fundamentos detm

FUNDAMENTOS DE FABRICACIN MECNICA

Jos L. Diguez Alejandro Pereira Enrique Ares

FUNDAMENTOS DE FABRICACIN MECNICA

Jos L. Diguez Alejandro Pereira Enrique Ares

Fundamentos de Fabricacin Mecnica

Organizacin asignatura

PROLOGO El presente libro recoge los objetivos docentes de la asignatura Tecnologa Mecnica, materia troncal en los planes de Ingeniera Tcnica Mecnica, que en sus aspectos fundamentales y descriptivos, se centra en el estudio y la aplicacin de conocimientos cientficos y tcnicos relacionados con los procesos de fabricacin de componentes y conjuntos cuya finalidad funcional es mecnica, as como la evaluacin de su precisin dimensional y la de los productos a obtener, con una calidad determinada. Todo ello incluyendo desde las fases de preparacin hasta las de utilizacin de los instrumentos, las herramientas, utillajes, equipos, mquinas-herramienta y sistemas necesarios para su realizacin, de acuerdo con las normas y especificaciones establecidas, y aplicando criterios de optimizacin. Los autores, profesores del rea Ingeniera de Procesos de Fabricacin de la Univ. de Vigo, han orientado esta obra como un compendio bsico de las principales referencias en tecnologas de fabricacin mecnica, pretendiendo, por lo tanto, hacer mayor nfasis en los procesos de fabricacin cuya finalidad sea la obtencin de productos con funcional mecnica empleados en la fabricacin de maquinaria o de productos industriales en general, sirviendo como introduccin al lector en dichas tecnologas.

0.1


Organizacin asignatura

INDICE TEMTICO Unidad didctica 1. INTRODUCCIN A LAS TECNOLOGAS Y SISTEMAS DE FABRICACIN. Leccin 1.- Introduccin: objetivos y contenidos. Unidad didctica 2. METROTECNIA. Leccin 2.- Fundamentos de metrologa dimensional. Leccin 3.- Medida de longitudes, ngulos, formas y elementos de mquinas. Leccin 4.- Medicin por coordenadas y de la calidad superficial. Leccin 5.- Calibracin y errores de medida. Unidad didctica 3. PROCESOS DE CONFORMADO POR ARRANQUE DE MATERIAL Leccin 6.- Introduccin al conformado por arranque de material. Leccin 7.- Fundamentos y teoras del corte. Leccin 8.- Torneado: operaciones, mquinas y utillaje. Leccin 9.- Fresado: operaciones, mquinas y utillaje. Leccin 10.- Mecanizado de agujeros y con movimiento principal rectilneo: operaciones, mquinas y utillaje. Leccin 11.- Conformado con abrasivos: operaciones, mquinas y utillaje. Leccin 12.- Procesos de mecanizado no convencionales. Unidad didctica 4. AUTOMATIZACIN Y GESTIN DE LOS PROCESOS DE FABRICACIN. Leccin 13.- Control Numrico de mquinas-herramienta. Unidad didctica 5. PROCESOS DE CONFORMADO DE MATERIALES EN ESTADO LQUIDO Y GRANULAR. Leccin 14.- Aspectos generales del conformado por fundicin de metales. Leccin 15.- Modelos, moldes y cajas de machos. Leccin 16.- Tecnologa de la fusin, colada y acabado. Leccin 17.- Equipos y hornos empleados en fundicin. Leccin 18.- Conformacin materiales granulares: pulvimetalurgia. Leccin 19 .- Tecnologa de los materiales plsticos y su procesamiento. Unidad didctica 6. PROCESOS DE CONFORMADO POR UNIN. Leccin 20.- Tecnologa del proceso de soldadura. Leccin 21.- Procesos de unin y montaje sin soldadura. Unidad didctica 7. PROCESOS DE CONFORMADO POR DEFORMACIN PLSTICA DE METALES. Leccin 22.- Aspectos generales del conformado por deformacin plstica. Leccin 23.- Procesos de laminacin y forja. Leccin 24.- Procesos de extrusin y estirado. Leccin 25.- Procesos de conformado de la chapa.

0.2


Introduccin

Leccin 1:

INTRODUCCIN.

1.1 El ciclo productivo La fabricacin es un proceso de transformacin en el que las materias primas se convierten en productos acabados, y en el que intervienen mano de obra, medios, utillajes y energa con objeto de aportar un valor aadido al producto que lo hagan rentable econmicamente.

El proceso de transformacin involucra una secuencia de pasos individuales conocidos como operaciones, entendiendo por tal cualquier accin realizada por un trabajador y/o equipo. Los procesos de fabricacin pueden dividirse, segn el tipo de operacin realizada en: Inspeccin: Comprobacin de los requerimientos exigidos. Procesado: Se refiere a operaciones de conformado, montaje, desmotaje, y ensamblaje. Transporte : Corresponde a operaciones de manutencin de todos los materiales necesarios en el proceso productivo Almacenamiento: Parada de materiales y piezas en espera de operaciones posteriores o bien expedicin. Tabla 1-1: Smbolos de operaciones Operacin Inspeccin Procesado Transporte Almacenamiento Smbolo

Todo proceso de transformacin se debe realizar de la forma mas rentable posible lo que significa elaborarse con los mnimos recursos manteniendo los lmites de calidad dentro de los requisitos especificados. La competitividad industrial consiste en el aumento de la capacidad productiva para la fabricacin de un producto o de una gama de productos.1.1


Introduccin

1.2 Clasificacin de industrias. Segn la clase de producto elaborado se pueden distinguir: Industrias de fabricacin de productos en forma discreta: automviles, ordenadores, industria auxiliar del automvil, mquinas herramientas, etc. Industrias de Proceso: Industrias del plstico, qumicas, productos del petrleo, procesamiento de alimentos, acero, cemento... Segn el uso de los productos obtenidos: Fabricantes de materias primas. Transformadores de materias primas. Fabricantes de productos finales. Segn el punto de vista de volumen de produccin: Produccin artesanal. Produccin en serie. Produccin por lotes. Segn el tipo de implantacin, es decir segn su distribucin en planta: Implantacin por proyecto. Implantacin por procesos. Secciones homogneas. Implantacin por flujo de producto. Implantacin mixta orientada a la fabricacin celular

Fig. 1-1: Clula de fabricacin. La organizacin de las diferentes actividades de las industrias es un aspecto complejo y muy variado. Las funciones fundamentales necesarias para el desarrollo de las actividades en cualquier industria de fabricacin son las siguientes: Funcin comercial y de comunicacin. Funcin de compras Funcin Logstica Funcin de Diseo e ingeniera del producto Funcin de Mtodos de fabricacin Funcin de Organizacin Industrial y Planificacin y control de Produccin. Funcin Produccin Funcin Control de Calidad Funcin Administracin Funcin Financiera1.2


Introduccin

Director

Administracin

Finanzas

Logstica

Produccin

Calidad

Ingeniera

Comercial y Marketing

Fig. 1-2: Organigrama Empresa Industrial El proceso fundamental en la actividad industrial empezara desde la recepcin del pedido, mediante el cual se genera el proyecto de diseo y despus de la aceptacin del cliente se procedera a la realizacin del proyecto de fabricacin. Este proyecto ha de ser validado por la direccin en funcin de su viabilidad econmica, a partir de lo cual se procedera a la fabricacin, tal como se indica en la ilustracin.Comercial Proyecto de diseo Proyecto de Fabricacin Fabricacin

Pedido

Realizacin de bocetosAnteproyecto

Seleccin de materiales

Seleccin de medios y utillaje

Implantacin de medios

Proyecto de diseoNO

Seleccin de Proceso

Simulacin y optimizacin de condiciones de proceso

Preseries

Proyecto de fabricacin

Optimizacin

Realizacin de prototipo

Viabilidad econmica

Lanzamiento

Modificacion

Aceptacion cliente

Fig. 1-3: Proceso de pedido industrial

1.3 Tecnologas de Fabricacin. Las tecnologas de fabricacin estudian los procesos de conformado que sufre el material desde que ha sido elaborado en bruto hasta que sale transformado en un producto acabado.

1.3


Introduccin

Se pueden establecer la siguiente clasificacin de los distintos procesos: Tipo de flujo o proceso Procesos de conservacin de masa. (dM=0) Estado del material Slido Granular Lquido Categora del proceso bsico Mecnico Mecnico Mecnico Mecnico Procesos de reduccin de masa. (dM D0 e

2.7


Fundamentos metrologa dimensional

Mtodos de amplificacin electrnica: Son muy utilizados debido a su precisin, linealidad, independencia de los agentes medioambientales, elevada rapidez de respuesta, movilidad de los instrumentos y poder cambiar los valores de la amplificacin. Existen dos posibilidades: a) Procedimientos analgicos, clasificados segn el tipo de captador: -Captador potenciomtrico: el palpador va conectado a un reostato, con lo que la tensin de salida del mismo depende de la posicin del palpador, que introduce ms o menos resistencia en el circuito. -Captador capacitivo: el palpador va unido a una de las lminas de un condensador cuyo dielctrico es el aire y su posicin modifica la capacidad del mismo. -Captador inductivo: el palpador mvil es solidario de un ncleo de material dulce (generalmente ferrita), que se desliza dentro de una bobina, modificando la induccin en funcin de su posicin. -Captador ptico-electrnico: se basan en la transformacin del desplazamiento en una magnitud ptica. b) Procedimientos digitales: -Exploracin por contacto: sucesin de elementos alternativamente conductores y no conductores grabados sobre una plancha de cobre, que se deposita sobre la regla soporte. -Exploracin magntica o inductiva: las tensiones inducidas en la bobina de medida dependen de la posicin relativa de cabeza y regla. -Exploracin fotoelctrica: de seales pticas que son captadas por un elemento fotoelctrico, diodo o transistor, ya que se producen variaciones luminosas de la transparencia o reflexin del rayo. Mtodos de amplificacin ptica: Para amplificacin existen dos mtodos pticos esenciales: a) Reflexin: si un rayo incide sobre un espejo, sale reflejado de forma que el rayo que incide y el reflejado forman el mismo ngulo con la normal, estando adems los tres en el mismo plano. Es de aplicacin en lectores luminosos en los que el rayo de luz realiza la funcin de ndice sobre una escala. b) Proyeccin: se basa en la propiedad de las lentes de enfocar o concentrar los rayos luminosos paralelos que las atraviesan en un solo punto, pudiendo as amplificar imgenes proyectadas sobre una pantalla.

