,0 5,0 8,0 10,0 15,0 1,0 0,5900 4,0 8,0 12,0 15,0 25,0 1,5 1,0800 6,5 11,0 17,0 20,0 35,0 2,0 2,0700 10,0 16,0 25,0 25,0 45,0 4,0 4,0600 15,0 24,0 38,0 5,0 5,0 0,5 1,5500 7,0 9,0 1,0 2,5400 10,0 13,0 2,0 5,0300 3,0 8,0

Nota: Para la forja lenta, se selecciona la menor de las temperaturas indicadas en la tabla de los aceros, expuesta en el temade materiales.


� Influencia de la velocidad de golpeo en el forjado.

A mayor velocidad de golpeo el material ofrece más resistencia a la deformación, por lo que para laforja rápida, es decir cuando se trabaja con martinete, en la conformación del acero, los valores de estaresistencia del material se pueden obtener multiplicando los de la tabla anterior por 2,5 o 3, (aunque enalgunos casos las tablas están dadas).

Ejemplo: El σd de un acero suave a 1100ºC es de 2 kg/mm2 para prensa y de 6 kg/mm2 para martinete.[2 * 3 = 6 kg/mm2]

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Las estampas se utilizan en el forjado de piezas con el objetivo de transformar el semielaborado a lageometría previamente concebida e inscrita de forma inversa en las superficies de estas. Para elconformado de piezas por estampado se utilizan normalmente prensas mecánicas.

� Diseño de las estampas

Generalmente es conveniente diseñar las estampas con una canal, que permita el alojamiento de unexceso de material a forjar, y por lo tanto la formación de una rebaba en la pieza, que se eliminarámás tarde. Cuando comienza a formarse la rebaba, aumenta la fricción que se opone a que el metalsiga fluyendo y por lo tanto obliga al material a mantenerse en la cavidad. Este comportamiento seagudiza en el forjado en caliente, ya que la rebaba al enfriarse más rápidamente que el resto delmaterial, aumenta aún más su resistencia a la deformación.

En la figura 13 se muestra un ejemplo sencillo de una pieza y su estampa, indicándose algunosparámetros significativos.

Figura 13. Partes elementales de una estampa.

� Características que deben cumplir las estampas

� Resistencia a la compresión.� Resistencia al choque (resiliencia).� Resistencia al desgaste.� Resistencia a las temperaturas elevadas.

El material utilizado en la fabricación de las estampas es el acero aleado, que una vez construidasestás deben someterse a tratamientos térmicos.

Las medidas de las estampas deben ser mayor a las de las piezas forjadas debido a que esta se contraeal enfriarse. De la misma forma, con el objetivo de tener creces para el mecanizado, las medidas de estaúltima deben ser superiores a las de la pieza definitiva por lo tanto se dejarán 3 mm de exceso por super-ficie a mecanizar.

Canal

Línea deseparación

Estampainferior

Estampasuperior

Rebaba


La geometría a obtener puede ser uniforme o irregular, tal como se estudia en el problema Nº 1 y porseparado, aplicado al trabajo con forja lenta.

Por otra parte una aplicación de forja rápida se observa en el problema Nº 3.

También las estampas se utilizan en el recalcado de tornillos, clavos, etc., como se estudia en elproblema 2.

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� Problemas de estampado de geometría irregular

Dado el bruto de forja representado abajo, se pide determinar la fuerza neta (kN) de la prensa (lentahidráulica) capaz de finalizar la tercera y última fase de la estampación propuesta. La marchageneral será:

� Determinación de la temperatura de forja, en función del material.� Cálculo de las secciones respectivas.� Descomposición en volúmenes elementales, según alturas.� Cálculo y dimensionado del volumen inicial.� Determinación del volumen de referencia u “homologado”.� Determinación y gráfico de la curva de alturas (H mm)/resistencias específicas (k daN/mm2).� Cálculo de las respectivas resistencias y de la fuerza total necesaria.� Suponiendo un 600 p/h determinar la potencia necesaria en el caso 7.� Si toda la fuerza aplicada por la prensa anterior al volumen inicial fuese “uniforme” (por medio de dos

medias estampas planas de superficie suficiente), determinar las dimensiones del producto brutoobtenido.

� Análogamente determine la potencia necesaria para el caso 9, con el mismo ciclo, en tres etapas.� Calcular la potencia para el caso del MARTILLO.

Dato: Material: acero al carbono F-114


Solución

En la tabla de aceros se encuentra que para el acero F-114 la temperatura para forja lenta es:

T = 850 ºC

Como Vi = Vf:

Vf = VI + VII + VIII + VIV = 3013965 mm3

Di = 2/3 Df = 166,67 mm Df- mayor diámetro final

mm 138,14 166,67 · �

3013965 · 4 H

3013965 H · 4

166,67 · � H ·

4

D · � V V

2i

i

2

i

2i

f i

==

====


� Comprobar a pandeo:

� Calcular el volumen HOMOLOGADO:

así pues:

Do = Ho = 156,56 ≈ 157 mm

� Comprobar VOLÚMENES DE FRICCIÓN:

Mirar para la barra inicial:

Inicialmente no están en contacto los volúmenes de fricción.

� Calcular σdo:Al no estar en contacto los volúmenes de fricción se puede establecer una hipérbole equilátera de

H·σd = cte·A.F-114 es acero semiduro 0,45 %C a T = 850 ºC, de la tabla:

900 ºC → 8 kg/mm2

800 ºC → 11 kg/mm2

Entonces: 850 ºC → 9,5 kg/mm2 ≈ 95 N/mm2 = σdo

pandeohay No 2,5 0,83 166,67

138,14

D

H <==

mm 157 Do 3013965 4

D · �· �

mm 3013965 Ho · 2

Do · �

20

32

≈→=

=


Por tanto la ecuación de la hipérbole será:

Se calcula la resistencia a deformación máxima:

La altura minima a la que se debe comprimir es 22,53 mm.

Se calcula σd para diferentes alturas:

� Calcular la energía:

ET = FT · ∆Hneto PROM.

14873,2 � · H =

C)º 850 al C875º a norm. (En tablas N/mm 660 70- 62 � 2

(MÁXIMA)114-F

el paradNORM ≈≅=

22,53 660

14873,2

�

A H

RNORM/775

que departir a

2

==== mmNRσ

2 d44

2 d33

2 d22

2 d11

N/mm 297,46 50

14873,2 mm 50 h

N/mm 495,.77 30

14873,2 mm 30 h

N/mm 148,73 100

14873,2 mm 100 h

N/mm 198,31 75

14873,2 mm 75 h

==→=

==→=

==→=

==→=

σ

σ

σ

σ


� Cálculo de la fuerza total necesaria:

Fnf = Suf · σdf

FT,PR = F1f + F2f + F3f + F4f = 14797422,4 N ≈ 14796,9 kN

� Cálculo de ∆Hneto PROM

Para n = 2 etapas:

N 5257270 297,46 · 4

200 · �

4

250 · � F

N 6814520 495,77 · 4

150 · �

4

200 · � F

N 2336250,8 148,73 · 4

50 · �

4

150 · � F

N 389381,6 198,31 · 4

50 · � F

22

4f

22

3f

22

2f

2

1f

=

−=

=

−=

=

−=

==

mm 74,39 4

297,56

n

�� H

mm 88,14 50 - 138,14 H - H H

mm 108,14 30 - 138,14 H - H H

mm 38,14 100 - 138,14 H - H H

mm 63,14 75 - 138,14 H - H H

altPROM

4i4

3i 3

2i2

1i 1

===∆

===∆

===∆

===∆

===∆

∑

J 550390,13 Nm 550390,13 2

74,39 · 14797422,4 ET ===


La potencia útil será:

� Calcular la potencia necesaria si se tratase de un MARTILLO (no hay rebabas), η= 95%.

FT = 14796, 9 kN (prensa) hmin = 30 mm

FT (martillo) = 14796,9 · 3 = 44390,7 kN

ET = FT · hmin (último golpe) = 3 · 14796,9 · 0,03 = 1331,7 kJ

� Problema de recalado

� Calcular la potencia del motor de una prensa de 720 piezas/h y un rendimiento η= 85 %.� Determinar como debe ser la estampa y el redondo inicial.

Material:C → 0,22 %Tforja → 1200 ºC

kW 102 0,9

91,732

�

P P

seg/pieza 6 0,166

1 p/seg 0,166

seg 3600

1h ·

h

piezas 600

W91731,6877 6

550390,13

t

E P

utilNOM

Tutil

===

=→=

===

kW 233,63 0,95

221,95 P

kW 221,95 6

1331,7

t

E P

NOM

T

==

===


Solución

La estampa necesaria es:

Área del hexágono:

A = 6 * ½ * 65 * 56 = 10863 mm2

Volumen final de tornillo:

Vf = 6 * ½ * 65 * 56 * 50 = 543000 mm2

↑ altura de la cabeza

Altura inicial, Hi:

mm 123 Hi Hi · 4

75 · � 543000 V

2

f =→=→


Se establece la relación entre la altura y el diámetro para no tener problemas de pandeo:

Medidas del redondo inicial:

Medidas del volumen homologado:

así pues:

si Do = Ho = 88 mm

Fuerza inicial:

332

f mm 543000 4

Do · � Ho ·

2

Do · �V ==

=

kg 5685 1,287 · 4

75 · �� · S Fi

2

231hd ====

pandeohay No 2,5 1,64 75

123

Di

Hi r <===


Fuerza final:

Ff = 6 · 0,5 · 65 · 56 · 3,168 = 34594 kg

Energía con prensa progresiva:

� Problema de martinete (con tabla)

Tenemos la pieza semielaborada que se representa a continuación:

Se desea hallar la energía del martillo.

Solución

Es una pieza de mucho relieve y muy fina, por lo que trabajaremos con deformación rápida agrandes velocidades con martinete.

Como la pieza es muy fina necesitamos una rebaba que dará un contrafuerte y un efecto de fluenciainversa.

N 201395 kg 20139,5 2

34594 5685 Fm ≈=+=

W3458 85,0

2940

�

P P

W2940 5

14700 P

J 14700 1000

50-123 · 201395 )H - (Ho · Fm E

nom

f

===

==

=

==


� Secciones donde se aplicará la fuerza:

Se supone que volúmenes de fricción están suficientemente alejados y, por lo tanto, se puede utilizarla curva → H · σd = cte.

De tablas se obtiene:

Para martinete (x 2,5 ó 3)

hI = 8 → σd(dl) = 20 → 60 kg/mm2

hII = 50 → → σd(dl) = 4 → 12 kg/mm2

hIII = 20 → → σd(dl) = 7 → 21 kg/mm2

hIV = 2,5 → σd(dl) = 60 → 180 kg/mm2

hV = 8 → σd(dl) = 40 → 120 kg/mm2

� Cálculo de fuerzas: F = σd · S

FI = 3630 · 60 = 217800FII = 4863 · 12 = 58356FIII = 6900 · 21 = 144900FIV = 2280 · 180 = 410400FV = 2435 · 120 = 292200 ____________

1123656 kg → 1130 Tn


� Tocho de material

2/3 · diámetro max. de la pieza → 2/3 · 140 = 90 mm (sin tener en cuenta la rebaba)

� Energía del martillo (en último golpe)

E = 11300000 N · 2,5x10-3 m = 28250 Nm = 28250 J ↑espesor de la rebaba

A continuación se muestra una tabla que resume los diferentes procedimientos según sea el caso.

3VVIVIVIIIIIIIIIIIIp mm 430000 h · S h · S h · S h · S h · S V =++++=


��(� 5�&-6&

� Fundamentos de manufactura moderna, materiales, procesos y sistemas. Groover Mikell P., Ed. ASimon & Schuster Company. 1997.

� Forja para ingenieros. “Barat”.

� Conformación metálica. Pere Molera Solá. Productica. Ed. Marcombo. 1991.

� Fabricaciones metálicas sin arranque de viruta. Joseph Flimm, Ed. Urmo, S.A.

� Procesos básicos de manufactura. H.C. Kazanas, Glenn Baker, Thomas Gregor. Ed. McGraw-Hill.

� Estampado en caliente de los metales. Mario Rossi. Ed Hoepli. 1971.

� Procesos para Ingeniería de Manufactura. Leo Alting, Ed. Alfaomega.

� Tecnología de los oficios metalúrgicos. G. Würtemberger. Ed. Reverté, S.A.

� Moldeo y conformación. H. Gerling. Ed. Reverté, S.A., 1979.

� Formulario de mecánica. L. Pareto. Ed. CEAC. 1991.

� La provincia de León. Luis Pastrana. Ed. Everest, S.A.

� Tecnología Mecánica y Metrotécnia, Arias Laceras, Ed. Donostiarra 1990.

p157Módulo 5. Mecanizado por arranque de viruta

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Por todo lo estudiado hasta ahora, se puede resumir que, según las características geométricas delas piezas a fabricar y las propiedades de sus materiales requeridas, existe una gran variedad deprocesos de fabricación que dependen de los siguientes métodos de realización:

� Dar preforma. Ej. Fabricación de acero� Transformar geometría. Ej. Forja.� Separar. Ej. Mecanizado.� Unir. Ej. Soldar.� Recubrir. Ej. Pavonado� Modificar propiedades. Tratamiento térmico.

En este capitulo se estudiará el Mecanizado, proceso basado en el método de separar, a su vez dentrode este último se distinguen dos tipos: Dividir (cortar, entallar) y Arrancar (torneado, taladrado).

El proceso de fabricación mediante mecanizado consiste en arrancar en forma de virutas opartículas, el exceso de material de un semiproducto previamente concebido, utilizando lasmáquinas y herramientas cortantes adecuadas, para conseguir la geometría de la pieza deseada ylas especificaciones planteadas.

La obtención de las dimensiones y geometría definitiva de una pieza mediante el arranque deviruta, se realiza partiendo de semiproductos fabricados por fundición, forja, laminación o porpulvimetalurgía, a los que, en algunos casos, se les han efectuado operaciones previas dedoblado, soldadura u otras.

Debido a que en ocasiones el mecanizado resulta ser un procedimiento bastante caro, la fabricacióntotal de piezas por fundición, por deformación o por polvos metálicos, está siendo utilizados enmayor proporción.

No obstante, hay que tener en cuenta que el método de arranque de viruta es el único que permiteconstruir piezas con una exactitud del orden de micras, mientras que en los dos primeros latolerancia oscila alrededor de ± 3 mm y en el tercero de ± 0,13 mm.

Por otra parte en el mecanizado se obtienen acabados superficiales muy finos, como es en el casode operaciones de rectificado, pulido, lapeado.

A pesar de que todas las máquinas empleadas en la conformación de los materiales, por ejemplo lasprensas y martinetes, pueden considerarse como máquinas herramientas, generalmente, se suelendenominar de esta manera a las que conforman por arranque de material, como son lastaladradoras, fresadoras, tornos, etc.

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De forma general, se puede resumir en tres grandes grupos los materiales mecanizables.

� MetalesLa mayoría de los metales y sus aleaciones pueden conformarse por arranque de material, sinembargo en algunas ocasiones es necesario aplicarle a estos un tratamiento térmico previo, debidoa que no todos los materiales se dejan trabajar con igual facilidad, o sea que no tienen la mismamaquinabilidad.


Generalmente los aceros son los materiales que más se conforman por mecanizado y a su vez losque presentan mayor complejidad al aplicárselo.

Grupos de metales mecanizables:

� Aceros al carbono.� Aceros aleados.� Aceros inoxidables.� Fundición.� Aleaciones termo resistente y de alta resistencia.� Aceros aleados de alta resistencia.� Metales refractarios aleados. (Columbium, Tantalio, Molibdeno y Wolframio).� Aceros al titanio aleados.� Aceros aleados de alta resistencia en base cobalto o níquel.� Aleaciones de Titanio� Aleaciones de aluminio, cobre, níquel, magnesio, uranio,cinc.� Composites (requiere herramientas especiales).

� Plásticos y compuestos plásticos

� Cerámicos, a los que preferiblemente se les aplica el mecanizado abrasivo

� Maquinabilidad de los metales

La maquinabilidad se define como la capacidad de arrancar material de la pieza con un útil de corteo la habilidad del material a ser mecanizado, esta se evalúa mediante la realización de una serie deensayos en los que se determina las siguientes características:

� La duración del afilado de la herramienta.� La velocidad de corte que debe aplicarse� La fuerza de corte en la herramienta / potencia.� El trabajo de corte.� La temperatura de corte.� La producción de viruta.� Acabado superficial.

FACTORES QUE AFECTAN LA MAQUINABILIDAD:

� Material de la pieza.

� Composición química del material.� Tipo de microestructura.� Inclusiones.� Dureza y resistencia.� Ductilidad y acritud.� Tamaño del grano.� Conductividad térmica.� Presencia de aditivos libres.

