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1
1. Fundamentos de Diseño Mecánico
2. Materiales en el Diseño de Máquinas
3. Coeficiente de Seguridad en el Diseño de Máquinas
4. Procesos de Fabricación
Bloque 1: FUNDAMENTOS DEL DISEÑO MECÁNICO
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2
Fases en el proyecto
Planteamiento del problema
Control del dibujo
Selección de la fabricación
Elección del material
Dibujo del conjunto
Varias soluciones
Dimensiones principales
Plano de conjunto y
lista de piezas
Planos de taller
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3
Elección del materialSelección
del material
DIMENSIONES
Solicitaciones
Esfuerzos y deformaciones razonables
Teoría de Fallo
Demanda
SolicitacionesDecisión
Oferta
Materiales
ESTÁ DEFINIDADISEÑO
INFORMACIÓNMÚLTIPLE
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Elección del materialConsiderar las exigencias de:
• La función, el esfuerzo, la vida ...
• La configuración, fabricación
Atención a
• Costos fabricación
• Adquisición
En general, apoyarse en experiencia.
Utilizar materiales “usuales” en calidades “usuales”
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5
Propiedades de los metales• Tensión de rotura: tensión a la cual el cuerpo que
está sometido a ella, se rompe.
• Alargamiento de rotura: alargamiento unitario que tiene el cuerpo, en el momento de romperse (%)
• Límite de elasticidad: tensión máxima por debajo de la cual el cuerpo es elástico
nσ P lE
ε S λ
Tensión de fluencia, y
Límite de
proporcionalidad
Tensión de
rotura, R
Tensión
Deformación,
Ley de Hooke
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6
coeficiente de alargamienton
1 ε S λ
E σ P l
módulo de elasticidad transversaltτ P
Gγ S γ
coeficiente de deslizamiento t
1 γ S γβ
G τ P
coef. de contracción contrac. unitaria
alargamiento unitarioc
c
1 ε
μ εm coef. de Poisson
m 1β 2 (1 μ) α 2· α
m
EG
2·(1 μ)
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Ductilidad: grado de deformación que sufre el material
antes de que se produzca la rotura (opuesto: frágil)
Dúctil si porcentaje de elongación > 5%
Fácil detección de rotura inminente
f 0
0
L LPorcentaje de alargamiento 100%
L
Lo
Lf
En elementos sometidos a carga repetida o brusca, emplear materiales con % elongación > 12%
Otra medida de la ductilidad mediante la medida de la sección transversal
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8
YYC
σTensión de fluencia a cortadura σ
2
YR YTensión de rotura a cortadura σ 0.75·σ
Dureza: resistencia que ofrece un material a ser
penetrado por otro
Los métodos de ensayo más utilizados son:
• Rocwell, distintos procedimiento, los más conocidos son la dureza Rocwell C (HRC), o la Rocwell B (HRB)
• Brinell (BHN o HB)
• otros métodos, todos ellos están relacionados entre sí, y además están relacionados con la tensión de rotura del material
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Maquinabilidad: facilidad para ser mecanizado hasta un acabado superficial fino
Tensión de impacto
Resiliencia: energía necesaria para romper por choque un
cm2 de sección del material
resiliencia fragilidad resistencia al choque
Propiedades físicas.
•densidad
•Coeficiente de dilatación térmica ()
•Conductividad térmica
•Resistividad eléctrica0
cambio longitud εα
L ΔT ΔT
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Desgaste• Clases:
Deslizamiento Rodadura
Abrasivo Corrosión
• Factores:
Materiales emparejados Sustancia interpuesta
Carga Cinemática
Otros factores (temperatura, etc.. )
• Disminución:
materiales., movimiento, presión superficial, coeficiente de rozamiento, temperatura límite, etc...
Prever sus consecuencias
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Tratamientos
• Mecánicos
– En caliente:
Forjado
Laminado
– En frío:
Estirado
Trefilado
• Térmicos:
– Recocido
– Normalizado
– Temple
– revenido
• Químicos(endurecimiento superficial)
– Cementación
– Nitruración
– Cianuración
– Sulfinización
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Hierros y
Aceros
%C > 5% Hierros
< 1,7 forjables (Acero). Si el %C es muy bajo no
templan
> 1,7 no forjables, soldables ni templables, sólo
fundibles (fundiciones)
Estado líquido
Estado sólido
1528 ºC
0,89
1145 ºC
721ºC
906ºC
%C
4,25 1,7
%Fe
1 5 3
99 95 97
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Fundiciones utilizadas en industria: 2,4 < %C < 5
fabricación de engranajes de grandes dimensiones, ménsulas, partes de cadenas, bastidores de máquinas, etc.