2.8


Medida de long., ngulos formas y elem. de mq

Leccin 3.- MEDIDA DE LONGITUDES, NGULOS, FORMAS Y ELEMENTOS DE MQUINAS. 3.1 Introduccin. Gracias a la metrologa existe la garanta de que piezas fabricadas en distintas empresas, a veces muy alejadas entre s, puedan ensamblarse sin dificultad para formar el producto final, sin necesidad de ajustes que elevaran el coste del producto. La industria trata de fabricar productos que concuerden con el proyecto inicial. Cada objeto, pieza o conjunto est definido por una serie de parmetros (dimensiones, materiales utilizados, caractersticas mecnicas, elctricas, etc...). Para cada parmetro se dan los valores nominales y las tolerancias admisibles que aseguren su calidad y su intercambiabilidad en conjuntos ms complejos sin perturbar la funcionalidad de los mismos. La aceptacin o rechazo de cada pieza se basa en afectadas por una incertidumbre que hay que estimar. las medidas realizadas, que vienen

3.2 La cadena de trazabilidad. Los patrones. Los patrones permiten materializar y reproducir las unidades de medida o los mltiplos y submltiplos de ellas. Se denominan patrones primarios a los que materializan cualquiera de las unidades bsicas del Sistema Internacional; y secundarios cuando reproducen unidades derivadas, o unidades bsicas pero no conforme a su definicin. La evolucin de la tcnica, y la exigencia de precisin cada vez mayor, han supuesto una evolucin en cuanto a la invariabilidad, la posibilidad de diseminacin, que recoge el siguiente esquema: PATRN ANTES Objeto AHORA Instrumento INVARIABILIDAD Absoluta Alta DISEMINACIN Baja Alta PRECISIN Baja Alta

Ventajas de la evolucin de los patrones: - El metro pasa a ser un instrumento con lo que la posibilidad de reproduccin y diseminacin es ilimitada. - Se abandona la invariabilidad absoluta - De esta forma, la capacidad de apreciacin es superior y, en resumen, el metro viene a ser ms preciso. - Cualquier pas puede tener el propio metro patrn y realizarlo tantas veces como desee. A partir de un patrn universal, ste se va diseminando, hasta poder calibrar nuestros instrumentos de medida. Distinguiremos dos partes de este esquema de diseminacin, la producida en organismos externos a nuestra organizacin y la que se produce internamente hasta llegar a nuestros instrumentos, equipos y material de medida de uso corriente.

3.1



Trazabilidad (rastreabilidad).- Propiedad del resultado de una medicin o del valor de un patrn de estar relacionado a referencias establecidas, generalmente patrones nacionales o internacionales, por medio de una cadena continua de comparaciones, todas ellas con incertidumbres establecidas3.2



3.3 Clasificacin de los instrumentos de medida. Los instrumentos de medida se pueden clasificar, segn mtodo de medicin y situacin en la cadena de trazabilidad: - Patrones - Instrumentos de medida directa - Instrumentos de medida Indirecta Los instrumentos metrolgicos en el rea dimensional, tambin pueden ser clasificados segn que magnitudes se midan: - Longitudes - ngulos - Formas (Rectitud, planitud, perpendicularidad, redondez... ) - Roscas y engranajes. - Acabado superficial. 3.4 Patrones

3.4.1 Interferometra. La tcnica de la interferometra se usa tanto para la medicin de longitud como para el ensayo de planicidad de bloques patrn. Se trata de una tcnica que proporciona un elevado grado de precisin, utilizando la luz como medio de medicin. Como fuentes luminosas se emplean las lmparas de mercurio y de sodio proyectadas para radiar luz de longitudes de onda estrechamente definidas. La luz es una forma de energa, luego puede considerarse que se desplaza en forma de ondas sinusoidales electromagnticas. Por tanto, la definen: - Longitud de onda (): Determina el color. - Amplitud (a): Determina la intensidad de la luz. La luz blanca es una combinacin de todos los colores, por tanto, una combinacin de todas las longitudes de onda del espectro visible (no adecuada para medicin en interferometra). Para solventar esta dificultad se usa una fuente de luz sustancialmente monocromtica, ya que un haz de esta luz se considera como un nmero infinito de rayos de igual longitud de onda. El primer grfico representa un tren de ondas donde la intensidad de luz, que crece como el cuadrado de la intensidad de onda, depende de la potencia de la lmpara. El segundo grfico muestra la composicin de dos ondas en fase, correspondiente al mximo brillo. El tercero representa la situacin de oscuridad total o iluminacin nula, efecto conocido como interferencia.3.3



3.4.2

Ensayo de planicidad: Partiendo del fenmeno de interferencia, y mediante el empleo de una superficie de referencia y un plano ptico de forma que entre ellos exista una fina pelcula de cua de aire, ocurre que si se ilumina correctamente, se obtienen distintas bandas interferomtricas o franjas oscuras cada cierta longitud equivalente a un incremento de media longitud de onda-.

Observando la anterior figura se ve que: [d(QP)+d(PR)]-[d(BA)+d(AC)]= n, ya que la diferencia de caminos entre dos franjas de luz o de oscuridad debe desfasar las ondas n. Podemos aproximar a: 2d(PP')-2d(AA') = n Por lo que: Separacin = n bandas /2 stas se aprecian cuando las ondas que llegan al ojo estn desfasadas en 180, mientras que las bandas brillantes corresponden a que estn en fase. A medida que aumenta el ngulo de la cua de aire (formado por el plano ptico y la superficie de referencia) las franjas oscuras se acercan. d(PP') - d(AA') = n/2

La variacin en altura entre plano ptico y la superficie puede calcularse contando el nmero de franjas y multiplicando por la mitad de la longitud de onda de la luz usada.

En los interfermetros tipo MICHELSON, adems de la longitud puede medirse la planitud de cada una de las caras del bloque y el paralelismo entre ambas. En efecto, si estas superficies no son planas, las franjas no resultan rectas y paralelas, sino curvadas o inclinadas en cierta forma. En el ejemplo de la figura, las franjas del bloque aparecen inclinadas respecto a las de la base. Se trata de una superficie inclinada respecto a la de referencia.3.4



Otros ejemplos de modelos de franjas:

3.5 Bloques patrn de longitudes, ngulos, formas, etc... Los progresos de la tcnica moderna presentan problemas de precisin y de intercambiabilidad. Adems, el empleo de instrumentos de medida y verificacin ha creado la necesidad de piezas de ms alta precisin para su comprobacin. Actualmente, estas piezas estn representadas por las calas, bloques patrn o galgas Johansson. Son prismas de acero templados y rectificados, de dimensiones muy precisas. Las cualidades esenciales de las calas deben ser las siguientes: - Precisin en su longitud nominal. - Planitud de las superficies de medida. - Paralelismo entre las mismas. - Elevada calidad superficial. - Dureza superficial. - Buena resistencia al desgaste. - Coeficiente de dilatacin normalizado y constante. - Inalterables al paso del tiempo. Para su empleo, se dan una serie de recomendaciones: - Evitar dejarlas en atmsferas sucias o hmedas. - Limpiar la zona de la pieza o calibre en que se van a apoyar los bloques. - Proteger con una fina capa de vaselina neutra antes de guardarlos - No forzar una combinacin de bloques a entrar en el alojamiento a verificar. Las cajas de bloques llevan juegos que permiten obtener casi cualquier dimensin de milsima en milsima, con el menor nmero posible de bloques.

3.5



Para formar estas medidas, se empieza siempre por el bloque que d la tercera cifra decimal; despus, se aade la que d la segunda cifra decimal; luego, la mayor posible y, finalmente, la diferencia hasta la medida total. Al formar combinaciones de calas patrn, hay que tener en cuenta: - Elegir el menor nmero de bloques posible. - Que los bloques pequeos queden en el centro. - A ser posible, emplear bloques protectores en los extremos (no se desgastan, al ser de gran dureza). - Que la adherencia sea perfecta. A continuacin se muestra un ejemplo de una posible coleccin de calas patrn longitudinales Coleccin de calas Intervalo o escalonamiento 0,0005 0,001 0,01 0,5 25 Medidas en mm 1,0005 1,001; 1,002; ...1,009 1,01; 1,02; ...1,49 0,5; 1; ...24,50 25; 50; 75; 100 Nmero de piezas: Calidades 00-0-1 1 9 49 49 9 2-3 9 49 49 4

* Bloques patrn de ngulos: Los instrumentos destinados para el control de ngulos son de dos tipos: a) Los destinados a verificacin: escuadras, plantillas, reglas prismticas, etc. Escuadras: son instrumentos que tienen un ngulo fijo entre dos superficies planas. Plantillas de ngulos: representan una serie de ngulos fijos. Las ms usadas son las de 90, 120, 135, 60 y 45. Reglas : materializan los 180. b) Los destinados a la medida directa de ngulos: gonimetros, regla de senos, etc. Gonimetros: Consta de dos reglas circulares montadas concntricamente, una con la escala y la otra con el ndice y nonio que permiten la lectura del ngulo. Regla de senos: Est formada por una barra metlica prismtica, apoyada por sus extremos en forma estable sobre dos cilindros de ejes paralelos, igual dimetro y altura igual a la de una escuadra soporte en trabajos de trazado. La distancia L entre los centros de los cilindros es una constante conocida en cada regla.3.6



* Control de superficies planas Entre los instrumentos que posee un operario, la lnea recta est materializada por la regla, y el plano por un mrmol de verificacin. Con reglas de precisin, una superficie ha de verificarse en varias direcciones, levantando la regla cada vez. Con mrmoles de verificacin, la cara de la pieza a controlar ser plana si coincide en todos sus puntos con los del mrmol. Para acusar mejor los posibles defectos, se entinta previamente el mrmol con minio o azul de Prusia. La verificacin de los mrmoles de precisin se realiza de una forma muy sencilla: la comprobacin simultnea de tres mrmoles, sirviendo en cada una uno de los mrmoles como superficie de referencia de los otros dos. Si en ningn caso se observan defectos de coincidencia, los tres mrmoles sern planos. 3.6 Instrumentos de medida directa Metros y reglas. Para trabajos corrientes que no exijan mucha precisin, se utilizan los metros, reglas flexibles y cintas mtricas. Con estos aparatos la precisin obtenida no podr ser nunca mayor que la menor divisin de ellas.

Pie de rey. Es muy empleado en el taller para pequeas y medianas precisiones.