� Condiciones de corte.

� Arista de corte.� Portaherramienta.� Máquina herramienta.� Operación.� Régimen de corte


Existen aceros de alta maquinabilidad, también denominados aceros automáticos, que se caracterizanpor tener en su composición química una serie de aditivos libres como son el azufre, el plomo, elselenio, el manganeso y el fósforo.

ANTECEDENTES DE LA PIEZA A MECANIZAR.

Desde el punto de vista de las propiedades mecánicas favorables para el mecanizado, normalmentelas piezas han sido sometidas a procesos térmicos como el laminado en caliente, normalizado,recocido y estirado en frío, excepcionalmente han sido templadas, ya que con este proceso, estas sehan endurecido, lo cual no facilita la maquinabilidad.

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Las máquinas herramientas para efectuar el mecanizado se basan en los siguientes procedimientos:

� Mediante cuchillas.� Mediante abrasivos.� Mediante chispas eléctricas.� Mediante ultrasonidos.� Mediante un chorro electrónico que volatiliza el material.� Mediante electrólisis dirigida.

Exceptuando el corte mediante cuchillas, en el que el material arrancado aparece formando tirasfragmentadas (si este es frágil) o continuas (si este es muy dúctil), en el resto de procedimientos sedesprenden pequeñísimas partículas.

� Movimientos que se realizan en el mecanizado

El arranque de viruta o partícula se realiza mediante la penetración de una herramienta, cuyo material esde mayor dureza que el de la pieza a cortar. Este enclavamiento ocurre mientras se efectúa el movi-miento relativo entre la pieza a trabajar y la herramienta de corte, como se muestra en la figura 1.

Figura 1. Giro y penetración de la broca en la superficie de la pieza.

TIPOS DE MOVIMIENTOS A REALIZAR EN EL MECANIZADO.

� Movimiento de corte:Es el que permite que la herramienta penetre en el material, produciendo viruta, y se identifica através del parámetro Velocidad de corte.


� Movimiento avance:Es el desplazamiento del punto de aplicación de corte, identificado a través del parámetro Velocidadde avance.

� Movimiento de alimentación:Es con el que se consigue cortar un espesor de material, identificado a través del parámetro Profundidadde pasada.

La herramienta y la pieza se fijan a la máquina, esta última es la encargada de transmitirle a lasprimeras, el movimiento de corte y el de avance, ya sean de rotación o traslación, indistintamente,dependiendo del tipo de trabajo a realizar y de la máquina que lo ejecuta.Por ejemplo en un torno universal, el movimiento de corte lo ejecuta la pieza cuando gira, elmovimiento de avance es el desplazamiento de la herramienta en la dirección longitudinal otransversal, y por último el de alimentación, esta última lo realiza en la dirección perpendicular al deavance.

� Tipos de mecanizado.

Según el acabado superficial con el que se ha de obtener la pieza terminada, se distinguen tres tiposde mecanizado:

� Desbastado:El material eliminado es del orden de milímetros o décimas de milímetros, cuya finalidad esaproximar las dimensiones de la pieza a la medida final, en el menor tiempo posible desplazando lacuchilla de corte con altas velocidades de avance y de corte.

� Acabado:Con el objetivo de obtener, no solo las medidas finales de la pieza, sino también poca rugosidad enla superficie, el material eliminado es del orden de centésimas de milímetro utilizando cuchillas decorte que trabajaran con velocidades de avance bajas y velocidades de corte más altas que en eldesbaste.

� Superacabado o rectificado:Con la finalidad de alcanzar medidas muy precisas y buen acabado superficial, el material rebajadoes del orden de milésimas de milímetro y las velocidades de avance y de corte, con que se trabajason muy altas, desprendiéndose partículas de material por abrasión.

Teniendo en cuenta el tipo de pieza a elaborar, la operación a aplicar, el acabado requerido y lamáquina que lo realiza, existen diversos procesos de mecanizado, de los cuales en la tabla 1 semuestran los más usuales.

Las fotos que se muestran en la tabla 1, han sido extraídas de los catálogos ofrecidos por cortesíade las siguientes las empresas:

� Manual Sandvik Coromant.� Estarta Rectificadora S. Coop.� Hitachi Seiki Co., Ltd.� Euro Sprint, Rectificadoras.� Danobat, División de Sierras.� Pferd – Rüggeberg, S. A. Muelas con mango.� Gurutzpe, Máquinas Herramienta.� Heidenreich & Harbeck, Makino. Máquinas de Eelctroerosión.� Laserlan, Corte de presición con láser.� Couth, MC 2000.


TIPOS DE PROCESOSDESBASTE y ACABADO (Virutas) SUPERACABADO (Partículas)

TIPO DEGEOMETRÍAGENERADA Denominación Movimiento Denominación Movimiento

Cilindrado(Exterior)

RefrentadoMandrinado

(Interior)RanuradoRoscado

Superficiesde

revolución

Torneado

(1) Torneado deforma

La pieza gira y laherramienta se

desplaza.

RectificadoCilíndrico Exterior

(2)

Rotación de lapieza y de laherramienta

Frontal

Cilíndrico

Ranura

Fresado

(3) Contorno

La herramientagira y la pieza se

desplaza.

Rectificado plano

(4)


desplaza.

CizalladoraCepilladoraLimadora

Mortajadora

La herramienta yla pieza sedesplazan.

Superficiesplanas

AserradoLa herramienta

gira y/o sedesplaza

Sierra Alternativa(5)

Sierra de disco(6)

Agujeros

Taladrado yMandrinado

(7)

PunteadoBarrenadoAvellanado

BruñidoEscariado

La herramientagira y sedesplaza.

RectificadoCilíndrico Interior

Lapeado


desplaza.

Contornoirregular

Electroerosión Penetración Hilo

(8) (8)

La herramienta yla pieza sedesplazan.

Amolado

(6)

La herramientagira y sedesplaza.

Otros

OxicorteCorte por Láser (9)

Electromecanizado (10)Corte por plasma

Ultrasónico

(9) (10)

Tabla 1. Principales procesos de mecanizado.


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De los procedimientos utilizados para el mecanizado, en este capitulo se estudiará el mecanizadomediante cuchillas, donde el material arrancado se presenta en forma de virutas. Concretamente seprofundizará en los procesos de Torneado de desbaste, Torneado de acabado y Taladrado.

Las características de las cuchillas utilizadas en el proceso de arranque de viruta se basanfundamentalmente en el buril, que fue la primera herramienta utilizada para este fin, y como se observaen la figura 2, no es más que una barra rectangular de acero, afilada en su extremo como un diedro.

Figura 2. Corte de pieza con buril.

La forma de la herramienta para cada trabajo se selecciona según las operaciones específicas arealizar y la máquina herramienta correspondiente.

� Formación de la viruta

El arranque de viruta ocurre cuando el filo de la herramienta produce primeramente la deformaciónelástica de la parte de metal que se convertirá en viruta, surgiendo grandes tensiones a medida quese aproximan y luego una vez que el material supera la tensión de fluencia, ocurre la separación dela capa debido a la deformación plástica.

Para realizar cualquier operación de mecanizado es importante controlar la formación de la viruta,con el objetivo de garantizar que esta sea rota adecuadamente y conocer el tipo de viruta que seformará, ya que esta indica el tipo de comportamiento que manifiestan los diferentes metales ante laacción de la cuchilla de corte y por ende que temperaturas y fuerzas serán generadas.

Las temperaturas alcanzadas durante el corte, tanto en la pieza como en la herramienta, no debenser muy altas, ya que pueden influir negativamente, y las fuerzas que se producen condicionan lapotencia necesaria para realizar el proceso.

Tipos de viruta:

� Viruta continua de bordes lisos: aparece en materiales dúctiles, aplicando avances y profundidadespequeñas y velocidades de corte altas, superficies de ataque muy pulida, bajo coeficiente derozamiento, alta resistencia al desgaste y refrigeración considerable. Con este tipo de viruta seobtiene buen acabado.

� Viruta continua de caras irregulares: aparece en materiales dúctiles, pero con grandes avances yvelocidades de corte pequeñas y la refrigeración es insuficiente o nula. El alto rozamiento entre viruta yherramienta desprende pequeñas partículas que se adhieren a la herramienta, originando unrecrecimiento del filo que luego se rompe en dos, una se adhiere a la pieza y otra la viruta, provocandoque la superficie mecanizada sea rugosa.

Viruta

Buril

Pieza

Superficiede ataque

Superficiede incidencia


� Viruta discontinua: ocurre en materiales frágiles, con ángulos de afilados y velocidades de cortepequeñas, con avances y profundidades de corte grandes, elevada fricción entre herramienta yviruta.

Parámetros que influyen sobre la formación de viruta:

� Material de la pieza y de la herramienta.� Diseño de la geometría de corte.� Refrigeración y lubricación en el proceso de corte.� Vida útil de la herramienta.

� Características de las herramientas de corte

Funciones que deben cumplir las herramientas de corte, según el requerimiento planteado:

� Garantizar la obtención de medidas precisas y superficies bien acabadas.� Mecanizar cualquier tipo de material.� Ofrecer máximo rendimiento con el mínimo desgaste.� Disponer de una larga duración del filo de corte, ya que se ahorran afilados.� Lograr que la viruta salga fácilmente.� Capaz de absorber elevadas temperaturas.� Soportar grandes esfuerzos de corte sin deformarse.� Resistentes al desgaste.

Estas prestaciones se alcanzan haciendo una selección adecuada del material y de la geometría delas herramientas, basándose en los siguientes aspectos:

� Tipo de operación a realizar.� Tipo de material de la pieza.� Tipo de herramienta y máquina a utilizar.

Por ejemplo en un centro de torneado de alta velocidad no es posible utilizar una herramienta deacero al carbono, así como también si se quisiera mecanizar piezas templadas.

Propiedades que den poseer los materiales para herramientas:

� Tenacidad (resistencia al choque).� Resistencia al desgaste.� Dureza en caliente.� Químicamente inerte con la pieza.� Químicamente inerte estable ante la oxidación y disolución.

A manera de información se mencionarán todos los materiales de herramientas hasta ahora utilizados,teniendo en cuenta que, con el desarrollo alcanzado en la tecnología de los materiales (concretamentede las herramientas de corte) y en las máquinas herramientas, algunos son muy pocos utilizados. Hayque señalar que esta evolución ha ocurrido a lo largo de todo el siglo veinte, haciéndose más notoria apartir de la década del treinta. No solo han surgido novedosos materiales, sino que también se hanmejorado los existentes, siempre persiguiendo alcanzar velocidades de corte cada vez más elevadas.También este desarrollo ha sido posible por los avances en otras áreas como son: sistemas de fijaciónde piezas y de herramientas, técnicas informatizadas y de medición.

En la figura 3 están representados todos y cada uno de los materiales existentes, no solo de maneracronológica, sino que también, en función del tiempo (eje de ordenadas) que tardaba en mecanizarseuna pieza patrón.


Figura 3. Evolución del rendimiento de los materiales para herramientas, cortesía de Sandvik Coromant.

En la figura 4 se representa el desarrollo alcanzado por las máquinas herramientas y sus aplicaciones.

Figura 4. Desarrollo de las aplicaciones industriales, cortesía de Sandvik Coromant.

Por supuesto que desde 1990 hasta la fecha han ocurrido cambios significativos no solo en laversatilidad de la fabricación en las máquinas sino también en el desarrollo de técnicas asistidas porcomputadora de diseño (de piezas y herramientas), de manufactura y de ingeniería, formando unconjunto identificado por las siglas CAD-CAM-CAE, y que a su vez se resumen en el concepto CIM:Manufactura Integrada por Computadora. Estas técnicas se resumen de manera general en el últimocapítulo.

� Materiales para herramientas de corte.Para cada operación de mecanizado, que se aplicará a un material determinado, existe un materialde herramientas que la ejecute de forma óptima.


Materiales:

� Aceros al carbono:Aceros con un contenido en carbono de entre 0,5 y 1,4%. La templabilidad es pequeña por loque son propensos a grietas y deformaciones. Pertenecen al grupo del F-510.

� Aceros aleados:Pertenecen a los grupos F-520 y F-530. Contienen además de carbono Cr y W. El temple serealiza a 800ºC y el revenido entre 200ºC y 300ºC por lo que es más tenaz y duro que elacero al carbono. Aún así resiste poco las elevadas temperaturas (superiores a 280ºC) por loque se emplean normalmente en acabados y para metales poco duros. Ver tablas de acerosal carbono y aleados del autor “Arias Lasheras”.Estos dos primeros aceros, debido a los bajos niveles de aleación tienen muy poca dureza encaliente por lo que no se utilizan actualmente excepto en condiciones de velocidades muy bajas.

� Aceros rápidos:Pertenecen al grupo F-550. Existen dos tipos, aceros rápidos al Wolframio o de Cobalto locual hace mejorar sus condiciones de corte. Contiene también cromo molibdeno y vanadio.Tienen mayor dureza que los anteriores y pueden trabajar a temperaturas de hasta 600ºC.Las velocidades de corte pueden así ser mayores. Generalmente, todo el cuerpo de laherramienta suele fabricarse con el mismo material, es decir son enterizas.

� Aceros rápidos mejorados o de alta velocidad:Se identifican con las siglas HSS del inglés High Speed Steel. Son aceros de herramientasaltamente aleados.

� Existen dos tipos:- De Tugnsteno, designado como grado T por American Iron and Steel Institute (AISI).- De Molibdeno, designado como grado M por American Iron and Steel Institute (AISI)

Adecuado para herramientas de forma complicada: Brocas, Tarrajas, Fresas de vástago. Enocasiones se recubren con una película de Titanio, mediante el método Deposición Física deVapor (PVD).

� Aleaciones no ferrosas:Denominados Estelitas. No son aceros, sino aleaciones de cobalto, cromo y wolframio conotros elementos en menor porcentaje, hierro, carbono, silicio y manganeso. Soportantemperaturas de hasta 700 ºc. La estelita más conocida es la alacrita. Aunque son de mayordureza que los aceros rápidos, dada su fragilidad (no admiten tratamientos térmicos) hansido sustituidas por los metales duros, están en desuso.

� Metales duros: Cermets, Carburos cementados y Carburos recubiertosLos tres metales duros están clasificados técnicamente como compuestos Cermets, quesignifica partículas de cerámica en aglomerante metálico, lo único que el término propiamentese aplica a los compuestos cerámicos metálicos que contienen carburo y nitruro de titanio (TiC,TiN) y otros materiales cerámicos.

- Carburos cementados: Son cermets basados en Carburos de Tugnsteno y cobalto (WC-Co), conocidos como carburos de uso común.Es un producto pulvimetalúrgico que consiste en carburos metálicos sinterizados y se lesllama comúnmente WIDIA, del alemán wi (como) y dia (diamante), ya que alcanzan unadureza de 90HRc, próxima a la del diamante. Tienen gran dureza y resistencia a las altastemperaturas (soportan hasta 800ºC) por lo que se puede trabajar a elevadas velocidades decorte. El único problema que se plantea es su fragilidad por lo que se ha de tener cuidadocon los golpes y vibraciones de trabajo, sobre todo si tienen titanio.


Existen dos tipos:

1. Carburos de Tugnsteno (Wolframio) (WC) y cobalto (Co) como elemento aglutinante.Designados como TH, BT, GT. Se utilizan para el mecanizado de aluminio, latón, cobre,magnesio, y otros metales no ferrosos, en ocasiones se usa para el hierro fundido, noincluyen el acero.

2. Además de WC tiene otros compuestos como son los carburos de titanio (TiC) ytántalo (TaC), designados como TT y AT. Se utilizan para el mecanizado de Acero bajoen carbono, inoxidable y otras.

- Cermets: Estos excluyen los compuestos metálicos que se basan principalmente en WC-Co. Consiste en combinaciones de carburos de titanio (TiC), nitruro de titanio (TiN) ycarbonitruro de titanio (TiCN), usando níquel y/o molibdeno como elemento aglutinante,carburos de niobio (NaC). Se usa en el mecanizado de fundiciones de hierro, aceros yaceros inoxidables. No son apropiados para operaciones de perfilado, pero sí en copiadoligero, donde el criterio fundamental es el acabado y también donde se quiera aumentar laproductividad en operaciones especiales.

- Carburos recubiertos: Son carburos cementados recubiertos de una o más capas decarburos de titanio (TiC) [es gris], nitruro de titanio (TiN) [es dorado], carbonitruro de titanio(TiCN) y de oxido de aluminio-cerámica (Al2O3) [es transparente]. El método utilizado pararecubrir es el de Deposición Química de Vapor (CVD). Posee una alta resistencia aldesgaste al igual que los anteriores pero sin disminuir la tenacidad. Este tipo de materialdebe usarse para la mayoría de operaciones de torneado, fresado y taladrado y para casitodos los materiales de piezas.

