INTRODUCCIÓN A LA MANUFACTURA.

La manufactura es una actividad importante desde el punto detecnológico, económico e histórico. Se puede definir a latecnología como una aplicación de la ciencia que proporciona ala sociedad y a sus miembros aquellos bienes que sonnecesarios o deseados. Existen numerosos ejemplos detecnologías que afectan directa o indirectamente nuestra vidadiaria. Considere, por ejemplo: zapatos, bolígrafo, teléfonocelular, lentes de contacto, calculadora, bombilla de luzincandescente, robot industrial, circuito integrado, televisión,horno de microondas, computadora personal, etc.; son elresultado de diversas tecnologías que ayudan a nuestrasociedad a vivir mejor. ¿Qué tienen esos productos en común?Todos son manufacturados. Estos portentos tecnológicos noexistirían si no hubiera sido posible producirlos. La manufacturaes el factor esencial que los ha hecho posibles gracias a latecnología.

PRIMERA DEFINICIÓN DE MANUFACTURA.

La palabra manufactura se deriva de laspalabras latinas manus (manos) y factus(hacer); esta combinación de términossignifica hacer con las manos. La palabrainglesa manufacturing tiene ya variossiglos de antigüedad, y la expresión “hechoa mano” describe precisamente el métodomanual que se usaba cuando se acuñó lapalabra.

DEFINICIÓN DE MANUFACTURA ACTUAL.La manufactura como campo de estudio puede definirse de dos maneras:tecnológica y económica.

Tecnológicamente es la aplicación de procesos químicos y físicos que alteranla geometría, las propiedades, o el aspecto de un determinado material paraelaborar partes o productos terminados.

Económicamente, la manufactura es la transformación de materiales enartículos de mayor valor, a través de una o más operaciones o procesos deensamble.

CLASIFICACIÓN DE LOS PROCESOS DE MANUFACTURA.

De manera general los procesos de manufactura se clasifican en cincogrupos.

•Metalurgia extractiva

•Fundición

•Formado en frío y caliente

•Metalurgia de polvos

•Moldeo de plástico

Procesos que cambian la forma del material

•Métodos de maquinado convencional

•Métodos de maquinado especial

Procesos que provocan desprendimiento de viruta por medio de máquinas

•Con desprendimiento de viruta

•Por pulido

•Por recubrimiento

Procesos que cambian las superficies

•Uniones permanentes

•Uniones temporales

Procesos para el ensamblado de materiales

•Temple de piezas

•Temple superficial

Procesos para cambiar las propiedades físicas

CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES.

La manera más general de clasificación de los materiales es la siguiente.

• Ferrosos

• No Ferrosos

Metálicos

• Orgánicos

• Inorgánicos

No metálicos

Dentro de la categoría de los no metálicos se tiene a los materialescerámicos y polímeros; entre los metales, los cerámicos y los polímerosse forma un grupo de tres materiales básicos utilizados en lamanufactura; las mezclas no homogéneas de estos materiales dan comoresultado los materiales compuestos.

CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES.

Metales Ferrosos.

Los metales ferrosos como su nombre lo indica su principal componentees el fierro, sus principales características son su gran resistencia a latensión y dureza. Las principales aleaciones se logran con el estaño, plata,platino, manganeso, vanadio y titanio.

Metales no Ferrosos.

Por lo regular tienen menor resistencia a la tensión y dureza que losmetales ferrosos, sin embargo su resistencia a la corrosión es superior.

Los metales no ferrosos son utilizados en la manufactura comoelementos complementarios de los metales ferrosos, también son muyútiles como materiales puros o aleados los que por sus propiedadesfísicas y de ingeniería cubren determinadas exigencias o condiciones detrabajo, por ejemplo el bronce (cobre, plomo, estaño) y el latón (cobre-zinc).

CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES.

Avances recientes.

Después de descubrir que se podía conseguir que materiales no metálicoscomo el silicio condujeran electricidad de un modo imposible en losmetales, científicos e ingenieros diseñaron métodos para fabricar miles deminúsculos circuitos integrados en un pequeño chip de silicio. Esto hizoposible la miniaturización de los componentes de aparatos electrónicoscomo los ordenadores ó computadoras.