Este instrumento consta de una regla de acero graduada y doblada a escuadra por un extremo. Lleva bordes biselados, en uno de los cuales tiene una graduacin especial llamada nonio que, al desplazarse, lo hace junto a la escala graduada de la regla.3.7



Funcionamiento del nonio: Para comprender el funcionamiento del nonio, examinemos las dos reglas mencionadas: la mayor, fija, dividida en milmetros y la menor, mvil que se desplaza junto a la mayor y que lleva grabado en su bisel el nonio. Tomemos 10mm de longitud de la regla grande, y dividmosla en diez partes. Cada divisin valdr 1mm=10/10mm. Tomemos ahora 9mm de longitud en la regla pequea y dividmosla tambin en diez partes. Cada divisin valdr 9/10 de mm. Si hacemos coincidir los ceros de ambas reglas, la separacin existente entre 1 y 1 ser: 10/10-9/10=1/10 de mm; la separacin entre 2 y 2 ser: 2/10 y as sucesivamente. Ahora hagamos coincidir la 1 y 1 y la distancia entre 0 y 0 ser exactamente 1/10; si coinciden 2 y 2, la separacin entre 0 y 0 ser 2/10; si coinciden 8 y 8, ser 8/10, etc. Las graduaciones de ambas reglas estn hechas de tal manera que, cuando estn en contacto las caras interiores de las dos bocas calibre cerrado-, los ceros coinciden. Apreciacin de los nonios: hemos visto como al pasar de una divisin a la siguiente del nonio, la diferencia es siempre de 1/10 la cual es pues la apreciacin del nonio y vale: a =Divisin de la regla divisin del nonio = 19 10 = 10 10 9 10 = 1 10 mm

Podremos lograr mayor precisin haciendo que la diferencia entre las divisiones de la regla y las del nonio sean menores. En la prctica se logra esto empleando nonios de 20 y de 50 divisiones.

3.8



Micrmetro. Es un instrumento de precisin, empleado en el taller mecnico, para conseguir medidas ms exactas que las obtenidas mediante reglas o pie de rey.

El micrmetro para medidas exteriores se llama plmer; los empleados para interiores, se llaman simplemente micrmetros. El principio en el que se basa el micrmetro es el de tornillo-tuerca: Si en una tuerca fija se hace girar un tornillo una vuelta completa, avanzar axialmente una distancia igual a un paso (tornillo de una entrada). El tambor tiene generalmente cincuenta divisiones y la grabacin recta es doble, por debajo de la lnea divisoria de referencia; est grabada en milmetros; por encima est grabada tambin en milmetros pero corridos, respecto a la otra escala 0,5 mm. Como el tambor se puede girar, no slo a vuelta entera, sino en cualquier fraccin de vuelta, suceder que se podrn apreciar dimensiones menores de 0,5 mm. La lectura se hace as:

3.9



1- Se leen los milmetros enteros de abajo, indicados por la ltima de las lneas. 2- Si aparece alguna recta de medio milmetro, entre la inclinada y el tambor, se aaden 0,5mm a la lectura anterior. 3- Se leen a continuacin las divisiones del tambor que se aaden a la lectura anterior como parte decimal. 4- Si no coincidiese una lnea del tambor, por estimacin, se podra apreciar an una tercera cifra decimal.

Apreci Apreciacin del micrmetro: A cada vuelta, el tornillo suele avanzar 0,5mm, que es la menor divisin de la regla principal; como el tambor tiene 50 divisiones, cada una supondr:menor divisin de la regla 0,5 5 1 = = = mm nmero de divisiones del tambor 50 500 100

a=

3.10



Hay micrmetros que pueden llegar a medir hasta milsimas de milmetro. A modo de ejemplo se ilustra uno que mide medias micras, su apreciacin se obtiene aplicando dos veces la anterior formula considerando la segunda vez que la escala del tambor es la regla y el nuevo nonio es el que est en vertical dividido en 5 partesa1 = menordivisinde la regla 0,5 = = 0,01mm nmerode divisionesdel tambor 50 a2 = 0,01 1 = = 0,002 mm 5 500

* Ejemplo:

Tipos de micrmetros: -Para exteriores, plmer

-Para roscas.

-Para interiores

-De platillos para medir engranajes.

-Para profundida des.

-Especiales.

Calibres de verificacin: permiten controlar si una cota determinada se encuentra dentro de unos lmites o tolerancia admisibles. Se dividen en dos grandes grupos, segn se utilicen para verificar agujeros o ejes. Existe un calibre para cada medida nominal, adems lleva grabado la tolerancia y el nombre del fabricante. La ilustracin muestra dos calibres pasa-no pasa, para verificacin de ejes.3.11



3.7

Instrumentos de medida indirecta Instrumentos comparadores. Son aparatos de lectura amplificada, que trabajan por comparacin; sealan la diferencia de cota que existe entre la pieza a verificar y el patrn de referencia. Se clasifican en mecnicos, pticos, neumticos y electrnicos, segn el sistema de amplificacin que empleen. Entre los mecnicos destaca el reloj comparador centesimal, y para grandes precisiones son de gran inters los minmetros o comparadores de amplificacin micromtrica (de tipo mecnico). Comparadores de amplificacin micromtrica: como ejemplo de este grupo es el Mikrokator-Cej. Se basa en la elasticidad de una banda de aleacin especial de latn, retorcida sobre s misma y que soporta el ndice. Puede apreciar hasta 10-5mm. Las ventajas principales de este aparato son su sensibilidad y estabilidad. El reloj comparador centesimal es un comparador de amplificacin mecnica, empleado para verificacin del paralelismo de dos caras, para comprobar la redondez y concentricidad de ejes y agujeros, para la colocacin de las piezas en las mquinas-herramientas... los comparadores para verificacin son los aparatos ms universales de comprobacin.

-

-

Comparadores de amplificacin ptica. Se basan en la oscilacin de un espejo que enva una imagen reflejada sobre una escala graduada, o en la proyeccin de la sombra de una pieza en una pantalla.

3.12



-

Comparadores de amplificacin neumtica. Las variaciones de dimensin de las piezas provocan variaciones de presin, que originan el principio de uncionamiento de este sistema.

Comparador neumtico Solex, cuyo mtodo consiste en transformar directa o indirectamente las variaciones de dimensiones de una pieza en gastos de aire, de fcil medida.

Comparador neumtico CEJET, fabricado por C.E.Johansson; se basa en un sistema de equilibrio de presin: la aguja del manmetro estar a cero si los fuelles A y B reciben la misma presin de aire. Si la pieza a verificar vara respecto al patrn de medida conocida, la aguja del manmetro registrar sobre la escala la variacin.

-

Comparadores de amplificacin electrnica. En este tipo de comparadores, los desplazamientos son transformados directamente en tensiones de medicin, amplificadas y rectificadas convenientemente.

3.13



3.8

Ejercicios propuestos.

3.8.1 Calcular las cotas A y B ( de los rodillos = 10 mm.)

3.8.2 Con la regla de senos del dibujo, qu calas se tendran que poner para conseguir el ngulo de 15?. Se dispone de las siguientes calas: 1,005 1,01 1,02 - ...-1,09 1,1 1,2 - ...- 1,9 1 2 - ...- 9 10 20 - ...-100.

3.8.3 Calcular el ngulo X.

3.14



3.8.4 Empleando unos rodillos de =10 mm, calcular el dimetro menor y mayor del cono, su conicidad y la distancia a la que se haya de la base el dimetro absoluto de 22 mm.

3.8.5 Calcular X e Y, siendo el dimetro del rodillo de 24 mm.

3.15


Mq. medidoras de coordenadas. Calidad superficial

Leccin 4.4.1

MEDICIN POR COORDENADAS. CALIDAD SUPERFICIAL

Mquinas de Medicin por Coordenadas. (MMC). Una mquina tridimensional se puede definir como una estructura mecnica con posibilidad de movimiento en el espacio, segn un sistema de coordenadas cartesianas. Estos movimientos son ledos por un sistema de medida ptico-incremental (reglas de vidrio o de metal), con lo cual tienen capacidad para expresar las coordenadas de cualquier punto dentro de su campo de medida. La mquina de medir es un instrumento tridimensional capaz de acceder libremente a cualquier punto dentro de un volumen de trabajo, por tanto, capaz de medir elementos geomtricos orientados de forma diferente Adems, en virtud de su flexibilidad operativa la mquina de medir ofrece la posibilidad de efectuar, simultnea pero discriminadamente detecciones de posicin, forma y dimensin de un cuerpo y de las figuras que lo componen.

Las precisiones en la construccin de stas mquinas de medir, varan segn el diseo y las exigencias metrolgicas requeridas por un lado, y las condiciones ambientales de instalacin de las mismas por otro. Otros factores ambientales como la humedad, suciedad y vibraciones son determinantes junto con la temperatura para lograr la precisin que nos pudieran asegurar las caractersticas constructivas de las mquinas de medir por coordenadas. 4.2 Principios de las M.M.C. Toda la estructura operativa de una Mquina Medidora por Coordenadas (M.M.C.) se apoya en la captacin de las coordenadas de puntos, que es lo que exclusivamente puede hacer el sistema de palpado. Partiendo del palpado y medicin de puntos y mediante el anlisis y procesado por software se obtendrn: - Rectas: (por 2 puntos,), - Planos (por 3 puntos), - Curvas planas (cnicas y especialmente circunferencias: por 3, o N puntos) - Superficies curvas (esfera por 4; cilindro y cono por 6), Y adems todas las combinaciones posibles que producen estos elementos entre s al considerar sus intersecciones y sus uniones; - Relaciones geomtricas de paralelismo, perpendicularidad, etc., - Errores de forma geomtrica de rectitud, redondez, planitud, cilindricidad, etc.