� Cerámicas de corte

Existen dos tipos:

1. Con base en óxidos de aluminio (alúmina) (Al2O3) a los que se adiciona óxido decromo o titanio por sinterización.

2. Con base en nitruro de silicio (Si3N4).

Son herramientas resistentes a elevadas temperaturas (superiores a 1200ºC). Pueden trabajar agrandes velocidades de corte y con grandes profundidades de pasada (5 mm) y no reaccionancon el material de la pieza. Las superficies resultan brillantes en operaciones de acabado. Sepresentan en plaquitas, las cuales son muy frágiles y deben utilizarse en máquinas de bajo nivelde vibración. Mayormente se utilizan en el mecanizado de fundición gris y nodular, aceros durosy aleaciones termoresistentes, aunque aún hay porcentaje pequeño de herramientas de este tipo

� Diamante polocristalino sintetico (PCD).Solo le supera en dureza el diamante natural monocristalino. Debido a que son muy caras yfrágiles son empleadas en contadas ocasiones y en máquinas rígidas que trabajan agrandes velocidades pero con profundidades y avances muy pequeños. Tiene una granresistencia al desgaste por abrasión, por lo que se utiliza en las muelas de rectificar paraobtener acabados superficiales de gran precisión. Se usa para el torneado y fresadoprincipalmente de aleaciones de aluminio y silicio. Las plaquitas de PCD se sueldan a las demetal duro, proporcionando mayor resistencia al choque y además mayor vida útil de laherramienta.Tienen como desventaja que no se pueden usar en materiales ferrosos debido a su afinidad,tampoco en materiales tenaces y de alta resistencia a la tracción, y en la zona de corte latemperatura no debe ser superior a 600 ºc.


� Nitruro de boro cúbico (CBN).Ocupa el segundo lugar en cuanto a dureza, después del diamante, es frágil pero su tenacidades superior a la de las cerámicas, sin embargo su dureza en caliente y su estabilidad químicano supera a las de esta. Se aplica en el corte de aceros forjados, aleaciones de alta resistenciaal calor, aceros y fundiciones endurecidas, con durezas mayores que 48 HRc (si la pieza tienemuy poca dureza, se desgasta excesivamente la herramienta) y en metales pulvimetalúrgicoscon cobalto y hierro. Se obtienen muy buenos acabados superficiales, por lo que elimina unaoperación de rectificado.

� Coronite.Es un material nuevo, intermedio entre el acero rápido y el metal duro, ya que combina latenacidad del primero con la resistencia al desgaste del segundo. Su propiedad principal esel tamaño de grano extremadamente fino, que es el que da la dureza. Se aplica principalmenteal mecanizado de aceros y también en aleaciones de base titanio y otras aleaciones ligeras ygeneralmente solo se usa para construir fresas de ranurar. Con una técnica especial, lospequeños granos de TiN son repartidos uniformemente en una matriz de acero termotratable,esta mezcla representa entre un 35 y 60 % de todo el material, por lo tanto el material durodominante de coronite es el TiN.

No se fabrican enterizas, tiene un núcleo de acero rápido o de muelles, que se recubre conpolvo de coronite (producido adicionando nitrógeno en un horno de doble cámara) y se prensa,formando un solo cuerpo frágil, por último es recubierto con TiCN o con TiN. Coronite presentapropiedades ventajosas respecto a las del acero rápido y el metal duro, por ejemplo manifiestamayor duración y fiabilidad del filo, puede utilizarse en la mayoría de los materiales de piezas yen un número considerable de operaciones, se consiguen magníficos acabados superficiales.

� Clasificación de las plaquitas de metal duro

Para la gran variedad de metales duros que existen, cada fabricante le ha asignado una denominacióndiferente, pero la selección por parte de los usuarios, requiere de un sistema de clasificación queindique las operaciones, condiciones y materiales a trabajar. La norma ISO estableció una clasificaciónsegún sus aplicaciones, dividiéndolo en tres grupos identificados con colores y letras y números.

Los grupos de herramientas son: P- Azul, M- Amarillo, K- Rojo.

En ocasiones los fabricantes suministradores de herramientas aporta unas tablas, en las que paracada grupo están indicadas gráficamente las distintas áreas de aplicación, mediante un símbolo ( )que especifica con un punto optimo la parte del área más adecuada. Esta simbología no informanada acerca de las calidades individuales que puede haber dentro del mismo código. Por ejemplouna plaquita P20 puede ser un carburo cementado con o sin recubrimiento o ser un cermet. Por loque, si no se indica otra especificación de calidad del producto, existe un gran número de posibilidadescon diferentes comportamientos que reportan distintos resultados económicos.

De aquí que la clasificación ISO sea un punto de partida a tener en cuenta en la selección de laherramienta y de las posibles calidades, para una determinada aplicación. Luego, se deben cotejarlas descripciones detalladas de calidad de los materiales que aporta cada suministrador, con las dela operación a realizar, para finalmente hacer la elección, teniendo como objetivo, conseguir el costode mecanizado más ahorrativo. La clasificación ISO no hace referencia a las Cerámicas, Coronite,CBN o PCD.

La identificación numérica permite seleccionar a priori según dos propiedades mecánicas de laplaquita y según el tipo de operación: Desbaste o Acabado. Las plaquitas van enumeradas de formaque, a menor número implica mayor dureza y menor tenacidad, alta velocidad de corte, pequeñasección de viruta y operación de acabado y a mayor número implica menor dureza, mayor tenacidad,velocidad de corte lenta, mayor sección de viruta y operación de desbaste.


Tipo deplaquita Aplicaciones generales

Grupo (Según operación:desbaste o acabado)

Característicamecánica

Mecanizado de aceros,aceros fundidos, acerosinoxidables y fundicionesmaleables. (viruta larga)Mecanizado de acerosinoxidables austeníticos,aceros al manganeso,materiales resistentes al calor,aleaciones de hierro fundido,etc. (viruta larga y corta)Mecanizado de fundición grisy fundiciones duras decoquilla, aceros duros ymetales no ferrosos como elaluminio, bronce, no metalescomo los plásticos, madera,ebonita, materialestermoplasticos.(viruta corta)

Grupo 01:Corresponde al torneado ymandrinado de acabado, sincortes intermitentes y a elevadasvelocidades de corte, avancespequeños y pequeñasprofundidades de corte.

Grupo 25:Se considera el campo medio, esel área de semidesbaste osemiacabado.

Grupo 50:Para operaciones de desbastes,que arrancan gran volumen deviruta y trabajan a bajasvelocidades de corte.

Resistenciaal desgaste

Tenacidad

Tabla 2. Aplicaciones generales de las plaquitas de metal duro.(la magnitud de la resistencia y la tenacidad aumenta en la dirección de las flechas).

P

M

K


En la tabla 3 se presentan más detalladas las aplicaciones y condiciones de corte.

Designación Aplicación

P01Torneado y mandrinado en acabado, elevadas velocidades de corte, sección deviruta pequeña, muy buena precisión y calidad superficial, exento de vibraciones.

PIOTorneado por copiado, roscado, fresado, grandes velocidades de corte, secciónde viruta entre pequeña y mediana.

P20Torneado, copiado, fresado, velocidades de corte medias y viruta de secciónmedia, refrentados ligeros. Avances medios.

P30Torneado, fresado, y cepillado a velocidades de corte de medias y pequeñas,viruta de sección media a grande, incluyendo operaciones bajo condicionesdesfavorables. Avances medios y grandes.

P40Torneado, cepillado, fresado, mortajado, con bajas velocidades de corte bajas yavances grandes, amplia sección de viruta, posibles elevados ángulos dedesprendimiento y en condiciones muy desfavorables.

P50

Torneado, cepillado, mortajado, ranurado, tronzado, donde se requiera unagran tenacidad de la herramienta, pequeñas velocidades de corte, sección deviruta grande, posibilidad de utilizar grandes ángulos de desprendimiento,operaciones en condiciones extremadamente desfavorables.

MIOTorneado, velocidades de corte de medias y altas, sección de virutas depequeñas a medianas y avances bajos y medios.

M20Torneado, fresado, avances y velocidades de corte medias y sección de virutamediana.

M30Torneado, fresado, cepillado a velocidades de corte media y avancesintermedios y grandes, sección de viruta de mediana a gruesa.

M40Torneado, perfilado, tronzado, para trabajos en especialmente en máquinasautomáticas.

K0l Torneado de desbaste y acabado, mandrinado y fresado en acabado, rasqueteado.KIO Torneado, fresado, taladrado, mandrinado, escariado, brochado, rasqueteado.

K20Operaciones que necesitan una herramienta con alta tenacidad. Torneado,fresado, cepillado, mandrinado, escariado, brochado,

K30Torneado, fresado, cepillado, tronzado, ranurado y mortajado. Posibilidad deusar grandes ángulos de desprendimiento en condiciones desfavorables.

K40Torneado, fresado, cepillado, tronzado, mortajado en condiciones muydesfavorables. y posibilidades de ángulos de desprendimiento muy grandes.

Tabla 3. Identificación de la calidad de la plaquita según todas las especificaciones.

Las condiciones desfavorables pueden ser en cuanto a: piezas o material difícil de mecanizar, adiferente profundidad de corte, vibraciones, corte interrumpido, a durezas variables, otros.

Como se ha visto, a partir de los metales duros, dado su alto coste, la parte cortante de las herramientasse construye en forma de plaquita, ésta luego se suelda al soporte de la herramienta o se fijan pormedios mecánicos. En la foto de la figura 5 se ilustran diferentes formas de plaquitas.


Figura 5. Diferentes formas de plaquitas de metal duro, cortesía de Sandvik Coromant.

� Geometría del filo de corte

Como se ha visto anteriormente, la geometría básica de la herramienta de corte es en forma decuña, cuyo filo cortante es el encargado de separar la viruta de la pieza.

Según el número de filos cortantes de las herramientas, estas se dividen en dos grupos:

� Herramientas de corte único, por ejemplo cuchillas de tornear, cepillar.� Herramientas de corte múltiple, por ejemplo brocas, fresas, escariador.

La geometría del filo de corte depende de:

� Dureza del material con el que se trabaja.� Material de la herramienta.� Clase de trabajo a realizar.

Basta con estudiar la geometría del filo de las herramientas simples, ya que este es el mismo paralas múltiples, lo que aplicado a cada filo, por eso se tomará como ejemplo la cuchilla de tornear.

La dimensión, forma y posición de las partes de la herramienta están dadas según un sistema deejes ortogonales, cuyo punto cero está en la punta del filo. Este sistema es de utilidad para identificarlos diferentes ángulos del filo de la herramienta y los parámetros de corte establecidos por losmovimientos que se ejecutan en el proceso (a, p y Vc), así como también para conocer elcomportamiento de la herramienta durante su funcionamiento y calcular las componentes de lafuerza generada en el corte.

Figura 6. Planos de referencia y movimientos de trabajo en el torno.

PC

PR

PN

X

Z

Y

Avance (a)

Profundidad (p)

Corte (Vc) Superficiede Trabajo

Superficiede Corte

Planos de referencia


A partir de este sistema ortogonal se establecen los siguientes planos de referencia de la herramienta:

� Plano de referencia: Paralelo a la base de la herramienta. “PR”.� Plano de corte: Es perpendicular al de referencia y contiene la arista de corte principal. “PC”.� Plano de profundidad: Es perpendicular a los dos primeros y tangente a la generatriz de la pieza.

“PN”.

Geometría de la cuchilla de tornear.

Figura 7. Elementos de la cuchilla de tornear.

Ángulos característicos del filo de la herramienta.

� Ángulo de incidencia principal (α).� Ángulo de filo (β).� Ángulo de desprendimiento o de ataque (γ).� Ángulo de corte δ.� Ángulo de punta. (ε)� Ángulo de inclinación de arista.� Ángulo de inclinación (λ).� Ángulo de posición principal (χ).� Ángulo de posición secundaria (χ1).� Ángulo de oblicuidad del filo principal (θ).

Figura 8. Ángulos de la cuchilla de tornear.

Superficiede IncidenciaSecundaria

Superficiede Incidencia(oculta)

Superficiede Ataque

Filo de CortePrincipal

Filo de CorteSecundario

Cuerpo

θ

α + β + γ = 90º.δ = α + βSi la herramienta es recta χ = θ


Material Resistencia Material de la Cuchillade la o dureza HSS MDPieza Kg/ mm2 o HB α γ β α γ β

Acero suave 45 6 20 64 5 12 73Acero semiduro 60 6 18 66 5 10 75Acero duro 80 6 16 68 5 8 77Acero duro 90-110 6 10 74 5 6 79Acero aleado 150 6 8 76 5 0 85Acero fundido 50 6 15 69 5 10 75Acero fundido duro 50-80 6 8 76 5 0 85Fundición gris 180 HB 6 10 74 5 6 79Fundición dura 220 HB 6 6 78 5 2 83Cobre 60-80 HB 8 30 52 8 20 62Latón 80-120 HB 8 12 70 8 10 72Bronce 100 HB 8 12 70 8 12 70Aluminio 20 10 30 50 10 20 60Aluminio aleado 20-25 10 20 60 10 18 62Aleación de magnesio 20 8 20 62 8 18 64Goma dura - 12 10 68 10 10 70Porcelana - - - - 5 0 85

Tabla 4. Valores recomendados para los ángulos de la cuchilla.

� Influencia que ejercen los ángulos característicos

Ángulo de filo: Para materiales duros el ángulo de corte debe ser grande para dar robustez. Paramateriales blandos el ángulo de corte puede ser menor. Este ángulo será diferente en función deltipo de trabajo a realizar.

Ángulo de incidencia: Si es grande el filo resultará más débil y si es pequeño tiene un mayorrozamiento dificultando la penetración y arranque de material con elevación considerable de latemperatura. Hemos de escoger un ángulo intermedio.

Ángulo de desprendimiento: Si el ángulo es excesivamente pequeño la separación de viruta es másdificultosa al tener que salvar una pendiente más pronunciada. Si el ángulo es demasiado grande laviruta se desprende muy bien pero a costa de desgastar el filo.

Para la elección del ángulo de incidencia y de desprendimiento óptimos nos guiaremos por lasiguiente tabla que depende del material de la pieza y el tipo de herramienta.

Ángulo de posición: χ = 30: 45 º En máquinas potentes con pasada sin vibración. χ = 65: 70 º Para trabajos varios. χ = 90º Piezas poco rígidas.

Ángulo de inclinación: λ puede ser positivo, negativo o cero.


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Tipos de tornos que existen:

� Tornos paralelos de cilindrar y roscar.� Tornos de sobremesa.� Tornos copiadores.� Tornos verticales.� Tornos frontales.� Tornos revolver.� Tornos automáticos monohusillo y multihusillo.� Tornos especiales: para ejes de ferrocarril, ejes de levas, relojeros.� Tornos horizontales con CNC.� Tornos verticales con CNC.

� Tipos de cuchilla de tornear según la dirección del avance

Existen varias teorías que definen el tipo de cuchilla de tornear en cuanto a la dirección del avance ytodas válidas. Aquí se expresa la que se considera más intuitiva. Las cuchillas de torno se clasificanen derechas e izquierdas, según la regla de la mano derecha e izquierdas respectivamente,teniendo en cuenta la posición del filo principal con respecto a la dirección del avance y la del dedopulgar de la mano correspondiente.

Figura 9. Tipos de la cuchilla de tornear.

� Operaciones de torneado

Existen diferentes operaciones de torneado como las que se muestran.

Cuchilla Derecha Cuchilla Izquierda

FiloPrincipal

FiloPrincipalSentido de avance


En la figura 10 están representadas las operaciones de torno más comunes:

� Cilindrado a Izquierda.� Cilindrado a Derecha.� Cilindrado de forma� Ranurado y Tronzado.� Roscado.� Taladrado.� Mandrinado.� Ranurado Interior.� Roscado Interior.

Pieza a mecanizar

Herramientas de mecanizado exterior

Cuchilla deCilindrar yrefrentarizquierda

Cuchillade roscarCuchilla de

cilindrar yrefrentar derecha

Cuchillade ranurary tronzar

Cuchillade forma

67

9


Herramientas de mecanizado interior

Figura 10. Operaciones de torno, indicadas con número sobre el dibujo de la pieza.

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Consiste en arrancar material de nuestra pieza mediante unas herramientas determinadas paraconseguir unas dimensiones deseadas. Podemos distinguir en el torneado 2 fases dependiendo dela cantidad de material que se arranca en cada etapa o pasada.

� Desbastado: Mediante herramientas de corte de viruta de cuchillas con avances rápidos rebajamos elmaterial del orden de milímetros hasta ajustar la medida a un milímetro o décimas de milímetros.