Aceros contienen:
Impurezas: P, S (< 0,04%)
Elementos de aleación:
Cr: aumenta la dureza y la resistencia al desgaste, con contenidos altos: aceros inoxidables
Ni: mayor plasticidad, facilita la forja y Ttos
Térmicos
Mo: (~ Ni) aumenta la resistencia en caliente
Va: (~ Mo) aumenta la resistencia al fuego
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Fundiciones
1. Fundición Gris
Aleación de Hierro fundido con un contenido en C mayor al 1.7% (generalmente entre el 2 y 4 %)
Usado preferiblemente en piezas fundidas, siempre que sus propiedades mecánicas sean suficientes
Barato
Fácil colabilidad (bajo coeficiente de contracción poca tendencia a formar rechupes)
Fácilmente Mecanizable
Frágil, por lo tanto poco recomendable para solicitaciones por choque
Buenas propiedades de deslizamiento
Alta resistencia a la compresión
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Fundiciones1. Fundición Gris
Buen comportamiento a Fatiga, bastante cercano al de un acero
Difícil de soldar, suele necesitar un precalentamiento
Su nombre viene del color oscuro que tiene, debido al contenido de grafito en forma de hojuelas que le da ese tono
2. Fundición Blanca
Si todo el carbono de la fundición se encuentra en forma de cementita o perlita, sin presencia de grafito, la estructura es blanca y es lo que se conoce como fundición blanca.
Suele ser un producto muy frágil y duro de maquinar, pero también muy resistente al desgaste
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Fundiciones2. Fundición Blanca
A menudo se emplea un enfriador en la producción de fundiciones grises para conseguir un superficie muy dura dentro de un área particular de la fundición, manteniendo la estructuras gris mas deseable dentro de la parte restante
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Fundiciones
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3. Fundición Maleable
Se obtiene por el recocido de un hierro fundido blanco.
Se consigue que el carbono aparezca otra vez en forma de grafito, pero en vez de hojuelas se presenta en forma de nódulos
Se mejoran la resistencia a la tracción (más de 350 Mpa), con una elongación de hasta el 18% (un 1% para las fundiciones grises)
Debido al tiempo tan grande para el recocido (hasta 6 días para fundiciones grandes), es bastante más costoso que una fundición gris
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Fundiciones
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4. Fundición Nodular
En esencia es similar a una fundición maleable, ya que también tiene grafito en estado de nódulos
Se consigue con un recocido posterior con la adición de Magnesio
En ellas tenemos las ventajas de la fundición maleable (mejora de las propiedades dúctiles) y la fundición Gris (Facilidad de fundición y maquinado)
5. Acero Moldeado
Se utiliza en piezas fundidas de alta resistencia, elasticidad y tenacidad
Se puede soldar, forjar y templar fácilmente
El mayor inconveniente es la dificultad para fundirlo (formación de rechupes, tensiones de colada y Grietas térmicas)
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Fundiciones
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5. Acero Moldeado
Es más caro de una fundición gris
Permite abaratar el coste de piezas complejas, respecto de piezas realizadas por otros medios, por ejemplo soldadura
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Aceros EN 10020:2000
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Material en el que el hierro es el elemento predominante, elcontenido en carbono es, generalmente inferior al 2% ycontiene además otros elementos. Para un limitado número deaceros al cromo, el contenido en carbono puede ser superior al2%, pero este valor es el contenido límite habitual que separa el
acero de la fundición.
Clases de Aceros:
• Aceros no aleados
• Aceros inoxidables
• Otros Aceros Aleados
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Aceros No Aleados
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Se considera como acero no aleado aquel en el que el contenido, de cualquiera de sus elementos, es inferior al que se recoge en la siguiente Tabla.
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Aceros Inoxidables
25
Los aceros inoxidables son los aceros que contienen un mínimo de un 10.5% de Cromo y un máximo de un 1.2% de Carbono
Aceros AleadosSe considera como Acero aleado aquel que no cumpliendo con la
definición de acero inoxidable, el contenido, de al menos uno de sus elementos es superior al visto en la tabla anterior
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26
Designación AISI de los aceros
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27
Grupos de
Aleaciones
según
AISI
![Page 28: Tratamientos Termicos en Los Aceros [](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022082204/55cf924c550346f57b9546ed/html5/thumbnails/28.jpg)
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Uso de Algunos Aceros
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29
Ace
ros
para
herr
amie
ntas
y C
arbur
os
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Maquinabilidad de los aceros (UNE 36021)Gestol y Leroy (oct. 82)
• El mecanizado por arranque de viruta emplea a más de 106
personas en el mundo
• En Francia, el 80% del parque de máquinas herramienta está dedicado al mecanizado (4% P.I.B.)
