instituto politecnico nacional - tesis.ipn.mxtesis.ipn.mx/jspui/bitstream/123456789/12577/1/1923...

INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL

Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica

Unidad Ticomán

Ingeniería aeronáutica

---------------------------------------------------------------------------------------------

―REDISEÑO Y MANUFACTURA DE LOS PERNOS QUE UNEN LAS

MEDIAS MASAS DE LA RUEDA DEL TREN DE ATERRIZAJE

PRINCIPAL DEL AVION ATR 42‖

---------------------------------------------------------------------------------------------

TESINA

QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE:

INGENIERO EN AERONÁUTICA

POR LA OPCIÓN DE TITULACIÓN:

SEMINARIO “MANUFACTURA DE ALTA PRECISIÓN”

PRESENTAN:

DEL VALLE MARTINEZ MARCO ANTONIO

LOPEZ ORTIZ FELIX EDGAR

SANCHEZ MIRANDA ARTURO ISRAEL

ASESORES:

M. EN C. ARMANDO OROPEZA OSORNIO

ING. CARLOS HERNÁNDEZ PÉREZ

MÉXICO D.F. 2013

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERíA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

UNIDAD TICOMÁN

QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE: INGENIERO EN AERONÁUTICA POR LA OPCIÓN DE TITULACIÓN: SEMINARIO

DEBERÁN PRESENTAR: LOS Ce. PASANTES: DEL VALLE MARTíNEZ MARCO ANTONIO LÓPEZ ORTIZ FÉLIX EOGAR SÁNCHEZ MIRANDA ARTURO ISRAEL

"REDISEÑO y MANUFACTURA DE LOS PERNOS QUE UNEN LAS

MEDIAS MASAS DE LA RUEDA DEL TREN DE ATERRIZAJE

PRINCIPAL DEL AVIÓN ATR 42"

LISTAS DE TABLAS y FIGURAS

RESUMEN

ABSTRACT

INTRODUCCIÓN

CAPÍTULO 1 ESTADO DEL ARTE

CAPÍTULO 11 CARACTERIZACIÓN DEL MATERIAL

CAPÍTULO 111 REDISEÑO y MODELADO

CAPÍTULO IV PROCESO DE MANUFACTURA

CAPÍTULO V TRATAMIENTO TÉRMICO

CONCLUSIONES

REFERENCIAS

ANEXOS

ApÉNDICE A

México, DF., a 20 de septiembre de 2013.

ASESOR

M. EN C . .,. ..'U'......."

CTORN¡;~-";~Z~,:·:'~~··;' · ~:~ ::~ >".~, O!n f. ce t ó r

CONTENIDO

LISTA DE TABLAS Y FIGURAS I

RESUMEN III

ABSTRACT IV

INTRODUCCIÓN V

OBJETIVO GENERAL VII

OBJETIVOS ESPECÍFICOS VII

ALCANCES VII

METODOLOGÍA VIII

CAPÍTULO 1 - ESTADO DEL ARTE 1

1.1 PERNOS DE USO AERONÁUTICO 1

CAPÍTULO 2 - CARACTERIZACIÓN DEL MATERIAL 4

2.1 METALOGRAFÍA 4

2.1.1 CORTE DE LA MUESTRA 5

2.1.2 DESBASTE 6

2.1.3 PULIDO 6

2.1.4 ATAQUE QUÍMICO 7

2.2 ENSAYOS MECÁNICOS 7

2.2.1 ENSAYO DE TRACCIÓN 8

2.2.2 ESFUERZO DE CEDENCIA 10

2.2.3 RESISTENCIA A LA TENSIÓN 10

2.2.4 PROPIEDADES ELÁSTICAS 11

2.2.5 ENSAYO DE DUREZA 12

2.2.6 DUREZA ROCKWELL 13

2.3 RECOCIDO NORMALIZADO 14

2.4 RESULTADOS 16

2.4.1 ACERO DESIGNACIÓN TX10 24

2.4.2 PROPIEDADES FÍSICAS 25

2.4.3 PROPIEDADES MECÁNICAS 25

CAPÍTULO 3 - REDISEÑO Y MODELADO 26

3.1 ROSCA UNJ 26

3.1.1 FORMA 27

3.1.2 DESIGNACIÓN 28

3.2 AJUSTES Y TOLERANCIAS 28

3.2.1 TOLERANCIAS GEOMÉTRICAS 29

3.2.2 SISTEMA DE AGUJERO BASE O AGUJERO ÚNICO 30

3.2.3 DETERMINACIÓN DE TOLERANCIAS DE AJUSTE 31

3.2.4 ACOTACIÓN FUNCIONAL 32

3.3 MODELADO 35

3.3.1 DESIGNACIÓN DE LA ROSCA DEL PERNO .3750-24UNJF-3A 36

3.4 SIMULACIÓN 37

CAPÍTULO 4 - PROCESO DE MANUFACTURA 39

4.1 TORNEADO Y OPERACIONES AFINES 39

4.1.1 CONDICIONES DE CORTE EN EL TORNEADO 40

4.1.2 OPERACIONES RELACIONADAS CON EL TORNEADO 40

4.2 FORJADO 42

4.2.1 FORJADO SIN REBABA 43

4.3 PROCESO DE MANUFACTURA DEL PROTOTIPO 45

CAPÍTULO 5 - TRATAMIENTO TÉRMICO 50

5.1 TRATAMIENTOS TÉRMICOS 50

5.2 TEMPLADO 51

5.2.1 CONSIDERACIONES PARA EL TEMPLADO 51

CONCLUSIONES 53

REFERENCIAS 55

ANEXOS 56

ANEXO I 56

ANEXO II 57

ANEXO III 58

ANEXO IV 59

ANEXO V 60

APENDICE A-PLANOS 61

i

LISTA DE TABLAS Y FIGURAS

Tabla 1 Dimensiones para probetas pequeñas estándar. 8

Tabla 2 Características del método de ensayo de dureza Rockwell. 14

Tabla 3 Resultados. 24

Tabla 4 Composición química Acero TX10. 24

Tabla 5 Propiedades mecánicas Acero TX10. 25

Tabla 6 Cuerda .3750-24UNJF-3A. 36

Tabla 7 Proceso de manufactura. 45

Tabla 8 Propiedades mecánicas después del tratamiento térmico. 52

Fig. 1 Perno que une las medias masas. v

Fig. 2 Esquema de la sujeción de las medias masas. vi

Fig. 3 Esquema de las medias masas de la rueda. vi

Fig. 4 Partes de un perno. 2

Fig. 5 Perno. 3

Fig. 6 Aplicaciones de los pernos. 3

Fig. 7 Etapas de la preparación metalográfica. 5

Fig. 8 Esmerilado burdo o tosco. 5

Fig. 9 Proceso de desbaste. 6

Fig. 10 Proceso de pulido. 7

Fig. 11 Probeta circular normalizada ASTM E8. 8

Fig. 12 Curva esfuerzo-deformación. 9

Fig. 13 Deformación localizada durante el ensayo de tensión de un material dúctil produciendo

una región de encuellamiento. 10

Fig. 14 Efecto de la temperatura (a) En la curva esfuerzo deformación y (b) Sobre las

propiedades a tensión de una aleación de Aluminio. 12

Fig. 15 a) Durómetro Rockwell AR20 MITUTOYO b) Proceso de medición. 13

Fig. 16 Normalizado. 15

Fig. 17 Recocido normalizado. 15

Fig. 18 Acero Recocido pulido y microscopio metalográfico Leica DM6000. 16

Fig. 19 Fotografía tomada a 500x en el microscopio Leica DM6000. 17

Fig. 20 Fotografía tomada a 500x en el microscopio Leica DM6000 (Acero Recocido). 18

ii

Fig. 21 Acero 1040: Microestructura Acero 1040 recocido. Muestra Ferrita y Perlita. Ataque en

