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DISEÑO Y CONSTRUCCION DE UNA DESBASTADORA DE METALES PARA LA PREPARACIÓN DE PROBETAS METALOGRAFICAS ANDRES ANIBAL LOPEZ MARQUEZ YONY RICHARD TORRES AGRESOTT CORPORACION UNIVERSITARIA TECNOLOGICA DE BOLIVAR FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA CARTAGENA D.T. Y C. 1999

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DISEÑO Y CONSTRUCCION DE UNA DESBASTADORA DE METALES PARA

LA PREPARACIÓN DE PROBETAS METALOGRAFICAS

ANDRES ANIBAL LOPEZ MARQUEZ

YONY RICHARD TORRES AGRESOTT

CORPORACION UNIVERSITARIA TECNOLOGICA DE BOLIVAR

FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA

CARTAGENA D.T. Y C.

1999

2

DISEÑO Y CONSTRUCCION DE UNA DESBASTADORA DE METALES PARA

LA PREPARACIÓN DE PROBETAS METALOGRAFICAS

ANDRES ANIBAL LOPEZ MARQUEZ

YONY RICHARD TORRES AGRESOTT

Proyecto de Grado, Presentado como requisito para optar al título de Ingenieros Mecánicos.

Director BENJAMIN ARANGO ZABALETA

Ingeniero Metalúrgico

CORPORACION UNIVERSITARIA TECNOLOGICA DE BOLIVAR

FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA

CARTAGENA D.T. Y C.

1999

3

ARTICULO 105

La institución se reserva el derecho de propiedad intelectual de todos los trabajos de

grado aprobados, los cuales no pueden ser explotados comercialmente sin su

autorización

4

Nota de aceptación

__________________________________

__________________________________

__________________________________

__________________________________ Presidente del jurado

__________________________________ Jurado

__________________________________

Jurado

Cartagena de Indias 9 de junio de 1999

5

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA DESBASTADORA DE METALES PARA

LA PREPARACIÓN DE PROBETAS METALOGRAFICAS.

El objetivo de esta máquina es realizar las operaciones de desbaste en el proceso de

preparación de probetas metalográficas, esencialmente en la etapa critica (EL

DESBASTE FINO), remplazando así el proceso manual realizado hasta ahora en el

laboratorio de metalografía de la CUTB.

Inicialmente se involucro en el proyecto unos principios básicos sobre la técnica

metalográfica que fundamente la clase de máquina desbastadora, abrasivos,

velocidades de rotación de discos, etc,. necesarios para garantizar el logro de los

objetivos planteados.

Seguidamente se identificaron las diferentes máquinas desbastadoras existentes y se

analizaron las ventajas y desventajas que cada una ofrecía en cuanto a

funcionamiento, facilidad de operación, resultados, etc.,. tal análisis condujo a elegir

para construir una MÁQUINA DE DISCO A LA QUE SE LE ADAPTO UN

BRAZO PORTAPROBETAS; en el que las muestras giran a gran velocidades y

sentidos opuestos de los discos.

Es importante anotar que el brazo portaprobetas adaptado es un taladro de banco

cuyos cálculos arrojaron una gran similitud con lo requerido. El uso del taladro ofrece

una gran exactitud en el ensamble de sus piezas y un mínimo de vibración (requisito

6

imprescindible para la obtención de los resultados exigidos en las muestras

metalográficas).

El proyecto también cuenta con un manual de instrucciones y mantenimiento para la

correcta utilización del mismo y su aprovechamiento al máximo.

Finalmente como aporte a la optimización del laboratorio se elaboro una listas de

existencias mínimas de equipos y materiales.

7

INTRODUCCION

El presente informe contiene los resultados del desarrollo del proyecto para la

construcción de un equipo semiautomático para el desbaste de muestras

metalográficas, las cuales serán terminadas en su preparación en otros equipos

existentes en el laboratorio de metalografía de la CUTB.

Este informe presenta en forma secuencial los pasos que se siguieron para alcanzar

los objetivos propuestos en la etapa de anteproyecto, a saber:

En la primera parte del proyecto se hace un análisis de la información existente sobre

la técnica metalográfica, la cual permite definir las condiciones que debe tener el

equipo para que se pueda desarrollar la técnica. Después del análisis de las variables

del proceso de preparación de las probetas, se hace un estudio de los diferentes

equipos existentes para la aplicación de la técnica, esto permite definir las

características más sobresalientes de cada uno de ellos con el propósito de tomarlas

en consideración en el momento de adaptar dichos equipos a las condiciones dadas en

el laboratorio de la C.U.T.B..

8

Por último y en consideración a las conclusiones de las etapas anteriores, se hacen los

diseños y selecciones de cada una de las partes con el propósito de iniciar su

construcción. En este capítulo se consignan todos los resultados de estos cálculos.

Al final del proyecto se consignan los manuales de funcionamiento y mantenimiento

del equipo con el propósito de aprovecharlo de la mejor manera, en el desarrollo de la

docencia o en la prestación de un servicio.

9

CONTENIDO

Pag.

INTRODUCCION

1. PRINCIPIOS BASICOS ........................................................................................ 1

1.1 ETAPAS DE PREPARACIÓN ............................................................................ 1

1.2 METODOS DE PREPARACIÓN ........................................................................ 2

1.2.1 Pulido Mecánico .............................................................................................. 4

1.2.2 Pulido Electrolítico .......................................................................................... 5

1.2.3 Pulido Químico ................................................................................................ 5

1.2.4 Regulador Químico .......................................................................................... 5

1.2.5 Pulido Electromecánico ................................................................................... 6

1.2.6 Pulido Vibratorio ............................................................................................. 6

1.3 ABRASIVOS PARA DESBASTE GRUESO Y FINO ........................................ 6

1.4 DESBASTE HUMEDO CONTRA SECO ......................................................... 10

1.5 ABRASIVOS PARA PULIDOS PREVIO Y FINO .......................................... 11

1.5.1 Polvos Secos .................................................................................................. 13

1.5.2 Suspensiones en Agua Destilada ................................................................... 13

1.5.3 Compuestos de Diamante .............................................................................. 14

1.5.4 Polvos de Esmeril (SiC y Al2O3) ................................................................... 14

1.6 TECNICA GENERAL DEL PULIDO ............................................................... 15

2. EQUIPOS PARA LA PREPARACIÓN MECANICA DE PROBETAS ............ 20

10

2.1 MAQUINAS DE CINTAS ................................................................................. 20

2.2 MAQUINAS DE DISCOS ................................................................................. 21

2.3 COMPARACION DE LOS TIPOS DE MAQUINA ......................................... 22

2.4 CONCLUSIONES FINALES DE LA REVISION BIBLIOGRAFICA ............ 22

3. DISEÑO Y CONSTRUCCION DEL EQUIPO .................................................. 24

3.1 SISTEMA PARA EL MOVIMIENTO DE LOS PLATOS Y SOPORTES DEL MEDIO ABRASIVO .......................................................................................... 25

3.1.1 Cálculo de la Potencia .................................................................................... 25

3.1.2 Cálculo de las Poleas y Correas ..................................................................... 30

3.1.3 Cálculo de las Tensiones de las Correas ........................................................ 33

3.1.4 Cálculos de las dimensiones de los Ejes ........................................................ 36

3.1.4.1 Diseño con Base a Carga Estática .................................................................. 39

3.1.4.2 Enfoque de Soderberg .................................................................................... 39

3.1.4.3 Teoría del Esfuerzo Cortante Máximo ........................................................... 41

3.1.4.4 Fórmula del Código de la ASME .................................................................. 41

3.1.4.5 Análisis de Columnas .................................................................................... 43

3.2 CALCULO DEL BRAZO PORTAPROBETAS ................................................ 49

3.2.1 Cálculo de la Potencia .................................................................................... 49

3.2.2 Cálculo de las Poleas y longitud de la Correa ............................................... 51

3.2.3 Cálculo de las tensiones de la correa ............................................................. 52

3.3 SELECCIÓN DE COJINETES .......................................................................... 54

3.3.1 Selección de Rodamientos Mediante Tablas ................................................. 57

3.3.2 Carga dinámica Equivalente .......................................................................... 58

3.3.3 Procedimiento ................................................................................................ 59

11

4. MANUAL DE FUNCIONAMIENTO ................................................................ 61

5. MANUAL DE MANTENIMIENTO ................................................................... 64

5.1 CORREAS ...........................................................................................................64

5.2 COJINETES ........................................................................................................64

5.3 MOTORES ......................................................................................................... 66

5.4 OTRAS PARTES DE LA MAQUINA .............................................................. 66

6. REGISTRO DE EXISTENCIA EN EL LABORATORIO DE METALOGRAFIA............................................................................................... 68

6.1 EQUIPOS ........................................................................................................... 68

6.2 MATERIALES ................................................................................................... 70

CONCLUSIONES

BIBLIOGRAFIA

12

LISTA DE FIGURAS

Pag

Figura 1. Relación entre Tamaños de Grano, Micras y Mallas ................................... 3

Figura 2. Diagrama Esquemático de la Superficie de una Micro-sección después de

Desbastado y Pulido .................................................................................................... 9