� Acabado: Mediante herramientas de corte de viruta de cuchillas con avances lentos y velocidades decorte rápidas rebajamos material del orden de centésimas de milímetro.

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Calcularemos los movimientos en el caso de un torneado de cilindrado para el desbaste y elacabado. Los cálculos para el avance, la profundidad, el diámetro medio, la velocidad de corte y lavelocidad de avance, son diferentes para acabado o para desbaste por lo que distinguiremosclaramente la forma de abordarlos. Los tiempos del proceso, costos, fuerzas y potencias de corte seestudian conjuntamente, ya que no hay diferencia.

� Avance y profundidad de corte

� Avance y profundidad de corte en torneado de desbaste.

Cuando queremos obtener una pieza cilíndrica se suele partir de un redondo de material cortado. Estosredondos son de una medida estándar y se eligen en función de la pieza a obtener. Como ya se hacomentado se suelen realizar dos operaciones el desbaste y el acabado. En el desbaste se elimina lamayor parte del material sobrante sin preocuparse de la rugosidad. Esta es la forma de arrancar muchaviruta de forma rápida. El desbaste puede hacerse en varias pasadas, es decir, la herramienta vaarrancando capas de material de una misma zona en etapas sucesivas, pero nosotros siemprecalcularemos el desbaste para una etapa o pasada. Aunque en desbaste la rugosidad no importa apriori, si importa en la última pasada de desbaste en que se debe cumplir siempre que la rugosidad deldesbaste R sea menor que la profundidad del acabado pa es decir: R < pa . Es preciso que esto secumpla ya que si R es mayor que pa la herramienta en el desbaste profundizará mucho y al hacer elacabado quedarán picos por debajo y por lo tanto rugosidad más elevada.

Cuchillademandrinar

Cuchillade ranurarinterior

Cuchillade roscarinterior

Broca


R<pa º R>pa

Desbastaremos la pieza dejando pa desde la superficie para proceder después con el acabado. Laprofundidad que alcanzamos con el desbaste se le denomina profundidad de desbaste pd.

� La punta de la herramienta

La punta de la herramienta puede ser quebrada o redondeada.

� Si la punta es quebrada

En desbaste sabemos qué rugosidad media Ra deseamos, ya que R < pa . Y como aproximadamenteR = 4 Ra podemos deducir la Ra.

Por otro lado a partir del dibujo podemos hallar el avance del desgaste ad.

En el primer caso más general, ad = (R/tagX) + (R/tagX’)

En el que X = 90º tenemos que ad = (R/tagX’)

A partir de ad obtenemos pd = 5 ad

� Si la punta es redondeada

Se introduce una herramienta cuya punta no es quebrada sino que posee una redondez de radio r(denominado radio de acuerdo).


Se supone que el avance viene determinado por la hipótesis que permite introducir sólo la partecurvilínea de la herramienta en la pieza, esto nos da que debe cumplir la condición:

2cos2

εrad ≤

Donde r es el radio de acuerdo y ε el ángulo de punta.

De igual forma también se debe cumplir que:

rpd >

Si se cumplen ambas podemos aplicar la fórmula:

310...32 −= rRaad (mm)

Donde Ra (µm) es la rugosidad media teórica que queremos conseguir y r (mm) es el radio deacuerdo.

A partir de ad obtenemos pd = 5 ad

� Avance y profundidad de corte en torneado de acabado

Cuando mecanizamos una pieza el objetivo final que nos marcamos es obtener una medidadeterminada con cierta tolerancia o calidad superficial. El primer paso será desbastar la pieza hastauna medida próxima a la medida final con baja calidad superficial pero siempre cumpliendo que larugosidad del desbaste Rt desb sea menor que la profundidad del acabado pa.

Rt desb < pa

Es por esta razón que antes de desbastar debemos tener en cuenta la operación de acabado y hallarcual debe ser la profundidad del acabado.

Debido a que en el acabado debemos aumentar la calidad superficial de la pieza el avance y laprofundidad serán mínimas. Por otro lado debemos evitar las crestas de rugosidad. Al aumentar lavelocidad de corte se consigue rebajarlas y redondearlas, por lo que trabajaremos a velocidades decorte elevadas.

Otra diferencia con el desbaste es que resulta muy difícil conseguir bajas rugosidades si la punta dela herramienta es quebrada por lo que trabajaremos siempre con puntas redondeadas. De hecho enlas herramientas, aunque sean de acero rápido, siempre existe un pequeño radio en la punta debidoal desgaste.


� La punta de la herramienta es redondeada

Se introduce una herramienta cuya punta no es quebrada sino que posee una redondez de radio r(denominado radio de acuerdo).

Se supone que el avance viene determinado por la hipótesis que permite introducir sólo la partecurvilínea de la herramienta en la pieza, esto nos da que debe cumplir la condición:

a ra ≤ 22

cosε

Donde r es el radio de acuerdo y ε el ángulo de punta.De igual forma también se debe cumplir que:

p ra >

Si se cumplen ambas podemos aplicar la fórmula:

a Ra ra = −32 10 3. . . (mm)

Donde Ra (µm) es la rugosidad media teórica que queremos conseguir y r (mm) es el radio deacuerdo.

A partir de aa obtenemos pa = 10 aa

� Diámetro medio

� Diámetro medio en desbaste

Debido a que partimos del redondo de material inicial el cálculo del diámetro medio en desbaste será:

Donde Dm es el diámetro medioDf ’= Di – 2 pd

Di es el diámetro del redondo de material inicial

� Diámetro medio en acabado

Debido a que partimos de la pieza final que deseamos obtener y no el redondo inicial como en elcaso del desbaste el cálculo del diámetro medio en acabado será:


Donde Dm es el diámetro medioDf es el diámetro de la pieza finalDi’ = Df + 2pa

� Velocidad de corte en desbaste o acabado

Para hallar la velocidad de corte teórica consultaremos las tablas en función del material de la pieza,tipo de material de la herramienta y en la columna correspondiente al desbaste o al acabado . Secomprobará que tanto el avance como la profundidad está en el intervalo marcado en las tablas. Losvalores de velocidad de corte que aparecen en las tablas están calculados para:

Esta tabla válida para HERRAMIENTAS de:

� Metal duro (plaquitas) cuando:

Se trabaja en secoLa duración del filo es To = 15 min

� Acero rápido (HSS) cuando:

Se trabaja con taladrina (σ aceite)La duración del fijo es To = 60 min.

DESBASTE ACABADOMATERIAL HERRAMIENTA VC

[m/min]ad

[mm/rev]pd

[mm]VC

[m/min]aa

[mm/rev]pa

[mm]ACERO INOXIDABLE M.D. 60 ≤ 1 ≤ 8 100 ≤ 0,25 ≤ 2ACERO MOLDEADO M.D. 50 ≤ 1 ≤ 10 80 ≤ 0,25 ≤ 2

HSS 15 ≤ 2 ≤ 10 20 ≤ 0,25 ≤ 2FUNDICIÓN GRISM.D. 75 ≤ 2 ≤ 10 120 ≤ 0,25 ≤ 2HSS 80 ≤ 1 ≤ 8 100 ≤ 0,2 ≤ 1ALUMINIOM.D. 1250 ≤ 1 ≤ 8 1750 ≤ 0,2 ≤ 1

DURALUMINIO M.D. 300 ≤ 1 ≤ 8 400 ≤ 0,2 ≤ 1HSS 30 ≤ 1 ≤ 10 45 ≤ 0,2 ≤ 1LATÓNM.D. 450 ≤ 1 ≤ 8 550 ≤ 0,2 ≤ 1HSS 25 ≤ 1 ≤ 10 35 ≤ 0,2 ≤ 1BRONCEM.D. 250 ≤ 1 ≤ 8 350 ≤ 0,2 ≤ 1

σR ≤ 50daN/mm2

HSSM.D.

22150

0,5 – 11 – 2,5

≤ 10≤ 15

30250

0,1 – 0,20,1– 0,25

≤ 2≤ 2

σR 50 - 70HSSM.D.

20120

0,5 – 11 – 2,5

≤ 10≤ 15

24200

0,1 – 0,20,1– 0,25

≤ 2≤ 2

σR 70-85HSSM.D.

1580

0,5 – 11 – 2

≤ 10≤ 15

20140

0,1 – 0,20,1 – 0,2

≤ 1,5≤ 1,5

ACEROALCARBONO

σR ≅ 100HSSM.D.

1230

0,5 – 10,5 – 1

≤ 8≤ 5

1650

0,1 – 0,20,1 – 0,2

≤ 1≤ 1

Nota: La calidad del HSS es la normal (F.552) y las calidades del M.D. utilizado serían las P.10/P.20; K.10/K.20 o M.10/M.20según corresponda a acabado o desbaste, del acero, la fundición o el acero inoxidable respectivamente.

Tabla 5. Tabla orientativa de los valores de las condiciones de corte. torneado.

A partir de estos valores calcularemos la velocidad de corte tal como está dada en la máquina, esdecir en rpm mediante la fórmula:


Donde La velocidad de giro del cabezal del torno es nc (rpm)La velocidad de corte es Vc (m/min)El diámetro medio es Dm (mm)

� Velocidades de corte reales

Debido a que las máquinas de torneado convencionales no tienen una gama de velocidades continuassino que suelen seguir una serie de revoluciones discontinua (serie de Renard), debemos escoger lasrevoluciones que nos marca la máquina más próximas a las que nos da por las tablas. Imaginemosque tenemos una máquina que nos da una gama discontinua de revoluciones en el cabezal. Dentro detoda la gama distinguiremos una parte: ...1130, 1420, 1790, 2250, 2800 ... (rpm).

El valor obtenido en tablas es por ejemplo 1550 rpm, un valor que está comprendido entre 1420 y 1790rpm. La máquina no nos dará en el cabezal 1550 rpm por lo que escogeremos entre 1420 o 1790 rpm.

Si escogiésemos el valor más bajo, 1420 rpm, la herramienta al trabajar más despacio se desgastaríamenos, aumentando la vida por filo de la herramienta. Al tornear más despacio necesitaremos mástiempo para producir las piezas.

Si escogiésemos el valor más alto, 1790 rpm, la herramienta al trabajar más rápido se gastará más,disminuyendo la vida de la arista de corte. Al tornear más rápido necesitaremos menos tiempo paraproducir las piezas.

Se escoge el valor menor si se precisa “Régimen de mínimo coste” ya que necesitaremos menos herra-mientas para producir la misma cantidad de piezas y por lo tanto tendremos menos costes de herramientasaunque aumenten los costes de máquina. Se utiliza cuando el coste de las herramientas es mayor que elcoste de máquina/hora en el tiempo de producción.

En cambio se escoge el valor mayor si se quiere un “Régimen de máxima producción”. En este casoel tiempo de producción disminuirá y por tanto los costes de máquina. Por otro lado, necesitaremosmás herramientas para producir la misma cantidad de piezas y por lo tanto tendremos mayorescostes de herramientas. Se utiliza este régimen cuando el coste de las herramientas es menor que elcoste máquina/hora en el tiempo de producción.

Figura 11. Costes de torneado en el caso de que curvas de máquina y herramienta sean iguales.


En máquinas de control numérico CN la gama de velocidades de corte al igual de las de avance escontinua por lo que la velocidad de corte real será la misma que la obtenida en tablas.

Centro de torneado por CN (Eagle 30). Cortesía de Yang

� Velocidad de avance

� Velocidad de avance en desbaste

La velocidad de avance Va es la velocidad a la que la herramienta avanza a lo largo de la pieza. Porlo que será igual al avance por revolución por el número de revoluciones que da la máquina en untiempo determinado. Su expresión será:

Va = ad . nc (mm/min)

Siendo las unidades de ad (mm/v) y nc (rpm)

� Velocidad de avance en acabado

La velocidad de avance Va es la velocidad a la que la herramienta avanza a lo largo de la pieza. Porlo que será igual al avance por revolución por el número de revoluciones que da la máquina en untiempo determinado. Su expresión será:

Va = aa . nc (mm/min)

Siendo las unidades de aa (mm/v) y nc (rpm)

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Al evaluar y determinar el tiempo de fabricación deben tenerse en cuenta los siguientes factores:

� Tiempo de preparación� Tiempo de operaciones� Tiempo de imprevistos� Tiempo de mecanizado


Valoraremos los tiempos de preparación, operaciones e imprevistos como un 20% del tiempo demáquina (aunque en un caso real debemos estudiarlo).

El tiempo total será el tiempo de mecanizado más los tiempos improductivos.

Si por ejemplo el tiempo improductivo fuese de un 20% del tiempo de mecanizado (El enunciado delproblema nos dirá el % el día del examen)

� Tiempo de mecanizado

Comprende la Velocidad recorrida por la herramienta a lo largo de la pieza l(mm), más la entrada dela herramienta x(mm).

Tm = ( l + x ) / Va

Siendo la Velocidad de avance Va (mm/v) de la máquina.

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� Herramientas de acero rápido

En el caso de herramientas de acero rápido el número de afilados o usos nos lo proporciona elfabricante. En el caso de nuestra asignatura vendría dada en el enunciado.

� Plaquitas de metal duro

Las plaquitas de metal duro no son reafilables por lo que el número de usos será función del númerode puntas de una cara. Por ejemplo, en el caso de una plaquita cuadrada, el número de usos será decuatro. En una plaquita triangular tres ... etc.


� Tiempo de vida de una herramienta

El tiempo de vida de una herramienta será igual a el tiempo de vida de un filo por el número de filos.

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Los costos del proceso son la suma de los costos de máquina, los costos de herramienta y los deafilado (en el caso de una herramienta de acero rápido).

Cpr = Cmáq + Cherr + Cafil

Cpr = Costo del proceso (pts)Cmáq = Costo de máquina (pts)Cherr = Costo de herramientas (pts)Cafil = Costo del afilado (pts)

� Costos de máquina

Son los costos que se derivan del precio / hora que cuesta mantener una máquina en funcionamiento.Esto comporta el coste de amortización y mantenimiento de la máquina, operario ... Hay un valor quese determina por el taller , dependiendo de los parámetros descritos anteriormente y otros, que es elprecio máquina. El costo máquina será función del tiempo del proceso y del precio máquina:

Donde: Cmáq = Coste máquina del proceso (pts)Tpr = Tiempo total del proceso (h)Prmáq = Precio máquina (pts/h)

� Costos de herramientas

Son los costos debidos a todas las herramientas que se necesitan para realizar el torneado de todaslas piezas de la producción. En primer lugar debemos calcular el tiempo durante el cual el filo de labroca se está desgastando. Es evidente que el filo no se desgastará mientras no se esté torneando,así pues, si la herramienta se está posicionando no se desgastará. Se considera que la herramientasólo se desgasta sólo en el recorrido l, sin tener en cuenta la entrada de la herramienta. La velocidada la que se desplazará a lo largo de la pieza es la velocidad de avance por lo que el tiempo dedesgaste del filo será:

Donde: Tdesg filo = Tiempo de desgaste durante todo el proceso(min) .l = El recorrido de la herramienta torneando al hacer el cilindrado(mm).Va = Velocidad de avance de la herramienta (mm/min).np = Número de piezas (pieza) .

Una vez calculado el tiempo de desgaste total lo dividimos por el tiempo de vida de un filo paracalcular cuanto filos desgastamos para producir todas las piezas del proceso.El número de filos Nfilos será:


N filos = Número de filos gastados durante todo el proceso(filos) .Tdesg filo = Tiempo de desgaste durante todo el proceso(min) .Tvida filo = Tiempo de vida por filo durante todo el proceso(min) .

A continuación calcularemos el número de herramientas necesarias en el proceso. Hemos calculadoanteriormente el número de filos utilizables por herramienta, por lo que conociendo el número de filosnecesarios no será difícil calcular el número de herramientas.Si el resultado nos da en decimales escogeremos el número entero superior, ya que no pediremos anuestro proveedor por ejemplo 3,5 plaquitas o herramientas sino como mínimo necesitaremos 4plaquitas o herramientas.

N brocas = Número de herramientas gastadas durante todo el proceso [número entero].N filos = Número de filos gastados durante todo el proceso(filos) .N af = Número de filos por herramienta reafilable o plaquita (filos/herramienta).

Finalmente para calcular el coste de las herramientas multiplicaremos el número de herramientas acomprar por su precio.

Cherr = N herr . Pr herr

Cherr = Coste de herramientas (pts)N herr = Número de brocas gastadas durante todo el proceso(herramientas).Prherr = Precio por herramienta (pts/herramienta)

� Costos de afilado

Sólo debe calcularse para herramientas reafilables.Para calcular los costos de afilado partimos de la hipótesis de que es un trabajo que se realizasimultáneamente con el de torneado en otra máquina. Normalmente el precio máquina de la máquinade afilar suele ser menor a la de torneado. En primer lugar calculamos el tiempo que requiere el afiladode todas las herramientas. Como partimos de la hipótesis que la herramienta inicialmente nos lavenden afilada el número de afilados por herramienta será el número de filos que se pueden obtenerde la herramienta menos el primero.