4% de Picral más 2% Nital. Aumento 500x. 19

Fig. 22 Preparación de probetas, eliminación de la cabeza. 19

Fig. 23 Cilindrado, arranque de viruta. 20

Fig. 24 Probeta tipo "Hueso de Perro". 20

Fig. 25 Ensayo de tracción. 21

Fig. 26 Momento de la ruptura. 21

Fig. 28 Gráfica esfuerzo-deformación. 22

Fig. 27 Ruptura dúctil. 22

Fig. 29 Dureza Rockwell C. 23

Fig. 30 Rosca UNJ (Internal, External). 26

Fig. 31 Rosca UNJ externa. 27

Fig. 32 Símbolos utilizados para las tolerancias geométricas. 30

Fig. 33 Diagrama del análisis funcional. 33

Fig. 34 Sistema de las medias masas. 33

Fig. 35 Perno (vista isométrica). 35

Fig. 36 Vista frontal del perno. 35

Fig. 37 Cuerda Nacional Fina Unificada en V-60°. 36

Fig. 38 Mallado. 37

Fig. 39 Esfuerzo máximo. 38

Fig. 40 Esfuerzo máximo concentrado en la cuerda. 38

Fig. 41 Operación de torneado. 39

Fig. 42 (a) Careado, (b) Torneado ahusado, (c) Torneado de contornos, (d) Formado en torno,

(e) Achaflanado, (f) Tronzado, (g) Roscado, (h) Perforado, (i) Taladrado y (j) Moleteado. 42

Fig. 43 Forjado sin rebaba: (1) Inmediatamente antes del contacto inicial con la pieza de trabajo,

(2) Compresión parcial y (3) Final de la carrera del punzón y cierre del dado. Los símbolos v y F

indican movimiento (v = velocidad) y (F= fuerza aplicada). 44

Fig. 44 Etapas del proceso de manufactura del prototipo de un perno. 46

Fig. 45 Torneado general. 47

Fig. 47 Cabezal divisor. 48

Fig. 46 Roscado. 48

Fig. 48 Maquinado de la cabeza hexagonal. 49

Fig. 49 Prototipo terminado. 49

iii

RESUMEN

El presente trabajo pretende caracterizar el material del cual están hechos los

pernos que unen las medias masas del tren de aterrizaje principal del ATR 42-

500. Así como proponer un rediseño del mismo debido a la constante rotura de

éstos en la empresa Aeromar. Para ello, el componente mecánico de unión de

éstas masas ha sido observado a detalle mediante un proceso de metalografía,

pruebas de dureza y tensión para aproximarnos al tipo de material del cual está

compuesto dicho perno. De esta manera se propondrá un nuevo material, el

cual se desea sea más resistente, se propondrá el modelado del mismo así

como el proceso de manufactura.

iv

ABSTRACT

The present study aims to characterize the material of which facts are the bolts

that attach the half masses of the main landing gear of the airplane ATR 42-500.

As well as propose a redesign of the same due to the constant breakage of

these in the company Aeromar. This mechanical component has been observed

in detail through a process of metallography, hardness and stress tests for

approaching the type of material which is made the bolt. In this way will propose

a new material, which you want to be more resistant, and will propose the

modeling of the same as well as the manufacturing process.

v

INTRODUCCIÓN

El perno es una pieza metálica larga de sección constante cilíndrica,

normalmente hecha de Acero o Hierro. Está relacionada con el tornillo pero

tiene un extremo de cabeza redonda, una parte lisa, y otro

extremo roscado para la chaveta, tuerca, o remache, y se usa para sujetar

piezas en una estructura, por lo general de gran volumen.

Los pernos de uso aeronáutico se fabrican con diferentes materiales,

aleaciones de Acero, aleaciones de Aluminio y de Titanio, se les aplica

tratamientos anticorrosivos como el cadmiado en el caso de Aceros y anodizado

en el caso de aleaciones de Aluminio.

Durante el proceso de mantenimiento de la aeronave ATR 42 se ha encontrado

que en el momento en que se realizaba la inspección visual, uno de los 10

pernos que sujetan a las 2 masas que conforman el rin del tren de aterrizaje se

encontraba roto, provocando en algunos casos, que el neumático se desinflara

y por lo tanto se dañara. Este problema se ha presentado a lo largo de los

últimos 2 años, causando gastos innecesarios y pérdida de tiempo en

mantenimiento, debido a que era necesario cambiar de 4 a 8 pernos al mes. En

el presente trabajo se plantea, por lo tanto, el esclarecimiento de las posibles

causas que conllevaron a que fallara dicho componente, y así mecanizar un

perno capaz de soportar las condiciones de trabajo.

Fig. 1 Perno que une las medias masas.

http://es.wikipedia.org/wiki/Acero

http://es.wikipedia.org/wiki/Hierro

http://es.wikipedia.org/wiki/Tornillo

http://es.wikipedia.org/wiki/Roscado

http://es.wikipedia.org/wiki/Chaveta

http://es.wikipedia.org/wiki/Tuerca

http://es.wikipedia.org/wiki/Remache

http://es.wikipedia.org/wiki/Estructura#En_ingenier.C3.ADa

vi

Fig. 2 Esquema de la sujeción de las medias masas.

Fig. 3 Esquema de las medias masas de la rueda.

vii

OBJETIVO GENERAL

Rediseñar y manufacturar un perno que sea resistente a la rotura debida a las

cargas que se concentran en las medias masas que conforman la rueda del tren

principal de aterrizaje del ATR 42 320/500, producidas por las distintas cargas a

las que se encuentra sometido.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS

I. Realizar el estudio metalográfico del perno para conocer su

microestructura.

II. Realizar pruebas mecánicas para determinar el comportamiento

del material con el que está fabricado el perno.

III. Rediseñar el perno con un material más resistente que el original.

IV. Proponer un proceso de manufactura para el perno.

ALCANCES

En esta tesina se pretende rediseñar y proponer el proceso de manufactura de

un perno que sea resistente a las condiciones de trabajo a las que se encuentra

sometido este elemento mecánico, calculado y sustentado por la simulación de

software y pruebas mecánicas.

viii

METODOLOGÍA

1. Identificar el tipo de material del que está compuesto el perno, utilizando

pruebas metalográficas y mecánicas.

2. Rediseñar y proponer un material adecuado para el propósito.

3. Modelar por medio del software CATIA V5® y simular el comportamiento

de dicho elemento mecánico.

4. Proponer el proceso de manufactura del perno con los materiales

previamente seleccionados.

Capítulo 1 – Estado del arte

1

CAPÍTULO 1 - ESTADO DEL ARTE

1.1 PERNOS DE USO AERONÁUTICO

Los elementos de fijación roscados son los más utilizados cuando se desea

lograr una juntura de componentes segura y de gran rigidez, los utilizados en la

industria aeronáutica pueden ser de dos tipos, los pernos y los tornillos.

La diferencia entre ellos es que los primeros son utilizados en estructuras que

demandan gran resistencia, mientras que los segundos se aplican en

condiciones donde los estados de carga son bajos y no requieren una demanda

de seguridad alta.

Otra diferencia importante entre estos dos tipos de fijaciones es que los pernos

tienen un tipo de rosca diferente al del tornillo, es decir para fijar dos

componentes utilizando pernos se necesitará contar con una tuerca mientras

que para los tornillos se debe hacer un alojamiento hembra en uno de los

componentes para que el tornillo se fije y de esa forma fije a las dos partes.

Dentro de las partes de un perno, se puede definir el ¨cuello¨ de una fijación,

esta es la longitud no roscada que tiene un perno. Existen pernos que son

totalmente roscados, tienen aplicaciones particulares como unir dos piezas

donde no se necesite una zona no roscada; en general son pernos de

longitudes pequeñas (figura 4).


2

Los pernos de Acero utilizan aleaciones que soportan tensiones máximas de

830 MPa (120 kpsi) y son utilizadas en las estructuras aeronáuticas por su alto

compromiso de seguridad, es común utilizar pernos bajo la clasificación AN, MS

y NAS.

Debido a las consideraciones anteriores las especificaciones para pernos

aeronáuticos que están expuestos a tensiones cíclicas y dinámicas durante el

servicio a menudo requieren la fabricación de filetes por medio de rolado en frío

y luego estos ser tratados térmicamente.

Los pernos se usan en estructuras, máquinas herramientas, vehículos, prensas

y elementos de elevación, entre otros. En muchos casos, los pernos están

sometidos a cargas variables combinadas, por lo que debe aplicarse una teoría

de falla por fatiga. Un perno puede fallar en el núcleo o en los filetes; se debe

tener en cuenta el diámetro del perno, así como el número de filetes en

contacto con la tuerca.

Fig. 4 Partes de un perno.


3

Los pernos tienden a ser reemplazados por otros métodos de unión que

proporcionan mayor facilidad de manufactura y ensamble. Sin embargo, éstos

son ampliamente usados en las máquinas, debido a sus ventajas: versatilidad,

variedad, fácil montaje y desmontaje.

Los pernos de unión son métodos semipermanentes, y en esto radica su gran

ventaja ya que pueden montarse y desmontarse sin necesidad de destruirlos. El

perno va acompañado de una tuerca a diferencia de un tornillo que sólo es

enroscado.

