1. www.FreeLibros.me 2. www.FreeLibros.me 3. Unidades estndar empleadas en este libro A lo largo de este libro de texto se utilizan tanto las unidades del Sistema Internacional (SI, mtrico), como las del Sistema Tradicional de Estados Unidos (USCS) en ecuaciones y tablas. Las unidades mtricas se consideran como unidades primarias, y las unidades del USCS se dan entre parntesis. Prefijos para las unidades del SI Prefijo Smbolo Multiplicador Ejemplos de unidades (y sus smbolos) nano- n 109 nanmetro (nm) micro- m 106 micrmetro (m) mili- m 103 milmetro (mm) centi- c 102 centmetro (cm) kilo- k 103 kilmetro (km) mega- M 106 megaPascal (MPa) giga- G 109 gigaPascal (GPa) Tabla de equivalencias entre las unidades del SI y las del Sistema Tradicional de Estados Unidos (USCS) Variable Unidades del SI Unidades del USCS Equivalencias Longitud rea Volumen Masa Densidad Velocidad Aceleracin Fuerza Torque Presin Carga Energa, trabajo Energa trmica Potencia Calor especfico Conductividad trmica Expansin trmica Viscosidad metro (m) m2 , mm2 m3 , mm3 kilogramo (kg) kg/m3 m/min m/s m/s2 Newton (N) N-m Pascal (Pa) Pascal (Pa) Joule (J) Joule (J) Watt (W) J/Kg-C J/s-mm-C (mm/mm)/C Pa-s pulgada (in) pie (ft) yarda milla micro-pulgada (m-in) in2 , ft3 in3 , ft3 libra (lb) tonelada lb/in3 lb/ft3 ft/min in/min ft/seg2 libra (lb) ft-lb, in-lb lb/in2 lb/in2 ft-lb, in-lb Unidad trmica britnica (Btu) Caballo de fuerza (hp) Btu/lb-F Btu/hr-in-F (in/in)/F lb-seg/in2 1.0 in = 25.4 mm = 0.0254 m 1.0 ft = 12.0 in = 0.3048 m = 304.8 mm 1.0 yarda = 3.0 ft = 0.9144 m = 914.4 mm 1.0 milla = 5 280 ft = 1 609.34 m = 1.60934 km 1.0 -in = 1.0 106 in = 25.4 103 mm 1.0 in2 = 645.16 mm2 1.0 ft2 = 144 in2 = 92.90 103 m2 1.0 in3 = 16 387 mm3 1.0 ft2 = 1 728 in3 = 2.8317 102 m3 1.0 lb = 0.4536 kg 1.0 ton (corta) = 2 000 lb = 907.2 kg 1.0 lb/in3 = 27.68 103 kg/m3 1.0 lb/ft3 = 16.0184 kg/m3 1.0 ft/min = 0.3048 m/min = 5.08 103 m/s 1.0 in/min = 25.4 mm/min = 0.42333 mm/s 1.0 ft/seg = 0.3048 m/s2 1.0 lb = 4.4482 N 1.0 ft-lb = 12.0 in-lb = 1.356 N-m 1.0 in-lb = 0.113 N-m 1.0 lb/in2 = 6 895 N/m2 = 6 895 Pa 1.0 lb/in2 = 6.895 103 N/mm2 = 6.895 103 MPa 1.0 ft-lb = 1.365 N-m = 1.365 J 1.0 in-lb = 0.113 N-m = 0.113 J 1.0 Btu = 1 055 J 1.0 hp = 33 000 ft-lb/min = 745.7 J/s = 745.7 W 1.0 ft-lb/min = 2.2597 102 J/s = 2.2597 102 W 1.0 Btu/lb - F = 1.0 caloras/g-C = 4 187 J/kg-C 1.0 Btu/hr-in - F = 2.077 102 J/s-mm-C 1.0 (in/in)/ F = 1.8 (mm/mm)/C 1.0 lb-seg/in2 = 6 895 Pa-s = 6 895 N-s/m2 Conversin entre las unidades del USCS y el SI Para convertir del sistema USCS al SI: Para convertir el valor de una variable que est en unidades de USCS a su equivalente en unidades del SI, multiplique el valor que desea convertir por el valor que aparece al lado derecho de la equivalencia correspondiente en la Tabla de equivalencias. Ejemplo: Convierta una longitud L = 3.25 a su valor equivalente en milmetros. Solucin: La equivalencia que le corresponde es: 1.0 in = 25.4 mm L = 3.25 in (25.4 mm/in) = 82.55 mm Para convertir unidades del SI al sistema USCS: Para convertir el valor de una variable de unidades del SI a su equivalente en unidades del USCS, divida el valor que desea convertir entre el valor asentado en el lado derecho de la equivalencia que le corresponde en la Tabla de equivalencias. Ejemplo: Convierta un rea A = 1 000 mm2 a su equivalente en pulgadas cuadradas. Solucin: La equivalencia que le corresponde es: 1.0 in2 = 645.16 mm2 A = 1 000 mm2 /(645.16 mm2 /in2 ) = 1.55 in2 www.FreeLibros.me 4. FUNDAMENTOS DE MANUFACTURA MODERNA www.FreeLibros.me 5. FUNDAMENTOS DE MANUFACTURA MODERNA Materiales, procesos y sistemas Tercera edicin Mikell P. Groover Profesor de ingeniera industrial y de sistemas Lehigh University Revisin tcnica: Ing. Antonio Barrientos Morales Acadmico de Ingeniera Mecnica Universidad Iberoamericana, Ciudad de Mxico Ing. Javier Len Crdenas Jefe de Ingeniera Mecnica Universidad La Salle, campus Ciudad de Mxico Ing. Rosendo Reyes Rosales Coordinador de Talleres y Laboratorios de Ingeniera Universidad La Salle, campus Ciudad de Mxico MXICO BOGOT BUENOS AIRES CARACAS GUATEMALA LISBOA MADRID NUEVA YORK SAN JUAN SANTIAGO SO PAULO AUCKLAND LONDRES MILN MONTREAL NUEVA DELHI SAN FRANCISCO SINGAPUR SAN LUIS SIDNEY TORONTO www.FreeLibros.me 6. Director Higher Education: Miguel ngel Toledo Castellanos Director editorial: Ricardo A. del Bosque Alayn Editor sponsor: Pablo E. Roig Vzquez Editora de desarrollo: Lorena Campa Rojas Supervisor de produccin: Zeferino Garca Garca Traduccin: Carlos Roberto Cordero Pedraza Javier Enrquez Brito Jess Elmer Murrieta Murrieta Diseo de portada: Crculodiseo FUNDAMENTOS DE MANUFACTURA MODERNA Tercera edicin Prohibida la reproduccin total o parcial de esta obra, por cualquier medio, sin la autorizacin escrita del editor. DERECHOS RESERVADOS 2007 respecto a la tercera edicin en espaol por McGRAW-HILL/INTERAMERICANA EDITORES, S.A. DE C.V. A Subsidiary of The McGraw-Hill Companies, Inc. Edificio Punta Santa Fe Prolongacin Paseo de la Reforma 1015, Torre A Piso 17, Colonia Desarrollo Santa Fe, Delegacin lvaro Obregn C.P. 01376, Mxico, D. F. Miembro de la Cmara Nacional de la Industria Editorial Mexicana, Reg. Nm. 736 ISBN-13: 978-970-10-6240-1 ISBN-10: 970-10-6240-X Traducido de la tercera edicin en ingls de la obra FUNDAMENTALS OF MODERN MANUFACTURING. Materials, Processes and Systems. Copyright 2007 by John Wiley & Sons, Inc. All rights reserved. ISBN-10: 0-471-74485-9 ISBN-13: 978-0-471-74485-6 1234567890 0986543217 Impreso en Mxico Printed in Mexico www.FreeLibros.me 7. PREFACIO Fundamentos de manufactura moderna: materiales, procesos y sistemas est diseado para un primer curso, o una serie de dos, de la materia de manufactura en los primeros aos de los planes de estudio de las carreras de ingeniera mecnica,industrial y de manufactura. Dada su cobertura a los materiales de la ingeniera, tambin es apropiado para los cursos de ciencia e ingeniera de materiales que hacen nfasis en el procesamiento de materiales. Por ltimo, es apropiado para programas de tecnologa relacionados con las especialidades mencionadas de la ingeniera. La mayor parte del contenido del libro se relaciona con los procesos de manufactura (alrededor de 65% del texto), pero tambin da cobertura signifi- cativa a los materiales y sistemas de produccin de la ingeniera. Los materiales, procesos y sistemas son los fundamentos bsicos con los que se estructura la manufactura moderna, y en el libro se estudian esos tres grandes temas. ENFOQUE El objetivo del autor es tratar a la manufactura con un enfoque que es ms moderno y cuantitativo que el de los libros de manufactura de otros autores. La afirmacin de que es moderno se basa en que 1) cubre en forma ms balanceada los materiales bsicos de la ingeniera (metales, cermicas, polmeros y materiales compuestos); 2) incluye procesos de manufactura desarrollados recientemente, adems de los tradicionales que se han emplea- do y perfeccionado durante muchos aos, y 3) su cobertura ms completa de tecnologas de manufactura electrnica. Los libros de texto de otros autores tienden a hacer nfasis en los metales y su procesamiento, sin tomar mucho en cuenta los dems materiales de uso en la ingeniera cuyas aplicaciones y mtodos de aprovechamiento han crecido en forma sig- nificativa en las ltimas dcadas. Por ejemplo, el volumen de polmeros que se comercian en el mundo de hoy, excede el de los metales procesados. Asimismo, otros libros cubren mnimamente la manufactura electrnica y sin embargo, la importancia comercial de los productos electrnicos y sus industrias asociadas se ha incrementado de manera sustancial durante las dcadas ms recientes. La afirmacin de que el libro es ms cuantitativo que otros libros de texto de ma- nufactura se basa en su nfasis en la ciencia de la manufactura y el gran uso que hace de ecuaciones y problemas cuantitativos (al final de cada captulo). En el caso de ciertos procesos, fue el primer libro de procesos de manufactura que les dio un tratamiento cuan- titativo de ingeniera. LO NUEVO EN ESTA EDICIN Esta tercera edicin es una versin actualizada de la segunda, con un captulo nuevo sobre procesos de fabricacin con nanotecnologa, y varias secciones actualizadas. El autor trata de ser exhaustivo en el contenido del libro, sin dejar que su tamao sea excesivo. Entre los elementos clave de la edicin nueva se incluyen los siguientes: Un captulo nuevo sobre los procesos de fabricacin con nanotecnologa. Problemas de tarea nuevos y revisados, que en total suman 565. Casi todos requieren de un anlisis cuantitativo. www.FreeLibros.me 8. Preguntas de repaso nuevas y revisadas, as como cuestionarios de opcin mltiple en todos los captulos. Hay ms de 740 preguntas de repaso al final de los captulos y casi 500 de opcin mltiple. Estas ltimas se han reformulado para que sean ms accesibles para el estudiante. En el libro se incluye un DVD para los profesores que as lo soliciten, que muestra videos de las acciones de muchos de los procesos de manufactura. Los captulos se han actualizado para que incluyan referencias a ellos, y se han aadido preguntas al final de cada captulo relacionadas con los videos. Otros elementos clave 1. Secciones acerca de la Gua del procesamiento en cada uno de los cuatro captulos sobre los materiales de ingeniera. 2. Secciones llamadas Consideraciones sobre el diseo del producto en muchos de los ca- ptulos que tratan procesos de manufactura. 3. Hay Notas histricas en muchas de las tecnologas que se estudian. 4. Como en la segunda edicin, en todo el libro se emplea el Sistema Internacional de Unidades (mtrico), que ms se usa en ingeniera, pero tambin se utiliza el Sistema de Unidades Tradicionales de Estados Unidos. MATERIALES DE APOYO PARA LOS MAESTROS Esta obra cuenta con interesantes complementos que fortalecen los procesos de ensean- za-aprendizaje, as como la evaluacin de los mismos, los cuales se otorgan a profesores que adoptan este texto para sus cursos. Para obtener ms informacin y conocer la poltica de entrega de estos materiales, contacte a su representante McGraw-Hill o enve un correo electrnico a marketinghe@mcgraw-hill.com vi Prefacio www.FreeLibros.me 9. AGRADECIMIENTOS Quisiera expresar mi agradecimiento a las personas siguientes, que fungieron como reviso- res tcnicos de conjuntos individuales de los captulos de la primera edicin: Iftikhar Ah- mad (George Mason University), J. T. Black (Auburn University), David Bourell (Univer- sity of Texas en Austin), Paul Cotnoir (Worcester Polytechnic Institute), Robert E. Eppich (American Foundrymans Society), Osama Eyeda (Virginia Polytechnic Institute and State University), Wolter Fabricky (Virginia Polytechnic Institute and State University), Keith Gardiner (Lehigh University), R. Heikes (Georgia Institute of Technology), Jay R. Geddes (San Jose State University), Ralph Jaccodine (Lehigh University), Steven Liang (Georgia Institute of Technology), Harlan MacDowell (Michigan State University), Joe Mize (Okla- homa State University), Colin Moodie (Purdue University), Michael Philpott (University of Illinois en Champaign-Urbana),Corrado Poli (University of Massachusetts enAmherst), Chell Roberts (Arizona State University), Anil Saigal (Tufts