4.1



Las operaciones clsicamente realizadas por las mquinas de medir por coordenadas son: Deteccin de formas y dimensiones de figuras desconocidas. Medicin de dimensiones de figuras conocidas. Control de las correspondencias entre figuras tericamente conocidas y las correspondientes figuras reales. Trazado para la definicin de la posicin de la figura acabada y de los elementos a mecanizar, el interior de manufacturado en bruto o semiacabado. Mecanizado de una figura, en una pieza en bruto de material blando. 4.3 Clasificacin de las mquinas. Se pueden considerar las siguientes clasificaciones de tipos de MMC atendiendo a los siguientes criterios: - Variantes constructivas. - Accionamiento. Manual y Motorizada. La clasificacin segn las variantes constructivas se refieren a la disposicin y movilidad de los ejes de la MMC. De esta forma hay MMC. de tipo columna, pluma, prtico y puente. Las MMC citadas tienen aplicaciones y caractersticas particulares. En general, puede decirse que una estructura rgida comporta menores deformaciones y frecuencias propias de vibracin ms altas, lo que se traduce en una menor incertidumbre y mayor rapidez de medida, por precisar periodos de estabilizacin menores. 4.3.1 MMC tipo columna. Estos equipos se caracterizan por un campo de medida pequeo. La forma de la columna determina la longitud del eje ms corto, ya que el voladizo no debe ser grande por razones de rigidez. Esta variante se caracteriza por un buen acceso de las piezas y una buena precisin. Por esa razn se utiliza esta variante en laboratorios de medida. Sus aplicaciones cubren medida de calibres y patrones hasta el control de carcasas, rboles de levas, engranajes, etc. 4.3.2 MMC tipo pluma. Esta variante ofrece buena accesibilidad, pudiendo depositarse las piezas desde tres direcciones. El apoyo de la pluma en un solo punto da lugar a una desviacin y desorientacin variable del extremo de la columna, de la pluma y del palpador en funcin de la posicin y la carga sobre el palpador. Estas deformaciones empeoran la precisin de la MMC si no se compensan mecnicamente o se corrigen mediante programas de clculo. Para minimizar las deformaciones y posteriores correcciones, el recorrido de la pluma suele ser corto. Se emplean para verificar piezas de grandes dimensiones.

4.2



4.3.3

MMC tipo prtico. Por su rigidez presentan un buen diseo en cuanto a conseguir alta precisin. Sin embargo, el prtico dificulta el acceso de la pieza. El prtico se mueve segn un eje respecto al mrmol y la pieza. La situacin ptima para la generacin de las fuerzas de accionamiento del prtico es el centro de gravedad del mismo, si sto no es as se producirn pares de vuelco al acelerarlo o frenarlo, aumentando la incertidumbre de medida. Esto complica el diseo y dificulta la accesibilidad, por lo que es frecuente renunciar a ello y situar las fuerzas de accionamiento sobre las guas.

4.3.4 MMC tipo puente. Sus caractersticas son semejantes a las de tipo prtico. Se emplean para medir grandes piezas de vehculos, instalaciones o grandes mquinas. Se caracterizan por su buena precisin hasta grandes tamaos. Las columnas limitan su accesibilidad.

4.4

Principales componentes de las M.M.C. Los componentes bsicos de los que se compone una MMC son: 4.4.1 Bancada, mrmol y sujecin de piezas. La bancada es la estructura que soporta toda la MMC. Se fabrica en fundicin o construccin soldada y dispone de elementos amortiguadores, debiendo ser suficientemente rgida para limitar las deformaciones bajo carga. Si lo permite el tamao de la MMC, da mayor estabilidad un apoyo de tres puntos. La mesa o mrmol soporta a la pieza durante la medida. Normalmente es de granito, o acero y dispone de ranuras y agujeros roscados para sujetar los utillajes fijadores de las piezas. El granito es el material ms usado para las mesas, aunque hay fabricantes que utilizan acero, especialmente para las mviles, obteniendo asi menores inercias en la mquina. Las MMC con mesa mvil son adecuadas para la medida de piezas de peso bajo o medio. Las piezas pesadas o grandes exigen portapiezas fijos. 4.4.2 Guas y sustentacin. Las guas sirven para que los subconjuntos mviles se desplacen sobre ellas segn los ejes de la MMC. En el caso ideal las guas se disponen ortogonalmente entre s, segn las direcciones del sistema de referencia. Su rectitud y planicidad, as como sus posiciones relativas, condicionan la precisin de la mquina.

4.3



El tipo de sustentacin ms frecuente es la sustentacin neumtica en combinacin con guas de granito. La sustentacin neumtica permite mover grandes masas con baja aceleracin y sin gran esfuerzo, aunque no resulta adecuada para trabajar con cargcs dinmicas. Si se emplean guas de acero son preferibles los rodamientos, que dejan alcanzar precisiones elevadas incluso con fuertes sobrecargas. Algunas mquinas especiales emplean cojinetes deslizantes. 4.4.3 Accionamiento. El accionamiento de los subconjuntos mviles se logra bien de forma manual o de modo automatizado. En el funcionamiento manual se acta sobre el portapalpador mediante volantes. Lo habitual es, sin embargo, utilizar motores elctricos de corriente continua. El accionamiento debe posibilitar dos movimientos, uno rpido, para desplazar los subconjuntos mviles de una posicin a otra, y otro lento, inferior a 1 metro/segundo que haga posible un palpado lento de precisin. La transmisin desde el motor debe llevar intercalado un limitador de par, para evitar daos en caso de colisin. Tambin se emplean reductores y elementos intermedios para amortiguar vibraciones. 4.4.4 Medidores de longitud. Sirven para indicar la posicin exacta del palpador respecto al sistema de referencia de la MMC. Se disponen uno o varios medidores sobre cada eje, formados por una regla o patrn y un captador o indicador, siendo una de estas partes solidaria con el subconjunto mvil correspondiente y la otra con el fijo. Los medidores de longitud son de vital importancia para garantizar la precisin de la mquina, por lo que su precisin debe ser siempre superior a la especeficada para la MMC. Se usan los siguientes tipos de medidores de longitud en las MMC: - Cremallera y pin. - Husillo roscado con captador rotativo. - Medidores mediante reglas pticas, o electronicas. (de 5m hasta 0,1m)

El ms utilizado de todos ellos es el basado en el uso de reglas pticas de vidrio o acero con trazas, que son detectadas pticamente mediante luz transmitida o reflejada. 4.4.5 Palpadores. La finalidad del palpador es proporcionar informacin sobre el punto de contacto de la MMC con la pieza en relacin a su sistema de referencia. Las MMC manuales emplean por lo general palpadores rgidos, que son presionados de modo variable sobre la pieza por el operador, generando en consecuencia deformaciones de difcil estimacin. En MMC de mayor precisin se aplican palpadores electromecnicos u pticos.

4.4



Sus principios de captacin hacen posible el palpado de puntos de modo totalmente automtico, pero siempre que exista contacto se originan deformaciones que afectan a la medicin. Se emplean dos tipos: Palpadores del tipo medidor.- detectan la desviacin de la punta palpadora mediante captadores de desplazamiento. Palpadores del tipo conmutador.- actan de modo discreto, abriendo o cerrando un circuito cada vez que se produce el contacto. La pieza portapuntas puede disponer de varios alojamientos en los que colocar distintas puntas palpadoras, posibilitando as la realizacin de muy diversas medidas sin necesidad de cambiar de palpador. En general el vstago de la punta palpadora suele ser de metal duro. Cuando el extremo palpador es esfrico suele construirse en rubi sinttico, por su elevada rigidez, extraordinaria dureza y gran resistencia al desgaste y corrosin. 4.5 Proceso a seguir para el desarrollo de una medida. Para realizar la medicin de una pieza son necesarios, como con los mtodos tradicionales algunas medidas preparatorias: Estudio de la pieza y preparacin de utillaje Identificar las piezas a medir. Examinar plano: cotas, tolerancias, observaciones. Definir sistema/s de referencia: origenes y ejes. Definir trayectorias: aproximaciones, palpados, etc. Elegir palpador: direcciones, longltudes dimetros. Componer sistema palpador. Definir la colocacin y/o sujeccin de la pieza. Determinar puntos de palpado y de sujeccin. Preparar M.M.C. y sistema informtico: Definir Parmetros iniciales. Preparar modo o/y programas. Cargar ficheros de palpadores, referencias, etc. Instalar utillaje y palpador o combinacin de palpadores. Calibrar el palpador. Definir sistema de referencia. Capturar sistema de referencia de utillaje. Elaboracin de un programa de medicin de una pieza o serie de piezas: Situar la mquina en condicin de inicio Crear programa CNC para medir cada pieza. Simular o realizar medicin de comprobacin. Evaluar resultados de medicin y validar programa. Identificar y archivar ficheros de datos y programa. Documentar programa, condiciones de medicin y evaluacin.

4.5



En ste tipo de mquinas, no es necesario hacer una alineacin fsica de la pieza, con respecto a la mquina, pero si hay que hacer una alineacin geomtrica, para saber como est situada la pieza sobre el sistema de coordenadas de la mquina. Se procede como sigue: Definicin de un plano de la pieza, ser el plano que nos interese tomar como referencia y a partir del cul se realizarn las medidas. Definicin de una lnea, que ser la alineacin de un eje de coordenadas. Definicin de un punto, este puntc ser el origen de coordenadas. A partir de este sistema de coordenadas cartesianas, se pueden realizar cualquier tipo de medida, para lo cual se palparn las superficies necesarias como pueden ser: planos, lneas, crculos, cilindros, conos, etc., y a partir de los cuales se pueden calcular los criterios geomtricos necesarios como puede ser dimensiones, cotas, distancias, ngulos, posiciones, paralelismo, perpendicularidades, concentricidades,etc. 4.6 Calidad Superficial Las operaciones de mecanizado para la fabricacin de una pieza generan toda una variedad de configuraciones superficiales que es necesario analizar con detalle, ya que, en numerosas ocasiones, no alcanza los objetivos deseados. Muchos defectos causados y producidos por los procesos de fabricacin pueden ser responsables de una inadecuada integridad superficial, trmino que no slo se refiere a los aspectos topolgicos de la superficie sino tambin a las propiedades fsicas, qumicas, mecnicas y metalrgicas. "Las especificaciones de la rugosidad superficial no incluyen las especificaciones relativas a los defectos superficiales, porque el control de la rugosidad superficial no tiene en cuenta los defectos superficiales."[UNE 82-301-86] 4.6.1 Textura superficial Antes de comenzar el estudio de la rugosidad vamos a analizar aquellos aspectos relacionados con el concepto de superficie, y para ello empezaremos por dar las siguientes definiciones [UNE82-315-86]: Superficie real : es aquella que separa el material de la pieza del medio que lo rodea.

Superficie geomtrica : es la superficie ideal, terica o nominal definida por el plano de la pieza.y/o el documento tcnico Superficie de referencia : Superficie a partir de la cual se determinan los parmetros de rugosidad superficial. Perfil : Lnea de interseccin de una superficie con un plano Perfil real: Interseccin de la superficie real con un plano normal. Perfil geomtrico: Perfil resultante de la interseccin de la superficie geomtrica con un plano4.6



Perfil transversal Perfil resultante de la interseccin de una superficie con un plano normal perpendicular a las irregularidades Perfil longitudinal: Perfil resultante de la interseccin de una superficie con un plano normal paralelo a las irregularidades Longitud bsica: Longitud de la lnea de referencia utilizada para separar las irregularidades que forman la rugosidad superficial Longitud de evaluacin: (ln) Longitud utilizada para determinar los valores de los parmetros de rugosidad superficial. Puede comprender una o ms longitudes bsicas Linea de referencia: Lnea con relacin a la cual se evalan los parmetros dentro de una longitud bsica.