Figura 3. Grados de Extracción de Material Relativos Para varias Etapas de

preparación metalográfica .......................................................................................... 19

Figura 4. Disposición de las poleas en el sistema que da movimiento a los platos.....29

Figura 5. Esquema para el Calculo de las Poleas y Tensiones de las Correas ........... 35

Figura 6. Columna Corta con Carga Centrada y Empotrada en los extremos ........... 46

Figura 7. Análisis de carga Estática .......................................................................... 48

13

LISTA DE CUADROS

Pag

Cuadro 1. Etapas de Preacabado Necesario para los diversos Métodos ...................... 4

Cuadro 2. Escala en Micras de Varios abrasivos y Etapas donde son Aplicados ...... 12

Cuadro 3. Etapas de la Preparación ........................................................................... 15

Cuadro 4. Valores de Factor de Momento Flexionante Cm y del factor de momento

torsionante Ct .............................................................................................................. 42

Cuadro 5. Comparación de Datos de la Máquina Diseñada Respecto de los Datos

Característicos de la Máquina Seleccionada .............................................................. 53

Cuadro 6. Guía de Valores de Vida Nominal B10h para diferentes tipos de

máquinas..................................................................................................................... 57

Cuadro 7. Factor Axial para Rodamientos de Bolas Rígidos con una y dos hileras . 59

14

1. PRINCIPIOS BASICOS

El objetivo de este capítulo es hacer una revisión de los principios involucrados

en la preparación de una muestra metalográfica, con el fin de determinar las

características que debe tener el equipo a construir para que cumpla con este

propósito.

1.1 ETAPAS DE PREPARACION

La secuencia completa en la preparación de una micromuestra (probeta

metalográfica) puede dividirse en las siguientes etapas:

• ETAPA 1 : Corte

• ETAPA 2 : Desbaste grueso

• ETAPA 3 : Montaje (según tamaño de la probeta)

• ETAPA 4 : Desbaste fino

• ETAPA 5 : Pulido previo

• ETAPA 6 : Pulido final

La definición de una superficie idealmente preparada para su estudio microscópico

está claramente establecida como sigue:

La superficie debe:

15

• Estar libre de rayaduras, manchas y otras imperfecciones que tiendan a

desfigurarla.

• Contener todas las inclusiones no metálicas intactas, esto también implica que los

componentes intermetálicos duros y quebradizos y fases estén intactos, es decir,

que no muestren evidencias de roturas o raspaduras.

• Estar libre de toda traza de metal alterado.

Por lo establecido anteriormente, el éxito en las consecuencias de desbaste y pulido

depende del control de los abrasivos y su tamaño apropiado, dado que el resultado

final se produce mediante una sucesión de abrasivos cada vez más finos.

1.2 METODOS DE PREPARACION

Hay varios métodos de preparación que comprenden las mismas etapas de desbaste

grueso y fino en la secuencia de preparación (ver cuadro 1). El uso de un método

específico de pulido depende de las características que presente la microestructura.

10000

5000

7000

ETAPA 2 Desbaste grueso

ETAPA 4 Desbaste fino

ETAPA 5

Pulido

16

Los procesos de pulido pueden clasificarse de la forma siguiente:

TAMAÑO EN MICRAS

Figura 1. Relación entre tamaños de grano, mallas y micras

17

• Pulido mecánico

• Pulido electrolítico

• Pulido químico

• Regulador químico

• Pulido electromecánico

• Pulido vibratorio

Cuadro 1. Etapas de preacabado necesarias para los diversos métodos de preparación

ETAPA 2

Desbaste Grueso

ETAPA 3

Desbaste Fino

ETAPA 5

Pulido Previo

ETAPA 6

Pulido Final

Pulido Mecánico

Pulido Mecánico Pulido electrolítico

Pulido Mecánico Pulido químico

Pulido Mecánico Regulador químico

Pulido Mecánico Pulido electromecánico

A continuación se hará una breve descripción de cada uno de estos métodos

1.2.1. Pulido Mecánico. El propósito de este pulido es producir una superficie libre

de rayaduras, manchas, imperfecciones y cualquier traza de metal alterado. Este

objetivo puede conseguirse manual o semiautomáticamente, usando una sucesión de

abrasivos cada vez más finos. Las etapas iniciales de desbaste se llevan a cabo

18

manualmente, y en general, con abrasivos de tipo fijo, y las etapas de pulido previo y

final, en platos rotativos cubiertos de paños.

Este es el procedimiento normal, mediante el cual se preparan la mayoría de las

muestras. Es rápido sencillo y efectivo. El presente proyecto tiene como objetivo la

fabricación de un equipo que permita hacer este tratamiento de una manera

semiautomática. Para los casos especiales se siguen los procedimientos que se

describirán a continuación.

1.2.2 Pulido Electrolítico. La muestra a preparar actúa de ánodo en una celda

electrolítica. La superficie va perdiendo material por la acción electrolítica y bajo

condiciones apropiadas, esta superficie quedará pulida.

1.2.3. Pulido Químico. La superficie metálica se pule por inmersión en una solución

apropiada, sin aplicar un potencial externo. Los resultados obtenidos pueden variar

desde el ataque, donde la superficie resulta lisa, pero no abrillantada, al baño

brillante, donde la superficie queda abrillantada, pero no lisa. Se ha hecho poco

trabajo al respecto, pero las observaciones muestran una marcada semejanza entre los

pulidos químico y electrolítico.

1.2.4. Regulador Químico. Al compuesto de pulido se añade un agente de ataque

líquido, usualmente durante las etapas finales de preparación en platos rotativos con

19

recubrimientos abrasivos. El efecto del agente de ataque puede ser controlado; a

mayor presión manual se pulirá la muestra, y una presión ligera será atacada.

1.2.5. Pulido Electromecánico. Es una combinación de pulidos mecánico y

electrolítico. Los polvos abrasivos se suspenden en un electrolito y la muestra se

desgasta por el abrasivo sobre el plato rotativo. Dependiendo de la técnica usada, la

muestra puede ser tanto ánodo como cátodo, o puede alternarse en polaridad con el

plato de pulido.

1.2.6. Pulido Vibratorio. Las muestras, sobre las que se sitúa un soporte-peso, se

colocan en una superficie abrasiva vibratoria. Debido a su inercia y a los aspectos,

tanto verticales como horizontales de la vibración, las muestras no siguen

completamente el movimiento de la superficie vibratoria. Hay, por tanto, un

movimiento entre la muestra y el abrasivo, y consecuentemente se produce una

acción pulidora. Este procedimiento es un tipo de pulido mecánico y, por tanto,

puede utilizarse con muchas muestras. Se emplea principalmente en los pulidos

previo y final.

1.3. ABRASIVOS PARA DESBASTE GRUESO Y FINO

Los abrasivos se clasifican de acuerdo a los tamaños de grano o micras. Los

abrasivos más gruesos se designan por el tamaño de grano, y los más finos de 1000,

se clasifican generalmente por micras.

20

En la preparación de muestras metalográficas y en aquellos otros tipos de acabado

fino de superficies, es más conveniente convertir los diferentes términos de

clasificación de tamaños, es decir, tamaño en mallas, en grano y en grano de esmeril,

a un término común, tamaño en micras. Esta conversión se muestra en la figura 1

El carburo de silicio (SiC) es un abrasivo sintético, producido por fusión de arena y

carbón coque, usando sal como fundente. Su dureza es 9.5 de la escala de Moh (hasta

10) y su estructura cristalina es hexagonal.

El carburo de silicio se usa en polvo y como abrasivo fijado. En la preparación de

muestras metalográficas, los abrasivos se usan generalmente en las etapas de

desbastes gruesos y fino. Aquí, el término “abrasivos fijados” significa que las

partículas abrasivas se han unido, por medio de una resina, a papel o tela. Estos

materiales existen en el mercado con diferentes denominaciones y se fabrican de

acuerdo a los más estrictos requerimientos de calidad, control de tamaño, peso

apropiado del material soporte, impermeabilidad, espesor y tipo de resina de unión.

En conclusión para el éxito de esta etapa de preparación se debe disponer de este tipo

de abrasivos especialmente fabricado con propósitos metalográficos y no cualquier

tipo de abrasivo conseguido en el comercio.

El esmeril es un abrasivo natural que contiene un 55-75 % de Al2O3 (corindón); el

resto es óxido de hierro (magnetita) y tiene una dureza Moh de 8.0. el tamaño de la

partícula no se especifica por número de malla, aunque la graduación se hace por

21

tamizado controlado. Así mismo, los productos especialmente fabricados con

propósitos metalográficos son los que se deben disponer.

El óxido de aluminio (Al2O3) es otro abrasivo sintético, producido por fusión de la

bauxita en un horno eléctrico. El uso de estos tipos particulares de abrasivos fijados

de óxido de aluminio, está limitado usualmente a los tamaños de grano más gruesos.

El boromet es un carburo de boro manufacturado electrotérmicamente. Este material

se describe mejor como una solución de cantidades variables de carbono en un

enrejado de boro ligeramente distorsionado. Antes que el hombre trabajase el

diamante, el carburo de boro era el material fabricado más duro, cercano al 10 en la

escala de Moh.