University), G. Sathyanara- yanan (Lehigh University), Malur Srinivasan (Texas A&M University), A. Brent Strong (Brigham Young University),Yonglai Tian (George Mason University), Gregory L.Tonkay (Lehigh University), Chester Van Tyne (Colorado School of Mines), Robert Voigt (Penn- sylvania State University) y Charles White (GMI Engineering and Management Institute). Por sus revisiones valiosas de ciertos captulos de la segunda edicin, agradezco a John T. Berry (Mississippi State University), Rajiv Shivpuri (Ohio State University), James B. Taylor (North Carolina State University). Joel Troxler (Montana State University) y Ampere A.Tseng (Arizona State University). Por sus consejos y estmulos provechosos para la tercera edicin, doy gracias a varios de mis colegas en Lehigh, entre quienes se encuentran John Coulter, Keith Gardiner, An- drew Herzing, Wojciech Misiolek, Nicholas Odrey, Gregory Tonkay y Marvin White. En especial agradezco a Andrew Herzing del Departamento de Ciencia e Ingeniera de Ma- teriales, de Lehigh, por la revisin que hizo del captulo nuevo sobre nanofabricacin, as como a Greg Tonkay, de mi propio departamento, por desarrollar muchos de los problemas y preguntas nuevas y actualizadas en esta nueva edicin. Adems, es apropiado dar crdito a todos los colegas que participaron con sus conse- jos en la preparacin de esta tercera edicin. Las preguntas o comentarios individuales se pueden dirigir personalmente al autor, en la direccin Mikell.Groover@Lehigh.edu www.FreeLibros.me 10. ACERCA DEL AUTOR Mikell P. Groover es profesor de Ingeniera Industrial y de Sistemas en Lehigh Universi- ty, donde tambin funge como Director del Laboratorio de Tecnologa de Manufactura, George E. Kane y es miembro del cuerpo docente del Programa de Ingeniera de Sistemas de Manufactura. Obtuvo grados de B.A. en Ciencias y Artes (1961), B.S. en Ingeniera Mecnica (1962), M.S. en Ingeniera Industrial (1966) y Ph. D. (1969), todos en Lehigh. Es Ingeniero Profesional Registrado en Pennsylvania. Su experiencia industrial incluye varios aos como ingeniero de manufactura en Eastman Kodak Company. Desde que ingres a Lehigh ha efectuado trabajos de consultora, investigacin y proyectos para varias compa- as industriales. Sus reas de investigacin y enseanza incluyen procesos de manufactura, sistemas de produccin, automatizacin, manejo de materiales, planeacin de instalaciones y sis- temas de trabajo. Ha obtenido varios premios por su enseanza en Lehigh University, as como el Albert G. Holzman Outstanding Educator Award, del Institute of Industrial Engineers (1965) y el SME Education Award, de la Society of Manufacturing Engineers (2001). Entre sus publicaciones estn 75 artculos tcnicos y siete libros (que se mencionan ms adelante). Sus textos se emplean en todo el mundo y han sido traducidos al francs, alemn, espaol, portugus, ruso, japons, coreano y chino. La primera edicin del texto presente, Fundamentals of Modern Manufacturing, recibi el IIE Joint Publishers Award (1996) y el M. Eugene Merchant Manufacturing Textbook Award, de la Society of Manu- facturing Engineers (1996). El Dr. Groover es miembro del Institute of Industrial Engineers, American Society of Mechanical Engineers (ASME),la Society of Manufacturing Engineers (SME),el North American Manufacturing Research Institute (NAMRI) y ASM International. Es miembro del IIE (1987) y del SME (1996). OTROS LIBROS DEL AUTOR Automation, Production Systems, and Computer-Aided Manufacturing. Prentice Hall. 1980. CAD/CAM: Computer-Aided Design and Manufacturing. Prentice-Hall, 1984 (en colabo- racin con E.W. Zimmers, Jr.). Industrial Robotics: Technology, Programming, and Applications. McGraw-Hill Book Company, 1986 (en colaboracin con M.Weiss, R. Nagel y N. Odrey). Automation, Production Systems, and Computer Integrated Manufacturing. Prentice Hall, 1987. Fundamentals of Modern Manufacturing: Materials, Processes, and Systems, publicado originalmente por Prentice Hall en 1996, y despus por John Wiley & Sons, Inc, en 1999. Automation, Production Systems, and Computer Integrated Manufacturing. Segunda edicin, Prentice Hall, 2001. Fundamentals of Modern Manufacturing: Materials, Processes, and Systems. Segunda edicin, John Wiley & Sons, Inc., 2002. www.FreeLibros.me 11. CONTENIDO 1 INTRODUCCIN Y PANORAMA DE LA MANUFACTURA 1 1.1 Qu es la manufactura? 2 1.2 Los materiales en la manufactura 8 1.3 Procesos de manufactura 10 1.4 Sistemas de produccin 17 1.5 Organizacin del libro 20 Parte I Propiedades de los materiales y atributos del producto 23 2 LA NATURALEZA DE LOS MATERIALES 23 2.1 Estructura atmica y los elementos 23 2.2 Enlaces entre tomos y molculas 26 2.3 Estructuras cristalinas 28 2.4 Estructuras no cristalinas (amorfas) 34 2.5 Materiales de ingeniera 35 3 PROPIEDADES MECNICAS DE LOS MATERIALES 38 3.1 Relaciones esfuerzo-deformacin 39 3.2 Dureza 51 3.3 Efecto de la temperatura sobre las propiedades 55 3.4 Propiedades de los fluidos 57 3.5 Comportamiento viscoelstico de los polmeros 60 4 PROPIEDADES FSICAS DE LOS MATERIALES 67 4.1 Propiedades volumtricas y de fusin 68 4.2 Propiedades trmicas 70 4.3 Difusin de masa 72 4.4 Propiedades elctricas 74 4.5 Procesos electroqumicos 75 5 DIMENSIONES, TOLERANCIAS Y SUPERFICIES 79 5.1 Dimensiones, tolerancias y atributos relacionados 80 5.2 Superficies 81 5.3 Efecto de los procesos de manufactura 87 Parte II Materiales de la ingeniera 90 6 Metales 90 6.1 Aleaciones y diagramas de fase 91 6.2 Metales ferrosos 96 6.3 Metales no ferrosos 111 6.4 Superaleaciones 122 6.5 Gua para el procesamiento de metales 123 7 CERMICOS 127 7.1 Estructura y propiedades de los cermicos 129 7.2 Cermicos tradicionales 131 7.3 Nuevos materiales cermicos 133 7.4 Vidrio 136 7.5 Algunos elementos importantes relacionados con los cermicos 139 7.6 Gua para el procesamiento de los materiales cermicos 142 8 POLMEROS 144 8.1 Fundamentos de la ciencia y tecnologa de los polmeros 147 8.2 Polmeros termoplsticos 156 8.3 Polmeros termofijos 163 8.4 Elastmeros 167 8.5 Gua para el procesamiento de polmeros 174 9 MATERIALES COMPUESTOS 176 9.1 Tecnologa y clasificacin de los materiales compuestos 177 9.2 Compuestos de matriz metlica 185 9.3 Compuestos de matriz cermica 188 94 Compuestos de matriz de polmero 188 9.5 Gua para el procesamiento de los materiales compuestos 191 Parte III Procesos de solidificacin 194 10 FUNDAMENTOS DE LA FUNDICIN DE METALES 194 10.1 Panorama de la tecnologa de fundicin 197 10.2 Calentamiento y vertido 199 10.3 Solidificacin y enfriamiento 203 11 PROCESOS DE FUNDICIN DE METALES 214 11.1 Fundicin en arena 215 11.2 Otros procesos de fundicin con moldes desechables 220 11.3 Procesos de fundicin con moldes permanentes 226 11.4 La prctica de la fundicin 234 11.5 Calidad del fundido 238 www.FreeLibros.me 12. x Contenido 11.6 Los metales para fundicin 240 11.7 Consideraciones sobre el diseo del producto 242 12 TRABAJO DEL VIDRIO 247 12.1 Preparacin y fundicin de las materias primas 247 12.2 Los procesos de conformacin en el trabajo del vidrio 248 12.3 Tratamiento trmico y acabado 254 12.4 Consideraciones sobre el diseo del producto 255 13 PROCESOS DE CONFORMADO PARA PLSTICOS 257 13.1 Propiedades de los polmeros fundidos 259 13.2 Extrusin 261 13.3 Produccin de hojas y pelcula 271 13.4 Produccin de fibras y filamentos (hilado o hilandera) 273 13.5 Procesos de recubrimiento 275 13.6 Moldeo por inyeccin 275 13.7 Moldeo por compresin y transferencia 286 13.8 Moldeo por soplado y moldeo rotacional 288 13.9 Termoformado 293 13.10 Fundicin 297 13.11 Procesamiento y formado de espuma de polmero 298 13.12 Consideraciones sobre el diseo del producto 300 14 TECNOLOGA DE PROCESAMIENTO DEL CAUCHO (HULE) 307 14.1 Procesamiento y formado del caucho 307 14.2 Manufactura de llantas y otros productos de caucho 313 14.3 Consideraciones sobre el diseo del producto 316 15 PROCESOS DE FORMADO PARA MATERIALES COMPUESTOS CON MATRIZ POLIMRICA 319 15.1 Materias primas para materiales compuestos con matriz polimrica (PMC) 321 15.2 Procesos con molde abierto 324 15.3 Procesos con molde cerrado 327 15.4 Bobinado de filamentos 330 15.5 Procesos de pultrusin 332 15.6 Otros procesos de formado para PMC 333 Parte IV Procesamiento de partculas para metales y cermicos 337 16 METALURGIA DE POLVOS 337 16.1 Caractersticas de los polvos en ingeniera 340 16.2 Produccin de polvos metlicos 343 16.3 Prensado convencional y sinterizado 345 16.4 Alternativas de prensado y tcnicas de sinterizado 351 16.5 Materiales y productos para metalurgia de polvos 354 16.6 Consideraciones de diseo en metalurgia de polvos 355 17 PROCESAMIENTO DE CERMICAS Y CERMETS 362 17.1 Procesamiento de cermicas tradicionales 363 17.2 Procesamiento de cermicas nuevas 370 17.3 Procesamiento de cermets 373 17.4 Consideraciones para el diseo de productos 375 Parte V Formado de metal y trabajo de lminas metlicas 378 18 FUNDAMENTOS DEL FORMADO DE METALES 378 18.1 Panorama del formado de metales 378 18.2 Comportamiento del material en el formado de metales 381 18.3 Temperatura en el formado de metales 382 18.4 Sensibilidad a la velocidad de deformacin 384 18.5 Friccin y lubricacin en el formado de metales 386 19 PROCESOS DE DEFORMACIN VOLUMTRICA EN EL TRABAJO DE METALES 390 19.1 Laminado 391 19.2 Otros procesos de deformacin relacionados con el laminado 398 19.3 Forjado 400 19.4 Otros procesos de deformacin relacionados con el forjado 412 19.5 Extrusin 416 19.6 Estirado de alambres y barras 427 20 TRABAJADO METLICO DE LMINAS 440 20.1 Operaciones de corte 441 20.2 Operaciones de doblado 448 20.3 Embutido 452 20.4 Otras operaciones de formado de lminas metlicas 459 20.5 Troqueles y prensas para procesos con lminas metlicas 462 20.6 Operaciones con lminas metlicas no realizadas en prensas 469 20.7 Doblado de material tubular 474 Parte VI Procesos de remocin de material 481 21 TEORA DE MAQUINADO DE METALES 481 21.1 Panorama general de la tecnologa del maquinado 483 21.2 Teora de la formacin de viruta en el maquinado de metales 486 21.3 Relaciones de fuerza y la ecuacin de Merchant 490 21.4 Relaciones entre potencia y energa en el maquinado 495 21.5 Temperatura de corte 498 www.FreeLibros.me 13. Contenido xi 22 OPERACIONES DE MAQUINADO Y MQUINAS HERRAMIENTA 505 22.1 Torneado y operaciones afines 508 22.2 Taladrado y operaciones afines 518 22.3 Fresado 522 22.4 Centros de maquinado y centros de torneado 529 22.5 Otras operaciones de maquinado 531 22.6 Maquinado de alta velocidad 536 23 TECNOLOGA DE LAS HERRAMIENTAS DE CORTE 542 23.1 Vida de las herramientas 543 23.2 Materiales para herramientas 549 23.3 Configuracin geomtrica de las herramientas 558 23.4 Fluidos para corte 566 24 CONSIDERACIONES ECONMICAS Y PARA EL DISEO DEL PRODUCTO EN MAQUINADO 574 24.1 Maquinabilidad 574 24.2 Tolerancias y acabado superficial 577 24.3 Seleccin de las condiciones de corte 581 24.4 Consideraciones para el diseo del producto en maquinado 587 25 ESMERILADO Y OTROS PROCESOS ABRASIVOS 594 25.1 Esmerilado 595 25.2 Procesos abrasivos relacionados 612 26 PROCESO DE MAQUINADO NO TRADICIONAL Y DE CORTE TRMICO 618 26.1 Procesos de energa mecnica 619 26.2 Procesos de maquinado electroqumico 623 26.3 Procesos de energa trmica 627 26.4 Maquinado qumico 635 26.5 Consideraciones para la aplicacin 