Comnmente se emplean dos tipos de lneas de referencia: 1. Lnea media.- es aquella que est situada de forma que la suma de los cuadrados de las desviaciones (diferencias) de cada punto del perfil es mnima. La norma DIN denomina a esta lnea gradiente de perfil.

2.

Lnea media aritmtica del perfil (igualmente llamada lnea central): es la que tiene la forma del perfil geomtrico, paralela a la direccin general del perfil en el interior de la longitud bsica y que divide al perfil de tal forma que la suma de las reas comprendidas entre ella y el perfil es igual en ambas partes.4.7



La norma DIN la denomina lnea media (mean line), y la ANSI/ASME linea central (center line).

Hablar de textura superficial es equivalente a hablar de a la diferencia o desviacin entre la superficie geomtrica y la superficie efectiva (que es la ms cercana a la real dentro de nuestras posibilidades). Esta desviacin, se clasifica en los siguientes grupos :[Din 4760] Desviaciones de perfil, se obtienen mediante la observacin de toda la superficie Desviaciones de ondulacin (W), se obtienen observando una porcin de la superficie, para posteriormente por extrapolacin de las mediciones concluir resultados para la superficie total. El estudio de este tipo de desviaciones est dentro del campo de la macrogeometra, ya que la medicin no persigue alcanzar un grado de observacin muy elevado, pero si el suficiente par dar una " idea " del estado superficial. Desviaciones de rugosidad (R), este tipo de desviaciones, que quedan dentro del campo de la microgeometra, las podemos dividir en que presenta una distribucin regular, y estn producidas por los surcos o marcas que dejan las herramientas de corte durante el arranque del material. Tambin pueden influir las irregularidades de naturaliza aleatoria producidas por multitud de factores que intervienen en el proceso de creacin de la superficie (falta de homogeneidad de la pieza, vibraciones, procesos no estacionarios, filo recrecido, etc.) El criterio prctico para separar los defectos de forma y de rugosidad es la longitud de corte "c" de la forma siguiente: -Se considera defectos de forma aquellos que se producen en el perfil en longitudes mayores que c -Se consideran defectos de rugosidad aquellos que se producen en el perfil en longitudes menores que c

4.8



4.6.2

Mtodos de medicin. Rugosmetros de palpador

Los mtodos para determinar las caractersticas del acabado superficial varan desde simples comparaciones visuales o tctiles (como las efectuadas con plantilas de rugosidad como las de la figura) hasta otras experimentales para aplicaciones en fabricacin que ya han sido comentados. Los equipos con palpador son con gran diferencia los mas empleados. Estos equipos consisten en un palpador con una punta de diamante que recorre una longitud sobr e la superficie a examinar con una velocidad controlada, convirtindose su movimiento vertical en una seal elctrica variable con el tiempo mediante un transductor electrnico que aparecer posteriormente amplificada dando una imagen equivalente al estado de la superficie. Paralelamente un microprocesador interpreta la seal electrnica dando los valores de los parmetros cuantificadores de la rugosidad, perfil y ondulacin. Sistema de palpado (palapador) Es el encargado de efectuar la medida mediante el contacto con la pieza lo componen los elementos siguientes: 1. Palpador o aguja La punta del palpador de medida puede ser de diamante o de carburo de tungsteno para asegurar que no se deforme en un plazo largo 2. Captador del movimiento de la aguja Esta aguja va unida a un transductor mecnico-elctrico, de forma que sus pequesimas variaciones verticales de longitud, al resbalar suavemente sobre la superficie de la pieza, producen variaciones proporcionales de la tensin de salida del transductor. Dos tipos de transductor se emplean en la actualidad para estos fines, el inductivo y el piezoelctrico. Tambin existen sistemas pticos y piezoelctricos para la medida do rugosidad, tienen la ventaja de que pueden medir- piezas imantadas.

4.9



3. Patn El patn es un sencillo elemento mecnico que permite eliminar o "filtrar" los defectos de forma, en la propia exploracin del perfil. La tensin de salida del transductor, convenientemente amplificada y tratada, lleva el perfil microgeomtrico total. La separacin de sus dos componentes se realiza en la prctica mediante el empleo de filtros elctricos, pasa alto para eliminar las ondulaciones y pasa bajo para eliminar las rugosidades. En caso de desear estudiar el perfil microgeomtrico completo, la seal no se filtra. Esta es la forma de realizacin prctica de la separacin entre ondulacin y rugosidad. La longitud de onda de corte del filtro, viene a coincidir con la longitud bsica. Estos valores son los mismos para los filtros pasa alto que para los pasa bajo, de tal forma que la suma de ambas seales sean complementarias y vengan a restituir el perfil microgeomtrico total. 4.7 Parmetros de rugosidad El acabado superficial est cuantificado por parmetros que pretenden determinar las caractersticas de la textura superficial. Los parmetros que se tratarn sern los ms utilizados y pueden ser clasificados segn el tipo de caractersticas, que se miden. [UNE 82 315 86] Parmetros de amplitud. Son aquellos que se determinan nicamente por la altura de los picos o de la profundidad de los valles (o ambos) sin tener en cuenta su separacin a lo largo de su superficie. Se pueden referir a la rugosidad (parmetros R; como por ejemplo Ra,Rt y Rz ) o la ondulacin (parmetros W). Se miden desplazamientos verticales en el eje Z Parmetros de separacin y de forma: Los parmetros de separacin son aquellos que se determinan nicamente mediante las distancias de las desviaciones de perfil en toda la superficie y los de forma son aquellos que se determinan por una combinacin de amplitud y separacin. Se miden irregularidades en el eje X y en el eje Z Parmetros extendidos: Es un determinado nmero de parmetros que no se definen simplemente por el perfil de datos. Por otra parte segn el filtro empleado para la obtencian de la curva de muestreo se tendr la siguiente clasificacin: Sin filtro, con filtro de rugosidad, con filtro de ondulacin, y, con filtro rugosidad y ondulacin. 4.7.1 Parmetros de amplitud Desviacin media aritmtica del perfil, Ra: Es la media aritmtica de los valores absolutos de las desviaciones del perfil, en los lmites de la longitud bsica. En la prctica los valores de Ra se determinan dentro de una longitud de exploracin que contiene varias longitudes bsicas

Ra = 1/ l y dx0

l

Grficamente, Ra representa la altura del rectngulo, de base l, que tiene la misma rea que las irregularidades del perfil. Antiguas denominaciones del parmetro Ra son AA (Arithmetic Averange) en los EE.UU y CLA (Center Line Averange) en el Reino Unido4.10



Desviacin media cuadrtica del perfil, Rq: Valor medio cuadrtico de las desviaciones del perfil, en los lmites de la longitud bsica.

Rq = 1/ L y( x) 2 dx0

L

Altura mxima de una cresta, Rp: Distancia del punto mas alto del perfil a la lnea media, dentro de su longitud bsica Profundidad mxima de valle, Rm: Distancia del punto ms bajo del perfil a la lnea media, dentro de la longitud bsica Altura mxima del perfil, Ry: Distancia entre la lnea de las crestas y la lnea de los valles, dentro de la longitud bsica. Ry = max (y) - min(y)

4.7.2 Parmetros de separacin y de forma de las irregularidades Paso de las irregularidades del perfil: (Smi) Longitud de la lnea media que contiene una cresta y un valle consecutivo.

4.11



Paso medio de las irregularidades del perfil, Sm: Valor medio del paso de las irregularidades del perfil, dentro de la longitud bsica

Sm = 1/ n SmiSmi: paso de las irregularidades del perfil, n: nmero de pasos de las irregularidades del perfil en la longitud bsica. 4.7.3 Parmetros extendidos Longitud portante del perfil, p: Suma de los segmentos obtenidos cortando las crestas por una lnea paralela a la lnea media, dentro de la longitud bsica, por un nivel de corte dado.

p = b1 + b 2 + .........bn

Tasa de longitud portante del perfil, tp: Relacin de la longitud portante a la longitud bsica. En principio, la tasa de longitud portante del perfil se expresa en porcentaje.tp = p l

Curva de la tasa de longitud portante del perfil: Grfico que representa la relacin entre los valores de la tasa de longitud portante del perfil y el nivel de corte del perfil.4.12


Incertidumbre y Calibracin

Leccin 5.MEDIDA

INCERTIDUMBRE Y CALIBRACIN DE INSTRUMENTOS

DE

5.1 Introduccin. En el proceso de medicin, la medida es analizada y recogida por el observador mediante los equipos adecuados y est condicionada por factores de influencia.Debido a la imperfeccin de nuestros sentidos o de los aparatos usados, habr siempre una incertidumbre en el valor medido obtenido y por tanto una discrepancia entre el valor nominal y el real o efectivo cuya diferencia es el INTERVALO DE ERROR. Los factores de influencia se agrupan fundamentalmente en las siguientes categoras segn se relacionen con: - El instrumento de medida - La propia magnitud a medir - El operador o equivalente - Procedimientos de medicin - Factores ambientales - Otras causas En el caso de medidas de precisin se aade al valor numrico de la magnitud otra valoracin, que se cuantifica mediante la incertidumbre de la medida adoptada. En la mayor parte de las reas metrolgicas, esta incertidumbre es la semiamplitud de un intervalo (intervalo de incertidumbre) centrado sobre el valor numrico de la medida. En este contexto,se denomina : PRECISIN.- a la cualidad que caracteriza la aptitud de un instrumento para dar un valor verdadero a la magnitud de medida VALOR VERDADERO.- es el que se acepta como vlido para un determinado fin. La precisin se aplica como trmino CUALITATIVO, siendo la incertidumbre:un trmino CUANTITATIVO. La determinacin de la incertidumbre de los instrumentos y equipos de medida es, por consiguiente, imprescindible dentro de un sistema de calidad. Casi todo el trabajo de la metrologa aplicada a la calibracin se destina a conocer la incertidumbre de un equipo o de una medida, as como el error de correccin, de los instrumentos de medida 5.2 Calibracin. Los fabricantes, los industriales y los laboratorios de ensayo requieren la calibracin del conjunto de sus instrumentos de medida, para asegurar que todas sus medidas se encuentren dentro de las tolerancias respecto de su grado de precisin, al tiempo que se asegura tambin la trazabilidad de las mediciones a las unidades bsicas del S.I. Calibracin: Es el conjunto de operaciones que establecen, en condiciones especificadas, la relacin entre los valores de una magnitud indicados por un instrumento de medida o un sistema de medida, o los valores representados por una medida materializada o por un material de referencia, y los valores correspondientes de esa magnitud realizados por patrones. (VIM 6.11).