Nafil = Naf -1

Nafil = Número de afilados por herramienta (afilados/herramienta).Naf = Número de filos por herramienta (filos/herramienta).

Por lo tanto el tiempo que se necesitará para afilar las herramientas suponiendo que en cada herra-mienta se tarda en afilar cada filo un tiempo de afilado Taf filo . El tiempo que se tardará por herramientaserá:

Taf herr = T af filo . Nafil


T af herr = tiempo de afilado por herramienta (min/herramienta) .T af filo = tiempo de afilado por filo (min/filo).Nafil = Número de afilados por herramienta (afilados/herramienta).

Calculamos de nuevo el número de herramientas pero ahora con decimales ya que la última herra-mienta no la afilamos totalmente.

N’herr = Número de herramientas gastadas durante todo el proceso(herramientas) [número decimal].N filos = Número de filos gastados durante todo el proceso(filos) .N af = Número de filos por herramienta (filos/herramienta) .

El tiempo total de afilado para todo el proceso será igual al tiempo de afilado por herramienta por elnúmero de herramientas (con decimales) utilizadas.

Taf = N’herr . Taf herr

T af = tiempo de afilado durante todo el proceso(min) .N’herr = Número de herramientas gastadas durante todo el proceso(herramientas) [número decimal].T af herr = tiempo de afilado por herramienta (min/herramienta).

El costo por afilado será el tiempo de afilado durante todo el proceso por el precio máquina de laafiladora.

Cafil = Taf . Pr’máq

C afil = Coste de afilado de todo el proceso (pts)T af = tiempo de afilado durante todo el proceso(h)Pr’máq = Precio máquina de la afiladora (pts/h)

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Es la única que tiene importancia en el cálculo de la potencia de entre las fuerzas que ejerce la herra-mientasobre la pieza: fuerza de avance (Fa), fuerza de alimentación o penetración (Fp) y fuerza de corte (Fc).


Esta fuerza de corte depende de los ángulos y tipo de la herramienta, resistencia a la cortadura delmaterial de la pieza, sección de viruta arrancada, avance, velocidad de corte, lubrorefrigeración …La fórmula general de la fuerza de corte es:

Fc = Kc . S

Siendo S la sección de la viruta arrancada.Kc la fuerza específica de corte.

La sección de la viruta es:

S = p . a

Donde p(mm) es la profundidad de corte y a (mm) es el avance.

La fuerza específica Kc es:

Kc = c .σR

Donde c está comprendida entre : 3 < c < 5.En el caso de Kc = 3.σR las condiciones de corte son buenas, lo cual se da con ángulos positivos, buen afilado,sección grande arrancada, avance elevado, alta velocidad de corte…

En función del avance c adopta los valores:

a: ….. 0,1 ….. 0,5 …..c: 5 ……. 4 ..….. 3

Otros factores que influyen son:

� La resistencia del material:

Resistencia del material(Kg/mm2)

50 60 70 75 80 90 100

Fuerza específica decorte Kc

228 278 317 342 368 406 484

Relación c 4,5 4,6 4,5 4,5 4,6 4,5 4,8

En función de la sección de viruta:

Sección de viruta S = mm2 1 2 4 6 8 10 12

Relación c 4,8 4,5 4 3,75 3,5 3,5 3,3

En nuestra asignatura utilizaremos para simplificar c = 4 y por tanto la fuerza específica de corte:Kc = 4 . σR


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Para el cálculo de la potencia útil necesaria en el cabezal del torno sólo influye la fuerza y velocidadde corte. La fórmula utilizada es:

Wu = Fc . Vc

La potencia necesaria en el motor, debido a que hay pérdidas de potencia a causa de la transmisióndesde el motor al cabezal las cuales vienen reflejadas en el rendimiento del mecanizado de lamáquina es:

W = Wu / ηmec

� Ejemplo de acabado

En un taller se quiere realizar un cilindrado exterior de acabado de 1000 piezas a partir de redondospretorneados en desbaste de acero al carbono F-115 normalizado para dejarlos con diámetro 100 mm.Los redondos han sido ya cortados a la longitud de 500 mm (igual a la longitud de una pieza). Dichoacabado requiere una sola pasada y se quiere conseguir una rugosidad media máxima Ra < 1,6 µm.

Datos: Material: Acero al carbono F-115 N σR = 750 N/mm2

Herramienta de MD: Plaquita triangular Precio: 3500 pts.Geometría: χ = 70º, α = 5º , λ = 2º, γ = 8º, los demás ángulos deben calcularse.

El radio de acuerdo es de r = 0,4 mm.Torno de manual con gama discontinua de velocidades desde 45 a 3550 rpm.

45 57 72 90 113 142 179 225 280 355450 570 720 900 1130 1420 1790 2250 2800 3550

Gama de avances discontinua desde 0,05 a 5 con escalonado de 0,05 mm/v.Precio máquina = 5000 pts/hTiempos improductivos del 20 % y régimen de máxima producción.

Se pide:Croquis de la punta activa de la herramienta según ISO-UNE.Avance y profundidad de corte (real).a (mm/v) = ............. p(mm) = .............Velocidad de corte (teórica)n (rpm) = ................. Vc (m/min) = ................Velocidad de corte y velocidad de avance (real). nc (rpm) = ...... Vc (m/min) = ..... Va (mm/min)= ......Tiempo de mecanizado, tiempo total del proceso.Tmec (min) = ......................... Tt proc (min) = .........................Coste total del proceso.Coste máq (pts) = ..................... Coste herr (pts) = ...........................Coste total (pts) = ........................Potencia necesaria en el torno (ρ= 90%).Potencia (kW) = ..............................


Resolución

� Croquis de la punta activa de la herramienta según ISO-UNE

Dibujo explicativo en 3D explicando los ángulos de corte.

Croquis de la punta activa de la herramienta según UNE-ISO.


Herramienta:

Radio de acuerdo r = 0,4 mm

3 filos: Tvida por filo = 15 min. Tvida herramienta = 15 · 3 = 45 min.

Radio de acuerdo

r = 0,4 mm

� Avance y profundidad de corte.

Se sabe que Ra < 1,6 µm. Se debe cumplir que aproximadamente:

a Ra ra = −32 10 3. . . (mm)

Como r = 0,4 mm y como máximo Ra = 1,6 entonces aa = 0,14 mm

Se debe cumplir y se cumple que:

a ra ≤ 22

cosε

Como gama de avances no es continua y avanza de 0,05 mm/v en 0,05 mm/v

a = 0,14 estará en el intervalo 0,1 y 0,15 mm/v. Siempre escogeremos el menor ya que sino no secumple con la rugosidad estipulada.

aa = 0,1 mm/v

A partir de aa se obtiene:

pa = 10 · aa = 10 · 0,1 = 1 mm

Debe cumplirse y se cumple que: p ra >

Además tanto el avance como la profundidad de corte están dentro de los intervalos marcados por laTabla orientativa de los valores de condiciones de corte, torneado” para acabado.

� Velocidad de corte

Vc = 140 m/min


Valor encontrado en la “Tabla orientativa de los valores de condiciones de corte, torneado”, paraAcero σR = 75 Kg/mm2 , M.D (metal duro), acabado.

Como la gama de velocidades del torno es discontinua no podemos darle al torno cualquier veloci-dad.

Para hallar la velocidad de corte en r.p.m.

Calculamos el diámetro medio:

Dm = (101 + 100) / 2 = 100,5 mm

nc = Vc 1000 / π Dm = 140·1000 / π · 100,5 = 443,4 r.p.m.

Velocidades de corte reales del torno: 355 - 450 rpm

Escogemos nc = 450 rpm (Régimen de máxima producción).

Vc = nc. π Dm /1000 = 450 . π . 100,5 / 1000 = 142,06 m/min

Vc = 142,06 m/min


Va = aa · nc

Va = a · n = 0,1 · 450 = 45 mm/min

� Tiempo total del proceso

Tproceso = Tmecanizado + T improductivo

Tmec/pieza = Long pieza / Velocidad de avance = 500/45 = 11,11 min/pieza

Timprod/pieza =0,20 · Tmec (Son un 20% del Tmec por enunciado)

T proceso/pieza = Tmec/pieza + 0,20 Tmec/pieza = 1,2 · 11,11 = 13,33 min/pieza

Tproceso total (1000 piezas) = 1000 · 13,33= 13333 min = 222,2 h

� Coste del proceso

No hay costos de afilado ya que se trata de una herramienta no reafilable (plaquitas)

Cpr. = Cmáq + Cherr


Nº de herramientas = 11,11 · 1000 / 45 = 247 herr. para 1000 p

Cherr. = 247 · 3500 = 864500 pts para 1000p

C máq = 222,2 · 5000 = 1111000 pts para 1000p

Cpr = 1975500 pts para 1000p

� Potencia en la máquina

W = Fc · Vc

Fc = 4· σr S

W = Fc · Vc = 4 · 750 · 0,1 · 1 ·(142,06 / 60) = 710,3 W

W = 0,71 /0,9 = 0,8 kW

� Ejemplo de desbaste

En un taller se quiere realizar un cilindrado exterior de desbaste (r = 1/5) de 10000 piezas a partir deredondos de aluminio de diámetro 100 mm ya cortados a la longitud de 500 mm (igual a la longitudde una pieza). Dicho desbaste requiere una sola pasada y que la rugosidad máxima Ra < 0,1 mm.

Datos:

Material: Aluminio σR = 230 N/mm2

Herramienta de MD: Plaquita intercambiable de metal duro cuadrada. Precio: 2500 pts.Geometría: χ = 60º, α = 11º, γ = 9º y λ = 2º, los demás ángulos deben deducirse. Se supone que lapunta de la plaquita es de punta quebrada.Torno de control numérico con gama continua de velocidades desde 45 a 2800 r.p.m. y con gama deavances discontinuos desde 0,05 a 5 con escalonado de 0,05 mm/v.Precio máquina = 7000 pts/hTiempos improductivos del 20 %

Se pide:

� Croquis de la punta activa de la herramienta según ISO-UNE.� Avance y profundidad de corte.� Velocidad de corte.� Velocidad de avance� Tiempo total del proceso.� Precio total del proceso.� Potencia neta necesaria en el torno.� ¿Sería recomendable escoger esta geometría de la herramienta para el desbaste de una pieza de

fundición?.� ¿Cómo podrían mejorarse los costes y la producción?

� En cuanto a aumentar la velocidad del proceso sin disminuir la vida de la herramienta.� En cuanto a aumentar la producción sin aumentar la velocidad de mecanizado.


� Croquis de la punta activa de la herramienta según ISO-UNE.

Herramienta al ser cuadrada tiene un ángulo ε = 90 º y 4 filos de corte:

4 filos: Tvida por filo = 15 min. Tvida herramienta = 15 · 4 = 60 min.

� Avance y profundidad de corte.

Se sabe que Ra < 0,1mm. Se debe cumplir que aproximadamente:

R = 4 · Ra = 4 · 0,1 = 0,4 mm.


Por otro lado a partir del dibujo puede hallarse el avance ad.

ad < (R/tagX)+(R/tagX’)=0,923mm/v

Como la gama de avances es discontinua y escalada a 0,05 mm/v , este avance está comprendidoentre 0,9 y 0,95. Como Ra < 0,1 mm esto implica que ad < 0,923 mm/v , ya que si no la rugosidadsería mayor.

ad = 0,9 mm/v

A partir de ad se obtiene la profundidad de corte, sabiendo que para desbaste r =1/5:

pd = 5 · ad = 5 · 0,9 = 4,5 mm

� Velocidad de corte

Vc = 1250 m/min

Valor encontrado en la “Tabla orientativa de los valores de condiciones de corte, torneado”, paraAluminio, M.D (metal duro) y desbaste.

Como la gama de velocidades del torno es continua podemos escoger cualquier velocidad de corteal torno.


Va = ad · nc

Para hallar la velocidad de corte en r.p.m.

Calculamos el diámetro medio:

Dm = (200 + 191) / 2 = 195,5 mm

Nc = Vc ·1000 / π · Dm = 1250·1000 / π · 195,5 = 2035 r.p.m.Va = ad · nc = 0,9 · 2035 = 1831,5 mm/min



Tproceso = Tmecanizado + T improductivo

Tmec/pieza = Long pieza / Velocidad de avance = 500/1831,5 = 0,2730min/pieza

Timprod/pieza =0,20 · Tmec (Es un 20% del Tmec por enunciado)

T proceso/pieza = Tmec/pieza + 0,20 Tmec/pieza = 1,2 · 0,2730 =0,3276 min/pieza

Tproceso total = 10000 · 0,3276= 3276 min. Para las 10000 piezas

� Coste del proceso

Cpr. = Cmáq + Cherr

Nº de herramientas = Tmec/pieza · Nº de piezas / T vida herramienta

Nº de herramientas = 0,2730 · 10000 / 60 = 45 herr. Para las 10000 piezas

Cherr. = Nº de herramientas · Precio de herramienta

Cherr. = 45 · 2500 = 112500 pts Para las 10000 piezas

C máq = Tproceso total (horas) · Precio máquina (pts/hora)

C máq = (3276/60)·7000 = 382200 pts. Para las 10000 piezas

Cpr = 494700 pts . Para las 10000 piezas

� Potencia en la máquina

W = Fc · Vc

Fc = 4· σr S donde S = ad · pd y la Vc es sustituida en m/s

W = Fc · Vc = [4 · 230 · 0,9 · 4,5] ·(1250 / 60) = 77625 W

W = 78 kW

� No, ya que una pieza de fundición posee menor maquinabilidad debido a cascarillas, poros, arenilla,mayor dureza...

Por tanto necesita:

� Angulo de incidencia menor� Angulo de desprendimiento menor� Angulo de filo mayor

Para evitar desgaste o rotura de herramienta


� Para aumentar la velocidad sin disminuir la vida de la herramienta es bueno el uso de taladrina o aceite.

Para aumentar la producción sin aumentar la velocidad de mecanizado es bueno reducir tiemposimproductivos, cambios automáticos de herramienta y disminuir tiempos de acercamiento yposicionamiento.

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Es un método para la producción de agujeros cilíndricos en piezas por arranque de viruta. A estosagujeros se les llama pasantes si traspasan totalmente la pieza, y no pasantes si no lo hacen.Existen diferentes procedimientos para agujerear las piezas por arranque, distinguiéndose claramente entretaladrado, trepanado y mandrilado.

Se entiende por taladrado propiamente dicho como un método en que agujerea la pieza convirtiendotodo el material del agujero en viruta. Se utiliza para agujeros de pequeño diámetro, normalmente, ypara agujeros cortos hasta 20 mm. La herramienta cortante que se utiliza se la denomina broca.

Se entiende por trepanado como el método de agujereado de piezas en que sólo se recorta el perfildel agujero dejando su interior como residuo. Se utiliza para agujeros de gran diámetro en que untaladrado requeriría de enorme potencia de la máquina.

Se entiende como mandrilado como el método de agujereado en que se repasa con una herramienta detorno el interior de un agujero ya taladrado o trepanado para conseguir mejorar su calidad superficial.

En este capítulo describiremos solamente el método del taladrado propiamente dicho.

Al estudiar este procedimiento de arranque de viruta podría parecer a priori que existiría una ciertasimilitud con el torneado o fresado y que por tanto podríamos utilizar las mismas tablas y las mismasfiguras, pero no es cierto ya que existe una gran diferencia entre estas operaciones y el taladrado. En laoperación de taladrado la viruta procedente del corte queda en el interior del agujero y debe evacuarse.Para ello debe romperse la viruta con mayor eficacia que en otras operaciones. Esto y su evacuación seconsigue reduciendo la velocidad de corte y el avance como describiremos más adelante.

La evacuación de la viruta resulta más difícil en agujeros de gran profundidad que en los de pocaprofundidad. Así se puede diferenciar claramente entre taladrado de agujeros cortos y de agujeroslargos. Para diferenciarlos calculamos la relación entre la profundidad del agujero y su diámetro.

r = Profundidad / Diámetro


Si r es mayor o igual a 3 se considera agujero largo y sino agujero corto.

En los agujeros cortos el régimen de arranque será elevado, por lo que la calidad será mayor. En losagujeros largos intentaremos mejorar la evacuación de la viruta disminuyendo la velocidad dearranque, por lo que la calidad final del agujero será menor.