641 Parte VII Operaciones para la mejora de propiedades y el procesamiento superficial 647 27 TRATAMIENTO TRMICO DE METALES 647 27.1 Recocido 648 27.2 Formacin de martensita en el acero 648 27.3 Endurecimiento por precipitacin 652 27.4 Endurecimiento superficial 654 27.5 Mtodos e instalaciones para el tratamiento trmico 655 28 LIMPIEZA Y TRATAMIENTOS SUPERFICIALES 660 28.1 Limpieza qumica 660 28.2 Limpieza mecnica y preparacin superficial 663 28.3 Difusin e implantacin inica 665 29 PROCESOS DE RECUBRIMIENTO Y DEPOSICIN 669 29.1 Chapeado y procesos relacionados 670 29.2 Recubrimientos por conversin 674 29.3 Deposicin fsica de vapor 675 29.4 Deposicin qumica de vapor 678 29.5 Recubrimientos orgnicos 681 29.6 Esmaltado en porcelana y otros recubrimientos cermicos 683 29.7 Procesos de recubrimiento trmicos y mecnicos 684 Parte VIII Procesos de unin y ensamble 689 30 FUNDAMENTOS DE SOLDADURA 689 30.1 Perspectiva de la tecnologa de la soldadura 691 30.2 Unin soldada 693 30.3 Fsica de la soldadura 696 30.4 Caractersticas de una junta soldada por fusin 699 31 PROCESOS DE SOLDADURA 705 31.1 Soldadura con arco 706 31.2 Soldadura por resistencia 716 31.3 Soldadura con oxgeno y gas combustible 723 31.4 Otros procesos de soldadura por fusin 726 31.5 Soldadura de estado slido 729 31.6 Calidad de la soldadura 734 31.7 Soldabilidad 739 32 SOLDADURA DURA, SOLDADURA SUAVE Y PEGADO ADHESIVO 745 32.1 Soldadura dura 746 32.2 Soldadura suave 751 32.3 Pegado adhesivo 755 33 ENSAMBLE MECNICO 763 33.1 Sujetadores roscados 764 33.2 Remaches y ojillos 770 33.3 Mtodos de ensamble basados en ajustes por interferencia 772 33.4 Otros mtodos de sujecin mecnica 775 33.5 Insertos en moldeado y sujetadores integrales 776 33.6 Diseo para ensambles 778 Parte IX Procesamiento especial y tecnologas de ensamble 784 34 CREACIN RPIDA DE PROTOTIPOS 784 34.1 Fundamentos de la creacin rpida de prototipos 785 34.2 Tecnologas para la creacin rpida de prototipos 786 34.3 Aspectos de aplicacin en la creacin rpida de prototipos 794 www.FreeLibros.me 14. xii Contenido 35 PROCESAMIENTO DE CIRCUITOS INTEGRADOS 798 35.1 Panorama del procesamiento de CI 799 35.2 Procesamiento del silicio 803 35.3 Litografa 807 35.4 Procesos de formacin de capas en la fabricacinde CI 811 35.5 Integracin de los pasos de fabricacin 818 35.6 Encapsulado de CI 820 35.7 Rendimientos en el procesamiento de CI 825 36 ENSAMBLE Y ENCAPSULADO DE DISPOSITIVOS ELECTRNICOS 830 36.1 Encapsulado de dispositivos electrnicos 830 36.2 Tableros de circuitos impresos 832 36.3 Ensamble de tableros de circuitos impresos 841 36.4 Tecnologa de montaje superficial 845 36.5 Tecnologa de conectores elctricos 850 37 TECNOLOGAS DE MICROFABRICACIN 855 37.1 Productos de microsistemas 855 37.2 Procesos de microfabricacin 861 38 TECNOLOGAS DE NANOFABRICACIN 870 38.1 Introduccin a la nanotecnologa 872 38.2 Procesos de nanofabricacin 877 38.3 La national nanotechnology initiative 884 Parte X Sistemas de manufactura 887 39 CONTROL NUMRICO Y ROBTICA INDUSTRIAL 887 39.1 Control numrico 888 39.2 Robtica industrial 900 40 TECNOLOGA DE GRUPOS Y SISTEMAS FLEXIBLES DE MANUFACTURA 910 40.1 Tecnologa de grupos 910 40.2 Sistemas flexibles de manufactura 915 41 LNEAS DE PRODUCCIN 922 41.1 Fundamentos de las lneas de produccin 922 41.2 Lneas de ensamble manual 926 41.3 Lneas de produccin automatizadas 930 Parte XI Sistemas de apoyo a la manufactura 937 42 INGENIERA DE MANUFACTURA 937 42.1 Planeacin de procesos 938 42.2 Solucin de problemas y mejora continua 946 42.3 Ingeniera concurrente y diseo para la manufacturabilidad 946 43 PLANEACIN Y CONTROL DE LA PRODUCCIN 953 43.1 Planeacin agregada y el programa maestro de produccin 955 43.2 Control de inventarios 956 43.3 Planeacin de requerimientos de materiales y de capacidad 960 43.4 Produccin justo a tiempo y ajustada 964 43.5 Control de piso del taller 967 44 CONTROL DE CALIDAD 972 44.1 Que es la calidad? 972 44.2 Capacidad del proceso 973 44.3 Tolerancia estadstica 974 44.4 Mtodos de Taguchi 977 44.5 Control estadstico de procesos 980 45 MEDICIN E INSPECCIN 989 45.1 Metrologa 990 45.2 Principios de inspeccin 993 45.3 Instrumentos de medicin y calibradores convencionales 995 45.4 Mediciones de superficies 1002 45.5 Tecnologas avanzadas de medicin e inspeccin 1004 NDICE 1015 www.FreeLibros.me 15. FUNDAMENTOS DE MANUFACTURA MODERNA www.FreeLibros.me 16. www.FreeLibros.me 17. INTRODUCCIN Y PANORAMA DE LA MANUFACTURA1 CONTENIDO DEL CAPTULO 1.1 Qu es la manufactura? 1.1.1 Definicin de manufactura 1.1.2 Las industrias manufactureras y sus productos 1.1.3 Capacidad de manufactura 1.2 Los materiales en la manufactura 1.2.1 Metales 1.2.2 Cermicos 1.2.3 Polmeros 1.2.4 Compuestos 1.3 Procesos de manufactura 1.3.1 Operaciones de procesamiento 1.3.2 Operaciones de ensamblado 1.3.3 Mquinas de produccin y herramientas 1.4 Sistemas de produccin 1.4.1 Instalaciones de produccin 1.4.2 Sistemas de apoyo a la manufactura 1.5 Organizacin del libro La manufactura es importante en lo tecnolgico, econmico e histrico. La tecnologa se define como la aplicacin de la ciencia para proporcionar a la sociedad y a sus miembros aquellos objetos que necesitan o desean. La tecnologa influye de muchas formas en nuestras vidas diarias, directa e indirectamente. Considere la lista de productos de la tabla 1.1.Representan distintas tecnologas que ayudan a los miembros de nuestra sociedad a vivir mejor. Qu tienen en comn esos productos? Todos son manufacturados. Esas maravillas tecnolgicas no estaran disponibles para la sociedad si no pudieran manufacturarse. La manufactura es el factor esencial que hace posible a la tecnologa. En cuanto a la economa, la manufactura es un medio importante con el que una nacin crea bienestar material. En Estados Unidos, las industrias manufactureras generan alrededor de 20% del producto interno bruto (PIB).Los recursos naturales de un pas,como las tierras agrcolas, depsitos minerales y reservas petrolferas, tambin crean bienestar. www.FreeLibros.me 18. 2 Captulo 1/Introduccin y panorama de la manufactura En Estados Unidos, la agricultura, minera e industrias similares generan menos del 5% del PIB. La construccin y las empresas pblicas producen algo ms del 5%. Y el resto corresponde a industrias de servicios, entre las que se incluyen el menudeo, el transporte, la banca, las comunicaciones, la educacin y el gobierno. El sector de los servicios agrupa el 70%, aproximadamente, del PIB de Estados Unidos. Tan slo el gobierno de ese pas genera tanto PIB como el sector de manufactura, pero los servicios gubernamentales no crean riqueza. En la economa moderna internacional, una nacin debe poseer una base fuerte de manufactura (o tener recursos naturales significativos) si ha de contar con una economa fuerte y estndares de vida elevados para su pueblo. Histricamente, por lo general se subestima la importancia de la manufactura en el desarrollo de la civilizacin. Pero a lo largo de la historia, las culturas humanas que han sido mejores para fabricar objetos han tenido ms xito.Al elaborar herramientas mejores, tuvieron destrezas y armas mejores. Las mejores destrezas les permitieron vivir mejor. Con armas mejores pudieron conquistar a las culturas vecinas en pocas de conflicto. En la Guerra Civil de Estados Unidos (1861-1865), una de las grandes ventajas del Norte sobre el Sur fue su fortaleza industrial, es decir, su capacidad de manufactura. En la Segunda Guerra Mundial (1939-1945), Estados Unidos super en produccin a Alemania y Japn ventaja decisiva para triunfar en la guerra. En gran parte, la historia de la civilizacin es la historia de la capacidad de la humanidad para fabricar cosas. En este captulo de apertura, se consideran temas generales sobre la manufactura. Qu es la manufactura? Cmo se organiza en la industria? Cules son los materiales, procesos y sistemas con los que se logra la produccin? 1.1 QU ES LA MANUFACTURA? La palabra manufactura se deriva de las palabras latinas manus (mano) y factus (hacer); la combinacin de ambas significa hecho a mano. La palabra manufactura tiene varios siglos de antigedad, y hecho a mano describe en forma adecuada los mtodos manuales que se utilizaban cuando se acu la expresin.1 La mayor parte de la manufactura moderna se lleva a cabo por medio de maquinaria automatizada y controlada por computadora que se supervisa manualmente (vase la nota histrica 1.1). TABLA 1.1 Productos que representan distintas tecnologas, la mayor parte de los cuales influyen a casi todas las personas. Automvil deportivo utilitario (ADU) con traccin en las cuatro ruedas, bolsas de aire, frenos antibloqueo, control de manejo y radio AM-FM con reproductor de discos compactos Avin supersnico Bolgrafo Cajero automtico Calculadora electrnica porttil Cmara digital Circuito integrado Computadora personal (PC) Disco compacto (CD) Disco de video digital (DVD) Disquete de alta densidad para PC Escner ptico Foco incandescente Fotocopiadora Horno de microondas Impresora de inyeccin de tinta Juegos de video Latas de fcil apertura Lavadora de trastos Lavadora y secadora Lentes de contacto Mquina de fax Mquina para el diagnstico mdico por medio de imgenes de resonancia magntica (IRM) Podadora autopropulsada Raqueta de tenis de materiales compuestos Reloj de pulsera de cuarzo Reproductor de cintas de video Reproductor de discos compactos Reproductor digital de discos Robot industrial Silla de plstico para el jardn, moldeada en una pieza Sistema de seguridad para el hogar Telfono celular Televisin a colores de pantalla grande Zapatos deportivos 1 Alrededor de 1567 d. C., apareci por primera vez la palabra manufactura como sustantivo, y hacia 1863 d. C., apareci como verbo. www.FreeLibros.me 19. Seccin 1.1/Qu es la manufactura? 