5.1



- Es determinar el valor de los errores de un patrn, instrumento o equipo de medida y proceder a su ajuste o a expresar aquellos mediante una tabla o curva de correccin y la incertidumbre asociada. - Debe realizarse peridicamente con la frecuencia que la experiencia aconseje (segn uso, categora, plazos establecidos, ...). - Permite atribuir a las indicaciones los valores correspondientes del mensurando o bien determinar las correcciones a aplicar en las indicaciones. - Puede servir tambin para determinar las otras propiedades metrolgicas tales como las magnitudes de influencia. 5.3 Cadena de calibracin: transmisin de la incertidumbre. Los patrones o instrumentos utilizados en la calibracin de otros de nivel inferior, deben recibir la calibracin, a su vez, de niveles superiores, con lo que se establece una sucesin de operaciones de calibracin que culmina en la materializacin de la unidad correspondiente segn la definicin en vigor del S.I. y con el mayor nivel de precisin posible en cada momento. La calibracin, por tanto, transmite de unos instrumentos de medida a otros los valores verdaderos de la clase de magnitud que pueden medir. Bastara con disponer de un patrn nico en algn lugar del mundo, accesible para que pudiera ser comparado con un instrumento de medida. Al patrn universal no tiene acceso cualquier instrumento sino solamente algunos muy seleccionados. Cada uno de estos instrumentos a su vez se considera como un patrn o como un instrumento de referencia que disemina el verdadero valor de la unidad hacia otro nivel de instrumentos y as sucesivamente. Ese sistema es lo que se designa como una cadena de calibracin. Toda cadena de calibracin es un proceso que lleva consigo una incertidumbre propia. Esa incertidumbre se combina con la incertidumbre de definicin o de calibracin del patrn y con la incertidumbre inherente a la calidad del instrumento que se va a calibrar. La incertidumbre de calibracin o intrnseca del instrumento es nicamente un lmite inferior insalvable de la incertidumbre de las mediciones hechas por l. Incertidumbre: Es el valor de la semiamplitud de un intervalo del mejor valor disponible (el valor mejor corregido) para el resultado de la medida. Dicho intervalo representa una estimacin plausible de la zona de valores del mensurando, entre los cuales es casi seguro que se encuentre el valor verdadero. 5.4 Relacin entre tolerancia e incertidumbre. Son dos trminos que por su homloga expresin pueden dar lugar a equvocos. Tolerancia.- son los intervalos definidos en una especificacin, norma, etc. en los que es admisible se site una magnitud, siendo as la zona de tolerancia la diferencia entre las medidas mxima y mnima. La tolerancia es algo que pertenece al producto fabricado o pieza a medir siendo la incertidumbre algo intrnseco del instrumento de medida.

5.2



Mediante las normas o especificaciones se establecen tolerancias, que se comprueban con medidas que llevan asociadas una incertidumbre. Todava se puede aclarar ms con el siguiente grfico:

Segn la norma o especificacin la pieza debe tener una longitud L, dentro de un margen de tolerancia de T, se han realizado una serie de mediciones xi, con una incertidumbre asociada Ii.=U=ku - x1 se encontrara fuera de tolerancia siempre, con la I asociada. - x3 se encontrara siempre dentro de tolerancia, con la I asociada. - x2 y x4 se podran considerar dentro o fuera de tolerancia, segn el margen de incertidumbre de nuestro aparato de medida. Una postura prudente y simple es definir como intervalo de decisin el correspondiente a T-2U y limitar el valor del cociente de ambos intervalos (tolerancia e incertidumbre).

3

T 10 2U (k = 2)

Valores mayores que diez exigiran medios de medida muy costosos, y la reduccin del lmite inferior por debajo de tres supondra un rechazo importante de elementos correctos.

. La resolucin del instrumento de medida elegido debe de cumplir adems que:0,5 I(k =2) 10 ; E

Con E = divisin de escala

5.3



5.5 Expresin de la incertidumbre de medida en calibracin Los procedimientos de registro de datos se harn de acuerdo con las recomendaciones de la WECC( Western European Calibration Cooperation)., segn el documento EA 4-2. A continuacin se expone el procedimiento operativo para la expresin de los resultados de las medidas en una calibracin. Todas las causas de error en el resultado de una medida hecha con un instrumento pueden clasificarse en los siguientes grupos: Causas aleatorias fuera de control: La incertidumbre asociada se estima mediante reglas estadsticas bien establecidas. Causas debidas a las magnitudes de influencia: No son objeto de la medida pero influyen de una u otra manera en la lectura del instrumento. Provocando desviaciones que no pueden ser ignoradas. Se pueden conocer las funciones que ligan las lecturas con las variaciones de estas magnitudes, por lo que se puede calcular una correccin y aplicarla para eliminar el error. La expresin de la medida o calibracin ser: Y = y + U Donde el mesurando Y es designado, como un resultado. Depende de un nmero de cantidades Xi (i = 1, 2, 3 ... v) de acuerdo con una funcin G : Y = G ( X1, X2, ..Xi.. Xv ) Y U es la incertidumbre y se calcula como multiplicacin de la incertidumbre expandida por un factor de cobertura o incertidumbre k. U=k.u La WECC decidi utilizar un factor k = 2, en el caso de una distribucin normal, significando que los lmites de incertidumbre se calculan con un nivel de confianza del 95 %. Como los valores de las cantidades Xi son generalmente desconocidos, los valores estimados de xi se usan como datos para evaluar la incertidumbre total en el resultado de una medida. El conjunto de las magnitudes de entrada Xi, puede agruparse en dos categoras, segn la forma en que se haya calculado el valor de la magnitud y la incertidumbre asociada al mismo: Magnitudes cuyo valor estimado e incertidumbre asociada se determinan directamente a partir de las propias mediciones. Se evaluar segn el mtodo denominado Tipo A Magnitudes cuyo valor estimado e incertidumbre asociada se incorporan a la medicin desde fuentes externas, tales como las magnitudes asociadas a patrones de medida calibrados, materiales de referencia certificados o datos de referencia obtenidos de manuales. Se evaluar segn el mtodo Tipo B El valor de la medida ser, sustituyendo los valores xi medios en la funcin G descrita y = G ( x1, . xv) El valor de la incertidumbre expandida ser: 2 2 G G 2 = ( ) si2 + ( ) ui2 = ci si2 + ci ui2 u X X Donde ci = coeficiente de sensibilidad y se representa las varianzas tipo A(estadsticas) por s y las de tipo B por u.5.4



5.5.1 Evaluacin varianzas de variables tipo A. Cuando una medida es repetida bajo las mismas condiciones puede haber una desviacin en los valores medidos, si hay suficiente resolucin en el proceso de medicin. Con n medidas independientes (n > 1), el valor estimado xi de la variable Xi corresponde a la media aritmtica de las j mediciones observadas vi,j:x i = vi = 1 vi, j n

La estimacin de la desviacin tpica experimental viene dada por:svi = 1 ( v i , j - v i )2 n -1

El valor estimado ptimo de la varianza de la media aritmtica Xi viene dado por:

s xi 2 =Donde n = nmero de medidas realizadas

1 2 s i n

Es recomendable que el nmero de medidas sea igual o superior a 10. 5.5.2 Evaluacin varianzas de tipo B. Esta evaluacin consiste en calcular la variabilidad asociada de una magnitud de entrada por un mtodo distinto del anlisis estadstico de una serie de observaciones. Los valores pueden obtenerse de: Datos de mediciones anteriores Conocimiento del comportamiento del material o instrumento Especificaciones de los fabricantes Datos obtenidos en otras calibraciones y otros certificados Incertidumbres asociadas a datos de referencia procedentes de manuales Deben distinguirse los siguientes casos: [1]. Si slo se conoce un valor para una variable Xi, el valor resultante de una medida previa, o el valor de correccin dado por el fabricante, entonces, ste valor puede ser usado como xi. La varianza adoptada ser dada, o se estimar en base a la experiencia. [2]. Si se conoce la distribucin de una variable Xi, se tomar como varianza el cuadrado de la desviacin estndar de la muestra, s2. [3]. Si se conocen los valores lmites de la variable Xi se tomar: xi = 1/2 ( al - ah) Y la varianza ser: u 2 = 1/12 (al - ah)2 En caso de lmites iguales la varianza es: u2 = 1/3 a2; que corresponde a una distribucin rectangular.

5.5



El valor numrico de la incertidumbre deber proporcionarse, como mximo con dos cifras significativas. Por ejemplo: Incertidumbre: 0,354 0,0354 1234,3 Se redondea a: 0,35 0,035 1,2103

Para obtener un resultado final que conlleve un nmero de cifras compatible con la incertidumbre de medida, se redondea el resultado de forma que el error debido al redondeo sea inferior a U/10. Por ejemplo si el valor medido y=1234,564, con una incertidumbre U=3,5, el error debe ser inferior a U/10=0,35, lo que nos da y=1234,63,5. La expresin de la incertidumbre es el objetivo principal en un procedimiento de calibracin de un equipo o instrumento, para ello construiremos la siguiente tabla con las diferentes contribuciones a la incertidumbre: Magnitud Tipo X1 A X2 B X3 B correccin X4 Patrones Media x1 x2 x3 x4 Varianzas coef.sensib. Incertidumbre tpica Sx1 c1 u1(y) Ux2 c2 u2(y) Ux3 c3 u3(y) I/k c4 u4(y)

Xn Y 5.6

A/B

xn Y=g(x1,..xn)

Sxn

Cn

un(y) k x (u(y))

Criterios en calibracin de equipos de medida y control

Generalmente son: Conocimiento del equipo a calibrar Obtencin de fuentes de procedimientos de calibracin Realizacin de mediciones del equipo comparndolo con un patrn de mayor precisin segn los criterios anteriormente mencionados, que relacionan tolerancias, incertidumbres y divisin de escala. Obtencin de Incertidumbres de medida en distintos puntos de la escala o escalas Obtener la Incertidumbre del equipo como la mayor de las obtenidas. Desarrollar y modificar en caso necesario el procedimiento de calibracin del equipo. 5.7 Sistema de control Es la organizacin del conjunto de equipos de medida para asegurar su gestin y control de forma que se pueda asegurar su existencia y operatividad. Consta de los siguientes subsistemas Sistema de verificacin: Acciones a realizar entre calibraciones para comprobar el instrumento, con objeto de asegurar la exactitud e incertidumbre del equipo tal cmo refleja el certificado de calibracin.