Fig. 5 Perno.

Fig. 6 Aplicaciones de los pernos.

Capítulo 2 – Caracterización del material

4

CAPÍTULO 2 - CARACTERIZACIÓN DEL MATERIAL

Consiste en la obtención de información (composición, estructura, topografía,

morfología, propiedades en general) acerca de un material a partir de la

interacción de una señal (eléctrica, luminosa, térmica, etc.) con una porción del

material. Por tanto, toda caracterización de un material supone una agresión al

mismo, es decir, una perturbación del material. El estudio de la respuesta del

material a dicha perturbación nos permite obtener información acerca del

mismo.

2.1 METALOGRAFÍA

La metalografía estudia la estructura microscópica de los metales y sus

aleaciones. Antes de observar un metal al microscopio, es necesario

acondicionar la muestra de manera que quede plana y pulida. Plana, porque los

sistemas ópticos del microscopio tienen muy poca profundidad de campo y

pulida porque así observaremos la estructura del metal y no las marcas

originadas durante el corte u otros procesos previos.

Las fases de preparación de la probeta metalográfica (figura 7) son las

siguientes:

1) Corte de la muestra.

2) Montaje (opcional).

3) Desbaste.

4) Pulido.

5) Ataque químico.


5

2.1.1 CORTE DE LA MUESTRA

El corte es un proceso en el que se produce calor, por fricción, y se raya el

metal. Si el corte es muy agresivo, no veremos el metal que queremos estudiar

sino la estructura resultante de la transformación sufrida por el mismo. Para

reducir estos efectos al mínimo, hay que tener en cuenta las siguientes

variables: lubricación, corte a bajas revoluciones y poca presión de la probeta

sobre el disco de corte (figura 8).

Fig. 7 Etapas de la preparación metalográfica.

Fig. 8 Esmerilado burdo o tosco.


6

2.1.2 DESBASTE

Durante el proceso de desbaste se eliminan gran parte de las rayas producidas

en el corte. Se realiza sobre una superficie plana sin rugosidades con lijas de

distintos diámetros de partícula (200,300, 600), cada vez más finos. Cada vez

que se cambia de lija, es muy importante limpiar muy bien la probeta con agua

abundante para eliminar los posibles restos de partículas de la lija anterior, así

evitamos que se produzcan rayas por partículas que hayan podido quedar de la

lija anterior cuando estamos trabajando con un disco de grano más fino.

2.1.3 PULIDO

Se realiza con paños especiales. Como abrasivo, se utiliza alúmina; la cual se

aplica con agua. En el pulido apenas hay arranque de material y lo que se

pretende es eliminar todas las rayas producidas en procesos anteriores. El

pulido finaliza cuando la probeta tiene un acabado espejo perfecto.

Fig. 9 Proceso de desbaste.


7

2.1.4 ATAQUE QUÍMICO

El ataque químico pondrá de manifiesto la estructura del metal ya que atacará

los bordes de los granos y afectará de manera diferente a las distintas fases

presentes en el metal.

Para cada metal y aleación se utiliza un reactivo de ataque diferente. En el caso

del Acero el más utilizado es el NITAL, que se prepara disolviendo ácido nítrico

en etanol.

2.2 ENSAYOS MECÁNICOS

Para conocer las propiedades mecánicas de los metales o aleaciones se les

somete a ensayos mecánicos, que permiten obtener cifras que los caracterizan

y que se utilizan para que el empleo de estos materiales se haga en

conformidad a las mejores posibilidades que existen.

Las probetas de ensayo son muestras debidamente elegidas, a las cuales se

les da la forma y dimensiones apropiadas, para efectuar cada ensayo.

Los ensayos mecánicos consisten en someter las probetas a esfuerzos

controlados que se aplican en condiciones determinadas.

Fig. 10 Proceso de pulido.


8

Los resultados permiten expresar, en cifras, las cualidades de la muestra,

relativas a cada ensayo.

2.2.1 ENSAYO DE TRACCIÓN

El ensayo de tracción consiste en someter a una probeta normalizada a un

esfuerzo axial de tracción creciente hasta que se produce la rotura de la

probeta. Este ensayo mide la resistencia de un material a una fuerza estática o

aplicada lentamente. La probeta se dimensionó de forma proporcional, de

acuerdo a la norma ASTM E8/E8M, ―Métodos de prueba estándar para pruebas

de tensión en materiales metálicos‖.

Tabla 1 Dimensiones para probetas pequeñas estándar.

Dimensiones, mm

Para pruebas de especímenes con una longitud calibrada de cuatro veces el diámetro

Espécimen

Estándar

Tamaños pequeños de especímenes proporcionales al

estándar

Espécimen

1 Espécimen 2 Espécimen 3 Espécimen 4 Espécimen 5

G - Longitud calibrada 50.0 ± 0.1 36.0 ± 0.1 24.0 ± 0.1 16.0 ± 0.1 10.0 ± 0.1

D – Diámetro (*) 12.5 ± 0.2 9.0 ± 0.2 6.0 ± 0.1 4.0 ± 0.1 2.5 ± 0.1

R - Radio 10 8 6 4 2

A - Longitud de la sección reducida

(**) 56 45 30 20 16

La sección reducida puede tener un ahusado gradual desde los extremos hasta el centro, con los

extremos no más de 1 % más largos en diámetro, que el centro (control de la dimensión).

Fig. 11 Probeta circular normalizada ASTM E8.


9

Si se desea, se puede aumentar la longitud de la sección reducida para acomodar un extensómetro

de cualquier longitud calibrada conveniente. Las marcas de referencia para la medición de la

elongación deben, sin embargo, estar espaciadas a la longitud calibrada indicada.

Para un material dado, los resultados de un solo ensayo son aplicables a todo

tamaño y formas de muestras, si se convierte la fuerza en esfuerzo y la

distancia entre marcas y deformación. El esfuerzo y la deformación ingenieriles

se definen mediante las siguientes ecuaciones:

Esfuerzo ingenieril.

(2.1)

Deformación ingenieril.

(2.2)

Donde A0 es el área original de la sección transversal de la probeta antes de

iniciarse el ensayo es la distancia original entre las marcas calibradas y es

la distancia entre las marcas después de verse aplicado la fuerza F.

Fig. 12 Curva esfuerzo-deformación.


10

A partir de un ensayo de tensión se puede obtener información relacionada con

la resistencia y rigidez del material.

2.2.2 ESFUERZO DE CEDENCIA

Es el esfuerzo al cual la deformación plástica se hace importante. El esfuerzo

de cedencia es por lo tanto el esfuerzo que divide los comportamientos elástico

y plástico del material.

2.2.3 RESISTENCIA A LA TENSIÓN

Es el esfuerzo obtenido de la fuerza más alta aplicada, que es el esfuerzo

máximo sobre la curva esfuerzo-deformación ingenieril, la resistencia a la

tensión es el esfuerzo al cual se inicia un encuellamiento o estricción en

materiales dúctiles.

Fig. 13 Deformación localizada durante el ensayo de tensión de un material dúctil produciendo una región de encuellamiento.


11

2.2.4 PROPIEDADES ELÁSTICAS

El módulo de elasticidad o módulo de Young es la pendiente de la curva

esfuerzo-deformación en su región elástica esta relación es la ley de Hooke.

(2.3)

El módulo es la medida de la rigidez del material. Un material rígido, con un alto

módulo de elasticidad, conserva su tamaño y forma, incluso al ser sometido a

una carga en la región elástica.

El módulo de resistencia , es el área que aparece bajo la porción elástica de

la curva esfuerzo deformación, es la energía elástica que un material absorbe o

libera durante la aplicación y liberación de la carga aplicada respectiva mente.

LA RELACIÓN DE POISSON

La relación de Poisson relaciona la deformación elástica longitudinal producida

por un esfuerzo simple a tensión o compresión con la deformación lateral que

ocurre simultáneamente.

(2.4)

DUCTILIDAD

La ductilidad mide el grado de formación que puede soportar un material sin

romperse. Se puede medir la distancia entre las marcas calibradas antes y

después del ensayo. El porcentaje de elongación representa la distancia que la

probeta se alarga plásticamente antes de la fractura.

(2.5)


12

Los fabricantes prefieren un material dúctil afín de manufacturar formas

complicadas sin que se rompan durante el proceso.