• En EEUU se dedica a la fabricación el 10% PIB (Shaw)
Interesa desarrollar aceros de fácil maquinabilidad UNE 36021 para ello se añaden diversos elementos
• Mejor acabado superficial S
• Menos desgaste herramienta Se
• Menor consumo energía Te
• Mayor cantidad viruta arrancada Pb
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31
Maquinabilidad Aceros
Gran o fácil maquinabilidad, como cualidad prioritaria
De maquinabilidad mejorada (A.M.M.)
A. no aleados especiales para temple y revenido
A. para temple y revenido
A. para herramientas e inoxidables
A. para cementar
A los A.M.M. se les añaden elementos químicos para mejorar su comportamiento frente al arranque de viruta.
Este tipo de aceros se recogen en la norma UNE 36021
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Aceros al carbono
C 15
F - 110
C = 0,15 %
Mn = 0,55%
Si = 0,27%
Acero común para piezas poco solicitadas. Soldable, fácil deformación en frío y admite carburación superficial
C 45
F -1140
C = 0,45 %
Mn = 0,65%
Si = 0,27 %
Apto piezas resistencia media. Admite temple y revenido. Temple local por alta frecuencia
Aceros aleados de resistencia
35 Cr Mo 4
F - 1250
C=0,35%;Mn= 0,75
Si = 0,27%; Cr=1%
Mo =0,20%
Temple y revenido piezas de media responsabilidad . Precio moderado. Para masas medianas o pequeñas
35 Ni Cr Mo 16
F - 126
C=0,35%;Mn= 0,45
Si = 0,27%; Ni=4%
Cr=0,25%; Mo =0,3
Solo piezas alta responsabilidad, fuerte solicitación mecánica, resistencia a fatiga y masa grande. Alto precio.
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33
Aceros para cementar
C 10
F – 1510
C=0,10%
Mn= 0,35%
Si = 0,25%
Piezas poco importantes, resistente al desgaste por cianuración o cementación en capas menores de 0,5 mm. Núcleo poco resistente. Barato por ser acero al carbono
14 Cr Mo 4
F - 155
C=0,12 a 0,15%
Mn= 0,30 a 0,60
Si = 0,10 a 0,35% Cr= 1 a 1,30%
Mo =0,15 a 0,25
Amplio uso para cementar; piezas de media responsabilidad, no muy masivas. Buen compromiso entre resistencia al desgaste y resistencia mecánica del núcleo
14 Ni Cr Mo 12
F - 1560
C=0,14%
Ni=3 %
Cr=1 %
Mo =0,25%
Piezas de la más alta responsabilidad y resistencia elevada en el núcleo. Optimas características frente a fatiga. Precio Elevado. Solo cuando sea imprescindible.
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34
Aceros para TEMPLE por INDUCCIÓN
C 45
F – 1140
C = 0,45 %
Mn = 0,65%
Si = 0,27 %
Por su precio es apto para la resistencia local al desgaste, en piezas con núcleo no muy resistente. Baja templabilidad, no usar para temple profundo
45 Mn 5
SAE 1548
C=0,48%
Mn= 1,1 a 1,4%
Si = 0,25%
Piezas que exijan capas profundas en media y baja frecuencia, sin necesidad resistencia en el núcleo. Admite temple y revenido previos a la inducción en piezas poco masivas
40 Cr Mo 4
F - 1252
C=0, 40%, Mn=0,75% Si=0,27%
Cr=1 %
Mo =0,20%
Acero parecido al 35 Cr Mo 4, mayor dureza superficial por el %C. Ideal para temple y revenido de núcleo y temple por inducción superficial. Susceptible al agrietamiento, evitar entallas
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35
Aceros de alta MAQUINABILIDAD
13 Mn S 6
F– 210– A
C = 0,13 %
Mn = 1,20%
S = 0,20 %
Decolletaje, o en piezas de mucha mecanización. Piezas de baja solicitación en general. Admite cianuración y cementación a poca capa, solo para resist. desgaste
35 Mn S 8
F– 210– G
C=0,35 %
Mn= 1,5%
S = 0,15%
Piezas de media resistencia y difícil mecanización. Admite temple y revenido en piezas no muy másicas
Aceros de alta ELASTICIDAD
C 70
~F - 141
C = 0,7 %
Mn = 0,45%
S = 0,07%
Muebles de poco espesor, ya sean flejes o hilos, admite endurecimiento por laminación o por temple y revenido
55 Si Mn 7
~F - 144
Resortes masivos. Debe templarse y revenirse. Muy sensible a la descarburación. Uso común en ballestas barras de torsión, pinzas
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36
Metales No Férricos
1. Aluminio y Aleaciones del Aluminio
(DIN 1725)
2. Magnesio y Aleaciones de Mg (DIN 1720)
3. Cobre y aleaciones de Cobre
3.1. Bronce al Estaño (DIN 1705)
3.2. Bronce al Aluminio (DIN 1714)
3.3. Bronce al Plomo (DIN 1716)
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Metales No Férricos1. ALUMINIO Y ALEACIONES DEL ALUMINIO
(DIN 1725)
– Bajo peso específico ( = 2,7 ÷2,85)
– Relativamente elevada Resistencia
Alta conductividad eléctrica y térmica
– En elementos constructivos preferente aleaciones forjadas y fundidas
– Aleaciones de Al por fusión con Mg (5÷7 %) poseen buena resistencia al calor culatas de cilindros
Interesante elementos en movimiento rápido (émbolos, bielas, etc )
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Metales No Férricos2. MAGNESIO Y ALEACIONES DE MG (DIN 1720)
– Bajo peso específico ( = 1,85)
– Fácil arranque de viruta
Pequeñas bombas engranajes
Fundición gris (1)
Aleación Mg
doble coste en bruto que fundición gris
menor coste final por ahorro en mecanizado
– Bajo Módulo Elástico (E=4.400 kg/mm2)
insensible a golpes y choques
en cajas de transmisión actúa como amortiguador de ruido
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39
3. COBRE Y ALEACIONES DE COBRE
– Bronces (~ 80 % Cu, ~10 % Sn, ...)