A finales de la década de 1980, la ciencia de los materiales tomó un nuevoauge con el descubrimiento de materiales cerámicos que presentansuperconductividad a temperaturas más elevadas que los metales.

En la industria aeronáutica, los científicos han desarrollado nuevasalternativas en la conformación de los materiales, donde se compruebaque los materiales compuestos no metálicos son más ligeros, resistentes ymás fáciles de fabricar que las aleaciones de aluminio y los demás metalesactualmente empleados para los fuselajes de aviones.

CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES.

ESTRUCTURA DE LOS METALES.

Todos los materiales están integrados por átomos los que se organizan dediferentes maneras, dependiendo del material que se trate y el estado enel que se encuentra. Cuando un material se encuentra en forma de gas,sus átomos están más dispersos o desordenados (a una mayor distanciauno de otro) en comparación con los átomos de ese mismo material peroen estado líquido o sólido. Existen materiales en los que sus átomossiempre están en desorden o desalineados aún en su estado sólido, aestos materiales se les llama materiales amorfos, un ejemplo es el vidrio,al que se considera como un líquido solidificado.

En el caso de los metales, cuando estos están en su estado sólido, susátomos se alinean de manera regular en forma de mallastridimensionales. Estas mallas pueden ser identificadas fácilmente por suspropiedades químicas, físicas o por medio de los rayos X. Cuando unmaterial cambia de tipo de malla al modificar su temperatura, se dice quees un material polimorfo o alotrópico.

ESTRUCTURA DE LOS METALES.

Cada tipo de malla en los metales da diferentes propiedades, no obstanteque se trata del mismo material, así por ejemplo en el caso del hierroaleado con el carbono, se pueden encontrar tres diferentes tipos demallas: la malla cúbica de cuerpo centrado, la malla cúbica de caracentrada y la malla hexagonal compacta.

Cada una de estas estructuras atómicas tienen diferentes números deátomos, como se puede ver en las siguientes figuras.

ESTRUCTURA DE LOS METALES.

• Es la estructura que tiene el hierro a temperatura ambiente, se conoce como hierro alfa.

• Tiene átomos en cada uno de los vértices del cubo que integra a su estructura y un átomo en el centro.

• También se encuentra con esta estructura el cromo, el molibdeno y el tungsteno.

Malla cúbica de cuerpo centrado

• Aparece en el hierro cuando su temperatura se eleva aproximadamente a 910 °C, se conoce como hierro gamma.

• Tiene átomos en los vértices y en cada una de sus caras, su cambio es notado además de por los rayos X por la modificación de sus propiedades eléctricas, por la absorción de calor y por las distancias intermoleculares.

• A temperatura elevada el aluminio, la plata, el cobre, el oro, el níquel, el plomo y el platino son algunos de los metales que tienen esta estructura de malla

Malla cúbica de cara centrada

• Se encuentra en metales como el berilio, cadmio, magnesio y titanio.

• Es una estructura que no permite la maleabilidad y la ductilidad, es frágil.

Malla hexagonal compacta

ESTRUCTURA DE LOS METALES.

Modificar a una malla de un metal permite la participación de másátomos en una sola molécula, estos átomos pueden ser de un materialaleado como el carbón en el caso del hierro, lo que implica que se puedediluir más carbón en un átomo de hierro. Si se tiene en cuenta que elcarbón es el que, en ciertas proporciones, da la dureza al hierro, entonceslo que se hace al cambiar la estructura del hierro es permitir que se diluyamás carbón, con lo que se modifican sus propiedades.

Otras de las características de los metales que influye notablemente ensus propiedades es el tamaño de grano, el cual depende de la velocidadde enfriamiento en la solidificación del metal, la extensión y la naturalezadel calentamiento que sufrió el metal al ser calentado.

GRANOS DE LAS ESTRUCTURAS METÁLICAS.

Cuando un metal en su estado líquido seenfría sus cristales se van solidificandoformando estructuras dendríticas, las quecrecen uniformes hasta que seencuentran con otra estructura quetambién ha estado creciendo, en eselugar de encuentro de las dos estructurasse forman los límites de los granos de losmateriales. Entre más lento elenfriamiento de un material, mayoruniformidad en el crecimiento de losgranos, estos serán de menor tamaño.