EFECTO DE LA TEMPERATURA

Las propiedades a la tensión dependen de la temperatura. El esfuerzo de

cedencia, la resistencia a la tensión y el módulo de elasticidad disminuye a

temperatura más alta en tanto que, por lo general, la ductilidad se incrementa.

2.2.5 ENSAYO DE DUREZA

De manera genérica se entiende por dureza la resistencia superficial a la

deformación de un sólido. Aunque no es una propiedad fundamental de un

material, a partir de ella se pueden obtener informaciones acerca de las

características mecánicas del mismo, ya que está relacionada con las

propiedades elásticas y plásticas.

La dureza de un metal se mide forzando la indentación de un penetrador en la

superficie del metal. El penetrador, que normalmente es una bola, pirámide o

Fig. 14 Efecto de la temperatura (a) En la curva esfuerzo deformación y (b) Sobre las propiedades a tensión de una aleación de Aluminio.


13

cono, está fabricado con un material mucho más duro que el material a ensayar

(acero templado, carburo de Tungsteno o diamante).

Se aplica lentamente una carga, que presiona el penetrador contra la superficie

del metal a ensayar y perpendicularmente a ésta (figura 15-a). Después de

producir la indentación, se retira el penetrador (figura 15-b). Se calcula o se lee

en un dial un número empírico de dureza basado en el área del corte

transversal de la huella producida o en su profundidad.

a) b)

2.2.6 DUREZA ROCKWELL

Para los materiales duros se emplea como elemento de penetración un cono de

diamante de ángulo 120º y para los semiduros y blandos una bolita de acero de

1/16‖, deduciéndose la fuerza Rockwell de la profundidad conseguida en la

penetración.

Fig. 15 a) Durómetro Rockwell AR20 MITUTOYO b) Proceso de medición.


14

El cuerpo empleado para la penetración se hace incidir sobre la superficie de la

pieza a ensayar con carga previa de 10Kg. La profundidad de penetración

alcanzada constituye el valor de partida para la medición de la profundidad de la

huella. Después se aumenta en 140Kg la carga aplicada al cono (150Kg), y en

90Kg la aplicada a la bolita (100Kg), bajándose nuevamente el valor previo. Se

mide la profundidad de penetración que queda y en la escala del aparato se lee

directamente la correspondiente dureza Rockwell C (HRC) cono o la Rockwell B

(HRB) bolita.

Tabla 2 Características del método de ensayo de dureza Rockwell.

Ensayo Indentador Forma de la indentación Carga, P Numero de Dureza

Vista lateral Vista Superior

2.3 RECOCIDO NORMALIZADO

Los tratamientos térmicos modifican la estructura cristalina de un material sin

alterar su composición química otorgando características mecánicas al

material.

Su objetivo es dejar un material en estado normal, ausencia de tensiones

internas y con una distribución uniforme del Carbono. Suele emplearse como

tratamiento previo al temple y al revenido.


15

Se afina el grano de la estructura y se compensan irregularidades producidas

por deformaciones. El proceso consiste en calentar a temperaturas entre 750 y

980° C, por encima de los 50° C de la temperatura critica superior.

La muestra se somete a un recocido, a 850 °C, manteniéndola a 30 minutos

con dicha temperatura, posteriormente se deja enfriar en aire tranquilo para

obtener una estructura uniforme, reducir la dureza y la resistencia del material,

de esta forma recuperaremos la estructura original del material, ya que se

eliminan las tenciones internas y se disminuye el tamaño del grano y

haciéndose más fino, con lo cual se obtiene una estructura perlitica (figura 17).

Fig. 16 Normalizado.

Fig. 17 Recocido normalizado.


16

Para poder observar la estructura cristalina del Acero recocido, es necesario

lijar y pulir la superficie hasta obtener un acabado de tipo espejo, como la

muestra anterior. Finalmente se ataca con el reactivo NITAL y se observa en el

microscopio a 100x, 200x y 500x.

2.4 RESULTADOS

La muestra que se analizó en el microscopio tiene un Temple, por lo tanto la

comparación con otros materiales no será la adecuada, ya que los estudios

metalográficos ya existentes a Aceros de tipo comerciales fueron aplicados a

Aceros puros, es decir, sin algún tratamiento térmico que alterara su estructura

cristalina y sus propiedades mecánicas.

En la figura 19 podemos observar la formación de Martensita, que nos indica

que este Acero fue tratado térmicamente con un proceso de templado, el cual le

brindo mayor dureza y resistencia.

Fig. 18 Acero Recocido pulido y microscopio metalográfico Leica DM6000.


17

Para poder observar la microestructura natural del acero, fue necesario realizar

un tratamiento térmico conocido como recocido normalizado, el cual reduce las

tensiones internas y el tamaño del grano para regresar a su estructura cristalina

normal.

Posteriormente se realiza el estudio metalográfico el cual nos ayudará a

comparar las estructura cristalina de este Acero con metalografías de otros

Aceros, tomamos una muestra a 100x, 200x, y 500x, debido a que son los más

comunes que podemos encontrar en fuentes bibliográficas.

En la figura 20 es posible observar la predominación de Perlita (áreas grises y

negras) y Ferrita (áreas blancas), las áreas cafés en la figura son óxido, esta

fotografía fue obtenida con el equipo Leica DM6000 a 500x para su posterior

comparación.

Fig. 19 Fotografía tomada a 500x en el microscopio Leica DM6000.


18

Comparando la estructura anterior con las microestructuras obtenidas de

distintas bibliografías, encontramos un gran parecido a la estructura de un

Acero con porcentaje medio de Carbono, el rango de Aceros que tiene este

porcentaje de Carbono se encuentra entre un Acero 1035 y un Acero 1070.

Se presume que puede tratarse de un Acero 1040, el cual está conformado por

Ferrita y Perlita en su mayoría, como se muestra en la siguiente figura, el Acero

fue sometido a un recocido normalizado y atacado con el mismo reactivo que

utilizamos (NITAL):

Fig. 20 Fotografía tomada a 500x en el microscopio Leica DM6000 (Acero Recocido).


19

De acuerdo a la norma ASTM E8/E8M se maquinaron probetas (obtenidas de

pernos donados por Aeromar) a un tamaño proporcional al material disponible

para su análisis. Es necesario que el maquinado sea limpio, ya que no debe

contener ni una ralladura, debido a que es ahí donde se concentran los

esfuerzos y por consecuencia la prueba de tensión no arrojará datos correctos.

Fig. 21 Acero 1040: Microestructura Acero 1040 recocido. Muestra Ferrita y Perlita. Ataque en 4% de Picral más 2% Nital. Aumento 500x.

Fig. 22 Preparación de probetas, eliminación de la cabeza.


20

Finalmente el resultado son microprobetas del tamaño especificado en la norma

ASTM E8/E8M y con esto podemos realizar las pruebas de tensión, el torneado

debe realizarse con un avance lento y con revoluciones ligeramente altas

debido a que el material es muy duro, esto evitará que el cortador se

sobrecaliente y se rompa. Es importante agregar refrigerante a la hora del

maquinado.

Posteriormente las probetas fueron sometidas a ensayos mecánicos, para la

determinación de la resistencia del material, la dureza, el módulo de elasticidad,

el esfuerzo de cedencia y la resistencia a la tracción, dichos datos servirán para

la determinación para la sustitución del material y la determinación de las

cargas que podrá soportar el nuevo material.

Fig. 23 Cilindrado, arranque de viruta.

Fig. 24 Probeta tipo "Hueso de Perro".


21

Para la prueba de tensión se utilizó una carga de 3800 kg (simulando las carga

máxima que puede resistir el material), la cual se aplicó a las 4 probetas que se

maquinaron, con una velocidad de 0.5 mm por minuto, para tener una mejor

referencia de resultados. En la siguiente figura podemos observar que la

probeta falla en el centro de la longitud efectiva, es decir por dentro de los 3 cm

que establecía la norma:

Fig. 25 Ensayo de tracción.

Fig. 26 Momento de la ruptura.


22

En la siguiente figura es posible observar la ruptura del perno, la cual se

caracterizó por ser una fractura dúctil, la cual comenzó con la formación de un

cuello, antes de la ruptura se formó una grieta que se propagó de forma

perpendicular a la tensión aplicada hasta lograr la ruptura, en la cual se formó la

llamada ―estrella‖, los cual nos indica nuevamente que el Acero ensayado es un

Acero de medio Carbono.

En la siguiente gráfica se relacionaron los datos obtenidos en el ensayo de

tracción de 3 de las probetas.

Fig. 28 Gráfica esfuerzo-deformación.