Cuando los materiales citados se usan como polvos, debe hacerse sobre platos con

recubrimientos de cera, madera, nylon, vidrio, hierro fundido, plomo o tela. Se hace

este comentario porque el equipo que se construye puede actuar como una

pulidora de desbaste grueso o como pulidora de desbaste fino.

Los abrasivos en polvo o sueltos, pueden actuar de dos maneras diferentes y así

producir dos diversos tipos de superficies. Cuando la partícula abrasiva está fijada o

embebida en el recubrimiento o cubierta del disco, su acción puede ser desbaste; pero

si el tamaño de la partícula es suficientemente fino, la superficie puede pulirse. En

aquellos casos en que el recubrimiento o la cubierta del disco no está “cargada” con el

abrasivo, o si se usa un exceso de abrasivo, la acción será de tipo laminado y la

22

superficie tendrá una apariencia mate. Esta última acción es extremadamente

deseable para las operaciones electromecánicas y en la preparación de secciones

petrográficas delgadas.

Figura 2. Diagrama esquemático de la superficie de una microsección después de

desatado y pulido (sección en ángulo recto de superficie)

23

1.4. DESBASTE HUMEDO CONTRA SECO

A continuación se hace un estudio para determinar si el equipo de desbaste a

construir debe ser con suministro de líquido o sin él.

El tipo de medio de montaje y material-soporte determina si se debe usar desbaste

húmedo o seco con abrasivos fijados, y particularmente qué líquidos deben emplearse

como lubricantes.

Cuando se solicitan recomendaciones concernientes a procedimientos de desbaste y

equipo adecuado, se aconseja recomendar:

• Cinta impermeable o disco con recubrimiento abrasivo para desbaste grueso y

• Operación húmeda durante el desbaste fino, ya sea realizada esta etapa por

métodos mecánicos o manuales.

Hay varias razones obvias, pues durante la preparación de microsecciones hay

posibles efectos laterales que el calentamiento por la acción del abrasivo puede tener

en ciertos tipos de microestructuras. Puede ser que ocurran reacciones posteriores de

estado sólido, tales como templado, transformación, envejecimiento, fusión

incipiente, etc.

24

Las etapas de desbaste grueso y fino están íntimamente ligadas, y por tanto, cualquier

razonamiento teórico será aplicable a ambas. Cada paso en las etapas de desbaste

tiene una gran influencia en la calidad final del producto acabado. Muchos defectos

observados en las secciones pulidas se originan en estas etapas. Como se ha dicho

anteriormente, el proceso entero ha sido ajustado para obtener finalmente una

superficie libre de rayaduras, empleando una serie de abrasivos sucesivamente finos,

y un fallo en cualquiera de las etapas impide un resultado final satisfactorio.

Por la acción abrasiva resulta una zona de transición de metal deformado en la

superficie de la muestra. Por tanto, se debe seleccionar el tamaño de abrasivo

adecuado a cada paso para eliminar la zona de deformación máxima producida en el

paso precedente y controlar adecuadamente la zona formada en el paso nuevo.

La ventaja más sobresaliente en la práctica de desbaste húmedo, consiste en que evita

la carga de la hoja del abrasivo con el material removido de la superficie de la

muestra. La acción de lavado del lubricante, impide que los productos desprendidos

de la superficie queden embebidos en las áreas adyacentes a las partículas abrasivas,

conservando sus cantos agudos en todo momento. Los abrasivos fijados usados en el

proceso húmedo, tienen una gran resistencia dinámica y, por tanto, no tienden a

fragmentarse y a causar un acabado desigual.

25

1.5. ABRASIVOS PARA PULIDOS PREVIO Y FINO

Los pulidos previo (etapa 5) y fino (etapa 6), están generalmente vinculados al uso de

dos de los cinco abrasivos aceptados: óxido de aluminio (Al2O3), óxido de cromo

(Cr2O3), óxido de magnesio (MgO), óxido de hierro (Fe2O3) o diamante. Los

abrasivos se usan en forma de polvo o en suspensión en agua destilada, con la

excepción de los de diamante, que están en suspensión pastosa. El cuadro 2 muestra

los tamaños en micras de los abrasivos disponibles y las etapas en que deben usarse.

Cuadro2. escala en micras de varios abrasivos y etapas donde son aplicados

ETAPA 4

Desbaste Fino

ETAPA 5

Pulido Previo

ETAPA 6

Pulido Final

ABRASIVO

Diamante

Fe2O3

Cr2O3

MgO

SiC

Al2O3

Esmeril

Carburo de Boro

100 10 1 0.1 0

Tamaño en Micras (escala logarítmica)

26

1.5.1 Polvos Secos

• Oxido de Aluminio: Se presenta en varios tamaños, el de 0.05 micras se

recomienda para las operaciones de pulido final; el de 0.3 micras se recomienda

para pulido previo y en algunos casos para pulido final; el de 1.0 micras para

pulido final y la alúmina levigada de 15 micras para pulido de grano grueso y en

ciertas ocasiones para operaciones de pulido previo.

• Oxido de Cromo: Tiene un tamaño de 15 micras y se utiliza como material de

pulido previo.

• Oxido de Magnesio: Se recomienda para el pulido final de ciertas aleaciones de

magnesio y aluminio.

• Oxido de Hierro: También conocido como rojo de joyero, tiene un tamaño de 3

micras, recomendado para pulido final de hierros normales y de tipos grafíticos.

• Oxido de Estaño: Es un abrasivo extremadamente fino para el pulido final de

muestras de minerales.

1.5.2 Suspensiones en Agua Destilada

• Oxido de Aluminio: conocida también como alúmina para pulido, viene en

tamaños de 5.0 micras (alúmina levigada), tamaño de 0.3 micras la cual se

27

recomienda para pulido previo y en algunos casos para pulido final y por último

el de 0.05 micras para pulido final.

• Oxido de cromo: Viene en dos tamaños, el de 1.0 micras recomendado en las

operaciones de pulido previo y final en aceros y hierros de tipo grafítico y el de

0.5 micras recomendado para el pulido final de hierros de tipo grafítico y aceros,

cuando se usa otro abrasivo en la etapa de pulido previo.

1.5.3. Compuestos de Diamante. La forma octaédrica de estas partículas la hacen

ideal para el pulido, pues presenta muchos bordes cortantes agudos, además de una

gran resistencia a la fragmentación. Otros factores también importantes de estos

abrasivos son la precisión en la graduación y la pureza del material, ya que las

partículas heterogéneas en materiales pobremente graduados producen grandes

rayaduras y las impurezas reducen el valor del pulido. Este material se aplica

suspendido en una pasta especial que le permite dispersarse sobre el paño del pulido o

recubrimiento.

1.5.4 Polvos de Esmeril (SiC y Al2O3). El esmeril, carburo de silicio y óxido de

aluminio se suministran en varios tamaños de partículas. Algunas veces pueden ser

preferidos para desbaste fino, y los grados mas finos pueden aplicarse para pulido

previo. Estos polvos pueden usarse con muchos tipos de platos (hierro fundido,

plomo, madera, tela, etc.). se usan generalmente en mezclas con agua destilada, que

28

varían en consistencia, desde fina a suspensión pastosa, dependiendo del

procedimiento.

1.6. TECNICA GENERAL DE PULIDO

La revisión de la técnica general de pulido para la preparación de diferentes

tipos de muestras, nos permitirá tener una idea de los valores de las presiones

que se deben aplicar a las probetas contra el medio abrasivo, así mismo los

movimientos o tipos de desplazamiento durante el tratamiento, los cuales

deberán ser aplicados por la máquina que se construye.

El siguiente proceso se incluye para diversas etapas en la preparación de muestras

(ver cuadro 3)

Cuadro 3. Etapas de la preparación

ETAPA ABRASIVO LUBRICANTE PAÑO

Desbaste Grueso Papeles Abrasivos

Grano 60-240

Agua

Desbaste Fino Papeles Abrasivos

Grano 320-600

Agua

Pulido Previo Diamante 6 micras Aceite o pasta Nylon

Pulido Final Alúmina Agua Destilada Rayón Sintético y/o

paño Billar

29

El pulido abrasivo es el método más común de la preparación de muestras

metalográficas. Es fácil ejecutarlo y puede ser aplicado a casi todos los materiales.

Para producir una superficie satisfactoria, cuando se opera manualmente, la

muestra se pasa por una serie sucesiva de abrasivos finos hasta que se produzca

una superficie plana y brillante. La superficie de la muestra debe estar plana y libre

de deformaciones y rayas. Para lograr estos resultados, es necesario seguir una

secuencia lógica de operaciones abrasivas, de manera que en cada etapa se reemplace

la superficie previa con una más fina que exhibe menor deformación. Al pasar de un

medio abrasivo a otro se debe tener cuidado de girar cada vez la probeta 90°.

La figura 2 muestra varias zonas de deformación producidas por procesos abrasivos.