5.6



Plan de calibracin: Organizacin del conjunto de equipos de medida y prueba para los que se establece la necesidad de calibracin existentes en una empresa para efectuar la calibracin de los mismos metdicamente, de forma que se pueda asegurar en todo momento la incertidumbre de las medidas que con ellos se realicen. Contiene los siguientes documentos: Inventario; Carta de trazabilidad; Fichero de instrucciones (procedimientos); Archivo de datos. (certificados); Etiquetas de calibracin; Diagrama de niveles (que recoge todos los instrumentos ordenados por niveles, en los que siempre los superiores calibran a inferiores). Sistema de Mantenimiento: Organizacin del conjunto de equipos de medida y prueba para los que se establece la necesidad de mantenimiento preventivo o correctivo para efectuar estos metdicamente de forma que se pueda asegurar su buen funcionamiento y su reparacin, en su caso. SISTEMA DE CONTROL Equipos de medida y ensayo Sistema calibracin Sistema de verificacin de

Sistema de mantenimiento

En el sistema de control es fundamental la seleccin de los equipos que se vayan a utilizar y se debe tener en cuenta el uso requerido, especificaciones, caractersticas, cumplimiento de normas, incertidumbres, mantenimiento verificaciones y procedimientos de calibracin.

5.7


Introd. conformado por arranque de material

Leccin 6.- INTRODUCCIN MATERIAL.

AL

CONFORMADO

POR

ARRANQUE

DE

6.1 Introduccin. Los procesos de reduccin de masa o arranque de material se usan extensamente en la industria. Se caracterizan porque el tamao de la pieza de trabajo original es lo bastante grande para cincusncribir la geometra final y porque el material indeseable se elimina en forma de viruta, rebaba, partculas, etc. La mayora de los componentes metlicos estn sujetos, en una u otra etapa, a un proceso de eliminacin de material. Muchos otros materiales como plsticos y madera son sometidos frecuentemente a procesos similares. El principio en el que se basan el proceso de conformado por arranque de material es el de generar una superficie suministrando los movimientos relativos necesarios para ello entre la herramienta de corte y la pieza. El filo de la herramienta remueve parte del material de la pieza, y a este material removido se le denomina viruta. El conformado por arranque de material ha avanzado mucho desde sus principios y, actualmente, permite conseguir grandes precisiones en el mecanizado debido al uso de mquinas-herramientas comandadas por control numrico. Como ancdota baste citar lo que podramos considerar la primera mquina de mecanizado por eliminacin de material. A mediados del siglo XVIII, en los albores de la revolucin industrial, el ingeniero ingls Reynolds ide un curioso invento para mecanizar el interior de la camisa de un pistn para una mquina de vapor. El artefacto consista en una masa de plomo, supuestamente cilndrica, forrada de madera y atada con cuerdas por ambos lados. El movimiento de tan curioso ingenio, en el interior de la camisa del pistn, untada con aceite y polvo esmeril, era proporcionado por seis hombres fornidos. El seor Reynolds se alegr mucho al comprobar que, con su mquina, haba conseguido tan perfecto acabado que la holgura mxima, entre el pistn y la camisa, no sobrepasaba el grosor de su dedo meique.Fig. 6.1-1: Mandrinado de los cilindros de vapor

Los procesos de arranque de material son deseables en fabricacin por las siguientes razones: 1. Puede ser requerido una precisin mayor que en los procesos resultantes de procesos de deformacin o fundicin. 2. Las piezas pueden tener perfiles externos e internos como ngulos vivos que no pueden ser obtenidos mediante otros procesos de fabricacin 3. Algunas piezas pueden ser tratadas trmicamente para mejorar las propiedades de dureza y resistencia al desgaste. Debido a las distorsiones que pueden sufrir con estos6.1



tratamientos se hace necesario la aplicacin de procesos de acabado como rectificado para mejorar las dimensiones finales y el acabado superficial 4. Especiales caractersticas de superficie que no pueden ser producidas de otra manera 5. Cuando el mecanizado de las piezas es mas econmico que por cualquier otro mtodo de elaboracin de las formas. El mecanizado tambin tiene las siguientes caractersticas que no siempre son deseables: : 1. El arranque de material gasta material y generalmente requiere mayor cantidad de energa y consumo de recursos que en otros procesos de conformado por deformacin plstica. 2. El arranque de un volumen elevado de material de una pieza, conlleva generalmente mayor tiempo que el conformado mediante otros procesos. 3. El arranque de material puede causar efectos adversos en la calidad superficial propiedades del producto. y

Los elementos bsicos a poner en juego para la realizacin de procesos de conformado por eliminacin de material (procesos de mecanizado) son: Pieza: a. Material b. Caractersticas metalrgicas c. Forma de partida d. Especificaciones pieza acabada Herramienta. a. Tipo: i. Por su construccin 1. Enterizas 2. Plaquitas soldadas 3. Plaquitas de fijacin mecnica ii. Por nmero y manera de operar los filos 1. Herramientas monofilo 2. Herramientas multifilo 3. Abrasivos b. Materiales. Mquinas herramienta a. Universales. b. De Produccin en serie Utillajes. Operario o sistema de control.

6.2



Mquina herramientaHerramienta Control Utillaje Material

Fig. 6.1-2: Partes de la mquina herramienta

6.2 Movimientos en el proceso de arranque de material. En un proceso de arranque de material la mquina-herramienta debe proporcionar las siguientes clases de movimientos relativos entre la pieza a mecanizar y la herramienta: El movimiento principal o de corte: es el proporcionado por la, mquina con el fin de que la cara de la herramienta alcance el material de la pieza. Es el movimiento que consume la mayor parte de la potencia necesaria para el mecanizado de una pieza. El movimiento de avance: es el que proporciona la mquina a la pieza o a la herramienta y que, aunado al movimiento principal, conduce a una remocin de la viruta y a la creacin de una superficie mecanizada de las caractersticas deseadas. El movimiento de avance puede ser continuo o escalonado, no obstante consume una pequea parte de la potencia necesaria para el mecanizado. Movimiento de penetracin o ajuste: Es el que asegura una interferencia entre la pieza y la herramienta a fin de que tenga lugar la eliminacin del material, de tal forma que la pieza resultante despus de cada pasada tenga la dimensin adecuada. Suele ser un movimiento de carcter intermitente que se efecta mientras no tiene lugar la eliminacin del material, o sea, antes de iniciarse cada operacin fundamental. La resultante de los dos primeros movimientos de la herramienta se llama movimiento de corte resultante y se define como el movimiento resultante de los movimientos principal y de avance simultneos.

Fig. 6.2-1: Velocidad de corte resultante.

6.3



Velocidad de corte, v: La velocidad de corte v es la velocidad instantnea del movimiento resultante de la herramienta en relacin con la pieza de trabajo. Normalmente el ngulo de la velocidad de corte suele ser despreciable y se asume la velocidad de corte como la velocidad del movimiento principal de la herramienta respecto la pieza. Velocidad de avance, f: La velocidad de avance se define como la velocidad instantnea del movimiento de avance en relacin con la pieza de trabajo en un punto seleccionado del filo cortante. Se puede dar en mm/rev o bien en mm/min. Profundidad de corte, a: Es la distancia que el borde cortante o filo penetra o se proyecta por debajo de la superficie original de la pieza. La profundidad de corte determina las dimensiones finales de la pieza. Espesor de la viruta, ao: Es el grosor de la viruta no deformada medido perpendicularmente al filo y en un plano perpendicular a la direccin de corte. Anchura de viruta, b: Es la anchura de la viruta en estado no deformado, medido a lo largo del filo en un plano perpendicular a la velocidad de corte. rea de corte, A: El rea de corte es el producto del espesor de la viruta no deformada y la anchura de la viruta. A=aob Tasa de remocin de material, V: En herramientas de una sola punta, es el producto del rea de corte y la velocidad de corte ( Tiene unidades de caudal, o sea mm3/min )

Fig. 6.2-2: Definiciones para torneado.

6.3 Herramientas en el del proceso de arranque de material La herramienta monofilo de corte en forma de cua, consiste bsicamente en dos superficies que se intersecan para formar el filo. La herramienta adecuada para una operacin de mecanizado es una combinacin de geometra, y material de herramienta seleccionada y aplicada teniendo en cuenta los siguientes factores

6.4



Fig. 6.3-1: Factores eleccin herramienta de corte.

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

Tipo de Operacin Forma de la pieza y material a mecanizar Mquina herramienta Condiciones de corte Acabado superficial requerido Estabilidad general Costos de mecanizado

6.4 Geometra de herramienta En una herramienta de corte es fundamental considerar los ngulos que intervienen en la formacin de la superficie y en el proceso de corte. A continuacin se describirn las caractersticas geomtricas de las herramientas con filos bien definidos, segn UNE16149: Filo mayor/principal: El filo mayor es aqul en el que un segmento del mismo es responsable de la mayor parte del corte Filo menor: El filo menor es aqul en el que un segmento del mismo es el principal responsable de generar la superficie en la pieza de trabajo Radio entre filos (de punta): El radio de la punta de la herramienta r es la curva de transicin entre el filo mayor y el filo menor. Cara o superficie de desprendimiento: Es la superficie sobre la cual fluye la viruta. Flanco o superficie de incidencia : Es la superficie apoyada posteriormente (idealmente en el filo) para dejar libre la superficie generada en la pieza. Existen dos flancos. El flanco mayor es el flanco adyacente al filo mayor; y el flanco menor es el flanco adyacente al filo menor. Profundidad de pasada o espesor de la viruta no deformada: Es la profundidad de cada capa de material removido por la herramienta y, aunque esta dimensin vara a menudo en las operaciones practicas de corte en la medida en que el corte progresa, por simplificacin, se suele tomar constante.

6.5



Fig. 6.4-1 : ngulos de herramienta.

ngulo de desprendimiento efectivo o ngulo de inclinacin normal efectiva, : Es la pendiente de la cara de la herramienta, y esta pendiente se especifica en el corte ortogonal por el ngulo existente entre la cara de la herramienta y una lnea perpendicular a la nueva superficie de trabajo o de la pieza. ngulo de incidencia o normal efectivo, : Es el ngulo existente entre el flanco y la superficie generada en la pieza y puede afectar al desgaste de la herramienta por unidad de tiempo. ngulo del filo, : Es el ngulo existente entre la cara y el flanco. Se deduce que:

+ + = /2ngulo de posicin o del filo mayor, :. El ngulo del filo mayor es el ngulo entre el filo mayor y el plano de trabajo, medido en un plano perpendicular al plano de trabajo Angulo de corte o comprendido, : Es el ngulo, entre los filos mayor y menor medido en un plano perpendicular al plano de trabajo y paralelo a la direccin del avance. Angulo de posicin secundario o del filo menor, ': El ngulo del filo menor se incluye para impedir que el filo menor entre en contacto con la pieza de trabajo en toda su extensin.