3 Nota histrica 1.1 Historia de la manufactura L a historia de la manufactura puede dividirse en dos partes: 1) el descubrimiento y la invencin por parte del hombre de los materiales y los procesos para fabricar cosas, y 2) el desarrollo de los sistemas de produccin. Los mate- riales y procesos para hacer objetos preceden a los sistemas en varios milenios. Algunos de dichos procesos fundicin, trabajo con martillo (forjar), y rectificado se remontan a 6 000 aos o ms. La fabricacin temprana de implementos y armas se llev a cabo ms mediante destrezas y oficios, que mediante la manufactura en el sentido actual. Los antiguos romanos tenan lo que podran llamarse fbricas para producir armas, pergaminos, cermica y vidrio, as como otros productos de esa poca, pero los procedimientos se basaban por mucho en el trabajo con las manos. En este momento se examinarn los aspectos de los sistemas de manufactura, y los materiales y procesos se dejarn para la nota histrica 1.2. La expresin sistemas de manufactura se refiere a las formas de organizar a las personas y a los equipos de modo que la produccin se lleve a cabo con ms eficiencia. Son varios los sucesos histricos y descubrimientos que tuvieron un efecto grande en el desarrollo de los sistemas modernos de manufactura. Es claro que un descubrimiento significativo fue el principio de la divisin del trabajo, es decir, dividir el trabajo total en tareas, y hacer que los trabajadores individuales se convirtieran en especialistas en hacer solo una. Este principio se haba practicado durante siglos, pero al economista Adam Smith (1723-1790) se le ha adjudicado el crdito por haber sido el primero en explicar su significado econmico en su obra La riqueza de las naciones. La Revolucin Industrial (alrededor de 1760 a 1830) tuvo en diversos modos un efecto grande sobre la produccin. Marc el cambio entre una economa basada en la agricultura y el oficio manual, a otra con base en la industria y la manufactura. El cambio comenz en Inglaterra, donde se invent una serie de mquinas y la potencia del vapor remplaz a la del agua, a la del viento y a la animal. Esas ventajas dieron a la industria britnica la delantera sobre las de otras naciones, e Inglaterra trat de impedir la exportacin de las tecnologas nuevas. Sin embargo, finalmente la revolucin se extendi a otros pases europeos y a Estados Unidos. Varios inventos de la revolucin industrial contribuyeron mucho al desarrollo de la manufactura: 1) la mquina de vapor de Watt, una tecnologa nueva de generacin de energa para la industria, 2) las mquinas herramienta, que comenzaron con la perforadora de John Wilkinson, alrededor de 1775 (vase la nota histrica 22.1); 3) la hiladora con varios husillos, el telar mecnico, y otras para la industria textil, que permitieron incrementos significativos de la productividad; y 4) el sistema fabril, forma nueva de organizar nmeros grandes de trabajadores de la produccin con base en la divisin del trabajo. En tanto Inglaterra lideraba la revolucin industrial, en Estados Unidos surga un concepto importante: la manufactura de piezas intercambiables. Se concede gran parte del crdito por este concepto a Eli Whitney (1765-1825), aunque su importancia ha sido reconocida a travs de otros [6]. En 1797, Whitney negoci un contrato para producir 10000 mosquetes para el gobierno de Estados Unidos. En esa poca, la manera de fabricar armas era artesanal, fabricar cada pieza por separado para un arma en particular, y luego ajustarlas a mano. Cada mosquete era nico, y el tiempo de fabricacin era considerable. Whitney crea que los componentes podan hacerse con la exactitud suficiente para permitir su ensamblado sin ajustarlas. Despus de varios aos de desarrollo en su fbrica de Connecticut, en 1801 viaj a Washington para demostrar el principio. Puso los componentes de 10 mosquetes ante funcionarios gubernamentales, entre ellos Thomas Jefferson, y procedi a seleccionar piezas al azar para ensamblar las armas. No se requiri sensibilidad o ajuste especial, y todas las armas funcionaron a la perfeccin. El secreto detrs de su logro era el conjunto de mquinas, refacciones y medidores especiales que haba perfeccionado en su fbrica. La manufactura de piezas intercambiables requiri muchos aos de desarrollo antes de convertirse en una realidad prctica, pero revolucion los mtodos de manufactura y es un prerrequisito para la produccin en masa. Debido a que su origen tuvo lugar en Estados Unidos, la produccin de piezas intercambiables se conoci como el sistema americano de manufactura. De su segunda mitad y hasta al final del siglo XIX se presenci la expansin de los ferrocarriles, barcos de vapor y otras mquinas que crearon la necesidad creciente de hierro y acero. Se crearon mtodos nuevos de produccin para satisfacer esa demanda (vase la nota histrica 6.1). Asimismo, durante ese periodo se inventaron varios productos de consumo, entre stos: la mquina de coser, la bicicleta y el automvil. A fin de satisfacer la demanda masiva de esos artculos, se requirieron mtodos ms eficientes de produccin. Algunos historiadores identifican los desarrollos durante ese periodo como la Segunda Revolucin Industrial, que se caracteriz en trminos de sus efectos sobre los sistemas de manufactura a travs de lo siguiente: 1) produccin en masa, 2) movimiento de la administracin cientfica, 3) lneas de ensamblado, y 4) electrificacin de las fbricas. A finales del siglo XIX, surgi en Estados Unidos el movimiento de la administracin cientfica, en respuesta a la necesidad de planear y controlar las actividades de un nmero en aumento de trabajadores. Los lderes del movimiento incluan a Frederick W. Taylor (1856-1915), Frank Gilbreth (1868-1924) y su esposa Lilian (1878-1972). La administracin cientfica tena varias caractersticas [2]: 1) el estudio de movimientos, motivado por descubrir el mtodo mejor para ejecutar una tarea dada; 2) el estudio de tiempos, para establecer estndares de trabajo para cierta labor; 3) el uso amplio de estndares en la industria; 4) el sistema de pago a destajo y otros planes similares de incentivos del trabajo; y 5) el uso de conjuntos de datos, www.FreeLibros.me 20. 4 Captulo 1/Introduccin y panorama de la manufactura conservacin de registros y contabilidad de costos en las operaciones fabriles. Henry Ford (1863-1947) introdujo la lnea de ensamblado en 1913, en su planta de Highland Park (vase la nota histrica 41.1). La lnea de ensamblado hizo posible la produccin en masa de productos de consumo complejos. Sus mtodos permitieron a Ford vender un automvil modelo T a un precio tan bajo como $500, lo que hizo que poseer un coche fuera algo factible para un segmento grande de la poblacin estadounidense. En 1881, se construy en la ciudad de Nueva York la primera planta de generacin de energa elctrica, y pronto se utilizaron los motores elctricos como fuente de energa para operar la maquinaria de las fbricas. ste era un sistema que convena ms que las mquinas de vapor para distribuir energa, pues para llevarla a las mquinas se necesitaban bandas de transmisin. Alrededor de 1920, la electricidad haba sustituido al vapor como la fuente principal de energa de las fbricas de Estados Unidos. El siglo XX fue la poca en la que hubo ms avances tecnolgicos que en todos los siglos pasados juntos. Muchos de esos desarrollos dieron origen a la automatizacin de la manufactura. 1.1.1 Definicin de manufactura Como campo de estudio en el contexto moderno, la manufactura se puede definir de dos maneras: una tecnolgica y la otra econmica. En el sentido tecnolgico, la manufactura es la aplicacin de procesos fsicos y qumicos para alterar la geometra, propiedades o apariencia de un material de inicio dado para fabricar piezas o productos; la manufactura tambin incluye el ensamble de piezas mltiples para fabricar productos. Los procesos para llevar a cabo la manufactura involucran una combinacin de mquinas, herramientas, energa y trabajo manual, como se ilustra en la figura 1.1a). Casi siempre, la manufactura se ejecuta como una secuencia de operaciones. Cada una de stas lleva al material ms cerca del estado final que se desea. En el sentido econmico, la manufactura es la transformacin de los materiales en artculos de valor mayor por medio de uno o ms operaciones de procesamiento o ensamblado, segn lo ilustra la figura 1.1b). La clave es que la manufactura agrega valor al material cambiando su forma o propiedades, o mediante combinar materiales distintos tambin alterados. El material se habr hecho ms valioso por medio de las operaciones de manufactura ejecutadas en l. Cuando el mineral de hierro se convierte en acero se le agrega valor. Si la arena se transforma en vidrio se le aade valor. Cuando el petrleo se refina y se convierte en plstico su valor aumenta. Y cuando el plstico se modela en la geometra compleja de una silla de jardn, se vuelve ms valioso. Es frecuente que las palabras manufactura y produccin se usen en forma indistinta. El punto de vista del autor es que la produccin tiene un significado ms amplio que la manufactura. Para ilustrar esto, se puede utilizar la expresin produccin de petrleo crudo, pero la frase manufactura de petrleo crudo parece fuera de lugar. Sin embargo, FIGURA 1.1 Dos maneras de definir manufactura: a) como proceso tcnico, y b) como proceso econmico. a) b) Material de inicio Material de inicio Pieza procesada Pieza procesada Material en proceso Valor agregado $$ Proceso de manufactura Proceso de manufactura Sobrantes y desperdicios Trabajo Energa H erram ientas M aquinaria $$$$ www.FreeLibros.me 21. Seccin 1.1/Qu es la manufactura? 5 cuando se emplea en el contexto de productos tales como piezas metlicas o automviles, cualquiera de ambas palabras es aceptable. 1.1.2 Las industrias manufactureras y sus productos La manufactura es una actividad importante, pero no se lleva a cabo slo por s misma. Se ejecuta como una actividad comercial de las compaas que venden productos a los clientes. El tipo de manufactura que una empresa realiza depende de la clase de producto que fabrica. Esta relacin se va a analizar primero con el examen de los tipos de industrias manufactureras, y despus con la identificacin de los productos que generan. Industriasmanufactureras Laindustriaconsisteenempresasyorganizacionesqueproducen o suministran bienes y servicios. Las industrias se clasifican como primarias, secundarias o terciarias. Las industrias primarias cultivan y explotan recursos naturales, tales como la agricultura y minera. Las industrias secundarias toman las salidas de las primarias y las convierten en bienes de consumo y capital.En esta categora,la manufactura es la actividad principal, pero tambin quedan incluidas las construcciones y la generacin de energa. Las industrias terciarias constituyen el sector de servicios de la economa. En la tabla 1.2 se presenta una lista de industrias especficas de dichas categoras. Estelibrosededicaalasindustriassecundariasdelatabla1.2,queincluyenlascompaas que se dedican a la manufactura. Sin embargo, la Clasificacin Internacional Estndar de Industrias,que se emple para compilar la tabla 1.2,incluye varias industrias cuyas tecnologas de produccin no se estudian en este texto; por ejemplo, las bebidas, los productos qumicos y los alimentos procesados. En el libro, manufactura significa produccin de hardware, que va desde tuercas y tornillos hasta computadoras digitales y armas. Se incluyen productos plsticos y cermicos, pero se excluyen la ropa, las bebidas, los productos qumicos, la comida y el software. En la tabla 1.3 se presenta nuestra lista corta de industrias manufactureras. Productos manufacturados Los productos finales fabricados por las industrias que se enlistan en la tabla 1.3 se dividen en dos clases principales: bienes de consumo y bienes de capital. Los bienes de consumo son productos que los consumidores compran en forma directa, como autos, computadoras personales, televisiones, neumticos y raquetas de tenis, entre muchos otros ms. Los bienes de capital son aquellos que adquieren otras compaas para producir bienes y prestar servicios. Algunos ejemplos de bienes de capital incluyen aviones, computadoras grandes, equipo ferroviario, mquinas herramienta y equipo para la construccin. TABLA 1.2 Industrias especficas de las categoras primaria, secundaria y terciaria. Primaria Secundaria Terciaria (servicios) Agricultura Canteras Forestal Ganadera Minera Pesca Petrleo Aerospacial Alimentos procesados Aparatos de consumo Automotriz Bebidas Computadoras Construccin Editorial Electrnica Equipos Farmacutica Instalaciones de generacin de energa Madera y muebles Maquinaria pesada Materiales para construccin Metales procesados Metalurgia bsica Neumticos y caucho Papel Plsticos (formados) Productos qumicos Refinacin de petrleo Textiles Vestido Vidrio, cermicos Banca Bienes races Comercio al mayoreo Comercio al menudeo Comunicaciones Educacin Entretenimiento Gobierno Hotel Informacin Legales Reparaciones y mantenimiento Restaurantes Salud y cuidados mdicos Seguros Servicios financieros Transporte Turismo www.FreeLibros.me 22. 