Durante las etapas de desbaste fino, los tamaños de abrasivo se seleccionarán para

minimizar la profundidad de la máxima deformación gruesa y producir un acabado

simétrico superficial. Resulta, por tanto, que la etapa de pulido previo es la más

importante de la secuencia entera. Hay un decrecimiento general en la capacidad de

corte con el decrecimiento de los tamaños de los abrasivos en los desbastes previo y

fino; sin embargo, el decrecimiento fue agudo durante las etapas de pulido antes del

uso de los abrasivos de diamante. Con estos abrasivos es posible incrementar la

capacidad de corte y así remover rápidamente la zona de transición remanente del

desbaste. Un factor desfavorable es el alto costo de estos abrasivos. La posibilidad

de obtener abrasivos de diamante bien graduados hace fácil esta selección. Los

tamaños en micras finos de diamantes pueden frecuentemente usarse en la secuencia

de pulido final.

30

Las etapas de pulido inicial y final de la preparación de muestras metalográficas

requieren el grado mas alto de cuidado. Estas etapas eliminan mucho menos material

que el desbaste grueso y esmerilado fino, como se observa en la figura 3

Con los métodos actuales de producción y cuidadosa graduación las formas sintéticas

de alúminas producen en esta etapa superficies superiores en la mayoría de las

ocasiones. El óxido de magnesio calcinado es todavía inigualable como compuesto

de pulido final. El óxido de cromo es otro medio excelente para la preparación final.

Una fuerte presión es especialmente ventajosa durante el pulido previo, y que, en

algunos casos, puede serlo también durante el pulido final (4-6 lbf aprox.). Sin

embargo, esta técnica debe limitarse a la primera parte del ciclo y reducirse en la

parte final. El óxido de cromo es otro medio excelente para la preparación final.

La humedad del paño usado en el pulido final tiene una gran influencia en el

resultado. Si el paño está demasiado húmedo, la muestra mostrará hoyos; si está

demasiado seco, resultara raspada y/o manchada (manchas de corrosión). Si se usan

polvos secos, el abrasivo puede añadirse con un salero y extenderse con agua

destilada. En cualquier caso, se debe poner extremo cuidado para evitar la

contaminación con material extraño. Para determinar la humedad apropiada, quítese

la muestra del disco y compruébese el tiempo necesario para que seque la película

pulidora. En general, esto no llevará más de cinco a ocho segundos. Una película

opaca delgada indica que hay suficiente abrasivo. Lo anteriormente citado indica

31

que el suministro de agua por parte del equipo, es un factor que merece una

atención especial. El proyecto deberá contar con un sistema dosificador de agua,

para tener en cuenta estas recomendaciones.

Por ultimo debe recordarse que en el laboratorio metalográfico se deben practicar

continuamente la limpieza y cuidado general. El equipo debe mantenerse

meticulosamente, de otra manera resultaran contaminaciones, esto, y los hábitos de

trabajo desaliñados, conducirán solamente a resultados inferiores y desalentadores.

Esta última recomendación va en el sentido de que la máquina que se construye

deberá ser ubicada en el sitio adecuado, por tanto, deberán mejorarse las

condiciones de trabajo en laboratorio.

32

Figura 3. Grados de extracción de material relativos oara varias etapas de preparación

metalografica

DESBASTE

GRUESO

ESMERILADO

FINO

PULIDO

INICIAL

PULIDO FINAL

PULIDO

PULIDO MECANICO

RA T A D E R E M O C I O N

TAMAÑO DE MICRA

33

2. EQUIPOS PARA LA PREPARACIÓN MECANICA DE PROBETAS

Estos equipos se construyen con el propósito de facilitar y mejorar la técnica

metalográfica. Deben cumplir los mismos objetivos que los propuestos con el

tratamiento manual. Estos equipos son semiautomáticos y su acción se realiza ya sea

por medio de cintas abrasivas o por platos giratorios donde se dispone un disco

abrasivo, los cuales se mueven a una velocidad adecuada en contacto con la pieza a

pulir o desbastar. El objetivo de este capítulo es apreciar las ventajas y

desventajas de cada uno de estos equipos con el fin de determinar cual sería el

más conveniente para construir en este proyecto.

2.1 MAQUINAS DE CINTAS

Estas máquinas constan de una cinta continua, obligada a moverse rápidamente en la

proximidad y paralelamente a una superficie plana de soporte en la zona de trabajo.

La probeta se debe mantener firme sin rotarla mientras se encuentra en una cinta

determinada, la sujeción de la probeta puede ser manual o mecánica. Después del

tratamiento en la anterior cinta se rota 90° y se pasa a otra cinta de menor tamaño de

grano y así sucesivamente hasta completar el desbaste. Normalmente, la cinta va

montada sobre tres rodillos, de los cuales uno es motor, el otro hace de guía y el

tercero es tensor, esta cinta presenta en la superficie que no está en contacto con los

34

rodillos un recubrimiento de sustancia abrasiva. La cinta puede estar dispuesta de

forma horizontal o vertical según sea el trabajo a realizar.

2.2. MAQUINAS DE DISCOS

Son de acción frontal. El sostenimiento de las probetas pueden ser manual,

semiautomático, programables y/o controladas por microprocesador. Se programa el

tiempo de tratamiento, la fuerza aplicada (presión sobre el disco abrasivo), velocidad

de los platos, cantidad y tipo de fluido. Están constituidas por un motor eléctrico

sostenido por una columna cuyo árbol muy alargado lleva en los extremos dos discos

que así pueden girar a la velocidad adecuada, por su acoplamiento al motor por medio

de un sistema de transmisión de la potencia.

Estos equipos trabajan con la superficie frontal del disco recubierta con el material

abrasivo (discos abrasivos de granulometría entre 60-600), en donde la probeta a

tratar se comprime contra el disco manualmente o por medio de un brazo mecánico.

La probeta se mueve alternativamente en sentido radial, girando en sentido contrario

al disco, para evitar que se formen rayas o huecos debido a las trayectorias de los

granos abrasivos.

35

2.3 COMPARACION DE LOS DOS TIPOS DE MAQUINA

La máquina de cintas es más sencilla y de fácil construcción que la máquina de

discos, sin embargo, esta última ofrece mejores ventajas en cuanto permite controlar

de mejor forma las variables del proceso, lo cual repercutirá en la obtención de

mejores superficies. Durante el desbaste en la máquina de cinta la probeta al ser

mantenida en una sola posición, da como resultado rayas en una determinada

dirección, lo cual puede ocasionar concentración de esfuerzos en alguna zona de la

probeta (grietas, huecos, límites de grano, etc.), produciendo deformación excesiva y

mala calidad en el resultado final. Con la máquina de disco no sucede esto pues la

probeta y el disco abrasivo se encuentran en constante movimiento relativo. La

dosificación de los líquidos lubricantes y refrigerantes se puede controlar más fácil en

las máquinas de disco que en las de cinta, y como se anoto ó anteriormente (subtítulo

1.4), esto tiene gran influencia en la calidad de la superficie pulida final.

2.4 CONCLUSIONES FINALES DE LA REVISION BIBLIOGRAFICA

• El tipo de máquina que se debe construir es el de platos giratorios.

• Con el propósito de poder controlar la velocidad de rotación y presión ejercida

sobre las probetas, se le adaptará un brazo porta probetas que realice esta función.

• La máquina debe disponer de una fuente reguladora de fluido lubricante

36

• La parte crítica de la máquina viene a constituirse, pues, en el acople que debe

existir entre el brazo porta probetas y los platos giratorios, los cuales deben, con

el propósito de obtener, una superficie uniformemente pulida y con el propósito

de no causar daños irreparables a la máquina, tener el mínimo grado de vibración.

Una mínima vibración entre estas dos superficies en contacto (probeta y disco

abrasivo) a la presión de trabajo y a las altas velocidades, generaría esfuerzos que

actuarían sobre los ejes que sostienen a los platos y los porta probetas

destruyéndolos. Además una mínima vibración podría generar superficies mal

desbastadas imposibles de analizar metalográficamente.

• La máquina desbastadora de discos puede ser convertida fácilmente a máquina

pulidora cambiando los papeles abrasivos por paños de pulido y modificando el

tipo de fluido y la presión ejercida sobre las probetas.

37

3. DISEÑO Y CONSTRUCCION DEL EQUIPO

Para la construcción de la máquina para el desbaste de probetas metalográficas, se

tuvieron en cuenta las conclusiones a que se llegó después de analizar la literatura

existente sobre la técnica metalográfica, para el análisis de los materiales de

ingeniería.

El equipo en si cuenta con dos partes esenciales, una es el sistema que se encarga de

dar movimiento a los platos que soportan los discos abrasivos y otra parte es la que

tiene que ver con el sistema que da movimiento a las probetas y el sistema que las

soporta. Se debe tener presente que esta máquina puede actuar como desbastadora o

pulidora, según las consideraciones anotadas en el capítulo anterior. Primero se hará

una exposición del procedimiento que se siguió para el diseño y construcción del

sistema que da movimiento a los platos, después se describirá el sistema de

movimiento de las probetas y por último la forma como estos dos sistemas se

ensamblan para dar forma a la máquina definitiva.

38

3.1 SISTEMA PARA EL MOVIMIENTO DE LOS PLATOS Y SOPORTE DEL

MEDIO ABRASIVO

El motor de este sistema es de ¾ HP, y ha sido seleccionado especialmente para

operación vertical y para dar el torque requerido, tiene una velocidad de 1800 r.p.m. y

es monofásico.