6.6



6.5

Materiales de herramienta

Los materiales para herramientas estn sujetos a intensos desarrollos. Esto es debido a una evolucin que ha durando durante todo el siglo veinte y especialmente desde los aos treinta. No solamente han aparecido materiales completamente nuevos, sino que el acero rpido (HSS), que apareci a principio de siglo, ha sido desarrollado pudiendo trabajar a mayores velocidades de corte. Es sin embargo la introduccin y el continuo desarrollo de los metales duros lo que ha mejorado realmente el corte de metales durante las recientes dcadas. As una operacin de torneado que requera 100 minutos en 1900, se pudo hacer en 1 minuto en 1980 con metal duro. El material idneo debe ser: Duro, que resista el desgaste en incidencia y la deformacin Tenaz para resistir la rotura Quimicamente inerte con el material a mecanizar Quimicamente estable para resistir la oxidacin y la disolucin Resistente a los choques trmicos Los tipos de materiales mayormente utilizados son: Acero rpido, HSS: Son aceros aleados que resisten temperaturas en los filos en el intervalo de 500 a 600 . Los elementos tpicos aleantes son tungsteno, cromo, vanadio, y cobalto. Las mayores temperaturas permisibles hacen posible incrementar la velocidad de corte un 100% en comparacin a los aceros al carbono. Metal Duro: El metal duro es un producto pulvimetalrgico, fabricado principalmente con un nmero de diferentes carburos mezclados. Estos carburos son muy duros y los ms utilizados son Carburo de tungsteno(WC), carburo de titanio(TiC), carburo de tntalo (TaC) y carburo de Niobio (NbC). El aglomerante es en su mayor parte cobalto (Co). Metal duro recubierto: Uno de los pasos ms importantes en el desarrollo de los materiales de corte fue el que se dio hacia el final de los aos 60; la introduccin del metal duro recubierto con una fina capa de carburos. La capa de carburo de titanio fu de solo unas pocas micras de espesor pero cambi el comportamiento de las herramientas de metal duro. Cermets (cermica - metal): Los cermets son metales duros basados sobre carburos de titanio en lugar del carburo de tungsteno. Cermicas: Son herramientas muy duras con elevada dureza en caliente y no reaccionan con los materiales de las piezas. Pueden mecanizar a velocidades de corte altas. Se basan en tener una fuerte base de xido de aluminio (Al2O3) o Niruro de silicio (Si3N4)

6.7



Nitruro de Boro Cubico. CBN: Es uno de los materiales de herramientas mas duros. Combina alta resistencia y elevada dureza en caliente. Es un material frgil pero ms tenaz que las cermicas. Diamante Policristalino. PCD : Es el material de corte sintetico mas duro que se conoce. Tiene elevada resistencia al desgaste por abrasin.

Fig. 6.5-1 : Aplicaciones de materiales de herramienta.

6.8


Fundamentos del corte de metales

Leccin 7.-

FUNDAMENTOS DEL CORTE DE METALES.

7.1 Introduccin. Un proceso de corte es una interaccin controlada entre pieza de trabajo (geometra, material), la herramienta (geometra y material) y la mquina (potencia, rigidez, movimientos). Dicha interaccin est influida por: - Condiciones seleccionadas de corte: Velocidad de corte, avance y profundidad de corte. - Fluidos de corte: Tipo y cantidad. - Fijaciones: de herramienta, de pieza. Han de mejorar la rigidez. 7.2 Corte ortogonal. Mecanismo de formacin de la viruta. Todas las operaciones de corte de metales pueden ser modelizadas al proceso en donde la herramienta posee forma de cua, tiene un filo recto, y su movimiento est restringido con respecto a la pieza de tal forma que una capa de material es removido en forma de viruta. Un caso especial de corte, en el cual el filo de la herramienta es perpendicular a la direccin del movimiento relativo entre la pieza y la herramienta es conocido como corte ortogonal (ver fig. superior).El caso general en el que el ngulo de posicin de la herramienta no sea de 90 se conoce como corte oblicuo. Se entiende por viruta a la forma en que el exceso de material es eliminado en los procesos de mecanizado (excluyendo los procesos abrasivos) El fundamento del proceso de corte mediante el modelo del plano de deslizamiento (V. Pijspanen, 1937) se establece por deformacin plstica del material en la zona del plano de deslizamiento, experimentndose un cizallamiento y un recalcado (o acortamiento en la direccin del desplazamiento de la viruta)

7.1



La formacin de la viruta tiene lugar en la zona que se extiende desde el filo de la herramienta hasta la unin entre las superficies de la pieza; esta zona se conoce como zona de deformacin primaria. A bajas velocidades de corte el espesor de la zona es grande, pero a velocidades prcticas su espesor puede considerarse un plano.

El ngulo que forma el plano de corte con la superficie mecanizada se denomina ngulo de corte. Para deformar el material de esta manera, las fuerzas que se trasmiten a la viruta en la interfase existente entre ella y la cara de la herramienta, son suficientes para deformar las capas inferiores de la viruta a medida que ella se desliza sobre la cara de la herramienta (zona de deformacin secundaria). La viruta se puede considerar formada por capas delgadas, las cuales se deslizan unas sobre otras, segn el ngulo de corte. El tipo de viruta producido durante el proceso de corte depende del material que se est mecanizando y de las condiciones de corte utilizadas. En la prctica se encuentran tres tipos bsicos de formacin de virutas: La viruta continua, la viruta continua con recrecimiento de filo, y la viruta discontinua. Viruta continua.: Este tipo de virutas es comn cuando se mecanizan la mayora de los materiales dctiles, tales como hierro forjado, acero suave, cobre y aluminio. El corte, bajo estas condiciones es un proceso estable. Bsicamente esta operacin consiste en el cizallamiento del material de trabajo y en el deslizamiento de la viruta sobre la cara de la herramienta de corte. Viruta con recrecimiento del filo: Bajo ciertas condiciones, la friccin entre la viruta y la herramienta es suficientemente grande para que la viruta se suelde a la cara de la herramienta. La presencia de este material soldado aumenta an ms la friccin, y este aumento induce el auto soldado de una mayor cantidad de material de la viruta. El material apilado resultante es conocido como filo recrecido. A menudo el filo recrecido contina aumentando hasta que se aparta a causa de su inestabilidad. Los pedazos son entonces arrastrados por la viruta y por la superficie generada en la pieza. El recrecimiento del filo es uno de los principales factores que afectan al acabado superficial y puede tener una influencia considerable en el desgaste de las herramientas.

7.2



Viruta discontinua o quebrada: Durante la formacin de la viruta el material es sometido a grandes deformaciones y, si es frgil, se fracturar en la zona de deformacin primaria cuando la formacin de la viruta es incipiente. Bajo estas condiciones la viruta se segmenta, y esta condicin se conoce como formacin de la viruta discontinua. Se producen virutas discontinuas siempre que se mecanicen materiales tales como hierro fundido o bronce fundido, pero tambin pueden producirse cuando se mecanizan materiales dctiles a muy baja velocidad y avances grandes. A bajas velocidades de corte, las virutas continuas poseen una curvatura natural y tienden a ser frgiles. Hoy en da, debido a las elevadas velocidades de corte, se hace necesario el control de la viruta continua por los peligros y dificultades resultantes de su formacin: A continuacin se expone una grfica que relaciona los tipos diferentes de viruta que se obtienen con diferentes avances y profundidades.

El control y la fragmentacin de las virutas se logra mediante un rompe virutas, que se define como una modificacin de la cara de la herramienta para controlar o fragmentar la viruta, consistente bien en una ranura integral, bien en una obstruccin integral o postiza. Un rompevirutas acta controlando el radio de la viruta y dirigindola en una direccin apropiada para que se rompa en pedazos de longitud pequea. Adems de un diseo apropiado del rompevirutas, se requiere que la herramienta posea la geometra precisa para que la viruta siga la trayectoria apropiada a travs de la cara. La direccin del flujo de la viruta es controlada por el ngulo de inclinacin efectivo del filo principal, as cuando es igual a 0 (Corte ortogonal) la viruta formar una espiral en la mayora de los casos. En el corte oblicuo las virutas largas son, usualmente, tubulares, helicoidales planas o helicoidales cnicas y pueden volverse enredadas.7.3



7.3 Potencia y fuerzas de corte. El consumo de energa por unidad de tiempo durante el mecanizado Pm es el producto de la velocidad de corte y la fuerza de corte. As: Pm=Fcvc El consumo de energa por unidad de tiempo y el arranque de metal por unidad de tiempo son proporcionales a la velocidad de corte. Un parmetro que da una indicacin acerca de la eficacia del proceso, independientemente de la velocidad de corte, es la energa consumida por unidad de volumen de material removido y conocido como la energa especfica de corte ps (presin especfica de corte): ps = Pm /Zw = Fc. vc /vc Ac = Fc/Ac Donde: Zw es el metal removido por unidad de tiempo (vc Ac) Ac el rea de la seccin de la viruta sin cortar. La energa especfica de corte puede variar considerablemente para un material dado y es afectada por cambios en la velocidad de corte, el avance, inclinacin de la herramienta, etc. 7.4 Fuerzas de corte En el corte ortogonal, la fuerza resultante Fr aplicada a la viruta por la herramienta acta en un plano que es perpendicular al filo de la herramienta. Esta fuerza se determina usualmente, en trabajo experimental, a partir de al medicin de dos componentes ortogonales: una en la direccin de corte (fuerza de corte Fc), la otra normal a la direccin de corte (fuerza de empuje Ft ). La fuerza resultante sobre la herramienta en el corte de metales est distribuida sobre las reas de la herramienta que estn en contacto con la viruta y la pieza. 7.5 Desgaste de herramienta La duracin de las herramientas de corte es un factor econmico muy importante en las operaciones de mecanizado. La prdida de capacidad de corte en una herramienta puede realizarse de dos formas: Progresivamente, debida al fenmeno de desgaste Instantneamente por fallo catastrfico. La vida o duracin del filo est en funcin de diversas fuerzas o cargas, las cuales contribuyen a d

fundamentos detm

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