-500

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

0 2 4 6 8 10

Esfu

erzo

(kg

f)

Deformación

Probeta 1

Probeta 2

Probeta 3

Fig. 27 Ruptura dúctil.


23

Para realizar una prueba de dureza es necesario tener una muestra del

material, la cual se obtiene con un corte de pieza perpendicular al eje

transversal de ésta, ya que es necesario tener caras planas paralelas, para

evitar movimientos durante el ensayo.

Por norma, es necesario realizar 5 mediciones de dureza en la muestra ya que

una sola medición no es confiable, la repetición de éstas nos arrojará la medida

correcta. Sólo se realizaron 4 mediciones, debido a que a partir de la segunda

muestra la lectura fue exactamente la misma y ya no fue necesaria una quinta

medición y se obtuvo una dureza Rockwell 43C.

En base a las pruebas realizadas anteriormente, se presume que el Acero

estudiado, del cual están conformados los pernos, es un acero asignación

SAE1040, debido a la comparación de su microestructura con la de otros

Aceros, así como la prueba de tracción y dureza, obtuvimos las siguientes

propiedades:

Fig. 29 Dureza Rockwell C.


24

Tabla 3 Resultados.

Probeta con tratamiento térmico

Propiedad Valor Unidades

E - Limite elástico 75

Resistencia a la

tracción

88.2

∆ - Dureza 43 (Rockwell)

A% - Alargamiento 24.5 %

∑% - Estricción 70.3 %

En base a los ensayos anteriores se propuso un nuevo material, el cual fue

elegido dentro de una serie de Aceros comerciales, este material es más

resistente que el acero designación SAE1040 y debido a que al maquinar en la

cuerda se concentran esfuerzos dentro de ésta, el nuevo material será capaz de

soportar más esfuerzos que el anterior.

2.4.1 ACERO DESIGNACIÓN TX10

Este Acero es utilizado para maquinaria, es un Acero al Cromo-Níquel-

Molibdeno y es muy resistente a la fatiga.

Es un Acero de baja aleación y medio Carbono, su alta templabilidad permite

obtener buenas propiedades en secciones grandes, es considerado como una

buena opción es donde se requiere de buena dureza y alta tenacidad, su

forjabilidad es muy buena, tiene buena maquinabilidad.

Tabla 4 Composición química Acero TX10.


25

2.4.2 PROPIEDADES FÍSICAS

Densidad: ⁄

⁄

Temperaturas críticas:

2.4.3 PROPIEDADES MECÁNICAS

Tabla 5 Propiedades mecánicas Acero TX10.

RESISTENCIA A LA TENSIÓN

(Kg/cm2)

PUNTO DE CEDENCIA (Kg/cm2)

% ELONGACIÓN

EN 50.8 mm.

REDUCCIÓN DE ÁREA

DUREZA BRINELL

7580 4800 21 50 215

Capítulo 3 – Rediseño y Modelado

26

CAPÍTULO 3 - REDISEÑO Y MODELADO

3.1 ROSCA UNJ

El estándar de la rosca UNJ (ASME B1.15) define un sistema de hilos muy

destacado en aplicaciones que requieren una alta resistencia a la fatiga. Fue

derivado a partir de una especificación militar (MIL-S-8879).

MIL-S-8879 se pensó utilizar principalmente para sujetadores en la industria

aeroespacial y en aplicaciones de componentes roscados. Debido al aumento

tanto en su uso y tipo de aplicaciones, la Sociedad Americana de Ingenieros

Mecánicos desarrolló y publicó la norma ASME B1.15 en 1995.

Fig. 30 Rosca UNJ (Internal, External).


27

3.1.1 FORMA

Las roscas UNJ tiene la misma forma que las roscas unificadas ASME / ANSI

B1.1, excepto:

Roscas externas: la raíz tiene un radio continuo prescrito máximo y mínimo, y

no es solamente redondeado debido al desgaste de la herramienta.

Roscas internas: el diámetro menor se incrementa para acomodar el radio

máximo de la raíz de la rosca externa. No hay ningún requisito de radio, ya sea

para la cresta o el fondo de la rosca interna.

Fig. 31 Rosca UNJ externa.


28

3.1.2 DESIGNACIÓN

La cuerda UNJ de un producto se identifica con la letra ―J‖ en el símbolo de la

rosca, y un símbolo para la clase de la rosca que incluye ―A‖ para roscas

externas o ―B‖ para roscas internas.

EL USO DE HERRAMIENTAS UNIFICADAS

Muchas de las roscas UNJ tiene la misma forma característica que las roscas

UN. Por lo tanto, algunas de las herramientas utilizadas para producir una forma

pueden ser utilizadas para producir otra.

Las roscas externas UNJ deben ser producidos con un radio raíz prescrito, por

lo tanto, una herramienta para rosca estándar unificada (UN) no puede ser

utilizada.

Las roscas internas UNJ no están obligadas a tener un radio de raíz, por lo

tanto pueden utilizarse machuelos diseñados para producir roscas unificadas de

la clase correcta de ajuste. La letra ―J‖ no tiene que ser marcada en la

superficie.

El producto de mayor diámetro menor de la rosca interna UNF requiere el uso

de machuelo más grande del que se utiliza cuando se producen roscas

unificadas.

3.2 AJUSTES Y TOLERANCIAS

Las condiciones de funcionamiento de una pieza obligan a establecer holguras

o aprietes entre ella y aquellas sobre las que se monta; por ejemplo, la

condición de deslizamiento entre un pistón y el cilindro sobre el que debe

moverse implica necesariamente la necesidad de un juego, la magnitud del

mismo dependerá de una serie de condiciones funcionales.

Para establecer criterios que permitan conjugar las condiciones funcionales con

los errores de los procesos de fabricación, manteniendo la intercambiabilidad,


29

se desarrollaron los sistemas de tolerancias. En la actualidad el más

ampliamente aceptado es el normalizado por ISO recogido en la norma UNE 4-

040-81, con sus variantes de sistemas de eje único o agujero único.

El propósito de los intervalos de tolerancia es el de admitir un margen para las

imperfecciones en la manufactura de componente, ya que se considera

imposible la precisión absoluta desde el punto de vista técnico, o bien no se

recomienda por motivos de eficiencia: es una buena práctica de ingeniería el

especificar el mayor valor posible de tolerancia mientras el componente en

cuestión mantenga su funcionalidad, dado que cuanto menor sea el margen de

tolerancia, la pieza será más difícil de producir y por lo tanto más costosa.

3.2.1 TOLERANCIAS GEOMÉTRICAS

Los límites de una pieza determinados por las tolerancias dimensionales

pueden comportar errores de forma no admisibles para el funcionamiento

correcto de las piezas.

Para delimitar los posibles errores de la geometría, se utilizan las tolerancias de

forma o geométricas aplicables a los distintos elementos constitutivos de una

pieza. La norma UNE 1-191-91 establece las definiciones, símbolos e

indicaciones utilizadas para los dibujos.

Zona de tolerancia aplicada a un elemento: Espacio geométrico dentro del cual

el elemento debe de estar contenido, de acuerdo con la característica de la

tolerancia puede ser una de las siguientes:

Superficie de un círculo.

Superficie comprendida entre dos círculos concéntricos.

Superficie comprendida entre dos líneas equidistantes o rectas paralelas.

Espacio interior a un círculo.

Espacio entre dos cilindros coaxiales.

Espacio entre dos planos equidistantes o dos planos paralelos.

Espacio interior a un paralelepípedo.


30

3.2.2 SISTEMA DE AGUJERO BASE O AGUJERO ÚNICO

Se denomina así, dentro del sistema de tolerancias ISO a un sistema de ajustes

en el que son nulas las desviaciones o diferencias inferiores para todos los

agujeros con posición H.

De esta forma los diferentes ajustes, juegos o aprietes se obtienen para la

misma medida nominal, con posiciones y calidades (amplitudes de tolerancia)

variables para los ejes, en consecuencia se producen juegos para los ejes en

que los límites superiores e inferiores estén por debajo de cero; aprietes,

cuando los dos límites están por encima del superior del agujero; y ajustes

inciertos (juego o apriete) cuando alguno de los límites de los ejes es inferior al

máximo del agujero.

Se denomina Ajuste a la relación mecánica existente entre dos piezas que

pertenecen a una máquina o equipo industrial, cuando una de ellas encaja o se

acopla en la otra.

Fig. 32 Símbolos utilizados para las tolerancias geométricas.