3.1. Bronce al Estaño (DIN 1705)
Giefen – fundición // Sn – Estaño // Bronze – Bronce
G – SnBz 10 DIN 1705 ó 2. 1050.01 DIN 1705
– Materiales
bronces al Sn: G Sn Bz 14 // G Sn Bz 12 ..
bronces al Sn y varios mat. fundidos G Z Rg 10 ...
– Características: tenacidad, resistencia al desgaste, al agua de mar ....
– Adecuado: casquillos, cojinetes, discos de fricción
Metales No Férricos
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40
Metales No Férricos
3.2. BRONCE AL ALUMINIO (DIN 1714)
– Designación
G Fe Al Bz F50 DIN 1714 ó 2.0940. 01 DIN 1714
– Materiales
Bronce al Al de fundición
Bronce al Al y materiales diversos de fundición
• Br al Al y Fe fundido
• Br al Al y Ni de fundición (tornillos sin fin; ruedas de hélices; hélices de buques; cojinetes; etc.)
• Br al Al y Mn de fundición
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41
Metales No Férricos3.3. BRONCE AL PLOMO (DIN 1716)
– Designación
G Sn Pb Bz 10 DIN 1716 ó 2.1176. 01 DIN 1716
– Materiales
Bronce al Pb de fundición
Bronce al Pb y Sn de fundición
Ejemplo: G Sn Pb Bz 10; B = 23 kp / mm2
buenas propiedades deslizamiento y desgaste
resistencia a la corrosión
Adecuado para cojinetes de fricción con altas presiones de superficie
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MATERIALES TERMOPLÁSTICOS
• Ejemplos de uso:
– cojinetes, casquillos, engranajes, poleas, guías de deslizamiento, carcasas en neumática, apoyos, otras piezas
– cualquier elemento que requiera bajo coeficiente de fricción y gran resistencia al desgaste
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Materiales Termoplásticos
1. Lubricación
– Muy poco o en seco
– Es importante NO lubricar en industria textil, papelera de alimentación
2. Resistencia al desgaste
– Propiedades mejores que aceros y bronces si trabaja sin lubricar
– Trabaja en condiciones abrasivas
3. Corrosión y resistencia química
– Resisten amplia gama productos químicos, que actúan en algunos casos de lubricantes
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4. Resiliencia
– Reducen transmisión de vibraciones, y amortiguan los ruidos (gran elasticidad)
– Buena resistencia al impacto, evitando deformaciones permanentes
5. Bajo peso
– A igual volumen 7 veces menos que el bronce
– Mejora almacenamiento y manejo
6. Maquinabilidad
– Más fáciles y limpios de mecanizar que los metales
– Modificar el ángulo de corte de las herramientas
7. Coste final
– Bajo coste inicial, alta eficiencia, bajo manteniemiento
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• Recurrir a:– Fundición gris (estatores, placas, carcasas ... )
– Hierro fundido especial, para grandes esfuerzos
– Chapas de acero para soldar (carcasas, reductores)
– Acero templado para elementos sometidos a elevada presión con rodamiento (rodamientos, levas, ..)
– Material aglomerado, fundición gris blanca, bronce, aleaciones de Zn, Ak, etc.. para superficies sometidas a fricción
– Aleaciones (piezas pequeñas, grans serie, tornos aut.)
– Materiales especiales (desgaste intenso, acciones químicas, eléctricas, etc..)
– Otros materiales: plásticos, gomas, según elemento
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• Si la elección no está clara, analizar:
1. Exigencias impuestas al elemento constructivo
2. Condiciones de fabricación
3. Propiedades del material (ensayos)