6 Captulo 1/Introduccin y panorama de la manufactura Adems de los productos finales, otros artculos manufacturados incluyen los mate- riales, componentes y suministros que emplean las compaas para fabricar los artculos terminados. Algunos ejemplos de ellos incluyen la lmina de acero, barras de acero, acua- cin,piezasmaquinadas,plsticosmoldeadosyextrusiones,herramientasdecorte,troqueles, moldes y lubricantes. As, las industrias manufactureras son una infraestructura compleja con categoras y niveles distintos de proveedores intermedios con quienes el consumidor final nunca tratar. Este libro por lo general estudia artculos discretos piezas individuales y productos ensamblados en lugar de aquellos producidos por procesos continuos. Un estampado metlico es un producto discreto, pero el rollo de metal laminado del que se fabrica es continuo o semicontinuo. Muchas piezas discretas comienzan como productos continuos o semicontinuos, tales como las extrusiones o el cable elctrico. Secciones grandes de longitudes casi continuas se cortan al tamao que se desea. Una refinera de petrleo es un ejemplo an mejor del proceso continuo. Cantidad de produccin y variedad de productos La cantidad de productos elaborados por una fbrica tiene una influencia importante en la manera en que estn organizados su personal, sus instalaciones y sus procedimientos. Las cantidades de produccin anual se clasifican en tres categoras: 1) produccin baja, en el rango de 1 a 100 unidades por ao; 2) produccin media, de 100 a 10 000 unidades anuales; y 3) produccin alta, de 10000 a varios millones de unidades. Los lmites de los tres rangos son algo arbitrarias (son a juicio del autor). En funcin de las clases de productos pueden cambiar su orden de magnitud. La cantidad de produccin se refiere al nmero de unidades de cierto tipo de producto que se producen en un ao.Algunas plantas producen una variedad de productos distintos, cada uno de los cuales se hace en cantidades bajas o medias. Otras plantas se especializan en la produccin alta de un solo tipo de producto. Es instructivo identificar la variedad de productos como parmetro distintivo de la cantidad de produccin. La variedad de productos se refiere a los diseos o tipos distintos de productos que se producen en la planta. Productos diferentes tienen formas y tamaos diferentes; desempean funciones distintas; se destinan a mercados distintos; algunos tienen ms componentes que otros; y as sucesivamente. Es posible contar el nmero de tipos distintos de productos fabricados cada ao. Cuando el nmero de tipos de productos de la fbrica es elevado, eso indica una variedad de productos alta. Existe una correlacin inversa entre la variedad de productos y la cantidad de produccin, en trminos de las operaciones de la fbrica. Si la variedad de los productos de una fbrica es elevada, entonces es probable que su cantidad de produccin sea baja; pero si la cantidad de produccin es alta,entonces la variedad de productos ser baja,como se ilustra con la banda diagonal en la figura 1.2. Aunque se ha identificado la variedad de productos como un parmetro cuantitativo (nmero de tipos diferentes de productos que hace la planta o la compaa), ste es mucho menos exacto que la cantidad de produccin ya que los detalles en que difieren los diseos TABLA 1.3 Industrias de manufactura cuyos materiales, procesos y sistemas se estudian en este libro. Industria Aerospacial Automotriz Metalurgia bsica Computacin Aparatos de consumo Electrnica Productos tpicos Aviones comerciales y militares Autos, camiones, autobuses, motocicletas Hierro, acero, aluminio, cobre, etc. Computadoras grandes y personales Aparatos domsticos grandes y pequeos Equipo de audio, televisiones, reproductoras de video Industria Equipos Metales procesados Vidrio, cermicos Maquinaria pesada Plsticos (formados) Neumticos y caucho Productos tpicos Maquinaria industrial, equipo ferroviario Piezas maquinadas, acuacin, herramientas Productos de vidrio, herramientas cermicos, vajillas Mquinas herramientas, construccin de equipos Plsticos moldeados, extrusiones de plstico Llantas, suelas de calzado, pelotas de tenis www.FreeLibros.me 23. Seccin 1.1/Qu es la manufactura? 7 no se capturan slo con el nmero de diseos distintos. Las diferencias entre un automvil y un acondicionador de aire son mucho mayores que entre este ltimo y una bomba de calor.Y dentro de cada tipo de producto existen diferencias entre modelos especficos. El grado de las diferencias del producto puede ser pequeo o grande,como se manifiesta en la industria automotriz. Cada una de las compaas automotrices de Estados Unidos. produce dos o tres modelos de automvil distintos en la misma planta de ensamblado, aunque los estilos de la carrocera y otras caractersticas del diseo son virtualmente las mismas. En plantas distintas, la compaa construye camiones pesados. Para describir dichas diferencias de la variedad de productos, se utilizan los trminos suave y dura. La variedad suave de productos ocurre cuando slo existen diferencias pequeas en la variedad de productos, como aquellas entre autos fabricados en la misma lnea de produccin. En un producto ensamblado, la variedad de productos se caracteriza por una proporcin elevada de piezas comunes entre los modelos. La variedad dura de productos sucede cuando stos varan en forma sustancial, y hay pocas piezas en comn, o ninguna. La diferencia entre un automvil y un camin es dura. 1.1.3 Capacidad de manufactura Una planta de manufactura consiste en un conjunto de procesos y sistemas (y personas, por supuesto) diseados para transformar cierto rango limitado de materiales en pro- ductos de valor incrementado. Esos tres bloques constitutivos materiales, procesos y sistemas integran la materia de la manufactura moderna. Entre esos factores existe una interdependencia fuerte. Una compaa manufacturera no puede hacer todo. Slo debe hacer ciertas cosas y hacerlas bien. La capacidad de manufactura se refiere a las limitaciones tcnicas y fsicas de una empresa de manufactura y cada una de sus plantas. Es posible identificar varias dimensiones de dicha capacidad: 1) capacidad tecnolgica de proceso, 2) tamao fsico y peso del producto, y 3) capacidad de produccin. Capacidad tecnolgica de proceso La capacidad tecnolgica de proceso de una planta (o compaa) es el conjunto de procesos de manufactura con que dispone. Ciertas plantas realizan operaciones de maquinado,otras convierten lingotes de acero en lmina,y unas ms construyen automviles. Una planta de maquinado no puede laminar acero, y una planta de laminacin no puede fabricar autos. La caracterstica subyacente que distingue a esas plantas son los procesos que pueden ejecutar. La capacidad de procesamiento tecnolgico se relaciona de cerca con el tipo de material. Ciertos procesos de manufactura se ajustan a ciertos materiales, mientras que otros se adaptan a unos distintos. Al especializarse en determinado proceso o grupo de procesos, la planta se especializa en forma simultnea en ciertos tipos de materiales. Las capacidades tecnolgicas de proceso incluyen no slo los procesos fsicos, sino tambin la experiencia que tiene el personal de la planta en dichas tecnologas. Las compaas deben concentrarse en el diseo y la manufactura de productos que son compatibles con su capacidad tecnolgica de proceso. FIGURA 1.2 Relacin entre la variedad de productos y la cantidad de produccin en la manufactura de productos discretos. www.FreeLibros.me 24. 8 Captulo 1/Introduccin y panorama de la manufactura Limitaciones fsicas del producto Un segundo aspecto de la capacidad de manufactura lo impone el producto fsico.Una planta con un conjunto dado de procesos est limitada en los trminos del tamao y el peso de los productos que pueden alojarse.Los productos grandes y pesados son difciles de mover. Para hacerlo, la planta debe equiparse con gras con la capacidad de carga requerida. Piezas y productos pequeos que se fabrican en cantidades grandes se trasladan por medio de bandas u otros medios. La limitante del tamao y peso de un producto tambin se extiende a la capacidad fsica del equipo de manufactura. Las mquinas de produccin tienen tamaos distintos. Las ms grandes deben utilizarse para procesar piezas grandes. El conjunto del equipo de produccin, manejo de materiales, capacidad de almacenamiento y tamao de planta, debe planearse para los productos que estn dentro de cierto rango de tamao y peso. Capacidad de produccin Una tercera limitante de la capacidad de una planta de manufactura, es la cantidad de produccin que puede obtenerse en un periodo de tiempo dado (por ejemplo, mes o ao). Es comn llamar a dicha limitante de cantidad capacidad de planta, o capacidad de produccin, y se define como la tasa mxima de produccin que una planta puede alcanzar en condiciones dadas de operacin. Estas condiciones se refieren al nmero de turnos por semana, horas por turno, niveles de la mano de obra directa, entre otros. Esos factores representan entradas de la planta. Dadas estas entradas, cul es la salida que puede generar la empresa? Por lo general,la capacidad de planta se mide en trminos de las unidades producidas, tales como las toneladas de acero que produce al ao una fundicin, o el nmero de automviles producido por una planta de ensamblado final.En estos casos,las producciones son homogneas.En los casos en que las unidades de produccin no son homogneas,otros factores ms apropiados de medicin, son las horas hombre de capacidad productiva en un taller de maquinado que produce piezas varias. Los materiales, procesos y sistemas son los bloques constitutivos bsicos de la manufactura, y las tres amplias reas temticas de este libro. A continuacin se dar un panorama de dichos temas. 1.2 LOS MATERIALES EN LA MANUFACTURA La mayor parte de los materiales para ingeniera se clasifican en una de tres categoras bsicas: 1) metales, 2) cermicos y 3) polmeros. Sus caractersticas qumicas son diferentes, sus propiedades mecnicas y fsicas no se parecen y afectan los procesos de manufactura susceptibles de emplearse para obtener productos de ellos. Adems de las tres categoras bsicas,hay 4) compuestos mezclas no homogneas de los otros tres tipos fundamentales. La relacin entre los cuatro grupos se ilustra en la figura 1.3. En esta seccin se revisa a dichos materiales. En los captulos 6 a 9, se estudian con ms detalle los cuatro tipos de material. 