31

3.2.3 DETERMINACIÓN DE TOLERANCIAS DE AJUSTE

Cuando conocemos las condiciones límites de un ajuste, juego máximo y

mínimo o apriete máximo y mínimo que se desean utilizar, realizamos lo

siguiente:

1 - Se determina el valor de la tolerancia del ajuste Tj o Ta (según sea juego o

apriete). En el caso de un juego:

(3.1)

2 - Se reparte la tolerancia TJ entre dos tolerancias normalizadas tratando que

las diferencias entre las calidades de ejes y agujeros sea de uno o dos

grados de calidad, y que la mayor corresponda al agujero. La suma de las

tolerancias de eje y agujero elegidas debe ser lo más próxima posible a la

tolerancia del ajuste TJ y en todo caso inferior a ésta. En el caso de un

juego:

(3.2)

3 - Se elige el sistema de ajuste normalizado (agujero o eje único)

4 - Elegir el ajuste normalizado de acuerdo con los datos anteriores

Donde:

dm – diámetro superior para ejes

Dm – diámetro superior para agujeros

dM – diámetro inferior para ejes

DM - diámetro inferior para agujeros

La diferencia fundamental es aquella que nos permite definir la zona de

tolerancia respecto al valor nominal:

Agujero: (3.3)

(3.4)


32

Eje: (3.5)

(3.6)

La tolerancia t (para ejes) y T (para agujeros) es la variación máxima que puede

tomar la medida de una pieza o diferencia entre sus dimensiones límites.

CÁLCULO DE LA TOLERANCIA PARA EJE:

di= 0.3735‖

ds= 0.3745‖

De acuerdo a la siguiente fórmula:

(3.7)

Donde

CÁLCULO DEL AJUSTE CON JUEGO MÓVIL:

Se calcula el juego mínimo y el juego máximo, donde:

(3.8)

(3.9)

Sustituyendo valores tenemos:

3.2.4 ACOTACIÓN FUNCIONAL

Es la acotación basada en el análisis de las misiones a cumplir dentro de una

máquina o mecanismo de la pieza a acotar y se deduce directamente de las

condiciones de funcionamiento.


33

El objetivo de una acotación funcional es asegurar el funcionamiento correcto

de un mecanismo o conjunto mecánico, con las tolerancias más amplias

posibles (para disminuir el precio de coste) de sus componentes. Para ello, las

cotas funcionales deben de expresarse explícitamente (no por deducción de

otras) sobre cada pieza, siendo indicadoras de las condiciones necesarias para

que la pieza desempeñe su papel en el conjunto a que pertenece.

Para lograr el correcto montaje de las medias masas que conforman la rueda

del tren de aterrizaje principal del ATR-42 definiremos las tolerancias de los

diámetros de los componentes a los cuales debemos sumar las tolerancias de

posición de sus centros, a fin de que el montaje sea posible.

Tenemos el conjunto en el cual cada una de las piezas ha de ser fabricada

independientemente, por lo tanto se requieren condiciones de

intercambiabilidad total.

Fig. 33 Diagrama del análisis funcional.

Fig. 34 Sistema de las medias masas.


34

Donde:

1 y 2 son las medias masas que conforman al rin

3 está referido al perno

4 es la tuerca

Considerando las condiciones de montaje más desfavorables, tenemos que:

(3.10)

Considerando a t= 0.001‖ y un diámetro máximo del perno= 0.3745‖ de acuerdo

al diseño, tenemos que el diámetro mínimo del agujero será de:

La determinación del diámetro, máximo del agujero estará definida por el juego

máximo admisible el cual fue de 0.41397‖.

Si el diámetro del agujero resulta ser superior al mínimo, la tolerancia de

posición puede ampliarse, esta posibilidad queda expresada por la introducción

de la condición de máximo material. Suponiendo que D1 es el diámetro de

agujero comprendido entre el máximo y el mínimo:

(3.11)

Donde:

(3.12)

Siendo por lo tanto mayor que t, si:

(3.13)


35

3.3 MODELADO

En base a las consideraciones anteriores se realizó el modelado del perno que

une las masas que conforman el rin del tren de aterrizaje, para lo cual,

utilizamos el software de modelado CATIA V5®, se consideró la cuerda

analizada y el tamaño real del perno.

Fig. 35 Perno (vista isométrica).

Fig. 36 Vista frontal del perno.


36

3.3.1 DESIGNACIÓN DE LA ROSCA DEL PERNO .3750-24UNJF-3A

Tabla 6 Cuerda .3750-24UNJF-3A.

.3750 Diámetro Nominal = Diámetro Mayor

24 Número de Hilos por Pulgada

UN Nacional Unificada (60° – Cuerda en V-)

J Raíz con Radio Controlado — Alta Resistencia (Menor Diámetro Incrementado desde UN a UNJ)

F Cuerda Fina

3 Clase de Cuerda (Tolerancia)

A Cuerda Externa

B Cuerda Interna

Fig. 37 Cuerda Nacional Fina Unificada en V-60°.


37

3.4 SIMULACIÓN

Para realizar la simulación de concentración de esfuerzos, es necesario utilizar

el método del elemento finito, el cual, está referido a la aproximación de

soluciones de ecuaciones diferenciales parciales, para lo cual se malló el perno

en el software ANSYS V12®, utilizando las características del nuevo material:

En la siguiente figura podemos observar el comportamiento del perno, cuando

trabaja a tensión, debido a que une las medias masas que conforman la rueda,

la presión del neumático provoca que las medias masas tiendan a separase,

por lo que los 10 pernos que unen dichas masas, se encuentran en constante

trabajo para evitar un desastre, también podemos observar que el esfuerzo

máximo se encuentra en la cuerda que tiene el perno, ya que la cuerda tiende a

concentrar esfuerzos, y el esfuerzo mínimo está concentrado en la cabeza del

perno.

Fig. 38 Mallado.


38

Fig. 39 Esfuerzo máximo.

Fig. 40 Esfuerzo máximo concentrado en la cuerda.

Capítulo 4 – Proceso de Manufactura

39

CAPÍTULO 4 - PROCESO DE MANUFACTURA

4.1 TORNEADO Y OPERACIONES AFINES

El torneado es un proceso de maquinado en el cual una herramienta remueve el

material de la superficie de una pieza de trabajo cilíndrica en rotación. Esta

herramienta avanza linealmente en una dirección paralela al eje de rotación.

El torneado se lleva acabo tradicionalmente en una máquina herramienta

llamada torno, el cual suministra potencia para tornear la pieza a una velocidad

de rotación determinada con avance de la herramienta y profundidad de corte

especificados.

Se utiliza para la fabricación de piezas de revolución. El torneado consiste en

arrancar viruta por medio de un filo o herramienta que avanza longitudinalmente

mientras la pieza a mecanizar gira accionada por el torno.

Fig. 41 Operación de torneado.


40

4.1.1 CONDICIONES DE CORTE EN EL TORNEADO

Velocidad de rotación: se relaciona con la velocidad de corte requerida en la

superficie cilíndrica de la pieza de trabajo por la ecuación:

(4.1)

La operación de torneado reduce el diámetro del trabajo al final . El

cambio de diámetro se determina por la profundidad de corte d:

(4.2)

El avance en el torneado se expresa generalmente en . Este

avance se puede convertir a la velocidad de avance lineal en

mediante la fórmula:

(4.3)

El tiempo para maquinar una parte de trabajo cilíndrica de un extremo al otro

está dado por:

(4.4)

La velocidad volumétrica de remoción de material se puede determinar más

conveniente por la ecuación:

(4.5)

4.1.2 OPERACIONES RELACIONADAS CON EL TORNEADO

Careado: la herramienta se alimenta radialmente sobre el extremo del trabajo

rotatorio para crear una superficie plana.


41

Torneado ahusado o cónico: en lugar de que la herramienta avance

paralelamente al eje de rotación del trabajo, lo hace en cierto ángulo creando

una forma cónica.

Torneado de contornos: en lugar de que la herramienta avanza a lo largo de

una línea recta paralela al eje de rotación como en el torneado, sigue un

contorno diferente a la línea recta, creando así una forma contorneada en la

parte torneada.

Torneado de formas: la herramienta tiene una forma que se imparte al trabajo y

se hunde radialmente dentro del trabajo.

Achaflanado: el borde cortante de la herramientas se usa para cortar un ángulo

en esquina del cilindro y forma lo que se llama un ―chaflán‖.

Tronzado: la herramienta avanza radialmente dentro del trabajo en rotación, en

algún punto a lo largo de su longitud, para trozar el extremo de la parte.