� Herramientas de taladrado (brocas)

Estas herramientas cortantes suelen ser: Brocas helicoidales de aceros rápidos (HSS) reafilables obrocas con plaquitas intercambiables de metal duro. Normalmente las brocas de acero rápido serecubren con óxidos como óxidos de aluminio para resistir mejor el desgaste y a la temperatura.También para operaciones de mantenimiento o pocas piezas pueden emplearse brocas helicoidalesreafilables de acero al carbono pero están en desuso. Tanto las brocas de metal duro como las deacero rápido se han mejorado adoptando nuevas geometrías de corte, rompevirutas y canalesinternos que conducen aceite a presión hasta la punta de la herramienta. De esta forma se garantizamenor desgaste del filo y mayor facilidad de evacuación de la viruta.

Actualmente para agujeros de poco diámetro entre 2,5 mm y 12,5 mm se utilizan solamente brocashelicoidales de acero rápido ya que las plaquitas necesitan un diámetro mínimo para atornillarse almango no menor a 12,5 mm. Ha habido intentos con plaquitas circulares pero se siguen utilizandomás las anteriores.

La elección de la herramienta a partir de 12,5 mm depende de parámetros como la profundidad ytolerancia del agujero, el material de la pieza, el tamaño de la serie de piezas a producir y la máquinautilizada. Para las máquinas modernas con un alto coste hora/ máquina se precisa utilizar plaquitasde metal duro, mientras que para operaciones en que el coste de mecanizado sea mayor es mejorutilizar brocas reafilables de acero rápido. Últimamente existen unas brocas reafilables conmodernas geometrías tanto de HSS como metal duro que son utilizadas para máquinas modernascon costes de mecanizado medios.


Brocas de HSS (Cortesía de Toshiva Tungaloy) Brocas de plaquitas de MD (Cortesía de Kenci)

Geometría de la herramienta de corte

� Ángulos de las brocas

� Ángulos de las brocas helicoidales

Los ángulos más importantes en una broca helicoidal son los siguientes:

- Ángulo de punta (ε) : Es el ángulo que se forma entre la punta de la broca y la superficie perpen-dicular al eje de la herramienta. Varía en función del material a taladrar y marca la altura de salida.- Ángulo de la hélice (δ): Es el ángulo formado entre el canal de salida de la viruta y el eje dela broca. Influye en la salida de la viruta y depende del material a taladrar.

Los valores del ángulo de punta podemos encontrarlos en la tabla 1.

� Ángulos de las brocas con plaquitas intercambiables

Los ángulos más importantes en una herramienta de plaquitas son los siguientes:

- Ángulo de punta (•••: Es el ángulo que se forma entre la punta de la broca y la superficie perpen-dicular al eje de la herramienta. Varía en función del material a taladrar y marca la altura de salida.- Ángulo de incidencia (α) : Es el ángulo formado entre entre la arista de corte y la superficieperpendicular al eje de la herramienta. Varía en función del material a taladrar.


- Ángulo de desprendimiento (γ) : Es el ángulo que forma la arista de desprendimiento deviruta de la plaquita con el eje de la broca.

� Recorrido de la herramienta y altura de salida

El recorrido de la herramienta en el agujero será la longitud de listón de broca (L) introducida en elagujero más la altura de salida (h). En el caso de un agujero pasante, la longitud del listón será iguala la profundidad del agujero (p).

La altura de salida puede deducirse a partir del diámetro del agujero, igual al de la broca, y delángulo de punta. Se obtiene a partir de un triángulo rectángulo de catetos D/2 y h, y con uno de susángulos igual a ••• . El recorrido durante el mecanizado esR = L + h. Se considera que el filo de la herramienta a efectos de desgaste sólo trabaja en unrecorrido R’= L.

� Movimientos característicos en el taladrado

Inicialmente podemos distinguir dos tipos de taladrado según si es la pieza la que se mueve (broca norotativa) o si es la herramienta (broca rotativa). El método más usual es el de broca rotativa pero debido ala aparición de los tornos de control numérico es cada vez más común el taladrado con broca fija.

Los movimientos propios del mecanizado son el rotativo denominado velocidad de corte Vc y unavance lineal para profundizar el agujero. La distancia que profundizamos en la pieza por vuelta es


lo que denominamos avance a. A la velocidad a la que la broca profundiza en la pieza es lo quellamamos velocidad de avance Va .

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En este curso sólo calcularemos los movimientos, fuerzas ... para brocas helicoidales ya sean deacero al carbono o acero rápido reafilables. En caso de brocas helicoidales de metal duro o herra-mientas con plaquitas de metal duro el procedimiento es exactamente el mismo pero partiendo delas velocidades de corte y de los avances teóricos recomendados por el fabricante (normalmentepara agujeros cortos).

Se distinguirán los movimientos para agujeros cortos y agujeros largos, ya que a los de estossegundos debemos aplicarles una corrección para ralentizar los para una buena evacuación de laviruta.

� Velocidades de corte teóricas para agujeros cortos

En la siguiente tabla se muestran las velocidades de corte teóricas para el caso de agujeros cortos.Como vemos dependen del tipo de material a taladrar y el tipo de material de la broca. En la tablatambién se muestra el ángulo de punta característico de la broca. Estas velocidades de corte sonpara taladrado en seco, en caso de utilizar un lubricante dicha velocidad podría aumentar hasta un25 %.

La lubrificación de una broca puede incrementarsu tiempo de vida. (Cortesía de Sandvik Coromant)


Tabla 6. Velocidades de corte de agujeros cortos para brocas de aceros al carbono y acero rápido.

Los valores de la tabla están calculados para un tiempo de vida de filo de la herramienta de 60 minutos.Estas velocidades de corte están dadas en m/min, pero las máquinas trabajan en rpm. Para convertirVc (m/min) en nc (rpm) se aplica la siguiente fórmula:

Donde las unidades son: Vc (m/min) y D (mm)


� Avances de las brocas para agujeros cortos

Debido a que las máquinas de taladrado tienen una gama de avances continua, el avance queobtengamos en tablas será el que utilizaremos en el taladro. Esto es cierto también para el caso deavances de brocas para agujeros largos. Determinaremos el avance de la broca en función de sudiámetro, el material de la pieza y el material de la broca. Entrando por el diámetro de la broca en latabla 2 trazaremos una recta hasta la curva perteneciente al material de la pieza. Una vez en esepunto trazaremos una horizontal. A la izquierda de la tabla están los avances pertenecientes abrocas de acero al carbono y a la derecha las de acero rápido. Estos avances son teóricos y paraagujeros cortos. Están calculados para velocidades de corte entre 8 y 12 m/min en el caso de brocasde acero al carbono y entre 12 y 25 m/min para aceros rápidos. Para velocidades de corte mayores ydentro de los márgenes de la tabla 1 disminuir un 12% de cara a trabajar en la asignatura. El uso delubricante mejorará la velocidad de corte pero no el avance.

Tabla 2. Avances por revolución en mm por revolución para aceros al carbono o rápidos

Los valores de la tabla están calculados para un tiempo de vida de filo de la herramienta de 60minutos.

CORRECCIONES PARA AGUJEROS LARGOS

En caso de agujeros largos r = 3 o r >3, los valores calculados anteriormente para velocidad de corteVc o para avance a deben corregirse con la siguiente tabla 3. Estos valores deberán disminuirse enfunción del coeficiente r que es la relación entre profundidad y diámetro del agujero. Esta disminuciónde velocidades, recordémoslo, es necesaria en agujeros largos para evacuar la viruta.


Relación r(profundidad / φ)

Reducción de lavelocidad de corte

en %

Reducción del avanceen %

3 10 104 20 105 30 206 35 207 37 20

CORRECCIONESSEGÚN LA

PROFUNDIDA DELAGUJERO

8 40 20

Tabla 7. Reducciones de velocidad de corte y avance para agujeros largos en función de la relación r.

Todas la velocidades son para un tiempo de vida del filo de 60 minutos.

� Velocidades de corte reales

Debido a que las máquinas de taladrado convencionales no tienen una gama de velocidadescontinuas sino que suelen seguir una serie de revoluciones discontinua (serie de Renard), debemosescoger las revoluciones que nos marca la máquina más próximas a las que nos da por las tablas.Imaginemos que tenemos una máquina que nos da una gama discontinua de revoluciones en elcabezal. Dentro de toda la gama distinguiremos una parte: ... 450, 560, 710, 900 ... (rpm).El valor obtenido en tablas es por ejemplo 625 rpm, un valor que está comprendido entre 560 y 710rpm. La máquina no nos dará en el cabezal 625 rpm por lo que escogeremos entre 560 o 710 rpm.

Si escogiésemos el valor más bajo, 560 rpm, la herramienta al trabajar más despacio se desgastaríamenos, aumentando la vida por filo de la broca. Al taladrar más despacio necesitaremos más tiempopara producir las piezas.

Si escogiésemos el valor más alto, 710 rpm, la herramienta al trabajar más rápido se gastará más,disminuyendo la vida por filo de la broca. Al taladrar más rápido necesitaremos menos tiempo paraproducir las piezas.

Se escoge el valor menor si se precisa “Régimen de mínimo coste” ya que necesitaremos menos herra-mientas para producir la misma cantidad de piezas y por lo tanto tendremos menos costes de herramientasaunque aumenten los costes de máquina. Se utiliza cuando el coste de las herramientas es mayor que elcoste de máquina/hora en el tiempo de producción.En cambio se escoge el valor mayor si se quiere un “Régimen de máxima producción”. En este casoel tiempo de producción disminuirá y por tanto los costes de máquina. Por otro lado, necesitaremosmás herramientas para producir la misma cantidad de piezas y por lo tanto tendremos mayorescostes de herramientas. Se utiliza este régimen cuando el coste de las herramientas es menor que elcoste máquina/hora en el tiempo de producción. Recordemos la gráfica Costes-velocidad de cortemostrada en el apartado de torneado. También es válida para el taladrado.


Figura 12. Costes de taladrado en el caso de que curvas de máquina y herramienta sean iguales.

En máquinas de control numérico CN la gama de velocidades de corte al igual de las de avance escontinua por lo que la velocidad de corte real será la misma que la obtenida en tablas.


La velocidad de avance Va es la velocidad a la que la broca penetra en la pieza. Por lo que será igualal avance por revolución por el número de revoluciones que da la máquina en un tiempodeterminado. Su expresión será:

Va = a . nc ( mm/min )

Siendo las unidades de a (mm/v) y nc (rpm)

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El tiempo del proceso de taladrado tpr será igual al tiempo en que la herramienta mecaniza llamado tiempode mecanizado tm más los tiempos improductivos t impr que comprenden los de posicionamientos de la bro-ca, de cambio de broca, cambios de pieza, tiempos de imprevistos ... en que aunque no estamos propia-mente mecanizando, debemos pagar ese tiempo de la máquina y del operario. Se calcula que el tiempoimproductivo varía según el tipo de máquina utilizada variando entre un 20 y un 40 % del tiempo de me-canizado.

En las brocas reafilables existe un tiempo de afilado taf que debido a que se suele desarrollar en paralelopor otro operario en otra máquina no se le suma a el tiempo del proceso, aunque se valore en los costestotales.

� Tiempo de mecanizado

Es el tiempo tm que se tarda en taladrar todos los agujeros de una pieza nag por el número de piezastotales np. El tiempo que se tardaría en taladrar un solo agujero sería el espacio recorrido por labroca mientras taladra el agujero R = L+h, dividido por la velocidad a la que avanza la broca.


En que son: tm = Tiempo de mecanizado de todas las piezas(min).R = L+h El recorrido de la broca al hacer el agujero(mm).Va = Velocidad de avance de la broca (mm/min).nag = Número de agujeros por pieza (agujeros/pieza).np = Número de piezas (pieza).


Es el tiempo total para realizar el taladro de todas las piezas.

Si por ejemplo el tiempo improductivo fuese de un 20% del tiempo de mecanizado (El enunciado delproblema nos dirá el % el día del examen)

� Afilado de la broca

Afilado de una broca (Cortesía de Sandvik Coromant)

Cuando se desgasta un filo de una broca reafilable se puede volver a afilar mediante una muela. Lalongitud de broca que se necesita arrancar para afilarla se denomina merma. La broca puede afilarsehasta agotar su longitud útil a partir de la cual esta no puede realizar el taladrado correctamente. Elnúmero de filos con que puede taladrarse en una broca será :

Naf = Número de filos por broca (filos/broca)Lu = Longitud útil (mm)m = Merma (mm)


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Los costos del proceso son la suma de los costos de máquina, los costos de herramienta y los deafilado.


Cpr = Costo del proceso (pts)Cmáq = Costo de máquina (pts)Cherr = Costo de herramientas (pts)Cafil = Costo del afilado (pts)


Son los costos que se derivan del precio / hora que cuesta mantener una máquina en funcionamiento.Esto comporta el coste de amortización y mantenimiento de la máquina, operario ... Hay un valor quese determina por el taller , dependiendo de los parámetros descritos anteriormente y otros, que es elprecio máquina. El costo máquina será función del tiempo del proceso y del precio máquina:

Donde: Cmáq = Coste máquina del proceso (pts)Tpr = Tiempo total del proceso (h)Prmáq = Precio máquina (pts/h)


Son los costos debidos a todas las herramientas que se necesitan para realizar el taladrado de todaslas piezas de la producción. En primer lugar debemos calcular el tiempo durante el cual el filo de labroca se está desgastando. Es evidente que el filo no se desgastará mientras no esté taladrando, asípues, si la broca se está posicionando no se desgastará. Se considera que la broca se desgasta sóloen el recorrido R’, sin tener en cuenta la altura de salida. La velocidad a la que se desplazará en elagujero es la velocidad de avance por lo que el tiempo de desgaste del filo será:

Tdesg filo = Tiempo de desgaste durante todo el proceso(min) .R’ = L El recorrido de la broca taladrando al hacer el agujero(mm).Va = Velocidad de avance de la broca (mm/min).nag = Número de agujeros por pieza (agujeros/pieza) .np = Número de piezas (pieza) .

Una vez calculado el tiempo de desgaste total lo dividimos por el tiempo de vida de un filo paracalcular cuanto filos desgastamos para producir todas las piezas del proceso.El número de filos Nfilos será:


N filos = Número de filos gastados durante todo el proceso(filos) .Tdesg filo = Tiempo de desgaste durante todo el proceso(min) .Tvida filo = Tiempo de vida por filo durante todo el proceso(min) .

A continuación calcularemos el número de brocas necesarias en el proceso. Hemos calculadoanteriormente el número de afilados por broca, por lo que conociendo el número de filos (afilados)necesarios no será difícil calcular el número de brocas.Si el resultado nos da en decimales escogeremos el número entero superior ya que no pediremos anuestro proveedor por ejemplo 3,5 brocas sino como mínimo necesitaremos 4 brocas.

N brocas = Número de brocas gastadas durante todo el proceso(brocas) [número entero].N filos = Número de filos gastados durante todo el proceso(filos) .N af = Número de filos por broca (filos/broca) .

Finalmente para calcular el coste de las herramientas multiplicaremos el número de brocas a comprarpor su precio.

Cherr = N brocas . Pr herr

Cherr = Coste de herramientas (pts)N brocas = Número de brocas gastadas durante todo el proceso(brocas) .Prherr = Precio por herramienta (pts/broca)


Para calcular los costos de afilado partimos de la hipótesis de que es un trabajo que se realizasimultáneamente con el de taladrado en otra máquina. Normalmente el precio máquina de lamáquina de afilar suele ser menor a la de taladrado. En primer lugar calculamos el tiempo querequiere el afilado de todas las broca. Como partimos de la hipótesis que la broca inicialmente nos lavenden afilada el número de afilados por broca será el número de filos de la broca menos el primero.

Nafil = Naf -1

Nafil = Número de afilados por broca (afilados/broca).Naf = Número de filos por broca (filos/broca).

Por lo tanto el tiempo que se necesitará para afilar las brocas suponiendo que en cada broca setarda en afilar cada filo un tiempo de afilado Taf filo . El tiempo que se tardará por broca será:

Taf broca = T af filo . Nafil

T af broca = tiempo de afilado por broca (min/broca) .T af filo = tiempo de afilado por filo (min/filo).Nafil = Número de afilados por broca (afilados/broca).


Calculamos de nuevo el número de brocas pero ahora con decimales ya que la última broca no laafilamos totalmente.

N’brocas = Número de brocas gastadas durante todo el proceso(brocas) [número decimal].N filos = Número de filos gastados durante todo el proceso(filos) .N af = Número de filos por broca (filos/broca) .

El tiempo total de afilado para todo el proceso será igual al tiempo de afilado por broca por el númerode brocas (con decimales) utilizadas.

Taf = N’brocas . Taf broca

T af = tiempo de afilado durante todo el proceso(min) .N’brocas = Número de brocas gastadas durante todo el proceso(brocas) [número decimal].T af broca = tiempo de afilado por broca (min/broca).