Un material con granos pequeños serámás duro que uno con granos grandes,debido a que los granos grandes tiendena fracturarse y deslizarse uno sobre elotro, lo que no sucede con los granospequeños.

La mejor forma de determinar eltamaño de grano de un materiales por medio de un microscopiometalúrgico, el que actúa pormedio de un rayo de luz que selanza sobre una superficie pulidaal espejo y limpiada con unamezcla de 3 % de ácido nítrico y97 % de alcohol, para eliminar loque se conoce como metaluntado.

SOLIDIFICACIÓN Y ALEACIÓN DE LOS METALES.

Los metales al se calentados pueden modificar su estado físico pasandopor varias etapas, las que van desde la alteración de algunas de suspropiedades hasta un cambio de su estado sólido a líquido. El qué tanrápido o con qué tanta energía se logra un cambio de estado en un metaldependerá de los materiales que lo integran.

Se debe recordar que casi nunca se utilizan metales puros. A lacombinación química de dos o más metales se le llama aleación y laspropiedades de las aleaciones dependen también de los metales que laintegran.

Algunas de las aleaciones más utilizada en los procesos de manufacturason:Latón rojo o amarillo (cobre-zinc).Bronce (cobre-estaño-zinc-plomo).Aluminio, cobre, magnesio, silicio y zinc.Hierro, carbón, cobalto, tungsteno, vanadio, etc.Cobre, oro, plata

ACEROS AL ALTO HORNO.

Para transformar mineral de hierro en arrabio útil hay que eliminar susimpurezas. Esto se logra en un alto horno forzando el paso de aireextremadamente caliente a través de una mezcla de mineral de hierro,coque y caliza, la llamada carga. Unas vagonetas vuelcan la carga en unastolvas situadas en la parte superior del horno. Una vez en el horno, lacarga es sometida a chorros de aire de hasta 870 °C (el horno debe estar

forrado con una capa de ladrillo refractario).

HIERROS Y ACEROS.

Los hierros más utilizados en los procesos de manufactura son lossiguientes:

Hierro dulceAcerosHierro Fundido

Algunos ejemplos de los materiales producidos con los diferentes hierros:

Fierro “puro”. Por los regular es utilizado para la generación dealeaciones especiales.Hierro forjado. Lámina negra o material para la formación de objetospor medio de laminado o forja.Acero. Materiales con requerimientos especiales de resistencia a latracción, fricción y tenacidad.Hierro fundido. Artículos sin gran calidad pero con gran dureza y muyfrágiles.

PROPIEDADES DE LOS METALES.

Propiedades quieren decir formas o modos de ser de las cosas; el tamaño,el peso, el color y otras formas de ser de los materiales son suspropiedades. Estas propiedades dan lugar a unas maneras decomportarse; en el estudio de las propiedades de los cuerpos se puedendistinguir:

•Dentro de este grupo se reúnen las propiedades básicas del material, con otras que son consecuencia de fenómenosmotivados por agentes físicos exteriores

Propiedades Físicas

•Las dos propiedades más importantes desde el punto de vista químico y de mayor importancia para nosotros, serefieren a la resistencia que oponen los materiales frente a las acciones químicas y atmosféricas, es decir a laoxidación y corrosión

•Oxidación es el efecto producido por el oxígeno en la superficie del metal y se acentúa al aumentar la temperatura

Propiedades Químicas

•Son las relativas al comportamiento de los materiales frente a las formas de ser trabajados. El conocimiento de estaspropiedades es fundamental para el trabajo del metal en la construcción mecánica, ya que de ellas dependen lasposibilidades de obtener una pieza por un procedimiento u otro.

Propiedades Tecnológicas

•Son aquellas que expresan el comportamiento de los metales frente a esfuerzos a cargas tendientes a alterar suforma

•Tiene gran importancia porque son las que dan a algunos metales su superioridad sobre otros materiales en cuantoa sus aplicaciones mecánicas

Propiedades Mecánicas

PROPIEDADES DE LOS METALES.

Los metales poseen un conjunto de propiedades llamadas metálicas, lascuales si bien no son exclusivas de ellos, las tienen en grado suficientepara caracterizarlos. Este carácter especial es consecuencia de lanaturaleza de sus átomos y sus enlaces

Las características más conocidas son:La conductividad térmicaLa conductividad eléctricaEl brillo

El color que presentan los metales es generalmente blanco brillante aexcepción del oro y el cobre, que son amarillo y rojizo, respectivamente.