Roscado: una herramienta puntiaguda avanza linealmente a través de la

superficie externa de la parte de trabajo de rotación y en dirección paralela al

eje de rotación, a una velocidad de avance suficiente para crear roscadas en el

cilindro.

Perforado: una herramienta de una punta sencilla avanza en línea paralela al

eje de rotación, sobre el diámetro interno de un agujero existente en la parte.

Taladrado: el taladrado se puede ejecutar en un torno, haciendo avanzar la

broca dentro trabajo rotatorio a lo largo de su eje.

Moleteado: es una operación de formado de metal que se usa para producir un

rayado regular o un patrón en la superficie de trabajo.


42

4.2 FORJADO

El forjado es un proceso de deformación en el cual el material se comprime

entre los dados, usando impacto o presión gradual para formar la parte. En la

actualidad el forjado es un proceso industrial importante, mediante el cual se

hacen una variedad de componentes de alta resistencia para automóviles,

vehículos aeroespaciales y otras aplicaciones, la industria del Acero y de otros

metales básicos usa el forjado para fijar la forma básica de grandes

componentes que luego se maquinan para lograr su forma final y dimensiones

definitivas.

Fig. 42 (a) Careado, (b) Torneado ahusado, (c) Torneado de contornos, (d) Formado en torno, (e) Achaflanado, (f) Tronzado, (g) Roscado, (h) Perforado, (i) Taladrado y (j) Moleteado.


43

Una manera de clasificar las operaciones de forja es mediante la temperatura

de trabajo. La mayoría de estas operaciones se realizan en caliente (por arriba

y por debajo de la temperatura de recristalización), dada la demanda de

deformación que el proceso requiere y la necesidad de reducir la resistencia e

incrementar la ductilidad del metal de trabajo, sin embargo, el forjado en frío

también es muy común para ciertos productos.

La ventaja del forjado en frío es la mayor resistencia que adquiere el material,

que resulta del endurecimiento por deformación.

4.2.1 FORJADO SIN REBABA

En la terminología industrial, el forjado con dado impresor se llama algunas

veces forjado en dado cerrado. Sin embargo, hay una distinción técnica entre

forjado con dado impresor y forjado con dado cerrado real.

La distinción es que en el forjado con dado cerrado, la pieza de trabajo original

queda contenida completamente dentro de la cavidad del dado durante la

compresión y no se forma rebaba. La secuencia del proceso se ilustra en la

figura 43. Para identificar este proceso es apropiado el término forjado sin

rebaba.

El forjado sin rebaba impone ciertos requerimiento sobre el control del proceso,

más exigentes que el forjado con dado impresor. El parámetro más importante

es que el volumen del material de trabajo debe igualar al volumen de la cavidad

del dado dentro de muy estrechas tolerancias.

Si la pieza de trabajo inicial es demasiado grande, la presión excesiva puede

causar daño al dado o a la prensa. Si la pieza de trabajo es demasiado

pequeña, no se llenará la cavidad.


44

Debido a este requerimiento especial, el proceso es más adecuado en la

manufactura de partes geométricas simples y simétricas, y para trabajar

metales como el Aluminio, el Magnesio o sus aleaciones.

El forjado sin rebaba se clasifica frecuentemente como un proceso de forjado de

precisión.

Fig. 43 Forjado sin rebaba: (1) Inmediatamente antes del contacto inicial con la pieza de trabajo, (2) Compresión parcial y (3) Final de la carrera del punzón y cierre del dado. Los

símbolos v y F indican movimiento (v = velocidad) y (F= fuerza aplicada).

Para realizar el forjado es necesario tomar en cuenta las siguientes

consideraciones:

Temperatura: 1050-850°C (1920-1560°F).

No se debe forjar por debajo de 825°C (1520°F).

El enfriamiento debe ser lento, en horno o material termoaislante.


45

4.3 PROCESO DE MANUFACTURA DEL PROTOTIPO

El proceso de manufactura del perno se divide en las siguientes etapas:

Tabla 7 Proceso de manufactura.

ETAPAS DEL TRABAJO HERRAMIENTAS

1 Sujeción y centrado de la herramienta. Buril de Cobalto y broca de centros

2 Refrentado y desbastado de la pieza al

diámetro mayor.

Buril de Cobalto para el desbaste y

acabado

3 Desbaste al diámetro menor. Buril de Cobalto para el desbaste y

acabado

4 Preparación del torno para el roscado,

sujeción y centrado del buril para la

rosca.

Buril para rosca

5 Tallado de la rosca. Buril para rosca

6 Biselado de contornos. Buril de Cobalto

7 Tronzado de la pieza. Buril para tronzar

8 Fresado de los cantos de la cabeza

hexagonal.

Cabezal divisor y cortador

9 Acabado en aristas. Lima para acabados

Instrumentos de medida y verificación: Calibrador pie de rey, escantillón, gage

para roscas finas, micrómetro.

Para el proceso de manufactura del perno se utilizó un torno y fresadora de tipo

convencional, para poder apreciar el proceso de manufactura del mismo, así

como los instrumentos de medición adecuados y herramientas necesarias para

cada etapa del proceso.


46

Para comenzar el torneado del perno se utilizó como herramienta un buril de

Cobalto y para el roscado un buril con el perfil de la rosca, obtenido con un

escantillón para darle un ángulo de 60°.

Es necesario alinear el cortador o buril al centro de rotación de la pieza ya

montada en el torno para obtener un corte lateral derecho del material y no

dejar residuos o rebabas, en este caso utilizamos una barra de Aluminio de

1/2‗‘. Una vez centrado el buril se procede a realizar un careado o refrentado al

perfil del material para dejarlo totalmente plano.

Fig. 44 Etapas del proceso de manufactura del prototipo de un perno.


47

Posteriormente con una broca de centros se le hace un barreno para colocar el

contrapunto en él, para sí evitar que el material se mueva. Mediante el proceso

de cilindrado se reducirá el diámetro de la barra a 0.650‗‘ debido a que este

valor pertenece al diámetro de la cabeza, el cual es el máximo.

Fig. 45 Torneado general.

Después se realiza un desbaste o cilindrado para llegar al diámetro requerido

del vástago el cual es de 0.375‘‘ por 3.125‘‘ de longitud, para cortar la punta

que contiene al barrero.

Una vez obtenida la medida necesaria se procede a realizar la cuerda con un

cortador más fino, con la característica particular de un ángulo de 60° en la

punta, este cortador tiene así el perfil necesario para la cuerda externa del

perno. El procedimiento es relativamente sencillo, debido a que se debe ajustar

el conjunto de engranes del torno para realizar cuerda, para esto también

utilizamos el reloj, el cual indicará el momento preciso para que la herramienta

corte.


48

Al término de estos pasos se procede a eliminar los filos de los cortes con un

ángulo de 45°. A continuación se realiza un tronzado de la pieza para reducir el

exceso del material al tamaño adecuado para colocarlo en la fresadora y

trabajar en el acabado de la cabeza.

Se alinea el cabezal divisor con el cabezal de la fresa. Después colocamos la

pieza en el cabezal divisor, y el cortador (5 mm de diámetro) en el cabezal de

la fresa. Se coloca el cortador a una distancia radial de 0.25 plg con respecto al

centro de la pieza.

Fig. 47 Cabezal divisor.

Fig. 46 Roscado.


49

Se procede a realizar el desbaste de una cara, ejecutando desbastes sucesivos

hasta obtener una profundidad de 0.170 plg. Se separa el cortador de la pieza,

para continuar con el desbaste de la siguiente cara. Con ayuda del cabezal

divisor se gira la pieza, haciendo girar seis vueltas la manivela del cabezal

divisor para colocar la pieza en la posición correcta, de esta manera se continúa

con el desbaste de la siguiente cara, así sucesivamente hasta completar las

seis caras de la cabeza hexagonal del perno.

Fig. 48 Maquinado de la cabeza hexagonal.

Por último se eliminan los filos de la cabeza generados durante el maquinado

con una lima.

Fig. 49 Prototipo terminado.

Capítulo 5 – Tratamiento Térmico

50

CAPÍTULO 5 - TRATAMIENTO TÉRMICO

5.1 TRATAMIENTOS TÉRMICOS

Es el conjunto de operaciones de calentamiento y enfriamiento, bajo

condiciones controladas de temperatura, tiempo, velocidad, presión, etc.

El propósito es mejorar las propiedades mecánicas de un material,

especialmente la dureza, la resistencia y la elasticidad.