El costo por afilado será el tiempo de afilado durante todo el proceso por el precio máquina de laafiladora.


C afil = Coste de afilado de todo el proceso (pts)T af = tiempo de afilado durante todo el proceso(h)Pr’máq = Precio máquina de la afiladora (pts/h)

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Existen diferentes máquinas para el taladrado. Suelen ser taladradoras propiamente dichas paratrabajo manual o pueden utilizarse máquinas tránsfer, centros de mecanizado o de torneado parataladrar mediante CN. Las taladradoras se dividen según el número de brocas que actúen en cadaetapa en taladradoras simples o múltiples. En las múltiples se realizan varios agujeros a la vezmientras que en las simples se agujerean los agujeros uno por uno. Entre las taladradoraspropiamente dichas se distinguen dos tipos básicos: Taladradoras de columna y taladradorasradiales. La diferencia radica en que en la primera la broca baja sólo linealmente mientras que en lasegunda puede trazarse agujeros con distribución circular. Entre las taladradoras de columna sedistinguen: La sensibles, las de trabajo pesado y las semipunteadoras. La diferencia entre las dosprimeras es que en las sensibles el operario “siente” el taladro y en las de trabajo pesado no. Ambasson de trabajo manual e imprecisas. En las semipunteadoras la lectura es digital por lo que se tienemayor precisión.

La tendencia para series medianas y grandes de piezas en que existan muchos agujeros o piezasque se fabriquen por CN es que su taladrado se realice en centros de mecanizado o torneado porCN.


Taladradora de columna Taladradora radial Taladrado múltiple (Cortesía de Sandvik Coromant)

� Evolución actual del taladrado

Hasta hace poco tiempo el taladrado era una de las operaciones que causaba cuellos de botella enla fabricación. Recordemos que en procesos como fundición, forja, sinterizados ... no era posible orentable realizar agujeros de poco diámetro y se anticipaba que debían mecanizarse. Manualmente,el taladrado es un proceso que requiere de varias etapas. En primer lugar debemos marcar elagujero, después posicionar la broca para posteriormente taladrar. A veces incluso en agujerosprofundos taladramos de forma cíclica un mismo agujero para así evacuar mejor la viruta.Con los modernos sistemas de mecanizado no se requiere el marcaje previo de los agujeros, elposicionamiento es muy rápido y preciso y los cambios de broca y de pieza son automáticos.Además, debido a las nuevas geometrías, materiales de las herramientas, lubrificantes ..., la calidadsuperficial de los agujeros es mayor y se consiguen velocidades de avance mucho mayores. Laprogramación de las diferentes posiciones que debe adoptar la broca, la elección de la broca detrabajo, el programa del taladrado a realizar según la pieza que fabricamos ..., se gestiona desde unCN o un programa CAM. Esto nos garantiza una gran flexibilidad y rapidez.

Torreta de centro torneado(Cortesía de Okuma)

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Debido a que en ciertas aplicaciones se precisan piezas con agujeros largos (con profundidad de 5 a100 veces el diámetro del agujero) de gran precisión, alineación y gran acabado superficial se hancreado una serie de sistemas de taladrado para agujeros profundos. Es muy importante en estostaladrados que la rotura de viruta sea apropiada y que se evacue la viruta sin estropear la superficiemecanizada. Para ello los sistemas de taladrado para agujeros profundos se basan en lograr laevacuación de la viruta mediante el suministro de un fluido lubricante y refrigerante a presión.

Existen los siguientes métodos:


� Sistema “broca cañón”: En este método el fluido es transportado a través del interior de la broca y laevacuación de la viruta se realiza por el exterior, a lo largo de una ranura en forma de V de laherramienta. Se utiliza para agujeros profundos de poco diámetro en que se requiera precisión yexactitud. Se pueden adaptar máquinas convencionales con velocidades de corte suficientementeelevadas para trabajar con brocas de cañón.

Broca de cañón

� Sistema STS: El fluido se inyecta a mucha presión por la parte exterior de la broca y las virutas sontransportadas por un único tubo interior de la broca. Se utiliza en agujeros profundos de muy grandiámetro (100 a 200 veces el diámetro) en sustitución del método de trepanado o tenemos problemacon la viruta. El trepanado tiene el problema de que en caso de tener que retirar la broca, comoqueda un cilindro sólido en el interior del agujero, es difícil volver a introducir la broca de nuevo.Requiere máquinas adaptadas especiales.

STS (Cortesía de Sandvik Coromant) Sistema Ejector (Cortesía de Sandvik Coromant)


� Sistema Ejector: En el sistema Ejector la broca tiene dos tubos concéntricos en su interior. El fluido seinyecta a presión por el tubo exterior, recoge las virutas y las fuerza a evacuarse por el tubo interiorhacia el exterior. Se utiliza en agujeros entre 50 y 100 veces el diámetro veces en que hay problemasde sellado de presión en el agujero no pudiéndose utilizar un STS o el taladrado no es continuo nopudiéndose trepanar.

No requiere máquinas especiales ni adaptaciones importantes.

Sistema Ejector

En estos sistemas se suelen utilizar plaquitas o brocas enterizas de metal duro.

� Ejemplo de taladrado

Realizamos el siguiente proceso de taladrado para realizar 10.000 piezas como la indicada en elcroquis adjunto en que aparecen 6 taladros pasantes iguales de 20 mm de diámetro y 100 mm deprofundidad.


La pieza es de bronce. Se va a utilizar una taladradora manual simple con la siguiente gamadiscontinua de velocidades de corte (rpm).

45 57 72 90 113 142 179 280 355 450 560 710 900 1130 1420 1800 2260 2800

La herramienta utilizada es una broca helicoidal de acero rápido (HSS). Trabaja en seco.El tiempo de vida del filo de la broca es de 60 minutos para los valores de velocidades de corterecomendados por la tabla tras aplicar los valores de corrección. El fabricante nos indica que paraeste material, el tiempo de vida del filo aumenta o disminuye en 1 minuto cada vez que reducimos oincrementamos la velocidad de corte en 21,5 rpm respecto de la velocidad recomendada.El precio de la broca es de 25.000 pts/unidad ; su longitud útil es de 100 mm y la merma por afiladoes de 1 mm.El tiempo de afilado por filo es de 15 minutosEl precio máquina de taladrado es de 2000 pts/h y la de afilado 1200 pts/h.Los tiempos improductivos son de un 40%.

Calcular para un régimen de máxima producción:

� El ángulo de punta y la altura de salida de broca.� Condiciones de corte adoptadas: Vc (m/min); nc (rpm); a (mm/v); Va (mm/min).� Tiempo de mecanizado y tiempo del proceso de taladrado.� Costos del proceso de taladrado.� ¿Sería rentable utilizar una máquina taladradora manual de taladros múltiples si su precio máquina

es de 6000 pts/h y los tiempos improductivos son del 30 %?


Resolución

� El ángulo de punta y la altura de salida de broca.

Dado que el material es bronce y la broca helicoidal consultamos la tabla 1 y observamos que elángulo de punta es ε = 118º

Debido a que el agujero de la pieza tiene profundidadp =100 mm y el agujero es pasante, L = p = 100 mm.

Calculamos h a partir del D=20 mm y ε = 118ºpor la fórmula indicada y obtenemos la altura de salida de la broca h= 6 mm

Por lo que R = 100 + 6 = 106 mm.

Y además: R’= L = 100 mm.

� Condiciones de corte adoptadas: Vc (m/min); nc (rpm); a (mm/v); Va (mm/min).

La velocidad de corte para agujeros cortos para una broca de acero rápido y una pieza de bronce lopodemos hallar en la tabla 1.

Vc = 56 m/min (teórica para agujeros cortos)

El avance para agujeros cortos para una broca de acero rápido de diámetro 20 mm y una pieza debronce lo consultamos en la tabla 2. Recordemos que esta tabla nos da valores del avance paravelocidades de corte para acero rápido entre 12 y 25 m/min.

a = 0,45 mm/v (teórica para agujeros cortos y Vc entre 12 y 25 m/min)Como la Vc es mayor que 12 a 25 m/min se nos dice en la teoría que debemos disminuir esteavance en un 12 %.

a = 0,45 – ( 0,45 . 12 / 100) = 0,4 mm/v (teórica para agujeros cortos)

Calculamos r la relación entre profundidad y diámetro del agujero para comprobar si en agujero ellargo.

r = Profundidad / Diámetro = 100 / 20 = 5 (Se trata de un agujero largo).

Vamos a la tabla 3 para realizar la corrección de agujero largo tanto para la velocidad de corte comopara el avance.

Relación r(profundidad / φ)

Reducción de lavelocidad corte

en %

Reducción delavance en %

5 30 20


Vc = 56 – ( 56 . 30 / 100) = 39,2 m/min (teórica)

a = 0,4 – ( 0,4 . 20 / 100) = 0,32 mm/v (teórica)

Vamos ahora a calcular esta velocidad de corte para la máquina empleada. Debido a que tiene unagama de velocidades de corte discontinua deberemos calcular la velocidad de corte, para elloprimero calculemos la Vc en rpm.

nc = 39,2 . 1000 / π . 20 = 624 rpm

Este valor está entre 560 y 710 rpm. Para un régimen de máxima producción elegimos 710 rpm.

nc = 710 rpm luego Vc = 710 . π . 20 / 1000 = 44,6 m/min ; Vc = 44,6 m/min

Debido a que la gama de avances de la máquina es continua, el avance es el antes calculado.

a = 0,32 mm/v

La velocidad de avance será: Va = a . nc = 0,32 . 710 = 227,2 mm/min.

Va = 227,2 mm/min

� Tiempo de mecanizado y tiempo del proceso de taladrado.

Tiempo de mecanizado:

tm = 106 . 6 . 10000 / 227,2 = 27993 min = 466,55 h ; tm = 27993 min

El tiempo del proceso de taladrado con un 40 % de tiempos improductivos.

tpr = 1,4 tm = 39190 min = 653,13 h ; tpr = 39190 min

� Costos del proceso de taladrado.


Cmáq = 653,13 . 2000 = 1.306.260 pts


Primero debemos calcular el tiempo de vida por filo. Como la velocidad de corte teórica nc = 624 rpm enque el tiempo de vida del filo es To = 60 min, y la velocidad de corte real es de nc = 710 rpm y cada 21,5rpm se reduce la vida del filo en 1 minuto, el nuevo tiempo de vida del filo será To = 56 min.


710 – 624 = 86 rpm86 / 21,5 = 4 -- > 4 minutosTo = 60 – 4 = 56 min.

A continuación el tiempo en el cual la herramienta se desgasta:

T desg filo = 100 . 6 . 10000 / 227,2 = 26408 min = 440,14 h

Hallamos el número de filos necesarios

N filos = 26408 / 56 = 471,57 filos

Calculamos el número de filos que puede tener la broca.

Naf = 100 / 1 = 100 filos

Calculamos el número de brocas que necesitaremos:

N’ brocas = 471,57 / 100 = 4,71 brocas (decimal, para hallar costes afilado)

N brocas = 471,57 / 100 = 4,71 = 5 brocas (Entero, lo que encargamos a proveedor).

El coste de herramientas es:


Cherr = 5 . 25000 = 125000 pts.


El número de afilados de la broca serán

Nafil = Naf -1


Nafil = 100 – 1 = 99 afilados.

El tiempo que se necesitará para afilar las brocas.

Taf broca = T af filo . Nafil

T af broca = 15 . 99 = 1485 min

Antes hemos calculado el número de brocas. Elegimos ahora el valor con decimales ya quela última broca no la afilamos totalmente.

N’brocas = 4,71 brocas

El tiempo total de afilado para todo el proceso será:

Taf = N’brocas . Taf broca

T af = 4,17 . 1485 = 6192,4 min = 103,2 h

El costo por afilado será:


Cafil = 103,2 . 1200 = 123840 pts

� El coste total del proceso


Cpr = 1.306.260 + 125000 + 123840 = 1.555.100 pts

� ¿Sería rentable utilizar una máquina taladradora manual de taladros múltiples si su precio máquinaes de 6000 pts/h y los tiempos improductivos son del 30 %?

En una máquina de taladros múltiple haríamos los 6 agujeros a la vez por lo queEl tiempo de proceso sería:

tm = 106 . 10000 / 227,2 = 4665,5 min = 77,76 h ;

El tiempo del proceso de taladrado con un 30 % de tiempos improductivos.

tpr = 1,3 tm = 6065 min = 101,08 h ;

El costo máquina sería:

Cmáq = 101,08 . 6000 = 606480 pts


El costo de herramienta será mayor ya que necesitamos un mínimo de 12 brocas para poderafilarlas en paralelo. En teoría 6 brocas trabajando y 6 afilándose.


Cherr = 12 . 25000 = 300000 pts.

El costo por afilado será aproximadamente el mismo.

Cafil = 103,2 . 1200 = 123840 pts

El coste aproximado total:

Cpr = 606480 + 300000 + 123840 = 1030320 pts

El coste es menor por lo que sería aconsejable una máquina de taladrado múltiple.

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En este capitulo se hace una valoración de la evolución que han tenido las máquinas hasta alcanzaruna total automatización industrial.

En un principio el término de automatización se asociaba al ámbito de la fabricación en serie, utilizandomáquinas especiales como los Transfer que eran controlados por sistemas de automatismo rígido, loque hacía que esta fuera limitada.

En las máquinas convencionales la automatización estaba vinculada a procesos pocos flexibles, perocon la aparición de los controles numéricos ha surgido una nueva concepción de la automatización ypor ende los procesos de fabricación han alcanzado un alto nivel de desarrollo.

El control numérico por definición es el control automático de un proceso, ejecutado por undispositivo que utiliza datos numéricos introducidos antes y/o durante la realización de la operación.

Las nuevas tecnologías incorporadas al proceso productivo, especialmente la microelectrónica, laautomática, técnicas de control, informática y la tecnología de materiales, permiten nuevos enfoquesa la resolución de problemas en la producción.

En particular la aplicación de las técnicas de la informática en los procesos de fabricación industrialnos han permitido alcanzar un alto grado de automatización de una amplia gama de productos, en lamayoría de sus fases de producción, como es en la ejecución de:

� Operaciones de mecanizado: Torneado, fresado, taladrado, etc.� Operaciones complementarias: Alimentación de la máquina, montaje, sujeción y desmontaje de la

pieza y herramientas.� Control de la calidad. Medición de piezas, reglaje de herramientas.� Operaciones de terminación: Pintura, ensamblaje y embalaje.

� Diferencias entre la máquina herramienta convencional y la máquina herramienta con CNC

Haciendo una comparación entre la M.H. convencional y la M.H. con CNC tenemos que en laprimera el operario ha de realizar una serie de tareas tales como:� Seleccionar y poner la herramienta adecuada.


� Fijar la pieza al plato o mesa.� Seleccionar la velocidad de giro de la pieza.� Seleccionar la velocidad de avance de la herramienta en caso que este sea automático o realizarlo

manualmente.� Posicionar manualmente la herramienta de acuerdo a la medida a obtener.� Verificar los resultados.� Retirar la herramienta y la pieza una vez finalizada la operación.

A diferencia de la anterior en las máquinas con CNC el operario realiza solamente las siguientesfunciones:

� Elabora el programa que da las ordenes y la información necesaria al CNC.� Fija la pieza y pone en marcha el programa apretando la tecla de ejecución.

El resto de funciones las realiza propiamente la máquina, los movimientos en vez de realizarlos eloperario con las maniguetas, lo hacen los motores, la posición correcta de la herramienta la informael captador de posición y las velocidades de corte las controla el controles numéricos comparando lainformación de sus valores que recibe de los tacómetros con los deseados y modificando las señalesenviadas a los motores hasta obtener las velocidades deseadas.

En las máquinas con CNC se eliminan los engranajes de las cajas de cambio necesarias para variar lasvelocidades de corte y de avance ya que el cambio con dos o tres marchas como mucho se realiza demanera continua dentro de un cierto margen, además, generalmente los motores accionan directamentelos ejes, con lo cual existe menos vibración y por lo tanto mejores acabados de las piezas.

Con la aplicación de la tecnología de los ordenadores a los CNC, se ha ampliado y potenciado lasposibilidades de explotación de estos últimos y por tanto una elevada flexibilidad de funcionamientode las Máquinas Herramientas, así como una integración total de procesos, como es el caso de lasCélulas de Fabricación Flexible, donde los controles numéricos de las máquinas que la componenestán comunicadas con un ordenador exterior que controla, supervisa y gestiona toda la célula. Almismo tiempo estas células pueden estar integradas entre ellas y dentro del proceso productivoglobal de la empresa bajo la concepción CIM (Computer Integrated Manufacturing).