El motor da movimiento a dos platos, unidos a unos ejes respectivos, el cual sustenta

una polea que reduce las velocidades a 600 y 800 r.p.m. respectivamente, las cuales

son las recomendadas para este tipo de tratamiento de preparación metalográfica.

Cada eje lleva encima dos discos de aluminio de 8” de diámetro y 1/8” de espesor,

construidos especialmente para este proyecto.

3.1.1 Cálculo de la Potencia. De las figuras 4 y 5 obtenemos los siguientes datos:

ωm = Velocidad del motor (1800 r.p.m.)

ω2 = Velocidad del disco 2 (800 r.p.m.)

ω1 = Velocidad del disco 1 (600 r.p.m.)

La siguiente relación se debe cumplir en la transmisión de la potencia por medio de

las correas que conectan a las poleas respectivas:

39

ωm*rm = ω1*r1 = ω2*r2

F = Fuerza aplicada por el brazo mecánico con la probeta sobre el disco.

Esta fuerza tiene un valor aproximado de libras.

µ = Coeficiente de rozamiento entre el material a desbastar y el medio

abrasivo.

Fr = Fuerza de rozamiento que hay que vencer para producir movimiento al

plato. Fr= µ*N.

N = Fuerza normal que ejerce el plato y que es contraria a la fuerza

aplicada.

Para el cálculo utilizamos un coeficiente de rozamiento de 0.94 (valor de µ para el

acero en contacto con lija de desbaste).

El momento máximo se produce cuando la probeta está en el extremo del disco con

un radio de 4”.

T= Fr*r

Fr= µ*N

40

Donde T es el torque, r es el radio (4”) y N es la normal (5 lbs.). reemplazando

valores se obtiene:

Fr = 4.7 Lbs. Y T = 18.8 lbs.

Para calcular la potencia que se requiere para vencer la inercia, se utiliza de la

siguiente fórmula:

63000

ω∗=

TP

Para el eje 1 se tiene:

HPPconsumida 179.063000

6008.18=

∗=

La eficiencia de una transmisión de correas trapezoidales esta en proximidad de 70-

96%, para el cálculo tomamos una eficiencia del 70%.

La potencia real necesaria en el primer disco (eje 1, ver figura 4) se halla de la

siguiente manera: Dividiendo la potencia consumida por el segundo disco por la

eficiencia de la correa, así:

η

consumida

real

PP =

41

Donde η es igual 0.7

Reemplazando valores se tiene que:

Preal= 0.256 HP

La potencia necesaria para vencer la inercia del disco 2 (eje 2, ver figura 4), se halla

de igual manera y utilizando el caso más crítico de desbaste con arena de grano fino,

con un coeficiente de rozamiento de 0.94 y una fuerza de presión aplicada a la

probeta de 5 libras.

T= Fr*r

T= 18.8 lb-plg.

HPPconsumida 238.063000

8008.18=

∗=

Tomando η = 0.7 (eficiencia de la correa trapezoidal)

HPHP

Preal 34.07.0

238.0==

42

La potencia total (asumiendo el caso crítico donde los ejes trabajan simultáneamente),

se halla sumando las potencias necesarias para mover cada uno de los ejes.

Ptotal= 0.256HP+0.34HP

Ptotal=0.597HP

EJE UNO EJE DOS Figura 4. Disposición de las poleas en el sistema que da movimiento a los platos

MOTOR

D1=7.5 Dm=2.5” D2=5.6”

43

Este cálculo es sin tener en cuenta el factor de seguridad, tomando un coeficiente de

servicio de 1.4 por ser un motor de inducción y por ser eje de transmisión o de línea y

quitándole 0.2 por servicio intermitente, se tiene un coeficiente de servicio:

Nsf = 1.2

La potencia total del motor sería:

PMotor = Ptotal*Factor de seguridad

PMotor = 0.597HP*1.2=0.7164HP

Esto viene a corresponder a un motor en el comercio de 3/4HP.

Para cuestión de cálculo de diseño se toma el eje que consume mayor potencia real,

0.34HP, que corresponde el 57% de la potencia total.

3.1.2 Cálculo de las Poleas y Correas. Tomando en consideración los siguientes

datos:

ωm = 1800r.p.m.

ω2 = 800r.p.m.

ω1 = 600r.p.m.

44

Dm = 2.5” (diámetro de la polea del motor)

Como ωm*rm= ω1*r1 entonces:

"75.3...600

"5.2...1800

11 =

∗=

∗=

mpr

mprrr mm

ω

ω

Es decir D1= 7.5”

Calculando para el otro eje

ωm*rm= ω2*r2 se tiene:

...800

"5.2...1800

22

mpr

mprrr mm ∗

=∗

ω

D2= 5.62”

Como la velocidad relativa es:

25.2...800

...1800==

mpr

mprm

Aquí m< 3, entonces:

45

m

m DDD

C ++

=2

22

5.22

62.55.22 +

+=C

C2=6.56”

Para la polea 1 m=3, cuando ocurre esto C1=D1, entonces C1=7.5”.

Calculando la longitud de la correa mediante la siguiente ecuación se tiene;

C

DDDDCL m 4

)()(57.12

212

1

−+++=

5.7*4

)5.25.7()5.25.7(57.15.7*2

2

1

−+++=L

L1 = 31.53”; entonces, se selecciona la correa A31 para el eje del motor y eje uno

Ahora; C2 = 6.56”

56.6*4

)5.262.5()5.262.5(57.156.6*2

2

2

−+++=L

46

L2 = 26.54”; se selecciona la correa A26 para el eje del motor y el eje dos

Teniendo las longitudes de las dos correas a utilizar su selección es la siguiente:

L1 = A31 (motor y eje uno)

L2 = A26 (motor y eje dos)

3.1.3 Cálculo de las Tensiones de las Correas. Se tiene en cuenta el eje que

consume mayor potencia real (eje 2) 0.34HP, que representa el 57% de la potencia

total consumida (0.597HP).

Se tuvieron en cuenta los siguientes datos:

ωm = 1800r.p.m.

ω2 = 800r.p.m.

ω1 = 600r.p.m.

Dm = 2.5” (diámetro de la polea del motor)

ωπ ∗∗= DVm

Vm=3.1416*2.5”*1800r.p.m.*1ft./12”

47

Vm= 1178.1ft/min

6300033000

)( 21 ω∗=

∗+=

TVFFHP m

Para una tracción inicial en reposo cuanto más tensa esté la correa, más potencia se

puede transmitir. En deslizamiento excesivo es recomendable una tracción inicial de

12.7Kg/cm o 71 lb/plg. Para esta tracción y para cuestiones de diseño se recomienda:

F1/F2= 3

Para un F1> F2 puede dañar la correa y deteriorar los cojinetes.

Como el 57% de la potencia es consumida por el eje 2, entonces.

33000

1.1178)(

33000

)(427.0 1221 ∗−

=∗−

=FFVFF

HP m

Despejando se tiene:

F1-F2 = 11.96

F1/F2 = 3

48

F

N

F1, F2 FR

F2 F1 20 cm Figura 5. Esquema para el calculo de las poleas y tensiones de las correas

49

Resolviendo las dos ecuaciones anteriores simultáneamente, se tiene que las tensiones

para las correas son:

F1 = 17.94 lb.

F2 = 5.98 lb

3.1.4 Cálculo de las dimensiones de los Ejes. Estos cálculos se hacen teniendo en

cuenta la figura 6.

Σ FY = 0

RA + Rb = 23.92

+Σ MA = 0

RB*9” –23.92 lb*3.5” = 0

RB = 9.3 lb.

RA = 14.62 lb.

50

DIAGRAMA DE FUERZA CORTANTE

14.62 3.5 9 X (pulgadas) 9.3

DIAGRAMA DE MOMENTO

Hallando momento máximo por área bajo la curva

Mmáx.= RA*3.5 = 51.17 lb.plg.

V (lb)

51.17

M (lb-plg)

4 9 X (pulgadas)

51

Para calcular el torque:

63000

*ωTHP =

lg.63.33800

63000*427.0plbT ==

DIAGRAMA DE TORSION

T=33.63 lb.plg

A C B

DIAGRAMA DE ESFUERZO TORSIONANTE

τ (lb/plg2)

τ = 16t/D3π

t (seg.)

52

3.1.4.1 Diseño con Base a Carga Estática. Se escogió un acero 4140 recomendado

para este tipo de esfuerzos.

( )3

1

2

122

*

*32

+= TM

S

nd

y π

Tomando un factor de seguridad igual a 2 se tiene:

( )3

1

2

122

363.3317.51

*1083

2*32

+

×=

πd

d = 0.2865 plg.

3.1.4.2 Enfoque de Soderberg. Teniendo en cuenta fatiga, flexión alternante, torsión

constante.