Los tratamientos térmicos modifican la estructura cristalina de un material sin

alterar su composición química otorgando características mecánicas al

material. Los principales tratamientos térmicos son:

TEMPLE: Aumenta la dureza y la resistencia del Acero. Se calienta a una

temperatura más elevada que la crítica superior Ac (entre 900-950 °C) y

se enfría en un medio como agua, aceite.

REVENIDO: Sólo se aplica a Aceros previamente templados, disminuye

ligeramente los efectos del temple, conservando parte de la dureza y

aumenta la tenacidad. Disminuye la dureza y resistencia de los Aceros

templados, se mejora la tenacidad.

RECOCIDO: Es un calentamiento hasta la temperatura de austenización

(800-925°C) seguido de un enfriamiento lento. Aumenta la elasticidad,

disminuye la dureza y facilita así el mecanizado. Se deja enfriar el

material a modo que su temperatura disminuya progresivamente.

NORMALIZADO: Su objetivo es dejar un material en estado normal,

ausencia de tensiones internas y con una distribución uniforme del

Carbono. Se afina el grano de la estructura y se compensan


51

irregularidades producidas por deformaciones. El proceso consiste en

calentar a temperaturas entre 750 y 980° C.

5.2 TEMPLADO

Su propósito es aumentar la resistencia a la tracción, elevar el límite elástico y

la dureza del Acero.

Para ello, se lo lleva a una temperatura ligeramente más elevada que la crítica

superior (entre 900-950 °C) y se luego se lo enfría rápidamente a mayor o

menor velocidad (según las características de la pieza) en un medio que puede

ser agua, aceite o una solución, a temperatura ambiente o más elevada.

Este rápido enfriamiento asegura que los racimos de cristales no tengan tiempo

de crecer de una manera organizada, con el resultando que los granos se

mantienen pequeños y con bordes más irregulares, lo que contribuye a su

cohesión y resistencia.

5.2.1 CONSIDERACIONES PARA EL TEMPLADO

Para realizar un temple a nuestro material y lograr que adopte las

características antes mencionadas, es necesario tomar en cuenta las siguientes

consideraciones, recomendadas por los distribuidores:

Precalentar: a 595-650°C (1100-1250°F).

Temple (austenización): a 830-860°C (1530-1580°F) por alrededor de

media hora por 1 pulgada de sección del material, más 15 minutos por

cada pulgada adicional.

Enfriamiento: Al aceite.


52

Revenir: 200-500°C (395-935°F). Debe llevarse a cabo inmediatamente

después del temple. Preferentemente dar doble revenido con un tiempo

de permanencia de 2 horas en cada revenido.

El revenido es un tratamiento complementario del temple, el fin de éste es variar

la dureza del material y su resistencia mecánica, reduce las tensiones internas

que se originan por el temple.

Por lo que las propiedades mecánicas del Acero TX10, con sus respectivos

tratamientos térmicos, son las siguientes:

Tabla 8 Propiedades mecánicas después del tratamiento térmico.

RESISTENCIA A

LA TENSIÓN (Kg/cm2)

PUNTO DE CEDENCIA (Kg/cm2)

% ELONGACIÓN

EN 50.8 mm.

REDUCCIÓN DE AREA

DUREZA BRINELL

Recocido (810ºC) 1"Ø

7580 4800 21 50 215

Normalizado (870ºC)

1"Ø 2"Ø 4"Ø

13030 12415 11305

8775 8035 7230

12 13 13

36 37 36

360 340 320

Templado (815ºC) y Revenido (540ºC)

1"Ø 2"Ø 4"Ø

12285 11940 11570

11660 11200 10200

14 16 15

46 55 53

350 340 330

Conclusiones

53

CONCLUSIONES

De acuerdo a los ensayos que se realizaron en este proyecto, se comprobó que

el material del cual están hechos los pernos que unen las medias masas tenían

un tratamiento térmico; temple, como se observó en la primer metalografía el

material era de tipo martensítico por lo cual tenía una gran dureza. Se sometió a

un recocido normalizado a 850° C durante 30 minutos, para reducir la dureza y

la resistencia del material y de esta manera poder observar la microestructura

normalizada del mismo. Enseguida, el resultado se comparó con otras

metalografías, de Aceros con distintos porcentajes de Carbono. Se presume

que el Acero del cual está fabricado el perno cuenta con un porcentaje medio

de Carbono, debido a que la metalografía obtenida era muy similar a la de un

Acero designación SAE1040 a 500 aumentos (500x), ya que la formación de

Perlita y Ferrita eran muy similares. Posteriormente se realizaron ensayos de

tipo mecánicos, tracción y dureza, esto con el fin de determinar las propiedades

mecánicas del material. El ensayo de tracción se efectuó de acuerdo a la norma

ASME E8, designada para probetas de de sección circular y se hizo en

proporción al material que teníamos, obtenido de pernos donados, esta prueba

determinó el tipo de material del cual se trataba, se pudo constatar que de

nuevo que el material tenía un porcentaje medio de Carbono, debido a que se

formaba una estrella en el lugar de la rotura, lo cual indicaba que era una rotura

de tipo dúctil, característico de materiales con grado medio de Carbono. Se

calcularon las tolerancias y ajustes del perno en relación al sistema agujero

base tomando en cuenta el ensamble de las medias masas que forman la

rueda, para lograr así la intercambiabilidad. Conforme a dichos cálculos se

modelo el elemento mecánico, para posteriormente realizar un análisis en

ANSYS V12® para la determinación de los esfuerzos máximos generados

debido a la presión de los neumáticos y para la validación del nuevo material.

La rosca que tiene el perno es de tipo UNJ y ésta es especial para elementos

que se encuentran en constante fatiga. El proceso de manufactura consiste en

Conclusiones

54

cortar las barras del material al tamaño necesario, las cuales, han sido

obtenidas mediante un rolado en caliente, con la finalidad de evitar posibles

dislocaciones, a continuación en un torno CNC se realizan las operaciones de

maquinado del diámetro que se necesita, así como el maquinado del vástago

del perno, la parte en donde se generará la cuerda y el chaflán, que permite que

centre al perno al momento de ensamblar. Posteriormente la parte que

conforma la cabeza es calentada mediante una bobina de inducción por debajo

de la temperatura de recristalización para poder forjar la cabeza del perno. La

cabeza se va deformando paulatinamente mediante un dado cerrado (forjado

sin rebaba o de precisión), hasta finalmente darle la forma requerida, luego la

cuerda es rolada en frio, mediante unos rodillos con la forma del perfil de la

cuerda, dándole mayor resistencia que si fuera maquinada. Y finalmente el

perno es sometido a un tratamiento térmico de temple, en donde, el material es

calentado a cierta temperatura durante un tiempo establecido, los cuales son

señalados por el fabricante, este tratamiento modifica la microestructura del

material y las propiedades mecánicas del mismo, le brinda mayor dureza y

resistencia al material.

Referencias

55

REFERENCIAS

[1] Introducción A La Metalurgia Física, Ed.Mc Graw Hill - 2da Edición, Sydney

H. Avner.

[2] Fundamentos De Manufactura Moderna, Ed. Prentice Hall -1ra Edición,

Mikell P. Groover.

[3] Science And Engineering Of Materials Solutions, Ed. International Thomson

Editors -3a Edición Donald R. Askeland.

[4] Prácticas De Laboratorio Sobre Resistencia De Materiales Ed. Mir, -1ra

Edición A.M. Afanásiev, V.A. Marien.

[5] Tratamientos Térmicos De Los Aceros, Ed. Dossat - 8ª Edición, José Apraiz

Barreiro.

[6] Fundamentos De La Ciencia E Ingeniería De Materiales, Ed.Mc.Graw Hill -

4ta Edición - William F. Smith & Javad Hashemi.

[7] ASM Metals Handbook Volume 9 - Metallography And Microstructures.

[8] Heat Treater's Guide Practices And Procedures For Irons And Steels.

[9] Manufactura, Ingeniería Y Tecnología, Ed. Pearson Education, 4ª Edición,

Sepore Kalpakjian.

[10] Elementos De Metalografía Y A De Acero Al Carbono, Ed. Andres Bello -1ª

Edición, R. L. Bernau.

Anexos

56

ANEXOS

ANEXO I

Anexos

57

ANEXO II

Anexos

58

ANEXO III

Anexos

59

ANEXO IV

Anexos

60

ANEXO V

Apéndice A-Planos

61

APENDICE A-PLANOS

Apéndice A-Planos

62

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