Todos, salvo el mercurio son sólidos a temperatura ordinaria, siendo sudensidad muy variable.

Dentro de los más importantes se encuentran el hierro, níquel, cadmio,vanadio, cromo, manganeso, titanio, cobalto, zinc, molibdeno, wolframio,platino, cobre, oro, plata, mercurio, aluminio, antimonio, estaño, plomo.

PROPIEDADES DE LOS METALES.

Los metales se combinan con el oxígeno formando óxidos.

Los no metales o metaloides, no poseen el brillo de los metales, sonmalos conductores de electricidad y del calor, y se combinan con eloxígeno dando anhídridos que a su vez reaccionan con el agua dandoácidos. Los más importantes son el boro, carbono, azufre, fósforo,oxígeno, nitrógeno.

El arte de la metalurgia comprende la obtención de los metales partiendode sus minerales o del estado en el que se encuentran en la naturaleza; suafino y aleaciones con otros metales, y finalmente su manufactura enperfiles y formas útiles para la industria.

El campo de la metalurgia puede ser dividido en dos partes:Metalurgia Química.Metalurgia Física.

La primera trata la fusión y afino de los metales; la segunda parte estudiael comportamiento físico y químico de los metales

PROPIEDADES DE LOS METALES.

En los procesos de manufactura son de gran importancia las propiedadesde ingeniería, de las que destacan las siguientes:Resistencia a la tensión.Resistencia a la compresión.Resistencia a la torsión.Ductilidad.Prueba al impacto.Dureza.

Resistencia a la tensión.

Se determina por el estirado de los dos extremos de una probeta condimensiones perfectamente determinadas y con marcas previamentehechas.

Al aplicar fuerza en los dos extremos se mide la deformaciónrelacionándola con la fuerza aplicada hasta que la probeta rebasa sulímite de deformación elástica y se deforma permanentemente o serompe.

PROPIEDADES DE LOS METALES.

Resistencia a la tensión (cont.).

Los resultados de las pruebas de resistencia a la tensión se plasman enseries de curvas que describen el comportamiento de los materiales al serestirados.

Varias de las características de ingeniería se proporcionan con relación ala resistencia a la tensión. Así en algunas ocasiones se tienen referenciascomo las siguientes:

La resistencia al corte de un material es generalmente 50 % del esfuerzoa la tensión.La resistencia a la torsión es alrededor del 75 % de la resistencia a latensión.La resistencia a la compresión de materiales relativamente frágiles esde tres o cuatro veces la resistencia a la tensión.

PROPIEDADES DE LOS METALES.

Dureza.

Por lo regular se obtiene por medio del método denominado resistencia ala penetración, la cual consiste en medir la marca producida por unpenetrador con características perfectamente definidas y una cargatambién definida; entre más profunda es la marca generada por elpenetrador de menor dureza es el material.

Existen varias escalas de dureza, estas dependen del tipo de penetradoresque se utilizan y las normas que se apliquen. Las principales pruebas sonde dureza son Rockwell, Brinell y Vickers.

Las dos primeras utilizan penetradores con cargas que generan marcas enlos metales a probar, posteriormente se mide la profundidad de lasmarcas. En algunas publicaciones se considera a la prueba Rockwell comola prueba del sistema inglés y a la Brinell como la del sistema métrico. Ladureza Vickers se logra por medio de una prueba denominada el métodoEscleroscópico Shore en el que consiste dejar caer un martinete dediamante de 2,3 g. sobre el material a probar y medir la altura de rebote.

PROPIEDADES DE LOS METALES.

En los siguientes diagramas se muestran algunos de los procedimientoscomunes para aplicar las pruebas de resistencia al corte, la compresión, lafatiga o durabilidad, el impacto, la torsión y de dureza.

MANUFACTURA DE AUTOMÓVIL.

PROCESO MANUAL

DE FABRICACIÓN DE

AUTOMÓVILES SIN

LÍNEA DE

ENSAMBLAJE

PROCESO

AUTOMATIZADO DE

FABRICACIÓN DE

AUTOMÓVILES EN

UNA DE LÍNEA DE

ENSAMBLAJE