Para aceros aleados Se1/Su = 0.5

Para 106 ciclos de vida infinita Su= 112 Kpsi y Sy =83 Kpsi

Se = Limite de fatiga media

Su = Resistencia ultima a la tensión

53

Se = Ka*Kb*Kc*Kd*Ke*Kf*Sel

Ka = Factor de superficie o acabado y es igual a0.6 para laminados en

caliente

Kb = Factor de tamaño y es igual a0.869-0.097 cuando 0.3<d<10, igual a 1

Kc = Factor de confiabilidad, para un 99%, es igual a 0.814

Kd = Factor de temperatura, para temperaturas menores a 450°C es igual a

1.0

Ke = Factor de concentración de esfuerzo

Kf = Factor de efectos diversos

Sel = 0.5*112 Kpsi = 56 Kpsi

Se = 0.6*1*0.814*56kpsi = 27.35 Kpsi

3

1

2

122

*32

+

=

ey S

M

S

Tnd

π

54

3

1

2

122

27350

17.51

83000

63.332*32

+

=

πd

d = 0.3391 plg.

3.1.4.3 Teoría del Esfuerzo Cortante Máximo.

3

1

2

122

*48

+

=

ey S

M

S

Tnd

π

3

1

2

122

27350

17.51

83000

63.332*48

+

=

πd

d = 0.3882 plg.

3.1.4.4 Fórmula del código de la ASME. Se basa en la teoría de la falla por

esfuerzo cortante máximo τp, el cuadro 4 muestra los valores de Cm y Ct

55

Cuadro 4. Valores de factor de momento flexionante Cm y del factor de momento

torsionante Ct

TIPO DE CARGA Cm Ct

EJE FIJO

Carga aplicada gradualmente 1.0 1.0

Carga aplicada repentinamente 1.5-2.0 1.5-2.0

EJE GIRATORIO

Carga aplicada gradualmente 1.5 1.0

Carga estable 1.5 1.0

Choques 1.5-2.0 1.0-1.5

Carga aplicada repentinamente 2.0-3.0 1.0-3.0

Choques fuertes 2.0-3.0 1.0-3.0

( ) ( )[ ]3

1

2

122 **

16

+∗

= TCMCd tm

pτπ

El código ASME define un esfuerzo cortante permisible como el menor de los valores

siguientes:

τp = 0.35 Sy o

τp = 0.18 Su

τp = 0.35 *83 Kpsi = 24.9 Kpsi o τp = 0.18 *112 = 20.16 Kpsi

Se toma el mayor valor, remplazando los datos se tiene:

56

( ) ( )[ ]3

1

2

12

31*63.335.1*17.51

10*9.24

16

+∗

d

d= 0.26 plg

Del análisis anterior se observa que el diámetro mayor concuerda con el criterio de

cortante máximo (0.3882 plg), bajo unas condiciones donde el eje trabaja con una

potencia equivalente a un 57% del total del motor esto nos lleva a concluir que el eje

número 1 (consumo 43%) da un diámetro menor. Teniendo en cuenta que diámetros

menores de ½” no son comerciales para cojinetes, se considero seleccionar para

ambos ejes un diámetro de ½ “ como diámetro normalizado.

El eje del motor está diseñado con un material y un diámetro capaz de transmitir la

potencia nominal de placa.

3.1.4.5 Análisis de Columnas. Para columnas cortas se aplica la formula de J. B.

Johnson. Ver figura 6

( )

−=

E

KLSASF

ey

y**4

/1*

2

2

π

30 < Le/K < 120, donde:

57

F = Carga aplicada en fórma puntual a la columna por la probeta

A = Area de la sección transversal de la columna

Sy = Límite de la resistencia a la fluencia

Se = Límite de resistencia a la fatiga

Le = Longitud efectiva o libre de la columna

K = Radio de giro del área de la sección transversal, con respecto al eje que

pasa. por el centro de gravedad, por lo general es el radio de giro mínimo

K= (I/A)1/2

IX = Momento de inercia respecto al eje que pasa por el centro de la

sección transversal circular.

Ix = π*D

4/64

A = Area de la sección transversal circular A= π*D2/4

58

Le/K = Relación o grado de esbeltez

Reemplazando valores de I y de A tenemos:

K = (D2/16)1/2 entonces K = D/4

DDK

Le 20

4

5.4==

F = Fuerza aplicada por la probeta mas el peso del disco F = 5.4 lb.

E = Modulo de elasticidad de Young

( )

−=

E

KLSASF

ey

y**4

/1*

2

2

π

( )

×−=

622

232

1030***4

20*10*8314/**273505.4

DDlb

ππ

59

Fc= 5lb EMPOTRADO EMPOTRAMIENTO Figura 6. Columna Corta con Carga centrada y Empotrada en los extremos.

Despejando D se tiene un valor de 0.336 plg.

Por Euler Le/K > 120 no se cumple, probamos con el diámetro 0.335”

K = D/4 = 0.336/4

K = 0.084

Le = L/2

60

Le= L/2 =10 plg/2

Le = 4.5 plg

Le/K = 4.5/0.084 = 53.57

Como 53.57 es menor que 120 entonces no se cumple Euler.

61

ANALISIS DE CARGA ESTATICA

POLEA

DISCO

F2 d = ?

B

F1

POLEA

d

M

RA 3.5” C 5.5” RB

Figura 7 Análisis de Carga estática.

62

3.2 CALCULO DEL BRAZO PORTA PROBETAS

3.2.1 Cálculo de la potencia. El momento máximo del porta probetas es igual al del

disco de pulir, pero de sentido contrario.

Tmáx = 18.8 lb*pulg.

Ahora se calcula la potencia requerida, optando por una velocidad en el porta

probetas, ω = 500 r.p.m.

63000

ωTP = ; donde

P = potencia requerida

T = torque máximo del porta probetas

ω = ωpp = velocidad el porta probetas

63000

5008.18 ∗=P

P = 0.149 HP, con una eficiencia, η = 0.7, para hallar potencia real,

63

η

PPreal =

7.0

149.0=realP

Preal = 0.21HP

Teniendo en cuenta las consideraciones del trabajo de las correas y el tipo de motor a

utilizar

• Motor de inducción

• Funcionamiento intermitente

• Las correas no trabajarán bajo condiciones húmedas

Nsf = 1.4 – 0.2

Nsf = 1.2

La potencia total de motor es de:

Ptotal m = Preal* Nsf

Ptotal m = 0.248 HP aproximando a 0.25 HP

64

Ptotal m = ¼ HP

3.2.2 Cálculo de las Poleas y longitud de la Correa

ωm = 1800 r.p.m. = velocidad eje del motor

ωpp = 500 r.p.m. = Velocidad eje porta probetas.

Dm = 1.23 = Diámetro polea del eje de motor (polea motriz)

ωm*rm = ωpp*rpp

500

33.1*1800=

∗=

pp

mm

pp

rr

ω

ω

Dpp = 4.8 plg.

Como m=1800/500 = 3.6; se toma C=D

C = 4.8 plg.

C

DDDDCL m

4

)()(57.12

21

21

++++=

65

8.4*4

)33.18.4()33.18.4(57.18.4*2

2++++=L

L = 19.73 plg

Entonces se selecciona la correa de tipo A26.

3.2.3 Calculo de las tensiones de la correa

ωm = 1800 r.p.m.

ωpp = 500 r.p.m.

Vm = πDωm = π*1800*1.33/12

Vm = 626.75 ft/min.

6300033000

*)( 21 ωTVFFHP m =

−=

33000

75.626*)(25.0 21 FF −

=

F1 - F2 = 13.16

66

F1 = 3 F2

Resolviendo simultáneamente las dos ecuaciones anteriores, se tiene

F1 = 8.76 lb.

F2 = 4.4 lb

Cuadro 5. Comparación de Datos de la máquina diseñada respecto de los datos

característicos de la máquina seleccionada.

CANTIDAD VALORES DEL TALADRO CALCULOS PARA MAQUINA

ω m

Potencia

C

Dpp

Dm

ωpp

1720 r.p.m.

¼ HP

5”

4”

1”

512 r.p.m.

1800 r.p.m.

¼ HP

4.8”

4.8”

1.13”

500 r.p.m

De la anterior comparación de datos, nos damos cuenta de las características

mecánicas del taladro mecánico seleccionado para que cumpla la función de porta

probetas, éste se ajusta muy bien a las necesidades de la máquina. Se hace la

observación que la decisión principal de utilizar este equipo como sistema porta

probetas, radicó en la necesidad de tener el mínimo grado de vibración entre las

67

superficies en contacto, debido a los problemas que esto podría generar (ver capitulo

1).

3.3 SELECCIÓN DE COJINETES

para la selección de rodamientos hay que tener en cuenta componentes asociados con

ellos como son: ejes, soportes, etc. El lubricante es también un factor muy importante

a tener en cuenta, es aconsejable proteger los rodamientos mediante obturaciones para

evitar la pérdida de lubricantes y la entrada de humedad y otros contaminantes.

Otro aspecto importante a tener en cuenta es la selección de un tipo adecuado de

rodamientos, la determinación de un tamaño adecuado, ajustes y juego interno del

rodamiento, estas decisiones influyen en el rendimiento, la fiabilidad y la economía

de la disposición de rodamientos.

A continuación se exponen algunos aspectos importantes a tener en cuenta en la

selección de cojinetes.