1.2.1 Metales Los metales que se emplean en la manufactura, por lo general son aleaciones, que estn compuestos de dos o ms elementos, con al menos uno en forma metlica. Los metales se dividen en dos grupos bsicos: 1) ferrosos y 2) no ferrosos. Metales ferrosos Los metales ferrosos se basan en el hierro: el grupo incluye acero y hierro colado. Dichos metales constituyen el grupo comercial ms importante, ms de las tres cuartas partes del peso total de los metales de todo el mundo. El hierro puro tiene un uso comercial limitado, pero cuando se mezcla con carbono tiene ms usos y mayor valor www.FreeLibros.me 25. Seccin 1.2/Los materiales en la manufactura 9 comercial que cualquier otro metal. Las aleaciones de hierro y carbono forman acero y hierro colado. El acero se define como una aleacin de hierro-carbono que contiene 0.02%-2.11% de carbono. Es la categora ms importante dentro del grupo de metales ferrosos. Es frecuente que su composicin incluya otros elementos de la aleacin, tales como manganeso, cromo, nquel y molibdeno, para mejorar las propiedades del metal. Las aplicaciones del acero incluyen la construccin (por ejemplo: puentes, vigas tipo I, y clavos), transporte (camiones, rieles y equipo rodante para va frrea), y productos de consumo (automviles y aparatos). El hierro colado es una aleacin de fierro y carbono (2%-4%) que se utiliza en el moldeado (sobre todo en el moldeado en arena verde). El silicio tambin est presente en la aleacin (en cantidades que van de 0.5% a 3%),y es frecuente que tambin se agreguen otros elementos para obtener propiedades deseables en el elemento fundido. El hierro colado se encuentra disponible en distintas formas,de las que la ms comn es el hierro colado gris;sus aplicaciones incluyen bloques y cabezas para motores de combustin interna. Metales no ferrosos Los metales no ferrosos incluyen los dems elementos metlicos y sus aleaciones. En casi todos los casos, las aleaciones tienen ms importancia comercial que los metales puros. Los metales no ferrosos incluyen los metales puros y aleaciones de aluminio, cobre, oro, magnesio, nquel, plata, estao, titanio, zinc y otros metales. 1.2.2 Cermicos Un cermico se define como un compuesto que contiene elementos metlicos (o semime- tlicos) y no metlicos. Los elementos no metlicos comunes son oxgeno, nitrgeno y carbono. Los cermicos incluyen una variedad de materiales tradicionales y modernos. Los productos cermicos tradicionales, algunos de los cuales se han utilizado durante mi- les de aos, incluyen: arcilla (se dispone de ella en abundancia, consiste en partculas finas de silicatos de aluminio hidratados y otros minerales que se utilizan en la fabricacin de ladrillos, baldosas y vajillas); slice (es la base para casi todos los productos de vidrio); y almina y carburo de silicn (dos materiales abrasivos que se emplean en el rectificado). Los cermicos modernos incluyen algunos de los materiales anteriores, tales como la almina, cuyas propiedades se mejoran en varios modos a travs de mtodos modernos de procesamiento. Los ms nuevos incluyen carburos los carburos metlicos tales como el carburo de tungsteno y el de titanio,se emplean mucho como materiales para herramientas de corte,y los nitruros los nitruros metlicos y semimetlicos como el nitruro de titanio y el de boro, se utilizan como herramientas de corte y abrasivos para rectificar. Con fines de procesamiento, los cermicos se dividen en 1) cermicos cristalinos y 2) vidrios. Para cada tipo se requieren diferentes mtodos de manufactura. Los cermicos cristalinos se forman de distintos modos a partir de polvos que despus se calientan (a una temperatura inferior del punto de fusin a fin de lograr la unin entre los polvos). Los cermicos vidriados (vidrio, sobre todo) se mezclan y funden para despus formarse en procesos tales como el vidrio soplado tradicional. FIGURA 1.3 Diagrama de Venn que muestra los tres tipos de materiales bsicos ms los compuestos. www.FreeLibros.me 26. 10 Captulo 1/Introduccin y panorama de la manufactura 1.2.3 Polmeros Un polmero es un compuesto formado por unidades estructurales repetidas denominadas meros,cuyostomoscompartenelectronesqueformanmolculasmuygrandes.Porlogeneral, lospolmerosconsistenencarbonomsunoomselementostalescomohidrgeno,nitrgeno, oxgeno y cloro. Los polmeros se dividen en tres categoras: 1) polmeros termoplsticos o termovariables, 2) polmeros termoestables o termofijos, y 3) elastmeros. Los polmeros termoplsticos pueden sujetarse a ciclos mltiples de calentamiento y enfriamiento sin que se altere en forma sustancial la estructura molecular del polmero. Los termoplsticos comunes incluyen polietileno, poliestireno, cloruro de polivinilo y nai- lon. Los polmeros termoestables sufren una transformacin qumica (curado) hacia una estructura rgida despus de haberse enfriado a partir de una condicin plstica calentada; de ah el nombre de termoestables. Los miembros de este tipo incluyen los fenoles, re- sinas amino y epxicas. Aunque se emplea el nombre termoestable, algunos de dichos polmeros se curan por medio de mecanismos distintos del calentamiento. Los elastmeros son polmeros que muestran un comportamiento muy elstico; de ah el nombre de elast- meros. Incluyen el caucho natural, neopreno, silicn y poliuretano. 1.2.4 Compuestos Los compuestos no constituyen en realidad una categora separada de materiales; son mezclas de los otros tres tipos. Un compuesto es un material que consiste en dos o ms fases que se procesan por separado y luego se unen para lograr propiedades superiores a las de sus constituyentes. El trmino fase se refiere a una masa homognea de material, tal como la agregacin de granos de estructura celular idntica y unitaria en un metal slido. La estructura usual de un compuesto consiste en partculas o fibras de una fase mezclada en una segunda que se llama la matriz. Los compuestos se encuentran en la naturaleza (por ejemplo, madera), y se pueden producir en forma sinttica. El tipo sintetizado es de mayor inters aqu, e incluye fibras de vidrio en una matriz de polmero, por ejemplo fibra reforzada de plstico; fibras de polmero de un tipo en una matriz de un segundo polmero,tal como un compuesto epxico de Kevlar; y un cermico en una matriz metlica, tal como carburo de tungsteno en una sustancia aglutinante de cobalto para formar una herramienta de corte a base de carburo cementado. Las propiedades de un compuesto dependen de sus componentes, las formas fsicas de stos, y la manera en que se combinan para formar el material final. Algunos compuestos combinan una resistencia elevada con el poco peso, y son apropiadas para aplicarlos en componentes aeronuticos, carroceras de automviles, cascos de barcos, raquetas de tenis, y caasdepescar.Otroscompuestossonfuertes,durosycapacesdeconservardichaspropiedades a temperaturas elevadas, por ejemplo, las herramientas cortadoras de carburo cementado. 1.3 PROCESOS DE MANUFACTURA Los procesos de manufactura se dividen en dos tipos bsicos: 1) las operaciones del proceso, y 2) las del ensamblado. Una operacin del proceso hace que un material de trabajo pase de un estado de acabado a otro ms avanzado que est ms cerca del producto final que se desea. Se agrega valor cambiando la geometra, las propiedades o la apariencia del material de inicio. En general, las operaciones del proceso se ejecutan sobre partes discretas del trabajo, pero algunas tambin son aplicables a artculos ensamblados. Una operacin de ensamblado une dos o ms componentes a fin de crear una entidad nueva, llamada ensamble, subensamble o algn otro trmino que se refiera al proceso de unin (por ejemplo,un ensamble soldado se denomina soldadura).En la figura 1.4 se presenta una www.FreeLibros.me 27. Seccin 1.3/Procesos de manufactura 11 clasificacin de procesos de manufactura. La mayor parte de los procesos de manufactura que se estudian en este libro se pueden observar en el disco de video digital (DVD) que viene adjunto. A lo largo del texto se dan avisos sobre dichos cortos de video. Algunos de los procesos bsicos que se emplean en la manufactura moderna datan de la antigedad (vase la nota histrica 1.2). Mtodos de unin permanente Sujetadores roscados Soldadura fuerte y soldadura blanda Recubrimiento y procesos de deposicin Limpieza y tratamiento de superficies Tratamiento trmico Remocin de materiales Procesos de deformacin Procesos de formado Procesos de mejora de propiedades Operaciones de procesamiento Operaciones de ensamble Procesos de manufactura Operaciones de procesamiento de superficies Procesos de unin permanente Ensamble mecnico Procesamiento de partculas Fundicin, moldeado, etc. Soldadura autgena Unin mediante adhesivos FIGURA 1.4 Clasificacin de los procesos de manufactura. Nota histrica 1.2 Materiales y procesos de manufactura En tanto que la mayor parte de los desarrollos histricos que constituyen la prctica moderna de la manufactura han tenido lugar slo durante los ltimos siglos (vase la nota histrica 1.1), varios de los procesos bsicos de fabricacin datan del periodo Neoltico (alrededor de 8000-3000 a. C.). Fue durante ese periodo que se desarrollaron procesos tales como los siguientes: tallar y trabajar la madera, formar a mano y cocer vasijas de arcilla, tallar y pulir piedra, hilar y tejer textiles, y teir la ropa. La metalurgia y el trabajo de los metales tambin comenzaron en el Neoltico, en Mesopotamia y otras reas alrededor del Mediterrneo. Se extendi hacia regiones de Europa y Asia o se desarroll en ellas de manera independiente. El ser humano primitivo encontraba el oro en la naturaleza en forma relativamente pura. Poda martillarlo para darle forma. Es probable que el cobre sea el primer metal que se extraa de yacimientos, lo que requera del fundido como tcnica de procesamiento. El cobre no poda ser martillado con facilidad debido a que se endureca, en su lugar, se le daba forma por medio de la fundicin (vase la nota histrica 10.1). Otros metales utilizados durante este periodo fueron la plata y el estao. Se descubri que la aleacin de cobre con estao produca un metal ms fcil de trabajar que el cobre puro (poda usarse tanto la fundicin como el martillado). Esto anunci el periodo importante que se conoce como la Edad de Bronce (alrededor de 3500-1500 a. C.). El hierro tambin fue fundido por primera vez durante la Edad de Bronce. Es posible que los meteoritos hayan sido una fuente de ese metal, pero tambin se explotaban yacimientos. Las temperaturas requeridas para reducir el mineral de hierro a metal son significativamente ms www.FreeLibros.me 28. 