Como componente fundamental de un sistema CIM no podían faltar los Robots Industriales queconjuntamente al desarrollo alcanzado por las MHCN, gracias al avance de la microelectrónica, estos hanllegado a la categoría de inteligentes, teniendo alguna capacidad de percepción sensorial y por lo tanto laposibilidad de variar su acción en función de las instrucciones programadas en su memoria.

Todo esto ha permitido completar la automatización de los procesos industriales, garantizando unaumento de la productividad de la empresa, así como una reducción considerable de los costos defabricación utilizando menos mano de obra e incluso llegar a disponer de fábricas totalmenteautomáticas, es decir casi sin personal.

En adición, el progreso de las comunicaciones industriales entre los equipos controlados por micro-procesador, como es la vía comunicación serie RS232, ha permitido alcanzar integraciones de los pro-cesos de diseño y fabricación. Es posible lograr la integración de diferentes máquinas en entornostotalmente automatizados, donde los distintos controles numéricos de las mismas están conectados a unsistema de comunicación digital compuesto por otros controles y ordenadores. De aquí surge el conceptode Distributed Numerical Control (DNC), según el cual las funciones se distribuyen entre los CONTROLESNUMÉRICOS C de las máquinas y el ordenador u ordenadores. Por ejemplo el ordenador puede fungircomo almacén de programas o bien puede tener la función de control, supervisión y gestión de todas lasmáquinas, coordinando e integrando todo el conjunto, como es en el caso de los Sistemas de FabricaciónFlexible y la Fabricación Integrada por Computador (CIM).

Simultáneamente a todo este desarrollo en la electrónica, la construcción de las máquinas ha alcanzado unelevado nivel en la precisión de sus funciones a causa de la calidad y durabilidad de los materiales, con locual se han incorporado otros elementos a las Máquinas de Control Numérico como son:


� Palets y fijaciones universales.� Sistema de carga y descarga automática de piezas y herramientas.� Mecanismos de seguridad para el operario.� Sistema de detección de rotura de herramientas y de medición de útiles y piezas acabadas.Todo ello ha proporcionado un aumento de la productividad, de la calidad y eficiencia de losproductos y por ende la reducción de los costos de producción.

Paralelo a ello se le exige mayor precisión y repetibilidad, por lo que es necesario un diseño yconstrucción mejor que en las convencionales.

� Generalidades del CNC

Control Numérico significa literalmente mando mediante números, es un sistema que permitegobernar automáticamente las máquinas mediante un programa, previamente introducido en lamemoria de este, en el que las operaciones a realizar son descritas según un código alfanumérico,es decir mediante combinaciones de letras, números y símbolos.

Ejemplo de programación.

%00341N0010 G0 G71 G90 G94 G97 X45 Z80 F400 S1200 T1.1 M03N0020 G1 X0 Z90N0030 X25 Z90N0040 X30 Z87

� Funciones que se pueden controlar a través de un controles numéricos:

� Las posiciones y los movimientos de los carros y del cabezal.� Los valores y sentido de las velocidades de avance y de corte.� Los cambios de herramientas y de piezas.� Las condiciones de funcionamiento de la máquina (refrigerante, lubricación).� Estado de funcionamiento de la máquina (defectos, averías).

� Aplicaciones

Actualmente existe un amplio ámbito de aplicación de la tecnología de Control Numérico, aunque elmayor porcentaje recae sobre el grupo de máquinas de arranque de viruta.

En función del numero de piezas que componen el lote de producción resulta rentable el tipo demaquina herramienta con controles numéricos C que se utilice, es decir:

En series grandes de más de 10000 piezas por lote, se deben utilizar: Las Máquinas Transfer(mecanizan simultáneamente diversas operaciones, tiene como inconveniente su elevado coste depreparación).

En series medias, se utilizan Copiadoras o Máquinas Universales con Control Numérico. Lascopiadoras son económicas pero la precisión es limitada y son poco versátiles, mientras que la decontroles numéricos C es muy precisa.

� Casos en que resulta conveniente utilizar una MH controles numéricos .

� Piezas con formas complicadas.� Relación Tiempo de preparación /Tiempo de mecanizado elevado.� Necesidad de utilizar varias máquinas para realizar diferentes operaciones.� Coste de utillajes y de piezas defectuosas elevado.� Excesiva fatiga del operario.


Ejemplo de máquinas provistas de Control Numérico.

Taladros Máquinas de Soldar FresasTroqueladoras Rectificadoras PunteadorasTornos. Prensas CepilladorasCentros de Mecanizados Maq. Electroerosivas Robots Industriales

Figura 13 .Centro de mecanizado vertical con CNC Okuma OSP-U10M, cortesía de OKUMA

� Ventajas e inconvenientes de los controles numéricos

� Ventajas

� Mayor productividad ya que las operaciones se realizan con gran rapidez en losposicionamientos y sin tiempos muertos, Además el tiempo de cambio de herramienta y de piezase reduce.

� Gran flexibilidad en la planificación de la producción, solo basta cambiar el programa pararealizar otro trabajo y a demás dicho programa se puede conservar e introducir en la memoriatantas veces se desee repetir el trabajo.

� Mínimos controles piezas defectuosas y número de operarios.� Se pueden fabricar piezas complejas con superficies tridimensionales.� Ahorro de herramientas y utillajes por ser más universales.� Más precisión, repetibilidad y uniformidad en el mecanizado.

� Inconvenientes

� La inversión por puesto de trabajo es mas elevada.� Detallada planificación del trabajo.� Mantenimiento más técnico y cualificado.� Dificultad de adaptación de los operarios.� Se requiere de un banco de pre-reglaje de herramienta.

� Programación asistida

La programación asistida por ordenador permite que la realización de los programas se hagan deuna manera más cómoda, utilizando para ello como instrumento de programación un ordenador, esteofrece un conjunto de herramientas muy versátiles gracias a su capacidad potente de cálculo y de


procesamiento de información. Uno de los primeros sistemas de programación asistida es el APT(Automated Programing Tools) y el más reciente es el sistema CAD/CAM, que dotan a laprogramación de capacidad de recoger información gráfica del mismo plano.

Posteriormente en el afán de alcanzar altos niveles de automatización en los procesos defabricación, se han desarrollado los sistemas CAD/CAE/CAM (Computer Aided Dising/ ComputerAided Engeenier/ Computer Aided Manufacturing), estos pueden aplicarse en las áreas de ControlNumérico, de Planificación de los procesos de fabricación, en la de Robótica y de Dirección deEmpresa.

A partir de la información geométrica del modelo diseñado en CAD y de los parámetros demecanizado descritos en la planificación del proceso de fabricación, los procesadores del propiosistema CAD/CAM generan en un lenguaje propio las instrucciones de controles numéricos , lascuales son simuladas en el ordenador, antes de enviarlas al controles numéricos de la MH, paracorroborar la perfección del programa. A continuación se realiza un postprocesado para adaptar elprograma a las instrucciones ISO correspondientes a la MHCN a utilizar.

Fases de funcionamiento del programa CAD/CAM.

� Creación del dibujo (origina una base de datos de entidades: geometría, acotación).� Descripción del mecanizado (aumenta la base de datos con otras entidades: camino de la

herramienta, velocidad de corte y de avance).� Traducción de las entidades del mecanizado al lenguaje ISO de la MHCN Procesado y

Postprocesado.

Ejemplos: CATIA, PROINGENEER, CIMATRON, MASTERCAM.

Figura 14. Etapas de la aplicación “MASTERCAM”, cortesía de InterCAM S.A.

Las técnicas más reciente en la simulación de procesos es el método de elementos finitos. (FEM)

� Fabricación integrada por computador (CIM)

Se denomina CIM a la integración computarizada de todas las actividades que tienen lugar en unaEmpresa Industrial, entre ellas el Marqueting, Diseño y dibujo, Planificación y Control de laproducción, Fabricación y Envío del producto terminado.

� Fabricación Flexible

Una máquina herramienta es flexible si esta tiene la capacidad de fabricar piezas diferentes, tanto ensu forma geométrica como en el tipo de mecanizado a aplicarle, donde los tiempos de preparaciónson mínimos. Ejemplo:

� Poco flexible: En el Torno automático con levas sólo se puede mecanizar la familia de piezas para lascuales se dispone del juego de levas y con unos tiempos de preparación largos.


� Muy flexible: El Centro de mecanizado puede mecanizar diferentes piezas con una amplia gama deoperaciones de mecanizado y con unos tiempos de preparación mínimos.

Por lo tanto la fabricación flexible es un sistema que permite la producción automática y simultánea de unafamilia de piezas diferentes dentro de una cierta gama de volúmenes, tamaños y formas, minimizando eincluso anulando, los costes adicionales por el cambio de fabricación, lo cual proporciona una productividady unos costes unitarios solo alcanzados hasta ahora por la fabricación de grandes series. Por lo que es unsistema que combina tecnologías de CONTROLES NUMÉRICOS C con tecnologías de manipulaciónautomática de materiales y herramientas, con ensamblaje de piezas y sobre todo con el soporte deHardware y Software necesario para conseguir un sistema integrado, encaminado a alcanzar un procesoautomático de piezas y subunidades a través de una serie de estaciones de trabajo que componen elsistema total

� Principales funciones desarrolladas por un sistema de fabricación flexible:

� Mecanización automática.� Cambio automático de piezas y herramientas.� Transporte automático entre máquinas.� Identificación de piezas y herramientas.� Auto corrección de desviaciones.� Gestión de máquina, materiales y herramientas.

� Características de una fabricación flexible.

� Flexibilidad.- Producto (forma, dimensiones, materiales, previsión). Se logra mediante controles numéricosde diseño modular, donde el producto terminado se obtiene del ensamblaje de una granvariedad de grupos.-Producción (cantidad, lotes, programas). Se logra reduciendo al mínimo los tiempo deprogramación de máquinas, se automatizan almacenes, transportes, manutención, y seflexibiliza la mano de obra con una mayor formación y polivalencia.

� Automatización en el mecanizado: Cambio de pieza y herramienta, transporte, identificación,limpieza y verificación de piezas.

� Productividad: Mediante la rapidez en el cambio de herramienta y de pieza, pocas averías yoptimización del mecanizado.

� Calidad del producto. Inspección de piezas, Precisión de máquinas, Estabilidad térmicas, Rigidezy Autocorrección.

� Fiabilidad del proceso. Control de desgaste, Control de desviaciones, Control de condiciones demecanizado y mantenimiento preventivo.

� Control de la célula de fabricación flexible: Para la coordinación de todo el taller se precisa la incor-poración de un sistema informático que centralice el control distribuido de los ordenadores de la plantade fabricación, además tendrá que vigilar el estado global del taller y registrar las piezas fabricadas yunidades ensambladas y debe comunicarse con el ordenador central que se ocupará de la dirección dela producción, enviando toda la información necesaria, instrucciones sobre piezas, herramientas,utillajes, etc. Es decir se alcanza la integración de las nuevas tecontroles numéricos ologías, surgiendoel CIM.


Figura15. Célula de fabricación flexible, cortesía de Hitachi Seiki Co., Ltd.

� Manufactura integrada por ordenador. (CIM).

� Funciones que se integran en el CIM:

� Plan de Empresa.Simulación económica.Previsiones a largo plazo.Servicios de pedidos.Gestión de inventarios de productos acabados.

� Ingeniería.Anteproyecto asistido por ordenador.Diseño de herramienta asistido por ordenador. Tecontroles numéricos ología de grupo.CAD (Diseño Asistido por Ordenador).

� Planificación de producción.Sistema de planificación de procesos.Programación de componentes.Gráficos de CONTROLES NUMÉRICOS .Catálogo de materiales y herramientas.Programación de necesidades de materiales (MAP).Simulación de la planificación de cadenas de producción.Gestión de inventarios de materiales y componentes.

� Control de fabricación.Aprovisionamiento. Recepción.Métodos y estándares.Gestión de inventario de obra en curso.Programación a corto plazo.Sistema de seguimiento de ordenes de fabricación.

� Monitorización de planta.Monitorización carga de máquinas.Monitorización prestaciones de máquinas.Monitorización horas por hombre.Monitorización almacenes de materiales.Mantenimiento preventivo.Pruebas de calidad de obra en curso.

� Automatización de proceso.Control numérico, digitalizado y computarizado (NC, DNC, CONTROLES NUMÉRICOSC). Control adaptativo.Montaje automático.


Inspección automática.Ensayos computarizados.

� Robot industriales

� Generalidades.Entre las prestaciones de la Célula Flexible tiene un papel importante la manutención o manipulaciónde piezas y herramientas realizada a través de los manipuladores.

Tipos de manipuladores en general utilizados en la Célula Flexible:

� Manipuladores de ciclo fijo.� Manipuladores programables.� Robots de aprendizaje.� Robots con controles numéricos C.� Robots inteligentes (con sensores).

Un Robot Industrial es un manipulador mecánico multifuncional reprogramable diseñado para trasladode piezas, herramientas o dispositivos especiales mediante movimientos variados, programados parala ejecución de operaciones diversas.

Los robots en muchas tareas no sólo sustituyen al hombre sino que lo superan por las siguientes razones:

� Pueden manipular piezas y cargas de peso muy elevado y con altas temperaturas. Ej. extracciónde piezas de las cámaras de los hornos.

� Trabajan en ambientes hostiles, de atmósferas muy contaminadas. Ej. pintura.� Soportan niveles de ruido no admisibles para el hombre.� Pueden trabajar 24 horas diarias.

Sabemos que el Robot Industrial es un elemento por si mismo de automatización flexible, gracias asu carácter multifuncional y reprogramable, pero además requiere su integración con las otrasmáquinas y sistemas del entorno, donde existen tres niveles de sistema de automatización:

� Sistema robótico: Formado por uno o más robots con sus correspondientes terminales y losdispositivos complementarios, llamados elementos peri-robóticos (sensores, alimentadores).

� Célula de fabricación flexible: Formada por una o más máquinas herramientas y otros sistemasauxiliares dispuestos en forma de célula, donde el robot, posiblemente ubicado en el centro de lacélula, funciona como servidor del sistema. (carga, descarga, inspección).

� Sistema fabricación flexible: Formado por un conjunto de MH y sistemas auxiliares dispuestos enforma de líneas de fabricación. El robot interviene como una máquina más, o bien haciendofunciones de manipulación o inspección. El control supervisor del conjunto siempre está porencima del control de los robots que intervienen.

Tomando como referencia la manufactura, es decir fabricación a mano, la automatización puede ser:

� Automatización rígida. Maquinaria se ajusta físicamente al producto fabricado, modificaciones enel producto implican modificaciones largas y costosas en la máquina.

� Automatización programable. Maquinaria puede adaptar los movimientos y operaciones pormedio de un programa.

� Automatización flexible. Automatización programable en que el sistema es capaz de fabricarsimultáneamente cierta variedad de productos, según una secuencia aleatoria.

� Automatización inteligente. Forma de automatización flexible capaz de generar el programa deoperaciones automáticamente, en parte o total, en función del conocimiento inicial que posee, ode modificar el programa en función de la información de su entorno que obtiene mediante lossensores. Además es el resultado del desarrollo, la integración y la aplicación, en los sistemas defabricación de técontroles numéricos icas nuevas y muy sofisticadas, de la inteligencia artificial yde los sistemas de percepción artificial (visión y tacto artificial, reconocimiento de la voz, etc).


Uno de los índices sobre el grado de automatización avanzada de un país lo constituye el parque derobots industriales instalados y su evolución.

� Ejemplo de participación de un Robot en la Célula de fabricación flexible de Torno.

Estructura del Robot Industrial:� Estructura mecánica:

� Estructura articulada: Formada por la Base, el Brazo y el Puño.� Accionamientos (motores, transmisiones y sensores).

� Unidad de control con memoria para registrar instrucciones y actuar en función de ellas indefinida-mente.

Los Robots según la estructura del brazo pueden ser:� Cartesianos� Cilíndricos� Esférico� Angular� Scara� Vertebrado.

Según la estructura del puño pueden ser: De 1 eje, De 2 ejes, De 3 ejes.

� Aplicaciones industriales

Las aplicaciones, de acuerdo a las características y prestaciones necesarias para la ejecución dedeferentes operaciones, se pueden clasificar en:

� Manipulación de objetos. Ej. Transferencia, Paletización, Carga y Descarga de máquinas.� Operaciones de proceso. El robot manipula una herramienta. Ej. Soldadura por puntos y por arco,

Pintura por proyección.� Montaje de piezas. Se aplica en la colocación de diversas piezas en posiciones relativas y

eventualmente su fijación mediante elementos de unión, formando un conjunto más complejo o grupo� Inspección de piezas.

Paletizado de cajas Manipulación de materiales

Soldadura por arco Ensamblaje de carrocería

Figura 16 . Aplicaciones industriales de los robots, cortesía de ABB Flexible Automation.


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