• Espacio disponible: Para los ejes de pequeño diámetro, se utiliza cualquier tipo

de rodamiento de bolas, los mas utilizados en este caso son los rodamientos

rígidos de bolas; los de aguja: para ejes de diámetros grandes, se pueden utilizar

los rodamientos de rodillos cilíndricos, los de rodillo o rótula y los de rodillos

cónicos, aquí también son utilizados los rodamientos rígidos de bola.

68

Cuando se dispone de un espacio radial limitado, se deben seleccionar

rodamientos de pequeña sección.

Si la limitación del espacio es en sentido axial, para cargas radiales y combinadas,

se pueden utilizar los rodamientos de una hilera de rodillos cilíndricos y

rodamientos rígidos de bolas.

• Carga: hay que tener en cuenta dos factores que son, la magnitud de la carga y la

dirección de la misma.

La magnitud de la carga es normalmente el factor más importante para determinar

el tamaño del rodamiento a utilizar. Para unas mismas dimensiones principales,

los rodamientos de rodillo soportan mayor carga que los de bola y los

rodamientos llenos de elementos rodantes pueden soportar mayores cargas que los

rodamientos con jaula correspondientes.

Cuando las cargas son pequeñas los rodamientos más utilizados son los de bolas y

los de rodillos para cargas pesadas y ejes de grandes diámetros.

Todos los rodamientos radiales (excepto los de rodillos cilíndricos sin pestañas en

algunos de sus aros, y los rodamientos radiales de aguja que sólo son adecuados

para cargas estrictamente radiales) pueden soportar cargas radiales y axiales.

69

• Desalineacion: las desalineaciones angulares entre el eje y el soporte pueden ser

originadas por flexión del eje bajo la carga de funcionamiento, cuando los

asientos del rodamiento en el soporte no han sido mecanizados en una sola

operación o cuando los ejes están soportados por rodamientos montados en

soportes separados y a gran distancia entre sí.

• Precisión: se requieren rodamientos con altos grados de precisión para aquellas

de rodamientos que funcionan con rigurosas exigencias de exactitud (rodamientos

de husillos de las máquinas-herramientas) así como también aquellos casos que

precisan de altas velocidades de funcionamiento.

• Velocidad: La velocidad que un rodamiento debe tener es limitada por la

temperatura máxima permisible de funcionamiento. Las máximas velocidades

pueden conseguirse con rodamientos rígidos de bolas cuando las cargas son

radiales puras, y con los rodamientos de bola con contacto angular para cargas

combinadas.

• Funcionamiento silencioso: Existen rodamientos rígidos de bolas recomendados

para este efecto.

• Rigidez: La rigidez de un rodamiento se caracteriza por la magnitud de la

deformación elástica del rodamiento cargado.

70

3.3.1 Selección de Rodamientos Mediante Tablas. Las cargas especificadas en el

cuadro 6. se han establecido teniendo en cuenta que el 90% de los rodamientos

subsistirán o resistirán 106 revoluciones, cuando la carga equivalente es utilizada para

selección.

Si hay choques o vibración, la carga anterior debe modificarse de acuerdo con el

criterio del proyectista.

Cuadro 6. Guía de valores de vida nominal B10h para diferentes clases de maquinas.

CLASES DE MAQUINAS B10h

• Maquinas agrícolas, aparatos para uso medico

• Maquinas herramientas portátiles, aparatos elevadores para

talleres y construcción.

• Ascensores, grúas para mercancías embaladas.

• Maquinas para 8 horas diarias de trabajo, no utilizadas

totalmente, motores eléctricos de uso industrial

• Maquinas para 8 horas diarias de trabajo totalmente utilizadas,

cintas transportadoras, maquinas herramientas

• Maquinas para trabajo continuo, compresores, bombas,

maquinaria textil.

• Maquinas para abastecimiento de agua, hornos giratorios.

• Maquinas eléctricas de gran tamaño, centrales eléctricas,

ventiladores y bombas para minas.

300-3000

3000-8000

8000-12000

10000-25000

20000-30000

40000-50000

60000-100000

Aprox. 100000

71

3.3.2 Carga dinámica Equivalente (fe). Los rodamientos de bolas y algunos de

rodillos están sometidos simultáneamente a cargas radiales y axiales. Como las

posibles combinaciones de estas cargas son infinitas, los fabricantes especifican sus

rodamientos radiales en función de una carga radial y rodamiento axiales en función

de una carga axial. Por consiguiente, es necesario utilizar una carga equivalente.

Fe = Cr*Fx para : QFC

F

xr

z ≤*

Fe = 0.56*Cr*Fx + Ct*Fz para : QFC

F

xr

z ≥*

Donde Fx es la carga radial (calculada por un análisis de fuerza), Fz es la carga de

empuje axial, Cr es un factor de rotación y es igual a 1 para aro interior giratorio, Cr

es igual a 1.2 para aro exterior giratorio con respecto a un aro interior fijo, Ct es un

factor de empuje que se aplica cuando: QFC

F

xr

z ≥*

El cuadro 7 muestra los diferentes valores de Q, se observa que si la carga es una

fracción suficientemente pequeña de la carga radial, se puede prescindir de ella.

72

Cuadro 7. Factor Axial para Rodamientos de Bolas Rígidos con una y dos Hileras.

FACTOR VALORES DETERMINADOS

FZ/FS

Ct

Q

0.014

2.3

0.19

0.028

1.99

0.22

0.056

1.71

0.26

0.084

1.55

0.28

0.11

1.45

0.30

0.17

1.31

0.34

0.28

1.15

0.38

0.42

1.04

0.42

0.56

1.00

0.44

3.3.3 Procedimiento. Una vez decidida la carga equivalente Fe, se calcula la carga

especificada nominal por millones de revoluciones.

s

K

r

r FB

BF *

1

10

=

Br = Mr donde:

K =3 para rodamientos de bolas y k = 10/3 para rodamientos de rodillos.

B10Mr es el numero deseado de revoluciones antes de que ocurra 10 % de fallas, y el

rodamiento se elige para que tenga una carga especificada nominal igual o mayor que

Fr, para Br = Mr, como antes, esta Fr representa la capacidad de carga básica.

En la selección de rodamientos para nuestro caso:

73

Fx = 40.1 lbs = 88.22 Kg radial

Fz 8.8 Kg Axial

Ocho horas de trabajo por día no continuo

B10= 20000Hr*60min/Hr*1100rev/min*M/106 = 1320Mr

Fz/CrFx = 4 lb/40.1 = 0.0997< Q

En el cuadro 7, los valores de Q llegan hasta 0.44

Aplicando la fórmula para esta condición:

Fe = Cr*Fx ( Cr = 1.0 para aro interior giratorio)

Fe = 1*40.1 lb = 88.22 Kg.

Fr = (B10)1/3 Fe = (1320)

1/388.22Kg = 967.74 Kg.

Fr = 9483.84 N, con este valor se consulta en el catalogo de la SKF seleccionando un

rodamiento designado 6301-2Z con dos placas, con una capacidad de carga dinámica

básica Fr = 9750 N.

74

4. MANUAL DE FUNCIONAMIENTO

La máquina preparadora de probetas metalográficas (pulido grueso y bajo ciertas

condiciones pulido fino), fue diseñada y construida para que se adapte especialmente

a las condiciones de docencia y con el propósito de prestar servicio a la Industria.

Para un buen funcionamiento del equipo se deben considerar los siguiente en cuanto a

la operación:

• Conectar a un voltaje de 120 V

• Mantener los cojinetes debidamente lubricados (hacer esta operación una vez por

mes)

• Verificar la tensión y el estado de las correas cada vez que se vaya a poner en

marcha la máquina. Para este propósito se han adecuado unos tornillos tensores

como se puede observar en el plano correspondiente. Las correas no se deben

tensionar demasiado ya que impide el arranque del motor, recalentándolo y

además puede llegar a dañar los cojinetes.

• Seleccionar la velocidad adecuada en el brazo porta probetas, y tensionar las

correas por medio del tornillo colocado para tal fin (ver plano).

75

• Colocar las probetas en las placas de soporte, teniendo cuidado de apretar los

tornillos prisioneros para que estas no se vayan a soltar durante la operación de la

máquina, pues podría llegar a causar un accidente a los operarios o daños

irreparables a la máquina. Se debe tener cuidado de colocar todas las probetas

con su superficie a pulir a una misma distancia es decir sobre un mismo plano.

• Colocar la placa porta probetas en el brazo de soporte, apretar por medio de la

llave dispuesta para este propósito. El sistema de ajuste es el mismo que se utiliza

para la colocación de una broca en un taladro.

• El cabezal del brazo porta probetas puede girar y colocarse sobre uno u otro plato

dependiendo del tipo de abrasivo que se vaya a utilizar. Se debe ajustar el cabezal

con el tornillo prisionero dispuesto (ver plano), antes de poner a funcionar la

máquina, de otra manera podría girar durante su funcionamiento y causar

accidentes.

• Poner en funcionamiento los platos que soportan el medio abrasivo.

• Abrir la válvula dosificadora de líquido, de acuerdo a las recomendaciones del

proceso (ver capítulo 1).

• Poner en funcionamiento el brazo porta probetas.

76

• Acercar lentamente el brazo porta probetas hacia los platos, dar la presión

adecuada y apretar el tornillo de ajuste (ver plano).