12 Captulo 1/Introduccin y panorama de la manufactura 1.3.1 Operaciones de procesamiento Una operacin de procesamiento utiliza energa para modificar la forma, las propiedades fsicas o la apariencia de una pieza,a fin de agregar valor al material.Las formas de la energa incluyen la mecnica, trmica, elctrica y qumica. La energa se aplica en forma controlada por medio de maquinaria y herramientas. Tambin se requiere de la energa humana, pero los trabajadores se emplean por lo general para controlar las mquinas, supervisar las operaciones y cargar y descargar las piezas antes y despus de cada ciclo de operacin. En la figura 1.1a) se ilustra un modelo general de operacin de procesamiento. El material alimenta al proceso, las mquinas y herramientas aplican energa para transformar el material,y la pieza terminada sale del proceso.La mayora de las operaciones de produccin generan desperdicios o sobrantes, sea como un aspecto natural del proceso (por ejemplo, remocin de material como en el maquinado) o en forma de piezas defectuosas ocasionales. Un objetivo importante de la manufactura es reducir el desperdicio en cualquiera de esas formas. Por lo general se requiere ms de una operacin de procesamiento para transformar el material de inicio a su forma final.Las operaciones se llevan a cabo en la secuencia particular que se requiere para alcanzar la geometra y condicin definidas por las especificaciones del diseo. elevadas que aquellas que se requieren para el cobre, lo que hace ms difciles las operaciones de los hornos. Por la misma razn, otros mtodos de procesamiento tambin eran ms difciles. Los primeros herreros aprendieron que cuando ciertas clases de hierro (los que contenan cantidades pequeas de carbono) se calentaban lo suficiente y despus se enfriaban por inmersin, se volvan muy duras. Esto permita formar un borde muy afilado y cortante en los cuchillos y armas, pero tambin haca que el metal fuera quebradizo. Poda incrementarse la dureza con el recalentamiento a una temperatura ms baja, proceso conocido como templado. Lo que se ha descrito es, por supuesto, el tratamiento trmico del acero. Las propiedades superiores del acero ocasionaron que sustituyera al bronce en muchas aplicaciones (armamento, agricultura y artefactos mecnicos). El periodo de su utilizacin se denomin posteriormente como Edad de Hierro (comenz alrededor de 1000 a. C.). No fue hasta mucho despus, bien entrado el siglo XIX, que la demanda de acero creci en forma significativa y se inventaron tcnicas ms modernas para su fabricacin (vase la nota histrica 6.1). Los principios de la tecnologa de las mquinas herra- mienta ocurrieron durante la Revolucin Industrial. En el periodo de 1770 a 1850, se crearon mquinas herramienta para la mayora de los procesos de remocin de material convencionales, tales como perforar, tornear, rectificar, fresar, perfilar y cepillar (vase la nota histrica 22.1). Muchos de los procesos individuales anteceden en siglos a las mquinas herramienta; por ejemplo, perforar y aserrar (madera) datan de tiempos antiguos, y tornear (madera) se remonta a la poca de Cristo. Los mtodos de ensamble se empleaban en las culturas antiguas para hacer barcos, armas, herramientas, implementos agrcolas, maquinaria, carruajes y carretas, muebles y prendas de ropa. Los procesos incluan sujetar con lianas y cuerdas, remachar y clavar, y soldar. Aproximadamente en tiempos de Cristo, se desarrollaron la soldadura con forja y la unin mediante adhesivos. El uso extendido de tornillos, remaches y tuercas como sujetadores tan comn en el ensamble de hoy, requiri la creacin de mquinas herramienta capaces de cortar con exactitud las formas helicoidales que se requeran (por ejemplo, el torno de Maudsley para cortar tornillos, 1800). No fue sino hasta alrededor de 1900 que se empezaron a desarrollar los procesos de soldadura autgena por fusin como tcnicas de ensamble (vase la nota histrica 30.1). El caucho natural fue el primer polmero que se us en la manufactura (si se excluye la madera, que es un polmero compuesto). El proceso de vulcanizacin, descubierto por Charles Goodyear en 1839, hizo del caucho un material til para la ingeniera (vase la nota histrica 8.2). Los desarrollos posteriores incluan a los plsticos tales como el nitrato de celulosa en 1870, la baquelita en 1900, el cloruro de polivinilo en 1927, el polietileno en 1932, y el nailon al final de la dcada de 1930 (vase la nota histrica 8.1). Los requerimientos de procesamiento para los plsticos condujeron al desarrollo del moldeo por inyeccin (con base en el vaciado en molde, uno de los procesos de fundicin de metales) y otras tcnicas para dar forma a los polmeros. Los productos electrnicos han impuesto demandas inusuales a la manufactura en cuanto a miniaturizacin. La evolucin de la tecnologa ha ido en direccin de agrupar ms y ms dispositivos en un rea cada vez ms pequea en algunos casos, un milln de transistores en una pieza plana de material semiconductor que slo mide 12 mm (0.50 in) por lado. La historia del procesamiento y el montaje electrnicos se remonta a slo unas cuantas dcadas (vanse las notas histricas 35.1, 36.1 y 36.2). www.FreeLibros.me 29. Seccin 1.3/Procesos de manufactura 13 Se distinguen tres categoras de operaciones de procesamiento: 1) operaciones de formado, 2) operaciones de mejoramiento de una propiedad, y 3) operaciones de procesa- miento de una superficie. Las operaciones de formado alteran la geometra del material inicial de trabajo por medio de varios mtodos.Los procesos comunes de formado incluyen al moldeado, la forja y el maquinado. Las operaciones de mejoramiento de una propiedad agregan valor al material con la mejora de sus propiedades fsicas sin cambio de la forma. El ejemplo ms comn es el tratamiento trmico. Las operaciones de procesamiento de una superficie se ejecutan para limpiar, tratar, recubrir o depositar material sobre la superficie exterior del trabajo. Ejemplos comunes del recubrimiento son el cromado y el pintado. Los procesos de formado se estudian en las partes III a VI, y corresponden a las cuatro categoras principales de los procesos de formado que se muestran en la figura 1.4. Los procesos de mejoramiento de una propiedad y de procesamiento de una superficie se estudian en la parte VII. Procesos de formado La mayor parte de los procesos de formado aplican calor o fuerzas mecnicas o una combinacin de ambas para que surtan un efecto en la geometra del material de trabajo.Hay varias maneras de clasificar los procesos de formado.La clasificacin que se utiliza en este libro se basa en el estado del material de inicio, y tiene cuatro categoras: 1) procesos de moldeado, en los que el material con que se comienza es un lquido calentado o semifluido que se enfra y solidifica para formar la geometra de la pieza; 2) procesos de sinterizado o procesamiento de partculas, en los que los materiales de inicio son polvos, que se forman y calientan con la geometra deseada; 3) procesos de deformacin, en los que el material con que se comienza es un slido dctil (metal, por lo comn) que se deforma para crear la pieza; y 4) procesos de remocin de material, en los que el material de inicio es un slido (dctil o quebradizo), a partir del cual se retira material de modo que la pieza resultante tenga la geometra que se busca. En la primera categora, el material de inicio se calienta lo suficiente para transfor- marlo a un lquido o a un estado altamente plstico (semifluido). Casi todos los materiales se pueden procesar de esta manera.Los metales,vidrios cermicos y plsticos pueden calen- tarse a temperaturas suficientemente elevadas para convertirlos en lquidos. El material en forma lquida o semifluida se vaca o se le fuerza para que fluya en una cavidad llamada molde, donde se enfra hasta la solidificacin, con lo que adopta la forma del molde. La mayora de procesos que operan de esta manera se denominan fundicin o moldeado. Fundicin es el trmino que se emplea para los metales, y moldeado es el nombre comn usado para plsticos. En la figura 1.5 se ilustra esta categora de procesos de formado. En el procesamiento de partculas, el material de inicio son polvos metlicos o cermicos.Aunque estos dos materiales son muy diferentes, los procesos para darles forma a partir del procesamiento de partculas son muy similares. La tcnica comn involucra la presin y el sinterizado, que se ilustran en la figura 1.6, en las que los polvos primero se fuerzan hacia una cavidad llamada matriz o dado a una gran presin, y despus se calientan para unir las partculas individuales. FIGURA 1.5 Los procesos de fundicin y moldeado comienzan con un material de trabajo calentado hasta alcanzar un estado fluido o semifluido. Los procesos consisten en 1) vaciar el fluido en un molde, y 2) permitir que el fluido se enfre hasta solidificarse, despus de lo cual la pieza slida se retira del molde. www.FreeLibros.me 30. 14 Captulo 1/Introduccin y panorama de la manufactura En los procesos de deformacin, la pieza inicial que se trabaja se conforma por medio de la aplicacin de fuerzas que exceden la resistencia del material. Para que el material se forme de este modo, debe ser suficientemente dctil para evitar que se fracture durante la deformacin. Para incrementar su ductilidad (y por otras razones), es comn que antes de darle forma, el material de trabajo se caliente hasta una temperatura por debajo del punto de fusin. Los procesos de deformacin se asocian de cerca con el trabajo de los metales, e incluyen operaciones tales como el forjado y la extrusin, que se ilustran en la figura 1.7. Los procesos de remocin de material son operaciones que retiran el exceso de material de la pieza de trabajo con que se inicia, de modo que la forma que resulta tiene la geometra buscada. Los procesos ms importantes de esta categora son las operaciones de maquinado tales como torneado, perforado y fresado, que se muestran en la figura 1.8. Estas operaciones de corte se aplican ms comnmente a metales slidos,y se llevan a cabo con el empleo de herramientas de corte ms duras y fuertes que el metal de trabajo. Otro proceso comn de esta categora es el rectificado. Otros procesos de remocin de material se conocen como no tradicionales debido a que utilizan lser, haces de electrones, erosin qumica, descargas elctricas o energa electroqumica para retirar el material, en vez de herramientas de corte o rectificado. Cuando una pieza inicial de trabajo se transforma en una geometra subsecuente, es deseable minimizar el desperdicio y los desechos. Ciertos procesos de conformacin son ms eficientes que otros, en trminos de conservacin del material. Los procesos de remocin de materiales (por ejemplo,el maquinado) tienden a desperdiciar material,tan slo por la forma en que operan. El material que se retira de la forma inicial se desperdicia, al menos en lo referente a la operacin unitaria.Otros procesos,tales como ciertas operaciones de fundicin y moldeado, con frecuencia convierten casi el 100% del material con que se comienza en el producto final. Los procesos de manufactura que transforman casi todo el material de inicio FIGURA 1.6 Procesamiento de partculas 1) el material de inicio es un polvo; el proceso usual consiste en 2) presionar y 3) sinterizar. FIGURA 1.7 Algunos procesos de deformacin comunes: a) forjado, en los que dos herramentales llamados dados comprimen la pieza de trabajo, lo que ocasiona que adopte la forma de los dos dados; y b) extrusin, en la que se fuerza a una palanquilla a fluir a travs de un dado, por lo que adopta la seccin transversal del orificio. www.FreeLibros.me 31. Seccin 1.3/Procesos de manufactura 15 en el producto, y no requieren maquinado posterior para alcanzar la geometra definitiva de la pieza, se llaman procesos de forma neta. Otros procesos que requieren de un maquinado mnimo para producir la forma final, reciben el nombre de procesos de forma casi neta. Procesos de mejoramiento de una propiedad El segundo tipo principal de procesamiento de una pieza se lleva a cabo para mejorar las propiedades mecnicas o fsicas del material de trabajo.Estos procesos no alteran la forma de la pieza,salvo de manera accidental en algunos casos. Los procesos ms importantes de mejoramiento de una propiedad involucran los tra- tamientos trmicos,que incluyen varios procesos de recocido y templado de metales y vidrios. El sinterizado de metales y cermicos pulverizados, que se mencion antes, tambin es un tratamiento a base de calor que aglutina una pieza de metal pulverizado y comprimido. Procesamientodeunasuperficie Lasoperacionesdeprocesamientodeunasuperficieincluyen 1) limpieza, 2) tratamientos de una superficie, y 3) procesos de recubrimiento y deposicin de una pelcula delgada.La limpieza incluye procesos tanto qumicos como mecnicos para retirar de la superficie suciedad, aceite y otros contaminantes. Los tratamientos de una superficie incluyen trabajos mecnicos tales como granallado y chorro de arena,as como procesos fsicos tales como difusin e implantacin de iones. Los procesos de recubrimiento y deposicin de una pelcula delgada aplican una capa de material a la superficie exterior de la pieza que se trabaja. Los procesos comunes de recubrimiento incluyen la galvanoplastia y anodizacin del aluminio, el recubrimiento orgnico (llamado pintado), y el barnizado de porcelana. Los procesos de deposicin de pelcula incluyen la deposicin fsica y qumica de vapor (PVD, QVD), a fin de formar recubrimientos de varias sustancias delgadas en extremo. Se han adaptado varias operaciones severas de procesamiento de superficies para fabricar materiales semiconductores de los circuitos integrados para la microelectrnica. Esos procesos incluyen deposicin qumica de vapor,deposicin fsica de vapor y oxidacin. Se aplican en reas muy localizadas de la superficie de una oblea delgada de silicio (u otro material semiconductor) con objeto de crear el circuito microscpico. 