• Dejar funcionar el tiempo adecuado según el material que se este trabajando (ver

teoría del primer capitulo)

• Apagar la máquina y desmontar las probetas

• Hacer limpieza de los platos, las probetas y el porta probetas. Esto es importante

tanto para el equipo como para la buena calidad de las probetas.

77

5. MANUAL DE MANTENIMIENTO

Todas las partes de la maquina son desmontables, lo cual facilita su mantenimiento.

5.1 CORREAS

Se recomienda verificar antes de cualquier encendido de las partes de la máquina, la

tensión y estado de las correas.

El cambio de las correas se debe realizar cuando estén desgastadas y se presenten

deslizamientos de estas.

Los tipos de correas utilizadas son: Para el disco número 2 (derecho), una correa en

“V” tipo A42, para el disco numero 2 (izquierdo) una correa tipo A44 y una correa en

“V” tipo A26 para la transmisión de la potencia en el brazo porta probetas.

5.2 COJINETES.

Se deben mantener constantemente lubricados, hacer esta operación por lo menos una

vez al mes, con el propósito de evitar en contacto metálico entre los elementos

78

rodantes, los caminos de rodadura y las jaulas, con esto además de evitar el desgaste,

se evita la corrosión de los mismos.

El sistema porta probetas dispone de tres cojinetes: tipo 6023 grado E, tipo 60201

grado D y tipo 80201 grado D. Los cuales deben ser lubricados con una grasa fina.

La grasa presenta la ventaja con respecto al aceite de que es más fácil de retener en la

disposición de rodamiento, particularmente con ejes inclinados o verticales, y

también contribuya a la obturación de la disposición contra los contaminantes, la

humedad o el agua.

Un exceso de lubricante provoca un rápido aumento de la temperatura de

funcionamiento, particularmente cuando los rodamientos giran a grandes velocidades.

Por tanto, como regla general, solamente el rodamiento debe quedar totalmente lleno

de grasa mientras que el espacio libre que queda en el soporte debe llenarse

parcialmente. Se debe tener en cuenta que el sitio de operación de la máquina debe

ser un lugar libre de contaminantes como polvo o partículas, pues pueden llegar a

alterar la superficie de las probetas. Este mismo polvo puede contaminar las grasas y

causar daño a los cojinetes.

79

5.3 MOTORES

La máquina consta de dos motores que actúan independientemente. El sistema que

da movimiento a los platos es de ¾ HP, opera a 110 voltios y es monofásico. El

motor que da movimiento al brazo es de ¼ HP, opera a 110 voltios y un amperaje

máximo de 2.5 amperios. Se debe hacer revisiones periódicas de las variaciones de

voltaje que se presenten pues es una indicación de que la máquina esta funcionando

forzadamente por una mala tensión en las correas. Se deben hacer limpieza a los

contactos y procurar que no caiga suciedad o agua en las partes eléctricas. El sistema

cuenta con unos fusibles que le dan protección en caso de alguna sobrecarga.

5.4 OTRAS PARTES DE LA MAQUINA

• Revisar la alineación y ajuste de las poleas.

• Después de cada trabajo se debe hacer una limpieza exhaustiva a todas las partes,

y cubrir todas las partes no pintadas (ejes, columnas, soportes, etc.9 con una

película de aceite mineral para prevenir su corrosión. Se debe cortar el suministro

de la energía al terminar la practica por seguridad.

• En ningún caso ponga a funcionar la máquina cuando se presente alguna

vibración ya sea en los platos o en el brazo porta probetas.

80

• Periódicamente revisar que el sistema de desagüe de los platos no esté obturado,

en caso de que lo este hacer la limpieza respectiva.

81

6. REGISTRO DE EXISTENCIAS EN EL LABORATORIO DE

METALOGRAFIA

6.1. EQUIPOS

el laboratorio de metalografia cuenta con los siguientes equipos:

• Enbaqueladora: este equipo se encuentra en mal estado debido a la falta de

mantenimiento.

• Microscopios: los dos equipos se encuentran en mal estado, ya que se han

deteriorado hasta el punto de causarle daños irreparables en muchas de suspartes,

debido a las condiciones de operación en el laboratorio y por falta de

mantenimiento.

• Cortadora de probetas: este equipo necesita mantenimiento y la compra de los

discos de corte para ponerle a funcionar, este equipo no es suficiente para todo

tipo de probetas, es decir solo podria servir para la parte didactica pero para hacer

un analisis con el proposito de prestar un servicio.

82

• Máquina pulidora: desde que se construyo la máquina no se le ha hecho

mantenimiento, por lo tanto se encuentra totalmente desalineada y dificulta su

operación para la preparación de las muestras metalograficas.

• Marcador de probetas: se encuentra en buen estado, pero se deberia tener otras

formas para la identificación de probetas ya que esta forma no es recomendable.

• Secador: este equipo no es el adecuado para el secado de las probetas.

• Lijadoras manuales: no se utilizan por que son muy molestas en el momento de

operar con ellas.

• Lupa: esta no es la que se necesita para el analisis metalografico, se debe

conseguir una especialmente fabricada para este proposito.

• Horno electrico: este equipo no esta calibrado correctamente, ni existen las

debidas conexiones en el laboratorio para poder operar con el.

• Desecador. El que existe no es suficiente ni dispone de la sustancias desecadoras

para que cumplan con su cometido. Este esta funcionando como una simple caja

de almacenamiento de probetas.

83

6.2 MATERIALES

• Reactivos para analisis quimicos (acidos, sales y bases)

• Utiles de vidrio para preparar los reactivos de ataque.

• Sustancias abrasivas (alumina en diferentes granulometria)

• Baquelita para el montaje de probetas en la máquina enbaqueladora.

• Lijas en diferentes granulometrias: aunque cumplen el proposito docente, do debe

ser utilizada con propositos de prestar un servicio. Se recomienda la compra de

materiales abrasivos especialmente fabricados con este proposito. (ver capitulo 1

del proyecto).

84

CONCLUSIONES

El éxito de un análisis metalográfico en gran medida se debe al cuidado que se

aplique para la preparación de la probeta, el equipo construido permite manipular las

variables para la preparación de la muestra (velocidad, presión ejercida contra el

medio abrasivo, tiempo, cantidad de lubricante, etc.) y lo más importante, permite la

reproducción de estas mismas condiciones para diferentes tipos de muestras en

diferentes ensayos (condición básica de cualquier investigación o servicio que se

pueda prestar), lo cual no es posible cuando la preparación se hace manualmente;

donde la presión ejercida es diferente y varía de persona a persona, así mismo no se

pueden controlar el resto de variables con lo que la superficie desbastada y pulida no

es apta para un análisis posterior.

Este proyecto es una buena muestra de cómo se pueden adaptar diferentes elementos

encontrados en el medio, con el propósito de lograr obtener un equipo que cumpla

otras funciones útiles que de otro modo serían muy difíciles de obtener. En este

proyecto se adaptó un equipo de taladro de banco con el propósito de que cumpliera

una función diferente, esto permitió subsanar una de los inconvenientes más críticos

del proyecto, como lo es mantener dos superficies en contacto y en movimiento

relativo sin que exista la mínima posibilidad de una vibración que pueda dar

resultados desastrosos en la marcha de la prueba. Queda claro que esta selección se

85

hizo partiendo tanto de un análisis previo de la técnica metalográfica, como también

de las cargas mecánicas que debía soportar el equipo adaptado a las nuevas

condiciones de operación.

El equipo construido permite obtener superficies preparadas muy similares a las que

se obtienen con equipos que se encuentran en el comercio, pero estos son muy

costosos (alrededor de $40.000.000), esta adaptación de tecnología es, entonces, una

buena solución al problema planteado inicialmente en el anteproyecto.

Por último se concluye que aunque el análisis de la estructura interna de un material,

mediante la técnica metalográfica es muy importante para la evaluación del mismo,

esta técnica por si sola no es determinante, ya que los resultados de esta prueba deben

ser complementados con otras pruebas como: análisis químico, prueba de dureza,

pruebas no destructivas, etc., para poder obtener una prueba concluyente para la

prestación de un servicio.

86

BIBLIOGRAFIA

AVALLONE, Eugene and BAUMEISTER III. Manual del Ingeniero Mecánico. 9° edición. México: McGraw-Hill, 1995. Pag 321. BARREIRO, Jose Apraiz. Tratamientos Térmicos. 4ª edición. México: Editorial Limusa S.A. 1970. Pag 415

CALVO, F.A. Metalografía Práctica. 5ª edición. México: Editorial Alhambra S.A. 1982. Pag 410.

DUBOIX, J. Eduardo. Prácticas de Metalografía. 2ª edición. México: Editorial

Reverte. 1982. Pag 350.

DEUTSCHMAM, Aaron And MICHELS, Walter. Diseño de Máquinas. Teoría y Práctica. 4ª edición. México: Editorial Continental, 1991. Pag 240.

FAIRES, Moring. Diseño de Elementos de Máquinas. 3ª edición. Barcelona: Uteha Noriega Editores, 1993. Pag 450

KEHL; George L. Fundamentos de la Práctica Metalográfica. 3ª edición. Madrid: Editorial Continental, 1982. Pag 390