1.3.2 Operaciones de ensamblado El segundo tipo bsico de operaciones de manufactura es el ensamblado,en el que dos o ms piezas separadas se unen para formar una entidad nueva. Dichos componentes se conectan ya sea en forma permanente o semipermanente.Los procesos de unin permanente incluyen la soldadura homognea, soldadura fuerte, soldadura blanda, y unin mediante adhesivos. Forman una unin de componentes que no puede separarse con facilidad. Los mtodos de ensamblado mecnico existen para sujetar dos (o ms) partes en una pieza que se puede FIGURA 1.8 Operaciones comunes de maquinado: a) torneado, en el que una herramienta de corte de un filo retira metal de una pieza de trabajo que gira, a fin de reducir su dimetro; b) taladrado, en la que una broca en rotacin avanza dentro de la pieza de trabajo, con lo que crea un agujero redondo; y c) fresado, en la que una pieza de trabajo se hace avanzar por un cortador giratorio con filos mltiples. Buril de punto sencillo Avance de la herramienta Rotacin (pieza de trabajo) Pieza de trabajo Dimetro inicial Viruta o remanente Dimetro final, despus del torneado a) b) c) Broca Pieza de trabajo Pieza de Trabajo Agujero Avance Avance Rotacin Rotacin Material removido Fresa de corte www.FreeLibros.me 32. 16 Captulo 1/Introduccin y panorama de la manufactura desarmar a conveniencia. El uso de tornillos, remaches y otros sujetadores mecnicos, son mtodos tradicionales importantes de esta categora.Otras tcnicas de ensamblado mecnico que forman una conexin permanente incluyen los remaches, ajustes de presin y ajustes de expansin.Enelensambledeproductoselectrnicos,seempleanmtodosdeuninysujecin especiales.Algunos de los mtodos son idnticos a los procesos anteriores o adaptaciones de stos, por ejemplo, la soldadura blanda. El ensamblado electrnico se relaciona en primer lugar con el ensamble de componentes tales como paquetes de circuitos integrados a tarje- tas de circuitos impresos, para producir los circuitos complejos que se utilizan en tantos pro- ductos de la actualidad. En la parte VIII se estudian los procesos de unin y ensamblado, y en la IX, las tcnicas de ensamblado especiales para la electrnica. 1.3.3 Mquinas de produccin y herramientas Las operaciones de manufactura se llevan a cabo con el uso de maquinaria y herramienta (y personas).El empleo extenso de maquinaria en la manufactura comenz con la Revolucin Industrial. Fue en esa poca que las mquinas cortadoras de metal se desarrollaron y comenzaron a utilizarse en forma amplia. Reciban el nombre de mquinas herramienta que eran mquinas impulsadas por energa para operar herramientas de corte que antes se usaban con las manos. Las mquinas herramienta modernas se describen con la misma definicin bsica, excepto que la energa es elctrica en lugar de hidrulica o de vapor, y su nivel de precisin y automatizacin es mucho mayor hoy da. Las mquinas herramienta estn entre las ms verstiles de todas las que se aplican en la produccin. Se emplean no slo para hacer piezas de productos para el consumidor, sino tambin para elaborar componentes para otras mquinas de la produccin.Tanto en un sentido histrico como de reproduccin, la mquina herramienta es la madre de toda la maquinaria. Otrasmquinasparalaproduccinincluyenprensasparalasoperacionesdeestampado, martillos forjadores para forjar, molinos de laminacin para la fabricar lmina metlica, mquinas soldadoras para soldar, y mquinas de insercin para insertar componentes elec- trnicos en tarjetas de circuitos impresos. Por lo general, el nombre del equipo antecede al nombre del proceso. El equipo de produccin puede ser de propsito general o especial. El equipo de propsito general es ms verstil y adaptable a una variedad de trabajos.Se halla disponible en el comercio para cualquier compaa manufacturera que quiera invertir en l. El equipo de propsito especial por lo general est diseado para producir una pieza o un producto especfico en cantidades muy grandes. La economa de la produccin en masa justifica las grandes inversiones en maquinaria de propsito especial a fin de alcanzar eficiencias elevadas en ciclos cortos de tiempo.sta no es la nica razn de ser del equipo de propsito especial, pero es la principal. Otra razn es que el proceso puede ser nico y el equipo comercial no se encuentre disponible. Algunas compaas con requerimientos nicos de proceso desarrollan su propio equipo de propsito especial. Por lo general,la maquinaria de produccin requiere herramientas que se integren en el equipo para el trabajo de la pieza o producto en particular. En muchos casos, el herramental debe disearse especficamente para la configuracin de la pieza o producto.Cuando se utiliza con equipo de propsito general, est diseada para ser intercambiable. Las herramientas se sujetan a la mquina para cada tipo de producto y se fabrica el volumen de produccin. Al terminar, se cambian las herramientas para el tipo siguiente de producto por trabajar. Cuando se emplean con mquinas de propsito especial, es frecuente que las herramientas estn diseadas como parte integral de la mquina. Debido a que es probable que para la produccin en masa se empleen mquinas de propsito especial,las herramientas quiz nunca cambien, excepto para reemplazar componentes usados o reparar superficies desgastadas. El tipo de herramientas depende del tipo de proceso de manufactura. En la tabla 1.4 se enlistan ejemplos de herramientas especiales que se emplean en operaciones diversas. Los detalles se dan en los captulos en que se estudian los procesos respectivos. www.FreeLibros.me 33. Seccin 1.4/Sistemas de produccin 17 1.4 SISTEMAS DE PRODUCCIN Paraoperarconeficacia,unaempresademanufacturadebetenersistemasquelepermitanllevar a cabo con eficiencia su tipo de produccin.Los sistemas de produccin consisten en personas, equipos y procedimientos diseados para combinar materiales y procesos que constituyen las operaciones de manufactura de la compaa. Los sistemas de produccin se dividen en dos categoras: 1) instalaciones de produccin, y 2) sistemas de apoyo a la manufactura. Las instalaciones de produccin se refieren al equipo fsico y su arreglo dentro de la fbrica. Los sistemas de apoyo a la manufactura son los procedimientos utilizados por la compaa para administrar la produccin y resolver los problemas tcnicos y logsticos que se encuentran en la ordenacin de los materiales, el movimiento del trabajo por la fbrica, y asegurar que los productos satisfagan estndares de calidad. Ambas categoras incluyen personas. Son stas las que hacen que los sistemas funcionen. En general, la mano de obra directa (trabajadores de cuello azul) es responsable de operar el equipo de manufactura, y el personal profesional (trabajadores de cuello blanco) es el encargado de dar apoyo a la manufactura. 1.4.1 Instalaciones de produccin Las instalaciones de produccin consisten en el equipo de produccin y el de manejo de materiales. El equipo entra en contacto fsico directo con las piezas o ensambles durante su fabricacin. Las instalaciones tocan el producto. stas tambin incluyen la manera en que el equipo se acomoda dentro de la fbrica la distribucin de la planta (layout).Por lo general,el equipo se organiza en agrupamientos lgicos,llamados sistemas de manufactura, tales como una lnea de produccin automatizada,o una celda de manufactura que consiste en un robot industrial y dos o ms mquinas herramienta. Una compaa de manufactura trata de disear sus sistemas de manufactura y organizar sus fbricas para que sirvan a la misin particular de cada planta del modo ms eficiente.A lo largo de los aos, ciertos tipos de instalaciones de produccin han llegado a ser reconocidos como la forma ms apropiada de organizar una combinacin dada de diversos productos y cantidad de produccin, segn se estudi en la seccin 1.1.2. Se requieren instalaciones diferentes para cada uno de los tres rangos de cantidades anuales de produccin. Produccin de bajas cantidades En el rango de cantidad baja (1 a 100 unidades por ao),es frecuente utilizar el trmino taller de trabajo para describir el tipo de instalacin productiva. Un taller hace cantidades bajas de productos especializados y personalizados. Es comn TABLA 1.4 Equipo de produccin y las herramientas que se emplean para varios procesos de manufactura. Proceso Fundicin Moldeado Laminado Forjado Extrusin Estampado Maquinado Rectificado Soldadura Equipo a Mquina de moldeado Molino de laminacin Martillo o prensa forjadora Prensa Prensa Mquina herramienta Rectificadora Soldadora Herramientas especiales (funcin) Molde (cavidad para metal fundido) Molde (cavidad para polmeros calientes) Rodillo (reduce espesor de la pieza) Dado o matriz (comprime el trabajo para darle forma) Dado de extrusin (reduce la seccin transversal) Matrices y punzones (corte y conformacin de lmina metlica) Herramienta de corte (remocin de material) Accesorio (sujeta la pieza de trabajo) Gua (sujeta la pieza y gua la herramienta) Rueda de rectificado (remocin de material) Electrodo (funde el metal que se trabaja) Sujetador (sujeta las piezas durante la soldadura) a Tipos distintos de dispositivos y equipos para fundir (vase el captulo 11). www.FreeLibros.me 34. 18 Captulo 1/Introduccin y panorama de la manufactura que stos sean complejos, tales como cpsulas espaciales, aviones prototipo y maquinaria especial. El equipo de un taller de trabajo es de propsito general y el personal est muy capacitado. Un taller de trabajo debe disearse para tener flexibilidad mxima a fin de poder enfrentar las variaciones amplias que se encuentren en el producto (variedad dura de producto). Si el producto es grande y pesado, y por tanto difcil de mover, es comn que permanezca en una sola ubicacin durante su fabricacin o ensamble. Los trabajadores y el equipo de